3D全息投射虚拟键盘设计

廖钰 姜权财 廖明铭

【摘 要】论文以3D全息投射技术为技术基础，实现键盘的虚拟化，以取代传统物理键盘，提高其使用寿命和安全性。虚拟键盘以激光为投射光源，以3D全息投射技术为技术支撑，通过三角测距原理对键盘按键动作进行捕捉，实现虚拟键盘与计算机的交互应用。

【关键词】3D全息投射;虚拟键盘;三角测距

【中图分类号】TP391.41                                           【文献标志码】A                                            【文章编号】1673-1069（2019）01-0150-02

1 引言

随着网络虚拟技术的不断推广，人们对于计算机方面的需求也有了相应提高，特别是对键盘的需求。3D全息投射即可以将物体全部信息投射到特定屏幕或者某区域的一种投影技术，利用干涉和衍射原理，记录并再现物体真实的三维图像[1]。利用3D全息原理，实现物理键盘虚拟化，可极大地提高其使用寿命，同时也能够提高其安全性和保密性。应用于高端的军事、经济等方面，虚拟键盘可以提升安全系数，更利于保密性高的工作的开展，还可以用于安全方面，如银行、自动取款机等，能够有效地防止因残留下来的指纹而造成机密文件丢失、密码泄露等情况的发生。

键盘的虚拟化，大大提高了计算机的使用效率及其使用范畴，打破了传统物理键盘的局限性。若将其应用于军事方面，能够迅速地消除指纹痕迹，而且在微型化的情况下，可便于携带，在今后的科技发展中，完全可以依靠机器人技术进行操作，降低人工操作的不规范性等。在经济与安全方面能够大大地提升安全系数，增强保密性，更加利于保密性强的工作事项的开展，同时还具有极强的防御能力。3D虚拟键盘成功地取代传统物理键盘，将科技应用于日常的工作中，扩大了科技的普及范畴。

本设计在3D全息投射技术的基础上实现对传统物理键盘的虚拟化，再通过在激光测距仪中使用一束线型激光照射目标物体，在目标物体的反射光被摄像头捕捉到，结合三角测距原理，得出目标物体中被线激光照亮部分的坐标信息，及其按键坐标位置的定位，最后建立相应的映射机制，通过桌面坐标P（x，y）找到对应按键键值，并最终通知操作系统触发一个对应键值的按键事件。

2 总体方案设计

针对传统物理键盘的诸多不足，在先前的研究基础上，本文提出应用3D全息投射虚拟键盘的想法，全息投影技术是利用干涉和衍射原理记录并再现物体真实的三维图像记录和再现的技术。主要通过干涉原理实现对物体光波信息的記录，物体通过激光辐照所形成的物光束以漫射形式存在，作为参考光束的部分激光和物光束叠加产生干涉现象并投射在全息底片上，并记录其全部信息。在干涉的基础上，结合衍射原理再次体现物体光波信息，实现对物体的光波信息的再现。对于键盘的虚拟化的四个核心步骤如下：

2.1 产生键盘的画面

键盘画面的产生采用的是全息激光投射仪的全息投射技术。3D全息投射技术的原理是一种利用干涉和衍射原理记录并再现物体，并以三维图像的形式呈现，通过全息投影设备激光器组实现如图1所示的虚拟键盘的投射。

2.2 判断按键动作进行与否

键盘的输入事件及识别，利用三角测距的原理检测键盘的输入，基于三角测距原理的激光测距仪一致的办法，通过主动投射激光来进行目标物体的三维坐标检测。在激光测距仪中使用一束线型激光照射目标物体，在目标物体的反射光被摄像头捕捉到，利用三角测距原理，可以求出目标物体中被线激光照亮部分的坐标信息。

利用三角测距原理，首先将线激光所产生的光线平面与桌面平行并紧贴在桌面之上，将摄像头放置于激光发射器上方并俯视桌面，如图2所示。此时若手指接近桌面，则会阻挡住激光的通路，产生反射，反射的光点画面会被图中摄像头拍摄到。这是一个标准的三角测距的结构设置。

2.3 按键对应内容的识别

当手指遮挡激光平面后产生了反射，因此，会在摄像头画面中出现较为明亮的光斑，可以通过简单的视觉算法来提取指尖部分。由于只有当手指靠近或者碰触到桌面才会遮挡住激光产生反光，而在距离桌面较高的位置则不会被检测算法察觉。只要当检测算法检测到手指反光，则可认为出现了按键事件，且可直接用当前检测到的坐标来进行后续的处理。

建立一个映射机制，通过桌面坐标P（x，y）找到对应按键键值，并最终通知操作系统触发一个对应键值的按键事件。这里的做法与GUI系统进行UI元素碰撞判断的过程类似[2]。在图形系统中，所有UI元素均保存有其相对于屏幕的坐标值。GUI系统不停地判断当前鼠标指针位置是否落入了某一个按钮或者选择框的坐标范围内。首先需要建立投射键盘图案中每个按键的坐标信息，然后将指尖相对于桌面平面上的坐标P（x，y）映射到键盘图案的坐标系内进行按键的判断。

由于在组装上会存在误差，不能保证每次制作出来的成品激光发射器与键盘图案投射的位置都完全一致，并且单个成品在使用过程中也会因为热胀冷缩等原因，键盘图案会发生偏移。一旦键盘图案发生了移动，则先前以这种方式记录的所有按键坐标都需要重新测量。但如果一开始就以键盘左上角为原点的方式记录坐标，则每次组装完成品或者发生图案偏移后，只需进行简单的矫正，求出一个新的fprojection（）函数即可。

函数fmapping（），一种简单的实现是依次按照前文例图中的判断代码对每个按键轮流计算，判断是否被“按下”。这种方式实现简单直观，但是性能较差。对于这类问题，可以使用Kd-Tree的数据结构进行快速查找。

2.4 按键事件捕捉

通过摄像头捕捉键盘区域的图像并进行分析时，需要对摄像头镜头进行一些改造，首先拆除镜头上的红外光截至滤光片，并在镜头头部安装红外带通滤光片，从而实现测距时对可见光干扰的有效避免。

3 结构设计

虚拟键盘以激光为投射光源，3D全息投射技术为键盘虚拟化的技术依靠，通过三角测距原理对键盘按键动作的捕捉，实现虚拟键盘与计算机的交互应用。通过以上所有步骤实现了键盘的虚拟化，其最终的组装图如图4所示。

4 结语

在网络虚拟技术不断发展的时期，虚拟键盘弥补了传统键盘体积大不宜携带，且保密性不好易留下指纹、有噪音等缺点，可以应用于军事和银行等安全保密性要求较高的机构，具有巨大的市场潜力。

【参考文献】

【1】张岳，郝丽，柳华. 激光显示的原理与实现[J].光学精密工程，2006（03）：22.

【2】刘庆祥，蒋天发. 彩色与灰度图像间转换算法的研究[J].武汉： 武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2003（03）：25.