本发明提供了一种有源笔书写定位方法，包括如下步骤：(1)当有源笔触摸屏幕时，图像采集单元将拍摄并采集有源笔触摸屏幕的图像；(2)图像二值化处理单元对步骤(1)所得的图像进行二值化处理，并提取其相关坐标；(3)图像边缘处理单元对步骤(2)处理后的图像提取其图像边缘轮廓；(4)曲率处理模块计算步骤(3)所得图像边缘轮廓各点的曲率；(5)曲率处理模块根据步骤(4)所得的曲率，计算出有源笔起笔位置的坐标；(6)所述步骤(5)所得的坐标通过控制电脑的显示装置进行显示。本发明通过判断各点间的曲率差值大小来选择不同的求重心方法，不论使用者握笔与书写平面垂直与否，都可自动校正显示的位置为落笔的位置。
1.一种有源笔书写定位方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）当有源笔触摸屏幕时，图像采集单元将拍摄并采集有源笔触摸屏幕的图像；
（2）图像二值化处理单元对步骤（1）所得的图像进行二值化处理，并提取其相关坐标；
（3）图像边缘处理单元对步骤（2）处理后的图像提取其图像边缘轮廓；
（4）曲率处理模块计算步骤（3）所得图像边缘轮廓各点的曲率；
（5）曲率处理模块根据步骤（4）所得的曲率，计算出有源笔起笔位置的坐标，计算有源笔起笔位置的坐标的具体步骤如下：（5-1）曲率处理模块中的曲率比较模块比较步骤（4）所得的图像边缘轮廓各点的曲率大小，若图像边缘轮廓上任意两点的曲率差值大小小于设定阀值，则进行步骤（5-2），否则进行步骤（5-3）；
（5-2）有源笔起笔位置的坐标为所 有边缘轮廓点的重心坐标，且重心坐标通过曲率处理模块中的重心计算模块进行计算，重心坐标满足：
整个边缘轮廓点组成的集合，xo为重心po的x轴坐标值，yo为重心po的y轴坐标值，x（i）为边缘轮廓点i的x轴坐标值，y（i）为边缘轮廓点i的y轴坐标值；
（5-3）以最大曲率的边缘轮廓点为中心，取其附近的左右若干个边缘轮廓点，通过曲率处理模块中的重心计算模块计算这些点的重心坐标，求得的重心坐标就是有源笔起笔位置的坐标，重心坐标满足：其中，R为由以最大曲率的边缘轮廓点为中
心和其附近的左右若干个边缘轮廓点构成的区域的半径值，x（j）为轮廓点的x轴坐标值，y（j）为轮廓点的y轴坐标值，S(i)是以轮廓点p(i)为中心、半径为R的区域；
（6）所述步骤（5）所得的坐标通过控制电脑的显示装置进行显示。
2.根据权利要求1所述的有源笔书写定位方法，其特征在于：所述步骤（3）中，还需对图像边缘轮廓进一步作高斯平滑处理。
3.根据权利要求1所述的有源笔书写定位方法，其特征在于：所述步骤（2）中，图像二值化处理单元是根据步骤（1）所得图像的颜色饱和度或RGB色彩亮度来对图像进行二值化处理的。
4.根据权利要求1所述的有源笔书写定位方法，其特征在于：所述步骤（4）中，通过曲率处理模块中的曲率计算模块计算图像边缘轮廓点p(i)的曲率，具体步骤如下：（4-1）曲率计算模块确定以轮廓点p(i)为中心、半径为R的区域S(i)，所述区域S(i)满足：S(i)={p(j)=（x(j)，y(j)）｜j=i-R，i-R+1，…，i，…，i+R-1，i+R}，其中x(j)为轮廓点p(j)的x轴坐标值，y(j)为轮廓点p(j)的y轴坐标值，R为所述区域S(i)的半径值，p(i)表示边缘第i个点位置坐标，p(j)为边缘第j个点位置坐标；
（4-2）所述轮廓点p(i)将所述区域S(i)分成前后两个区域，曲率计算模块计算前后两个区域各点的几何中心点分别为a(i)、b(i)，a(i)、b(i)分别满足：其中，x(a)为点a(i)的x轴坐标值，
y(a)为点a(i)的y轴坐标值，R为步骤（4-1）中区域S(i)的半径值；
为点b(i)的y轴坐标值，R为步骤（4-1）中区域S(i)的半径值；
