（光学工程专业论文）交互式大屏幕投影显示系统设计.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 随着信息产业的高速发展，计算机技术、大屏幕显示技术、高端电子技术和 软件技术日趋成熟，多媒体课堂教学中的鼠标和键盘越来越成为把授课者束缚在 电脑前面的障碍。交互式大屏幕投影显示系统应运而生，它以传统的讲课教学方 式、新颖的大屏幕显示技术取代了黑板，授课者可以完全脱离鼠标和键盘的限制， 直接用手或者特制的笔作为工具在大屏幕显示设备上实现写字、绘图、人机交互 等多项功能。如果与网络视频功能相结合，组成具备数据、影像、声音等技术的 完美视频会议系统，还将取得更加广泛的应用。 目前市场上现有的交互式大屏幕投影显示系统大多技术复杂度高、成本高 昂、应用范围狭窄，鉴于此点，我们提出了一种全新的设计思路，采用低成本的 c c d 作为图像采集器件，依靠特制光笔发出的光信号转化的坐标信息进行定位， 在软件系统的支持下，实现了集光、电、计算机技术于一体的交互式大屏幕显示 系统的功能。 首先，本文将详细阐述基于光信息处理的交互式大屏幕投影显示系统设计的 相关原理。 其次，本文分析了交互式大屏幕投影显示系统的总体设计要求，提出了设计 方案，并将系统设计划分为的几个部分：数字光笔的设计、信号处理系统的设计 和上位机软件设计，介绍了系统的具体的设计任务和内容。 再次，本文将着重介绍交互式大屏幕投影显示系统中上位机系统的软件设 计。用软件工程的观点进行项目计划、需求分析和定义、软件设计、编码、测试、 运行维护等工作。 最后，本文将对整个系统的实现过程进行总结，并对有待完善之处进行展望 和分析。 关键词：大屏幕显示：定位技术；坐标转换；多媒体；人机交互。 一 塑坚奎兰堡主兰堕笙兰 a b s t r a c t w i t ht h eg r e a td e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yi nl a t e2 0 山c e n t u r y , c o m p u t e rs c i e n c e ，l a r g ed i s p l a yt e c h n o l o g ya n de l e c t r i ct e c h n o l o g y , m o u s ea n d k e y b o a r d sh a v em o r ea n dm o r es e r i o u s l yb e c a m et h eo b s t a c l et h a tb i n dt e a c h e r s h a n d a n df o o t t h ea p p e a r a n c eo fo p t i c a l e l e c t r o n i ch u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i v el a r g e s c r e e nd i p l a ys y s t e mw h i c ha p p l i e di nt h ef i e l do ft e a c h i n g ，c o n f e r e n c ea n dd e m o s o l v e dt h i sp r o b l e m t h eh u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i v el a r g es c r e e nd i p l a ys y s t e mb a s e do nt h eo p t i c a l i n f o r m a t i o np r o c e s s i n gw h i c hi sa ni n t e g r a t i o no f o p t i c a l ，e l e c t r o n i c ，m e c h a n i c a la n d c o m p u t e rt e c h n o l o g yi sc o m p o s e do fc o m p u t e r , p r o j e c t o r , c a m e r aa n dd i g i t a lp e n a s m o s t h u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i v el a r g e s c r e e n d i p l a ys y s t e m i nm a r k e t h a v e e x p a n s i v ec o s t ，an e wp r o j e c tw i t hl o w c o s tp o s i t i o nm e a s u r e m e n tm e t h o dw a