可穿戴智能戒指在多媒體投影系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　目前，多媒體技術(shù)授課和協(xié)作會(huì)議越來(lái)越普及，國(guó)內(nèi)外諸多電子設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生，但這些產(chǎn)品大部分在使用上有具體的限定。例如，國(guó)內(nèi)外市面已經(jīng)出現(xiàn)可穿戴遠(yuǎn)程操控裝置，其采用陀螺儀定位的同時(shí)進(jìn)行無(wú)線傳輸，使用范圍只有3～5 m，沒有實(shí)現(xiàn)真正意義上的遠(yuǎn)程無(wú)線靈活控制，體積與外形也嚴(yán)重降低了設(shè)備的美觀程度，且出現(xiàn)了續(xù)航短、頻繁充電等問(wèn)題；激光筆技術(shù)可以很好地進(jìn)行PPT定位，但卻面臨著操作不連貫、功能單一、不斷更換電池等問(wèn)題，且不能實(shí)現(xiàn)演示文稿中寫字劃線的鼠標(biāo)功能。

　　為了給多媒體教學(xué)和協(xié)作會(huì)議帶來(lái)更加高效、生動(dòng)的操作模式，系統(tǒng)將可穿戴智能戒指取代傳統(tǒng)激光筆、鼠標(biāo)及語(yǔ)音麥克，實(shí)現(xiàn)“合三為一”。系統(tǒng)由智能戒指和外部獨(dú)立裝置形成，通過(guò)操控智能戒指的按鍵使激光束打到大銀幕上，CMOS攝像頭采集大銀幕中激光點(diǎn)圖像，將采集的圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行存儲(chǔ)、處理，并將計(jì)算得到的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成鼠標(biāo)的絕對(duì)坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)模擬鼠標(biāo)對(duì)PC機(jī)的遠(yuǎn)程操作。此外，語(yǔ)音信號(hào)通過(guò)戒指中無(wú)線發(fā)射模塊傳輸?shù)綋P(yáng)聲器處的語(yǔ)音接收模塊，實(shí)現(xiàn)無(wú)線語(yǔ)音麥克功能。整個(gè)裝置如圖1所示。

　　1 硬件實(shí)現(xiàn)

　　硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括激光變頻發(fā)生器、無(wú)線語(yǔ)音收發(fā)、圖像采集等部分。戒指上的激光發(fā)射頭發(fā)射不同頻率的激光束被圖像傳感器識(shí)別，將信息傳輸?shù)接?jì)算機(jī)后完成激光位置的識(shí)別與跟蹤，進(jìn)而響應(yīng)激光操作。系統(tǒng)硬件總體框圖如圖2所示。

　?。?）激光變頻發(fā)生器模塊

　　教學(xué)與會(huì)議中常見的無(wú)線激光教鞭產(chǎn)生的激光頻率仍以固定頻率為主流，本設(shè)計(jì)采用變頻技術(shù)，通過(guò)左右按鍵實(shí)現(xiàn)激光頻率的不斷改變，既達(dá)到圖像傳感器對(duì)激光進(jìn)行識(shí)別，又實(shí)現(xiàn)了模擬鼠標(biāo)功能，具備便攜省電等優(yōu)點(diǎn)。采用555定時(shí)器產(chǎn)生兩種頻率的激光束，當(dāng)按下可穿戴智能戒指左右鍵時(shí)，激光發(fā)出不同頻率的光，視頻采集處理系統(tǒng)通過(guò)掃描攝像頭在單位時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)膎幀圖像中激光點(diǎn)閃爍的次數(shù)來(lái)判別操作者按下的是左鍵還是右鍵。

　?。?）無(wú)線語(yǔ)音收發(fā)模塊

　　現(xiàn)代大多數(shù)多媒體教室中，無(wú)線語(yǔ)音麥克都是與激光教鞭分隔開，本設(shè)計(jì)將無(wú)線語(yǔ)音麥克與激光教鞭結(jié)合在一起，高效實(shí)用，輕巧方便。為了實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音的有效傳達(dá)，利用FM調(diào)頻收發(fā)技術(shù)把模擬語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行放大與頻率調(diào)頻后，天線將合成的信號(hào)發(fā)射出去。根據(jù)需要，利用相應(yīng)的硬件設(shè)計(jì)放大倍數(shù)和提高信噪比，并在使用場(chǎng)合的揚(yáng)聲器上安置一個(gè)接收模塊，即將頻率信號(hào)還原為語(yǔ)音信號(hào)并進(jìn)行放大，從而實(shí)現(xiàn)麥克風(fēng)的功能。對(duì)應(yīng)電路設(shè)計(jì)方案如圖3所示。