（4-3）在步骤（4-2）中计算所得的几何中心点a(i)与轮廓点p(i)的向量方向角θa(i)满足：θa(i)=arctan[(y(i)-y(a))/(x(i)-x(a))]，其中x(i)为轮廓点p(i)的x轴坐标值，y(i)为轮廓点p(i)的y轴坐标值，x(a)为点a(i)的x轴坐标值，y(a)为点a(i)的y轴坐标值；
在步骤（4-2）中计算所得的几何中心点b(i)与轮廓点p(i)的向量方向角θb(i)满足：θb(i)=arctan[y(b)-y(i))/(x(b)-x(i))]，其中x(i)为轮廓点p(i)的x轴坐标值，y(i)为轮廓点p(i)的y轴坐标值，x(b)为点b(i)的x轴坐标值，y(b)为点b(i)的y轴坐标值；
（4-4）轮廓点p(i)的曲率θ(i)满足：θ(i)=θb(i)-θa(i)，其中，θa(i)为步骤（4-3）中求得的几何中心点a(i)与轮廓点p(i)的向量方向角，θb(i)为步骤（4-3）中求得的几何中心点b(i)与轮廓点p(i)的向量方向角。
5.根据权利要求1所述的有源笔书写定位方法，其特征在于：所述图像采集单元为CMOS摄像头或CCD摄像头，所述CMOS摄像头或CCD摄像头安装在触摸屏幕的后面或触摸屏幕的表面。
6.根据权利要求1所述的有源笔书写定位方法，其特征在于：所述图像二值化处理单元为由依次连接的DDR存储器、数字视频接口芯片、FPGA芯片构成的芯片。
7.根据权利要求1所述的有源笔书写定位方法，其特征在于：所述图像边缘处理单元为由Flash内存、RAM内存、电源芯片、ARM芯片以及USB接口构成的单元，所述Flash内存、RAM内存、电源芯片、USB接口均与ARM芯片连接，ARM芯片与所述图像二值化处理单元、曲率处理模块连接，USB接口外接控制电脑。
8.根据权利要求1所述的有源笔书写定位方法，其特征在于：所述曲率处理模块包括依次连接的曲率计算模块、曲率比较模块和重心计算模块，所述曲率计算模块与图像边缘处理单元连接，所述重心计算模块与控制电脑的显示装置连接。
一种有源笔书写定位方法
技术领域
[0001] 本发明涉及电子书写技术，特别涉及一种有源笔书写定位方法。
背景技术
[0002] 大尺寸屏幕交互式触摸产品越来越受到众多用户地喜爱，在教学多媒体等领域有着广泛地应用前景。目前大尺寸屏幕触摸产品多以光学摄像头定位技术为主，有摄像头表面定位和摄像头后定位两种方式。这两种方式，有的是通过辅助红外激光源，采用手指或无源笔书写；另一种没有辅助红外激光源，直接采用有源笔书写，有源笔在接触屏幕时受挤压，发射红光，红光被摄像头传感器捕捉到，传送到图像采集卡处理，通过图像处理识别技术，确定书写笔的起笔位置。有源笔属于多媒体教学及多功能投影设备配套产品，是老师们的新式粉笔，是讲解者的电子教鞭。
[0003] 由于产品实际应用中的实时性要求，因此确定有源笔的起笔算法要简单而有效。目前确定有源笔起笔位置的方法，是通过采集有源笔的图像，计算图像的重心坐标，把图像的重心作为起笔的位置。这种方法虽简单实用，但常常判断不准确。如图1所示，当手握笔与触摸表面垂直时，有源笔发光四周比较均匀，采集的图像边缘比较圆滑，二值化图像近似一个圆，起笔的位置与图像重心1重合。如图2所示，当手握笔与触摸表面不垂直而倾斜时，有源笔的发光有些被遮挡，采集的图像边缘弯曲度变化范围较大，二值化图像类似扇形，这样求出的图像的重心3就不是起笔的位置2，起笔位置在图形边缘比较尖的部位，这样就出现落笔位置和书写显示位置不一样，书写效果显得很不自然，尤其在用直尺画线时，握笔一般是倾斜于触摸表面，显示效果就更不方便。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点与不足，提供一种可精确获取落笔的位置的有源笔书写定位方法。
[0005] 为达上述目的，本发明采用如下的技术方案：一种有源笔书写定位方法，包括如下步骤：
[0006] (1)当有源笔触摸屏幕时，图像采集单元将拍摄并采集有源笔触摸屏幕的图像；
[0007] (2)图像二值化处理单元对步骤(1)所得的图像进行二值化处理，并提取其相关坐标；