s d e s i g n e da n das a m p l es y s t e mw a sd e v e l o p e d ，w i t ht h es u p p o r to fh a r d w a r ea n d s o f t w a r ea v a i l a b 】e b yu s i n gad i g i t a lp e n ，t h eo p e r a t o rc a nw r i t eo rd r a wo nas p e c i a ld i g i t a l w h i t e b o a r do rl a r g ep a n e ld i s p l a y , w h i c ht a k e st h ep l a c eo fc o n v e n t i o n a lb l a c k b o a r d c o n t r o l l i n gt h ec u r s o rd i r e c t l y , s h e h ed e v o t e sh i m s e l f h e r s e l ft oh i s h e rs p e e c ho v e r b yo p e r a t i n gt h em o u s ea n dk e y b o a r d f i r s t l y , t h es y s t e mp r i n c i p l e sa n dt h ep r o c e s so f o v e r a l ls y s t e md e s i g nw i l lb ed e s c r i b e da tt h eb e g i n n i n g s o f t w a r et h e o r yr e l a t e dt o t h i sp r o j e c tw i l la l s ob eb r i e f l yi n t r o d u c e d s e c o n d l y , t h es y s t e m a t i cf r a m e w o r kw i l l b ea n a l y z e di nt h i n em a i np a r t s ，d i g i t a lp e n ，s i g n a lp r o c e s s o ra n ds o f t w a r e t h i r d l y , t h ef o c u so ft h i sd i s s e r t a t i o ni sd e s c r i b i n gt h ed e s i g no f s o f t w a r e ，i n c l u d i n gp l a n n i n g ， r e q u i r e m e n t sa n a l y s i s ，p r o g r a m m i n ga n dt e s t i n g ，f o l l o w i n gt h em o d e lo fw a t e r f a l l a t t h ee n do ft h i sd i s s e r t a t i o ni sa s u n m l a r ya n dt h eo r i e n t a t i o nt oe n h a n c et h e p e r f o r m a n c ei sa l s od i s c u s s e d k e y w o r d s ：h u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i v e ；l a r g es c r e e nd i p l a ys y s t e m ；u s b ；p o i n t i n g p r e c i s i o n ；c o o r d i n a t e sc o n v e r s i o n ； 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 交互式大屏幕投影显示系统研究背景 1 1 1 软件工程技术 软件技术对人们生活的影响现在已经无处不在，几乎所有的电气设备里都含 有不同的软件系统，软件已被广泛应用于制造业、学校、财政和政府机关部门， 还有很多不同类型的教学和娱乐软件正在被很多人使用。这些软件系统的描述、 开发、管理和进化构成了国民经济中的一个重要方面软件产业。 软件产业在为国防、政府和工业等各部门开发大型的、定制的软件的系统中 得到了长足的发展。现在所开发的软件从个人电脑上运行的软件、游戏设备上的 游戏软件和基于w e b 的网络系统到大规模分布式系统，有着比以前更为广阔的 范围。即使最简单的软件系统也有着其固有的复杂性，这决定了在软件开发过程 中必须使用工程的原则，使用计算机科学中的方法和理论。 