摘要：為了實現(xiàn)激光筆與大屏幕的互動,，基于常用的OV9650攝像頭模塊和315 MHz無線收發(fā)模塊,，采用了一種FPGA架構(gòu)實現(xiàn)激光筆與大屏幕互動的設(shè)計方案。OV9650攝像頭模塊的采集信號由FPGA進行緩存和處理,，由它計算出激光點的坐標(biāo),，之后計算機接收激光點的坐標(biāo)及激光筆發(fā)出的無線控制信號,，通過授課主機端的軟件實現(xiàn)激光筆與大屏幕的互動。目前該系統(tǒng)已應(yīng)用于上海交通大學(xué)部分智能教室中,，效果明顯,。
關(guān)鍵詞：激光筆互動；亮點識別,；FPGA,；OV9650；無線收發(fā)

0 引言
    在多媒體教學(xué)的普及過程中,，普遍存在如何引進現(xiàn)代化教學(xué)設(shè)備與教師課堂教學(xué)習(xí)慣有機結(jié)合的問題,。目前教師在做教學(xué)演示的過程中，往往需要守在計算機旁邊,，一邊操作計算機一邊進行講解,，需要重點強調(diào)的地方，還要不時地站起身來,，指指點點,，本來提供方便的多媒體演示設(shè)備，卻把教師豐富的課堂語言都束縛了,。為了解決這個問題，本文設(shè)計并實現(xiàn)了一個基于FPGA的激光筆輔助教學(xué)系統(tǒng),，以便讓教師可以通過激光筆在遠(yuǎn)處與計算機系統(tǒng)進行交互,。
    基于FPGA的激光筆互動教學(xué)系統(tǒng)的實現(xiàn)原理是：首先通過OV9650攝像頭模塊拍攝到投影屏，并在攝像頭捕捉圖中檢測到激光點的位置信息后,，通過跟蹤來分析和識別激光點的軌跡,，同時通過激光筆上的按鍵信息來共同實現(xiàn)激光筆與遠(yuǎn)程計算機的交互。在激光點的檢測方法中,，用到了不同的線索,，如激光點的運動特征和模式特征以及顏色特征等。由于激光點的區(qū)域很小,，模式特征不是很明顯,，易受到噪聲的干擾，而激光點顏色特征不同的使用環(huán)境中可以有較大的變化,，因此單純使用顏色特征也不是很好的辦法,。文獻(xiàn)提出將激光點的顏色特征、運動信息和形狀特征這幾種線索融合起來進行激光點的檢測,，可使準(zhǔn)確率得到一定的提升,，但是仍然存在漏檢和誤判的情況。
    該系統(tǒng)通過濾光片的使用,，基本排除了噪聲的干擾,，使系統(tǒng)的準(zhǔn)確率得到大大的提升,。文獻(xiàn)公開了一種激光筆指示與光點識別方法，利用亮度信息從顯示屏圖像提取紅色激光點,，亮點識別原理與本文一致,，但是由于使用的是固定槍式攝像頭，故安裝調(diào)試不方便,。Cavens等通過改變硬件方法實現(xiàn)點擊功能,，在普通激光筆上增加了按鍵，接收器根據(jù)按鈕發(fā)射頻段的不同判斷操作類型,，但是使用起來效果比較單一,。文獻(xiàn)分別使用了不同方法來實現(xiàn)激光筆的互動，但都比較單一,，不夠完善,。然而在對激光點的行為進行描述上，文獻(xiàn)提到的激光筆互動系統(tǒng)使用起來非常復(fù)雜,。本文提出的系統(tǒng)通過FPGA將攝像頭模塊,、亮點識別算法模塊以及無線收發(fā)模塊集成在一起，使得系統(tǒng)部署方便,，使用更為靈活,。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計方案
    基于FPGA的激光筆互動教學(xué)系統(tǒng)主要是為在智能自然教學(xué)空間中授課的教師提供一種輔助工具，幫助他們在課程講義上進行各種指示動作或軌跡繪制,，以及遠(yuǎn)距離進行各種操作,，從而使教學(xué)過程更生動，教師的行動更自由,。為完成提供交互式教學(xué)場景的任務(wù),，系統(tǒng)的總體設(shè)計遵循方便、實用,、效率的原則,，使教師和學(xué)生都感到自然，“黑板”更具有特色,。圖1是基于FPGA的激光筆互動系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖,，它主要由嵌入式模塊、激光筆,、授課主機和投影屏幕4大部分組成,。