[0008] (3)图像边缘处理单元对步骤(2)处理后的图像提取其图像边缘轮廓；
[0009] (4)曲率处理模块计算步骤(3)所得图像边缘轮廓各点的曲率；
[0010] (5)曲率处理模块根据步骤(4)所得的曲率，计算出有源笔起笔位置的坐标；
[0011] (6)所述步骤(5)所得的坐标通过控制电脑的显示装置进行显示。
[0012] 所述步骤(3)中，还需对图像边缘轮廓进一步作高斯平滑处理。
[0013] 所述步骤(2)中，图像二值化处理单元是根据步骤(1)所得图像的颜色饱和度或RGB色彩亮度来对图像进行二值化处理的。
[0014] 所述步骤(4)中，通过曲率处理模块中的曲率计算模块计算图像边缘轮廓点p(i)的曲率，具体步骤如下：
[0015] (4-1)曲率计算模块确定以轮廓点p(i)为中心、半径为R的区域S(i)，所述区域S(i)满足：
[0016] S(i)＝{p(i)＝(x(j)，y(j))|j＝i-R，i-R+1，...，i，...，i+R-1，i+R}，其中x(j)为轮廓点p(j)的x轴坐标值，y(j)为轮廓点p(j)的y轴坐标值，R为所述区域S(i)的半径值；
[0017] (4-2)所述轮廓点p(i)将所述区域S(i)分成前后两个区域，曲率计算模块计算前后两个区域各点的几何中心点分别为a(i)、b(i)，a(i)、b(i)分别满足：
[0018] a(i)＝(x(a)， 其中，x(a)为点a(i)的x轴坐标值，y(a)为点a(i)的y轴坐标值，R为步骤(4-1)中区域S(i)的半径值；
[0019] b(i)＝(x(b)， 其中，x(b)为点b(i)的x轴坐标值，y(b)为点b(i)的y轴坐标值，R为步骤(4-1)中区域S(i)的半径值；
[0020] (4-3)在步骤(4-2)中计算所得的几何中心点a(i)与轮廓点p(i)的向量方向角θa(i)满足：
[0021] θa(i)＝arctan[(y(i)-y(a))/(x(i)-x(a))]，其中x(i)为轮廓点p(i)的x轴坐标值，y(i)为轮廓点p(i)的y轴坐标值，x(a)为点a(i)的x轴坐标值，y(a)为点a(i)的y轴坐标值；
[0022] 在步骤(4-2)中计算所得的几何中心点b(i)与轮廓点p(i)的向量方向角θb(i)满足：
[0023] θb(i)＝arctan[y(b)-y(i))/(x(b)-x(i))]，其中x(i)为轮廓点p(i)的x轴坐标值，y(i)为轮廓点p(i)的y轴坐标值，x(b)为点b(i)的x轴坐标值，y(b)为点b(i)的y轴坐标值；
[0024] (4-4)轮廓点p(i)的曲率θ(i)满足：θ(i)＝θb(i)-θa(i)，其中，θa(i)为步骤(4-3)中求得的几何中心点a(i)与轮廓点p(i)的向量方向角，θb(i)为步骤(4-3)中求得的几何中心点b(i)与轮廓点p(i)的向量方向角。
[0025] 所述步骤(5)中计算有源笔起笔位置的坐标的具体步骤如下：
[0026] (5-1)曲率处理模块中的曲率比较模块比较步骤(4)所得的图像边缘轮廓各点的曲率大小，若图像边缘轮廓上任意两点的曲率差值大小小于设定阀值，则进行步骤(5-2)，否则进行步骤(5-3)；
[0027] (5-2)有源笔起笔位置的坐标为所有边缘轮廓点的重心坐标，且重心坐标通过曲率处理模块中的重心计算模块进行计算，重心坐标满足：其中，S表示所有边缘轮廓点的集合，#S表示边缘
点像素个数，xo为重心po的x轴坐标值，yo为重心po的y轴坐标值，x(i)为边缘轮廓点i的x轴坐标值，y(i)为边缘轮廓点i的y轴坐标值；
[0028] (5-3)以最大曲率的边缘轮廓点为中心，取其附近的左右若干个边缘轮廓点，通过曲率处理模块中的重心计算模块计算这些点的重心坐标，求得的重心坐标就是有源笔起笔位置的坐标。
[0029] 所述步骤(5-3)中的重心坐标满足：
