一种电子白板定位方法及系统
阅读：340发布：2023-02-06
专利汇可以提供一种电子白板定位方法及系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种 电子 白板 定位 方法，包括步骤：S1、在电子白板 坐标系 中 选定 四个点坐标作为白板基准点坐标，在计算机屏幕坐标系中选定四个点坐标作为计算机屏幕基准点坐标，建立两基准点坐标之间的映射关系；S2、将上述坐标代入白板坐标与计算机屏幕映射关系式求解参数值；S3、根据计算得到的参数值，建立电子白板量测坐标与计算机屏幕点之间的映射关系；S4、根据映射关系对电子白板所在区域进行任意 位置 的定位。本发明建立了电子白板量测坐标与计算机屏幕点坐标之间更准确的映射关系，消除电子白板平面由理想承影面转动引起的误差，定位方法简单，定位效果精确。，下面是一种电子白板定位方法及系统专利的具体信息内容。
1.一种电子白板定位方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1、以透射中心在电子白板平面内的垂足为原点O，以电子白板所在平面为XOY平面，以垂直于所述XOY平面且与该平面相交的射线为z轴建立电子白板坐标系O-XYZ；将电子白板坐标系O-XYZ绕原点O经过3D旋转变换得到计算机屏幕坐标系O-X′Y′Z′；
S2、在电子白板坐标系O-XYZ中选定四个点坐标(Xm1,Ym1)、(Xm2,Ym2)、(Xm3,Ym3)、(Xm4,Ym4)作为白板基准点坐标，在计算机屏幕坐标系O-X′Y′Z′中选定四个点坐标(Xc1,Yc1)、(Xc2,Yc2)、(Xc3,Yc3)、(Xc4,Yc4)作为计算机屏幕基准点坐标，建立两类基准点坐标之间的映射关系即(Xm1,Ym1)对应(Xc1,Yc1)、(Xm2,Ym2)对应(Xc2,Yc2)、(Xm3,Ym3)对应(Xc3,Yc3)、(Xm4,Ym4)对应(Xc4,Yc4)；
S3、将(Xc1,Yc1)和(Xm1,Ym1)、(Xc2,Yc2)和(Xm2,Ym2)、(Xc3,Yc3)和(Xm3,Ym3)、(Xc4,Yc4)和(Xm4,Ym4)的值分别代入式 中，计算出参数m11、m12、m21、
m22、Tx、Ty、p、q的值；
S4、根据计算得到的参数m11、m12、m21、m22、Tx、Ty、p、q的值，建立电子白板量测坐标(xm,ym)与计算机屏幕点(xc,yc)之间的映射关系F，其中，映射关系F如下：
S5、根据电子白板量测坐标(xm,ym)与计算机屏幕点(xc,yc)之间的映射关系F对电子白板所在区域进行任意位置的定位。
一种电子白板定位方法及系统
技术领域
[0001] 本发明涉及电子白板定位技术领域，具体地说，涉及一种电子白板定位方法及系统。
背景技术
[0002] 交互式电子白板是一种汇集了尖端电子技术、软件技术等多种高科技手段研发的高新技术产品，它是一种新崛起的高层次教学、培训及会议演示设备。它通过应用红外或电磁原理，可以结合计算机和投影机实现无纸化办公及教学，它可以像普通白板或教学黑板一样直接用笔书写，然后输到电脑里去，相对于投影机、普通白板，电子白板有其自身的优点。
[0003] 在电子白板的热点研究中，如何提高定位精确度一直是研究的主要方向，电子白板的功能也得到越来越多的扩展，而这些功能的扩展都必须以电子白板的精确而稳定的定位为基础。
发明内容
[0006] 一种电子白板定位方法，所述方法包括以下步骤：