　　（3）CMOS圖像采集模塊

　　為了保證采集到的圖像的質(zhì)量和效果，本設(shè)計(jì)在選用攝像頭時(shí)對(duì)CCD和CMOS傳感器進(jìn)行了對(duì)比。雖然基于CCD傳感器構(gòu)造所產(chǎn)生的圖像具有低噪音、高性能、分辨率高等特點(diǎn)，但是生產(chǎn)CCD需采用時(shí)鐘信號(hào)、偏壓技術(shù)，整個(gè)構(gòu)造復(fù)雜，增大了耗電量，體積較大，也增加了成本。而CMOS采用半導(dǎo)體廠家產(chǎn)生集成電路的流程，可以將所有部件與驅(qū)動(dòng)電路等都集成到一塊芯片上，只需要一個(gè)芯片就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)碼相機(jī)的所有功能。由于本系統(tǒng)的操作數(shù)據(jù)量大且運(yùn)算度復(fù)雜，但對(duì)圖像的清晰度要求不高，且通用性較強(qiáng)，故選用體積小、工作電壓低、功能強(qiáng)大且使用方便靈活的圖像傳感器OV7670。

　　2 軟件實(shí)現(xiàn)

　　為了準(zhǔn)確地識(shí)別激光點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)定位，本設(shè)計(jì)采用了小目標(biāo)尺寸自適應(yīng)檢測(cè)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)BP算法相結(jié)合的圖像處理方法。對(duì)原始圖像進(jìn)行圖像的預(yù)處理，圖像在獲取傳輸存儲(chǔ)過(guò)程中由于受多種原因的影響會(huì)造成圖像的退化降質(zhì)問(wèn)題?；拒浖鞒倘鐖D4所示。

　　根據(jù)圖像分割進(jìn)行圖像分類，其結(jié)果直接影響到后面的目標(biāo)檢測(cè)、特征提取和目標(biāo)識(shí)別等工作。激光點(diǎn)的識(shí)別基于激光獨(dú)特的特征信息，從顏色亮度特征、形狀特征和運(yùn)動(dòng)信息三個(gè)方面對(duì)激光點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)定位，從而減少誤差?，F(xiàn)在已有三種檢測(cè)方式，即遠(yuǎn)程感知類圖像中的形狀識(shí)別方法，視覺注視點(diǎn)位置判斷方法和尺度自適應(yīng)的小目標(biāo)實(shí)時(shí)檢測(cè)方法。本系統(tǒng)通過(guò)獲得足夠的圖像像素點(diǎn)信息，采用對(duì)基本形狀（矩形、圓形、正方形等）劃分為原始模型的方法，識(shí)別指定的區(qū)域。通過(guò)對(duì)分割后的圖像應(yīng)用尺度自適應(yīng)的小目標(biāo)實(shí)時(shí)檢測(cè)法構(gòu)造PNLOG算法公式。又由于激光點(diǎn)的光斑具有同心圓的特征，所以在二維圖像中，構(gòu)造MY算子，實(shí)現(xiàn)形狀目標(biāo)的匹配。

　　式中：x為該亮點(diǎn)區(qū)域外接矩形的長(zhǎng)；y為該亮點(diǎn)區(qū)域外接矩形的寬；？滓為亮點(diǎn)的面積計(jì)算半徑。與其他軌跡識(shí)別技術(shù)（隱馬爾科夫模型、基于樹形分類法、特征集評(píng)估的方法）相比，本設(shè)計(jì)借鑒人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，能有效地解決非線性、非正態(tài)分布的評(píng)價(jià)問(wèn)題。采用并行結(jié)構(gòu)和并行處理，具有較強(qiáng)的靈活性和自適應(yīng)性，計(jì)算速度快，時(shí)效高。

　　3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

　　基于以上較為完善的理論，搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比。從對(duì)比結(jié)果可以看出，算法在結(jié)合小目標(biāo)尺寸自適應(yīng)的檢測(cè)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)BP算法相結(jié)合后，鼠標(biāo)的精準(zhǔn)度及功能的連續(xù)性都都得到了較大的提高。圖5～圖8為演示結(jié)果。其中圖5與圖6是改善算法后屏幕上識(shí)別出的激光點(diǎn)與實(shí)際鼠標(biāo)位置的對(duì)比圖，圖7與圖8是改善算法后利用該裝置實(shí)現(xiàn)劃線等功能對(duì)比圖。

　　經(jīng)過(guò)對(duì)比，戒指在實(shí)現(xiàn)無(wú)線鼠標(biāo)功能時(shí)，采用小目標(biāo)尺寸自適應(yīng)檢測(cè)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)BP算法相結(jié)合的方法會(huì)產(chǎn)生更快速、更準(zhǔn)確的鼠標(biāo)坐標(biāo)定位。表1為算法比較結(jié)果。

　　4 結(jié)論

　　本設(shè)計(jì)靈感來(lái)源于多媒體教室設(shè)備及現(xiàn)代人們穿戴的戒指。現(xiàn)如今，越來(lái)越多的科技文明成果涌入人們的生活，基于人機(jī)互交系統(tǒng)的可移動(dòng)戒指提供了一種新型多媒體投影系統(tǒng)。講述者可以擺脫電腦、鼠標(biāo)鍵盤的約束，遠(yuǎn)距離無(wú)線精準(zhǔn)地控制PC操作，真正實(shí)現(xiàn)教學(xué)（會(huì)議）環(huán)境中的視聽覺結(jié)合，增強(qiáng)了互動(dòng)性、實(shí)時(shí)性，具有較好的教學(xué)效果。