[0030] 其中，R为由以最大曲率的边缘轮廓点为中心和其附近的左右若干个边缘轮廓点构成的区域的半径值，x(j)为轮廓点的x轴坐标值，y(j)为轮廓点的y轴坐标值。
[0031] 所述图像采集单元为CMOS摄像头或CCD摄像头，所述CMOS摄像头或CCD摄像头安装在触摸屏幕的后面或触摸屏幕的表面。
[0032] 所述图像二值化处理单元为由依次连接的DDR存储器、数字视频接口芯片、FPGA芯片构成的芯片。
[0033] 所述图像边缘处理单元为由Flash内存、RAM内存、电源芯片、ARM芯片以及USB接口构成的单元，所述Flash内存、RAM内存、电源芯片、USB接口均与ARM芯片连接，ARM芯片与所述图像二值化处理单元、曲率处理模块连接，USB接口外接控制电脑。
[0034] 所述曲率处理模块包括依次连接的曲率计算模块、曲率比较模块和重心计算模块，所述曲率计算模块与图像边缘处理单元连接，所述重心计算模块与控制电脑的显示装置连接。
[0035] 与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
[0036] 1、本发明在求取有源笔的起笔位置时，通过判断各点间的曲率差值大小来选择不同的求重心方法，可获得精确的起笔的位置，不论使用者握笔与书写平面垂直与否，都可自动校正显示的位置为落笔的位置，具有定位精度高等优点。
[0037] 2、本发明方法简单，能满足工程中实时性的要求，具有实时性高等优点。
附图说明
[0038] 图1是现有技术中有源笔垂直屏幕表面图像二值化后的图像示意图；
[0039] 图2是现有技术中有源笔不垂直屏幕表面图像二值化后的图像示意图；
[0040] 图3是本发明方法的流程图；
[0041] 图4是图3所示方法中步骤(4)曲率计算的示意图；
[0042] 图5是图3所示方法中步骤(5)计算有源笔起笔位置坐标的流程示意图。
具体实施方式
[0043] 下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
[0044] 实施例
[0045] 如图3所示，本有源笔书写定位方法包括如下步骤：
[0046] (1)当有源笔触摸屏幕时，图像采集单元将拍摄并采集有源笔触摸屏幕的图像；
[0047] (2)图像二值化处理单元对步骤(1)所得的图像进行二值化处理，并提取其相关坐标；
[0048] (3)图像边缘处理单元对步骤(2)处理后的图像提取其图像边缘轮廓；
[0049] (4)曲率处理模块计算步骤(3)所得图像边缘轮廓各点的曲率；
[0050] (5)曲率处理模块根据步骤(4)所得的曲率，计算出有源笔起笔位置的坐标；
[0051] (6)所述步骤(5)所得的坐标通过控制电脑的显示装置进行显示。
[0052] 所述步骤(3)中，还需对图像边缘轮廓进一步作高斯平滑处理。
[0053] 所述步骤(2)中，图像二值化处理单元是根据步骤(1)所得图像的颜色饱和度或RGB色彩亮度来对图像进行二值化处理的。
[0054] 所述步骤(4)中，如图4所示，将轮廓点p(i)近似看作是两直线的交点，夹角θ(i)近似为轮廓点p(i)的曲率，曲率的计算利用相邻的一组轮廓点p(i-R)、p(i-R-1)...p(i-1)、p(i+1)...p(i+R)来计算轮廓点p(i)的曲率。通过曲率处理模块中的曲率计算模块计算图像边缘轮廓点p(i)的曲率，具体步骤如下：
[0055] (4-1)曲率计算模块确定以轮廓点p(i)为中心、半径为R的区域S(i)，所述区域S(i)满足：
[0056] S(i)＝{p(i)＝(x(j)，y(j))|j＝i-R，i-R+1，...，i，...，i+R-1，i+R}，其中x(j)为轮廓点p(j)的x轴坐标值，y(j)为轮廓点p(j)的y轴坐标值，R为所述区域S(i)的半径值；
[0057] (4-2)如图4所示，所述轮廓点p(i)将所述区域S(i)分成前后两个区域，曲率计算模块计算前后两个区域各点的几何中心点分别为a(i)、b(i)，a(i)、b(i)分别满足：