[0007] S1、在电子白板坐标系中选定四个点坐标(Xm1,Ym1)、(Xm2,Ym2)、(Xm3,Ym3)、(Xm4,Ym4)作为白板基准点坐标，在计算机屏幕坐标系中选定四个点坐标(Xc1,Yc1)、(Xc2,Yc2)、(Xc3,Yc3)、(Xc4,Yc4)作为计算机屏幕基准点坐标，建立两类基准点坐标之间的映射关系即(Xm1,Ym1)对应(Xc1,Yc1)、(Xm2,Ym2)对应(Xc2,Yc2)、(Xm3,Ym3)对应(Xc3,Yc3)、(Xm4,Ym4)对应(Xc4,Yc4)；
[0008] S2、将(Xc1,Yc1)和(Xm1,Ym1)、(Xc2,Yc2)和(Xm2,Ym2)、(Xc3,Yc3)和(Xm3,Ym3)、(Xc4,Yc4)和(Xm4,Ym4)的值分别代入式 中，计算出参数m11、m12、m21、m22、TX、TY、p、q的值；
[0009] S3、根据计算得到的参数m11、m12、m21、m22、TX、TY、p、q的值，建立电子白板量测坐标(xm,ym)与计算机屏幕点(xc,yc)之间的映射关系F，其中，
[0010]
[0011]
[0012] S4、根据电子白板量测坐标(xm,ym)与计算机屏幕点(xc,yc)之间的映射关系F对电子白板所在区域进行任意位置的定位。
[0013] 一种电子白板定位系统，包括:
[0014] 第一模块，用于在电子白板坐标系中选定四个点坐标(Xm1,Ym1)、(Xm2,Ym2)、(Xm3,Ym3)、(Xm4,Ym4)作为白板基准点坐标，在计算机屏幕坐标系中选定四个点坐标(Xc1,Yc1)、(Xc2,Yc2)、(Xc3,Yc3)、(Xc4,Yc4)作为计算机屏幕基准点坐标，建立两类基准点坐标之间的映射关系即(Xm1,Ym1)对应(Xc1,Yc1)、(Xm2,Ym2)对应(Xc2,Yc2)、(Xm3,Ym3)对应(Xc3,Yc3)、(Xm4,Ym4)对应(Xc4,Yc4)；
[0015] 第二模块，用于将(Xc1,Yc1)和(Xm1,Ym1)、(Xc2,Yc2)和(Xm2,Ym2)、(Xc3,Yc3)和(Xm3,Ym3)、(Xc4,Yc4)和(Xm4,Ym4)的值分别代入式 中，计算出参数m11、m12、m21、m22、TX、TY、p、q的值；
[0016] 第三模块，用于根据计算得到的参数m11、m12、m21、m22、TX、TY、p、q的值，建立电子白板量测坐标(xm,ym)与计算机屏幕点(xc,yc)之间的映射关系F，其中，
[0017] 第四模块，用于根据电子白板量测坐标(xm,ym)与计算机屏幕点(xc,yc)之间的映射关系F对电子白板所在区域进行任意位置的定位。
[0018] 通过上述方案，本发明可获得以下有益效果：本发明消除电子白板平面由理想承影面绕X、Y轴转动而来引起的定位误差，建立了电子白板量测坐标与计算机屏幕点坐标之间更准确的映射关系，定位方法更为简单，定位效果更加精确。通过本发明来对电子白板进行定位，具有操作方便的特点，只需要测量几个点即可实现；不需要额外的硬件及软件，有利于电子白板用户与计算机用户之间的交互式交流。附图说明
[0019] 下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
[0020] 图1是本发明电子白板定位方法理想承影面示意图；
[0021] 图2是本发明电子白板定位方法流程图；
[0022] 图3是本发明电子白板定位方法应用环境示意图；
[0023] 图4是本发明电子白板定位方法与基于最小二乘法的仿射变换定位方法9个采样点斜距误差直方图。
具体实施方式
[0024] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0025] 一、本发明技术思路