    教師通過激光筆這一交互工具，在顯示屏幕上留下光點,，通過紅光濾光片及OV9650攝像頭獲取顯示屏幕的信息,，并通過FPGA模塊中的亮點識別算法獲取視頻圖像每一幀中的光點位置，這樣的坐標(biāo)信息送至授課主機，通過坐標(biāo)變換將亮點位置變換為自身的屏幕坐標(biāo)位置,，并進行軌跡繪制,、放大鏡操作或鼠標(biāo)操作，結(jié)果通過投影或VGA線纜連接在顯示屏幕上展示出來,。除此以外,，激光筆本身和FPGA模塊通過無線連接，F(xiàn)PGA模塊與授課主機通過USB線纜連接,，利用筆上的按鈕控制整個系統(tǒng)的啟動和中止,，以及軌跡繪制、放大鏡操作和鼠標(biāo)操作之間的功能切換,。系統(tǒng)邏輯流程如圖2所示,。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計與實現(xiàn)
2．1 無線發(fā)射激先筆設(shè)計
    無線發(fā)射激光筆可以產(chǎn)生穩(wěn)定可靠的激光光點，另外有5個功能按鍵分別發(fā)射不同的控制信息,。根據(jù)設(shè)計要求,，將激光頭分為按鍵編碼模塊和無線發(fā)射模塊。設(shè)計框圖如圖3所示,。在此,，采用了PT2262／PT2272編解碼芯片，其中PT2262為編碼芯片,；PT2272為解碼芯片,。基于PT2262的工作方式,，設(shè)計了6按鍵的編碼電路方案,，如圖4所示。K0～K5為6個按鍵,，分別對應(yīng)數(shù)據(jù)位D0～D5。當(dāng)所有按鍵都斷開時,，晶體管Q1截止,，電路中沒有電流，芯片不工作,。當(dāng)6個按鍵中任意一個被按下時,，R1和按鍵的下拉電阻分壓使得Q1的基極電壓下降，Q1導(dǎo)通,，PT2262芯片開始工作,，指示燈D1工作。此時,，除了閉合的按鍵所對應(yīng)的數(shù)據(jù)位為邏輯高電平之外,，其他位為低電平。

    無線發(fā)射模塊的功能是將按鍵信息編碼調(diào)制到高頻載波上并發(fā)送。載波頻率為315 MHz,，調(diào)制方式為幅度調(diào)制,。發(fā)射后的信號可由系統(tǒng)的無線接收模塊進行接收并解碼。

2．2 無線接收模塊
    無線接收模塊用以接收激光筆發(fā)射端的控制信號,，它主要包括接收解調(diào)和信號解碼兩個部分,。為了達(dá)到較高靈敏度的目的，選擇超再生接收作為接收端的接收解調(diào)方案,，其電路原理如圖5所示,。信號通過天線接收，首先經(jīng)過L2和C23濾出315 MHz附近的頻段信號,。Q1為第一極放大,，放大特性通過R18和R17施加偏置電壓控制；Q2為超再生混頻管,，其本身通過C15,，C16和L1構(gòu)成的選頻網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生315 MHz附近的本征振蕩，然后與前級放大后的信號進行混頻,。如果本征頻率與315 MHz足夠接近,，混頻后將產(chǎn)生低頻分量，該分量即為調(diào)制到載波上的編碼信號,。

    解碼芯片采用PT2272,，與PT2262配套使用。PT2272有多種型號,，后綴可以為L4,，M4，L6,，M6等,，后綴中的L表示鎖存數(shù)據(jù)輸出，M表示瞬態(tài)輸出,。這采用PT2272-M6,，解碼后的控制信號經(jīng)FPGA處理后輸出。
2．3 FPGA采集處理及數(shù)據(jù)傳輸
    在系統(tǒng)的總體設(shè)計上,，采用Altera公司的EP2C8Q208C8 FPGA芯片作為系統(tǒng)的主控芯片,，配合OMNIVISION公司的OV9650數(shù)字CMOS圖像傳感器和ISSI公司的IS42S16160B片外SDRAM存儲芯片來構(gòu)建攝像頭激光點采集處理系統(tǒng)，采集到的圖像可由VGA模塊顯示,。激光點可利用其較高的亮度信息與背景色進行分辨區(qū)分,，計算出的激光點坐標(biāo)以及無線接收的控制信息以串口數(shù)據(jù)的方式發(fā)送，經(jīng)片外CP2102串口轉(zhuǎn)USB模塊,，可使數(shù)據(jù)通過USB口發(fā)送到授課主機,。該系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)方框圖如圖6所示。