[0058] 其中，x(a)为点a(i)的x轴坐标值，y(a)为点a(i)的y轴坐标值，R为步骤(4-1)中区域S(i)的半径值；
[0059] b(i)＝(x(b)， 其中，x(b)为点b(i)的x轴坐标值，y(b)为点b(i)的y轴坐标值，R为步骤(4-1)中区域S(i)的半径值；
[0060] (4-3)在步骤(4-2)中计算所得的几何中心点a(i)与轮廓点p(i)的向量方向角θa(i)满足：
[0061] θa(i)＝arctan[(y(i)-y(a))/(x(i)-x(a))]，其中x(i)为轮廓点p(i)的x轴坐标值，y(i)为轮廓点p(i)的y轴坐标值，x(a)为点a(i)的x轴坐标值，y(a)为点a(i)的y轴坐标值；
[0062] 在步骤(4-2)中计算所得的几何中心点b(i)与轮廓点p(i)的向量方向角θb(i)满足：
[0063] θb(i)＝arctan[y(b)-y(i))/(x(b)-x(i))]，其中x(i)为轮廓点p(i)的x轴坐标值，y(i)为轮廓点p(i)的y轴坐标值，x(b)为点b(i)的x轴坐标值，y(b)为点b(i)的y轴坐标值；
[0064] (4-4)轮廓点p(i)的曲率θ(i)满足：θ(i)＝θb(i)-θa(i)，其中，θa(i)为步骤(4-3)中求得的几何中心点a(i)与轮廓点p(i)的向量方向角，θb(i)为步骤(4-3)中求得的几何中心点b(i)与轮廓点p(i)的向量方向角。
[0065] 如图4所示，角θ(i)的大小与轮廓点p(i)的曲率成正比，即当θ(i)越大，轮廓点p(i)曲率也越大，曲线也弯曲，反之亦然。
[0066] 如图5所示，所述步骤(5)中计算有源笔起笔位置的坐标的具体步骤如下：
[0067] (5-1)曲率处理模块中的曲率比较模块比较步骤(4)所得的图像边缘轮廓各点的曲率大小，若图像边缘轮廓上任意两点的曲率差值大小小于设定阀值0.6，则进行步骤(5-2)，否则进行步骤(5-3)；
[0068] (5-2)有源笔起笔位置的坐标为所有边缘轮廓点的重心坐标，且重心坐标通过曲率处理模块中的重心计算模块进行计算，重心坐标满足：其中，#S表示边缘点像素个数，xo为重心po的x轴
坐标值，yo为重心po的y轴坐标值，x(i)为边缘轮廓点i的x轴坐标值，y(i)为边缘轮廓点i的y轴坐标值；
[0069] (5-3)以最大曲率的边缘轮廓点为中心，取其附近的左右7个边缘轮廓点，通过曲率处理模块中的重心计算模块计算这些点的重心坐标，求得的重心坐标就是有源笔起笔位置的坐标。
[0070] 所述步骤(5-3)中的重心坐标满足：
[0071] 其中，R为由以最大曲率的边缘轮廓点为中心和其附近的左右7个边缘轮廓点构成的区域的半径值，x(j)为轮廓点的x轴坐标值，y(j)为轮廓点的y轴坐标值。
[0072] 所述图像采集单元为CMOS摄像头或CCD摄像头，所述CMOS摄像头或CCD摄像头安装在触摸屏幕的后面或触摸屏幕的表面。
[0073] 所述图像二值化处理单元为由依次连接的DDR存储器、数字视频接口芯片、FPGA芯片构成的芯片。
[0074] 所述图像边缘处理单元为由Flash内存、RAM内存、电源芯片、ARM芯片以及USB接口构成的单元，所述Flash内存、RAM内存、电源芯片、USB接口均与ARM芯片连接，ARM芯片与所述图像二值化处理单元、曲率处理模块连接，USB接口外接控制电脑，将结果传输到控制电脑，ARM芯片分担图像二值化处理单元中的FPGA计算量。
[0075] 所述曲率处理模块包括依次连接的曲率计算模块、曲率比较模块和重心计算模块，所述曲率计算模块与图像边缘处理单元连接，所述重心计算模块与控制电脑的显示装置连接。曲率处理模块通过ARM芯片实现，主要负责计算曲率，使得能够实时处理。
[0076] 上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