[0026] 本发明中，电子白板性能理想即电子白板的X、Y两个量测方向是正交的，且每个方向的量测是线性的，这符合电子白板的设计要求；投影机性能理想，即投影机可以将计算机屏幕在某承影面上无畸变的投射出来，这符合投影机的设计要求。
[0027] 在电子白板应用中，可以使用各种方法调整使电子白板平面尽量与理想承影面重合(理想承影面的定义为：若平面S经过透射中心在电子白板平面上的垂足，且投影内容在S上无畸变的投射出来，则称S是理想承影面)，但是由于种种不可避免的原因(包括施工的不精确、人工调整投影机的不精确等)，电子白板平面与理想承影面无法保证重合，电子白板平面总是由理想承影面经过3D旋转变换得到。
[0028] 图1是本发明电子白板定位方法中理想承影面示意图。如图1所示，透射中心为Oc，以Oc在电子白板平面内的垂足为原点O，OX′为X轴，OY′为Y轴,OOc为Z轴建立坐标系O-X′Y′Z′，则X′OY′平面π′即为理想承影面。
[0029] 同时，以透射中心Oc在电子白板平面内的垂足为原点O，以电子白板所在平面为XOY平面，以垂直于所述XOY平面且与该平面相交的射线为z轴建立坐标系O-XYZ，在坐标系O-XYZ中，XOY平面为非理想承影面π。坐标系O-X′Y′Z′可由坐标系O-XYZ绕原点O经过3D旋转变换而来。在坐标系O-XYZ中同时以顺时针或逆时针将X轴旋转角度θX作为新的X轴，将Y轴旋转角度θY作为新的Y轴，将Z轴旋转角度θZ与OOc重合作为新的Z轴，建立坐标系O-X′Y′Z′。则新的坐标系O-X′Y′Z′绕原X、Y、Z坐标轴的旋转变换的矩阵分别为：
[0030]
[0031]
[0032]
[0033] 这样从坐标系O-XYZ到坐标系O-X′Y′Z′的旋转变换矩阵：
[0034]
[0035] 其中，RXYZ是正交矩阵：
[0036]
[0037] 仿射变换是一种二维坐标到二维坐标之间的线性变换，它保持了二维图形的“平直性”(即：直线经过变换之后依然是直线)和“平行性”(即：二维图形之间的相对位置关系保持不变，平行线仍旧是平行线，且直线上点的位置顺序不变)。仿射变换就是平移、缩放、旋转、翻转、错切这些变换的复合。
[0038] 2D仿射变换是一种线性变换，它可通过旋转，尺度，平移变换建立起电子白板量测坐标(xm,ym)与计算机屏幕点坐标(xc,yc)的映射关系：
[0039]
[0040] 上式共有6个未知数m11、m12、m21、m22、TX、TY，需要知道3个计算机屏幕点坐标与对应的电子白板量测点坐标以确定这个线性变换的未知参数。
[0041] 在电子白板使用过程中，可以通过多次量测获得电子白板量测坐标与计算机屏幕坐标的对应关系，因此可以将最小二乘法应用于仿射变换，通过多对计算机屏幕点坐标与电子白板量测点坐标的对应关系确定映射参数以提高定位精度。基于最小二乘法的仿射变换方法参数确定公式为：
[0042]
[0043] 其中:
[0044]
[0045] 其中n为所取得电子白板量测坐标与计算机屏幕坐标的对应关系的数量,即电子白板量测坐标(xm,ym)的组数，n≥3。
[0046] 然而，上述2D仿射变换是一种线性变换，它建立了两个平面点集的对应关系，但无法解决电子白板平面由理想承影面绕X、Y轴转动而来引起的定位误差。为消除这种定位误差，需建立更准确的模型和映射关系F。
[0047] 下面将详细说明本发明映射关系F的构建过程：
[0048] 如图1所示，计算机的矩形屏幕在理想承影面π′上投射出的是一个等比例放大的矩形S′。则坐标系O-X′Y′Z′中电子白板平面π所在平面的即为：
[0049]
[0050] 即：