    FPGA模塊是該系統(tǒng)的核心模塊，它將數(shù)據(jù)采集,、圖像處理,、圖像存儲控制、圖像顯示控制,、坐標(biāo)計算及串口傳輸控制等功能集成到一片芯片上,。該系統(tǒng)采用Altera公司的EP2C8Q208C8 FPGA芯片，它擁有5 256個邏輯單元(LE),、36個M4K,、2個PLL和18個嵌入式乘法器，還擁有最多138個通用I／O口,，它能提供足夠多的擴展口,，以滿足系統(tǒng)的所有要求。另外,，OV9650攝像頭基于CMOS圖像傳感器技術(shù),，最大輸出圖像分辨率為SxGA(1 280×1 024)。OV9650支持多種圖像格式,，包括10位或者8位的原始RGB,，RGB565，RGB555,，GBR[4：2：2],，YUV等多種格式，且具備自動圖像控制功能,，包括自動曝光控制AEC,、自動增益控制AGC、自動白平衡AWB以及自動濾波ABF等,。以上各個參數(shù)都可以通過芯片的SCCB接口進行設(shè)置,。SCCB是OMNWISION公司定義的串行相機控制總線，主要用于對該公司研發(fā)的系列圖像芯片寄存器進行設(shè)置,。OV9650有多個寄存器,，這些寄存器主要用于對圖像格式和圖像質(zhì)量的控制，用戶可以通過SCCB總線對這些寄存器進行讀／寫操作,。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計與實現(xiàn)
    該教學(xué)系統(tǒng)的軟件部分可以分為屏幕校準(zhǔn)模塊和屏幕顯示模塊。
3．1 屏幕校準(zhǔn)模塊
    由于在OV9650攝像頭所采集到的圖像信息中無法準(zhǔn)確地只包含顯示屏幕的信息而不含其他成分,，且顯示屏幕在視頻圖像中往往不是規(guī)則的四邊形,，而是帶有較小曲率的類似四邊形，因此需要進行屏幕校準(zhǔn)步驟,，使圖像信息中的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為顯示屏幕對應(yīng)的坐標(biāo),。這種轉(zhuǎn)換采用線性代數(shù)的方法，公式如下：
   
    式中：為轉(zhuǎn)換后坐標(biāo)；為轉(zhuǎn)換前坐標(biāo),；A,，d為轉(zhuǎn)換參數(shù)，通過計算初始采集圖像中屏幕的4個頂點坐標(biāo)值得到,。
    該系統(tǒng)中的這種轉(zhuǎn)換及需要的定位位置要在系統(tǒng)啟動時期以獲取,，并將轉(zhuǎn)換矩陣固定，這樣對每個坐標(biāo)值的轉(zhuǎn)換可在常數(shù)時間內(nèi)完成,。
3．2 屏幕顯示模塊
    屏幕顯示模塊主要完成軌跡繪制,、鼠標(biāo)操作和放大鏡操作的實現(xiàn)。該模塊的邏輯流程如圖7所示,。

    圖7中屏幕顯示模塊的輸入來自屏幕校準(zhǔn)模塊校準(zhǔn)后的激光點坐標(biāo)信息,，輸出為軌跡繪制的顯示、鼠標(biāo)操作的響應(yīng)或放大鏡操作的響應(yīng),。具體來說,，這三種輸出是該系統(tǒng)功能模式的實現(xiàn)，分別為：
    繪圖模式  使用激光筆在屏幕上描繪,，屏幕上出現(xiàn)對應(yīng)的軌跡,，同時可以通過激光筆上的按鍵實現(xiàn)幻燈片的上下翻頁及擦除屏幕軌跡的操作。
    鼠標(biāo)模式  使用激光筆在屏幕上的指示位置,，屏幕上的鼠標(biāo)發(fā)生移動,，并可通過激光筆上的按鍵實現(xiàn)鼠標(biāo)左擊及右擊的操作。
    放大鏡模式  使用激光筆在屏幕上的指示位置,，屏幕上對應(yīng)的區(qū)域會進行局部放大,，并且屏幕上的放大區(qū)域會隨著光點發(fā)生移動。為了防止操作激光筆時由于手的輕微抖動使屏幕產(chǎn)生輸出,，本系統(tǒng)采用了閾值的方法對這一情況進行了限制,，具體算法如圖8所示。

4 系統(tǒng)的整體實施結(jié)果
    基于FPGA的激光筆互動教學(xué)系統(tǒng)功能測試效果如圖9所示,。從圖中可以看出,，基于FPGA的激光筆互動教學(xué)系統(tǒng)完全實現(xiàn)了預(yù)先設(shè)定的邏輯功能，在實際使用中能大大方便智能教室的教學(xué),，提高教學(xué)質(zhì)量,。

5 結(jié)語
    激光筆互動教學(xué)具有如下有益效果；能夠豐富教學(xué)環(huán)境,，提供給教師一種更新的教學(xué)模式,，可使教師的教學(xué)工作更加連貫和自由；在其他環(huán)境中,，通過遠(yuǎn)程指示特性,，各種人機交互設(shè)備可被修改為遠(yuǎn)程指示性設(shè)備,，避免人力直接接觸屏幕，提高設(shè)備的可靠性,。同時該系統(tǒng)采用FPGA將攝像頭模塊,、光點識別算法模塊及無線接收模塊集成在一起，使得FPGA模塊成為惟一的外設(shè),，方便安裝部署,，從而使得系統(tǒng)不僅僅局限于教室這一場景，大大提高了這套系統(tǒng)的實用性,。未來的工作主要是將FPGA模塊與授課主機的通信方式由USB線纜通信升級為藍(lán)牙通信,，進一步增加系統(tǒng)的靈活性及實用性。