[0051]
[0052] 实际投影机将成像面Z＝Zc上的点Pc(xc,yc,Zc)透射至承影面π上不规则四边形S内的点P′(x′w,y′w,z′w)，这样Pc(xc,yc,Zc)与P′(x′w,y′w,z′w)的关系满足：
[0053]
[0054] 在坐标系O-X′Y′Z′中，Zc是成像面上的Z坐标，Zs是不规则四边形S的Z坐标。
[0055] 从坐标系O-X′Y′Z′到坐标系O-XYZ需要经历一次坐标变换，这次坐标变换需要把坐标系O-X′Y′Z′中的点P′(x′w,y′w,z′w)映射到坐标系O-XYZ中的点P′(xw,yw,0，)这同样是一次旋转变换，而且变换矩阵就是RXYZ，则：
[0056]
[0057] 从而得到：
[0058]
[0059]
[0060] 由于θZ可以在接下来的仿射变换中被吸收，这里令θZ＝0，则式(1.15)、(1.16)为：
[0061]
[0062]
[0063] 在电子白板的应用中θX与θY较小，sinθX→θX，sinθY→θY，cosθX→1，cosθY→1，则：
[0064]
[0065]
[0066] 再令：
[0067]
[0068] 有：
[0069]
[0070]
[0071] 在电子白板平面XWOWYW内，坐标系O-XYZ下的点P的坐标(xw,yw,0)变换到电子白板的量测(xm,ym)仍需经过一次仿射变换，在这次变换中C与θZ被吸收在矩阵元素m11、m12、m21、m22中，因此，这里可以令C＝1：
[0072]
[0073] 这样，便建立了电子白板的量测点坐标与计算机屏幕点坐标的对应关系。式中p、q加上仿射变换的6个参数一共有8个未知数，因此欲取得电子白板定位参数，需要建立8个方程，即需要知道4个计算机屏幕点坐标与电子白板量测点坐标的对应关系。
[0074] 采集与电子白板相连的计算机屏幕中任意四个点的坐标，所述四个点的坐标分别为(Xc1,Yc1)、(Xc2,Yc2)、(Xc3,Yc3)、(Xc4,Yc4),采集电子白板量测坐标(Xm1,Ym1)、(Xm2,Ym2)、(Xm3,Ym3)、(Xm4,Ym4)，(Xm1,Ym1)对应(Xc1,Yc1)、(Xm2,Ym2)对应(Xc2,Yc2)、(Xm3,Ym3)对应(Xc3,Yc3)、(Xm4,Ym4)对应(Xc4,Yc4)；将上述坐标值代入式(1.24)中，即确定了电子白板量测坐标(xm,ym)与计算机屏幕点(xc,yc)之间的映射关系：
[0075]
[0076]
[0077] 根据式(1.25)、(1.26)即可完成对电子白板所在区域任意位置的定位。
[0078] 二、基于上述技术思路，参见图2，本发明电子白板定位方法包括如下步骤：
[0079] S1、在电子白板坐标系(即所述O-XYZ坐标系)中选定四个点坐标(Xm1,Ym1)、(Xm2,Ym2)、(Xm3,Ym3)、(Xm4,Ym4)作为白板基准点坐标，在计算机屏幕坐标系(自带坐标系)中选定四个点坐标(Xc1,Yc1)、(Xc2,Yc2)、(Xc3,Yc3)、(Xc4,Yc4)作为计算机屏幕基准点坐标，建立两类基准点坐标之间的映射关系即(Xm1,Ym1)对应(Xc1,Yc1)、(Xm2,Ym2)对应(Xc2,Yc2)、(Xm3,Ym3)对应(Xc3,Yc3)、(Xm4,Ym4)对应(Xc4,Yc4)；选择基准点可选用区域的左上角、右上角、左下角、右下角的四个角点。
[0080] S2、将(Xc1,Yc1)和(Xm1,Ym1)、(Xc2,Yc2)和(Xm2,Ym2)、(Xc3,Yc3)和(Xm3,Ym3)、(Xc4,Yc4)和(Xm4,Ym4)的值分别代入式 中，计算出参数m11、m12、m21、m22、TX、TY、p、q的值；
[0081] S3、根据计算得到的参数m11、m12、m21、m22、TX、TY、p、q的值，建立电子白板量测坐标(xm,ym)与计算机屏幕点(xc,yc)之间的映射关系F，其中，
[0082]
[0083]
[0084] S4、根据电子白板量测坐标(xm,ym)与计算机屏幕点(xc,yc)之间的映射关系F对电子白板所在区域进行任意位置的定位。
[0085] 三、以下结合具体实施例对本发明电子白板定位方法作进一步说明。
[0086] 某公司电子白板定位系统包括PC机、中央控制器、电子白板、将电脑屏幕显示信息投影至电子感应白板的投影机、光笔或手；上述部件连接图如图2所示。
[0087] 具体安装调节白板及定位步骤如下：
[0088] 步骤1：将USB线一端与白板相连。
[0089] 步骤2：将USB的另一端接入所用电脑的一个USB口。
[0090] 步骤3：将投影仪安装好，用VGA线把投影仪和中央控制器连接好。再将电脑与中央控制器用VGA线连接好。
[0091] 步骤4：在电脑键盘上操作将画面切换到投影，即电脑桌面画面打到白板上。
[0092] 步骤5：调整投影机，使得画面能打到近似满屏。
[0093] 步骤6：安装好交互式白板或硬件设备后，在1280×800的分辨率下，取计算机屏幕中四点的坐标值，并根据计算机屏幕中四点的坐标值获得对应的电子白板量测坐标，并代入式(1.24)中建立8个方程，求解出本发明方法所需要的8个参数m11、m12、m21、m22、TX、TY、p、q，即确定了电子白板量测坐标(xm,ym)与计算机屏幕点坐标(xc,yc)的映射关系。从而实现对电子白板所在区域进行任意位置的定位。
[0094] 以下为本发明与基于最小二乘法的仿射变换定位算法的比较。
[0095] 电子白板的定位误差d的大小可用来评价定位方法的优劣，斜距越小则定位方法精度越高。电子白板的定位误差d定义为由本发明方法定位方法计算得到的计算机屏幕点的坐标值(xc,yc)与计算机屏幕实际坐标(xp,yp)的斜距：
[0096]
[0097] 误差d产生的原因是多方面的，包括白板定位机制的线性特性优劣，投影机的成像畸变程度等等，都会对定位精度造成一定的影响。
[0098] 在1280×800的分辨率下，取计算机屏幕中(160,100)、(160,700)、(1120,100)、(1120,700)四点，分别用两种算法确定定位参数，然后再取白板中的3×3＝9个点，比较了通过两种算法定位的斜距误差，实验结果如图表1与图3所示。
[0100]
[0101] 方法一：基于最小二乘法的仿射变换定位方法
[0102] 方法二：本发明定位方法
[0103] 实验结果表明，在使用四点对应关系进行定位时，本发明基电子白板定位方法由于采用了更准确的模型，在精度上要显著优于基于最小二乘法的仿射变换定位算法。当屏幕坐标确定时，本发明的方法计算得到的坐标与实际坐标之间的斜距更小，更接近电脑屏幕的坐标，使得电子白板在实际应用中更为方便，精度更高。
[0104] 在实际应用中，本发明电子白板定位方法由于采用了更精确的模型，因此比基于最小二乘法的仿射变换定位方法更容易适应投影机投射效果不理想的情况。
[0105] 通过本发明来对电子白板进行定位，具有操作方便的特点，只需要测量几个点即可实现；且定位精度高，不需要额外的硬件及软件。更加利于学生与教师之间的交互式沟通，也利于电子白板与用户电脑之间的交互式交流。
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