1 1 2 多媒体技术 上个世纪9 0 年代以来，多媒体技术迅速兴起、蓬勃发展，其应用已遍及国民 经济与社会生活的各个角落，正在对人类的生产方式、工作方式乃至生活方式带 来巨大的变革。“多媒体”一词译自英文“m u l t i m e d i a ”，该词是由m u l t i p l e 和m e d i a 复合而成的。媒体( m e d i u m ) 原有两重含义，一是指存储信息的实体，如磁盘、光 盘、磁带、半导体存储器、闪存等，中文译作媒质；二是指传递信息的载体，如 数字、文字、声音、图形等，中文译作媒介。所以多媒体就是以计算机为中心处 理多种媒体信息的技术( 计算机技术和视听技术) 。随着教学改革的深入，多媒 体技术已经悄然地走进我们的日常教学之中，对传统教学产生了巨大冲击。 多媒体教学方式以它特有的魅力诱导、刺激学生的视觉、听觉等多重感官， 将枯燥的教学过程变成生动活泼的教学方式，大大激发了学生的学习兴趣和热 情，减轻了学生的心理压力和学习负担，使学生在轻松愉快的情感体验与思维交 浙江大学硕士学位论文 融中和谐自然地进入积极的思维状态，从而达到由被动的“接受型”转变成主动 的“需要型”，由消极被动的无意活动转变成积极主动的有意活动的效果。对学 生学习能起到积极的促进作用。 技术发展的同时也带来了新的问题，多媒体课件生动的演示效果固然能够 吸引着学生专注地投入学习，但同时也把教师束缚在计算机前的鼠标、键盘范围 之内。教师利用先进的多媒体技术进行教学，大部分时间坐在电脑屏幕的后面， 传统教学中超重要作用的师生面对面的互动交流越来越少，学生也难以见到教师 讲课时丰富有效的肢体语言，缺少了互动环节，使得教学效果不能尽如人意。如 何才能使教师脱离鼠标、键盘的束缚，再次站到神圣的讲台上，使信息技术与教 师的个人魅力完美结合，给我们提出了一个难题。 1 1 3 大屏幕显示 为了实现信息交互的双向性，目前多媒体教学中大屏幕平面显示的人机交互 主要是通过传统的键盘、鼠标、控制杆、图形输入板和光笔等指点设备对计算机 直接操作。在公开信息交流场合，操作者必须在计算机的输入设备附近，虽然无 线鼠标和无线键盘的出现给使用带来了很大的便利，但仍然必须有一个固定的操 作台，因此操作者在很大程度上不是面向听众，从而在很大程度上影响了其与听 众的交流与互动。另外，采用传统的指点设备，不能在显示区域随时书写标注或 者对大屏幕上的内容进行增加或删减，缺乏灵活性。为了实现更好的人机交互， 必须要有新的更好的更多考虑人机交互因素的设备出现，交互式大屏幕投影显示 系统的出现满足了这一要求。 交互式大屏幕投影显示系统是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，它结合计算机和投影机和结合特殊的定位设备，实现 了无纸化办公教学。随着科学技术的发展及市场的需要，交互式大屏幕投影显示 系统的出现满足了人们与计算机通过鼠标和键盘以外的媒介进行信息通讯的要 求，将大屏幕显示连接到计算机，并通过前投式或者背投式投影机将计算机显示 屏上的内容投影显示到大屏幕显示屏幕上，在专门为之设计的应用程序的支持 下，可以构造一个大屏幕、交互式的协作会议或教学等信息交流环境。 浙江火学硕士学位论文 1 2 交互式大屏幕显示 1 2 1 交互式大屏幕投影显示系统的基本功能 交互式大屏幕投影显示系统一般由三个部分组合而成：计算机、投影设备和 人机交互设备。采用不同的技术会导致不同的人机交互媒介。在专门的应用程序 的支持下，通过使用特制的笔、或者甚至手指便可以代替鼠标在大屏幕介质上进 行操作，可以运行操作系统中的应用程序，对文件进行编辑、注释、保存等在计 算机上等等键盘及鼠标可以实现的任何操作；也可以将大屏幕投影显示系统扩展 为特别大的手写板，可以在上面任意书写、绘画并即时地在计算机屏幕上显示出 来，所进行的操作可以被保存为图形文件、也可以被保存为文字格式；或者通过 与网络视频会议产品相结合，组成具备数据、影像、声音等技术的视频会议系统。 总的来说，交互式大屏幕投影显示系统一般具有以下功能： 1 ) 交互功能：即交互式大屏幕投影显示系统应该能够与操作系统进行交互。 当使用者启用交互式大屏幕投影显示系统软件后，就可以利用电子笔在大屏幕上 对系统进行鼠标的单击、双击、右键单击、拖曳窗口等控制操作。当使用者需要 在大屏幕上操作并同时讲解时，通过使用光笔操作，便无须再回到计算机边操作 计算机键盘，避免了顾此失彼、分散学生的注意力等情况，让教师的肢体语言的 魅力再次在课堂上充分展现。 2 ) 记录功能：交互式大屏幕投影显示系统软件应该能够实时纪录教师使用电 子笔在大屏幕上的移动轨迹以及大屏幕上的内容，录制成电子档的形式进行课后 回放。这样就可以省去学生记笔记的时间，使学生不会因为集中精力抄写笔记而 忽略了重要的讲解内容，有更多的时间进行真正的学习，而不再做单纯的录音机。 3 ) 标注功能：标注功能是演讲、授课最实用的工作模式，这种模式下使用者 用一支电子笔就可以在屏幕上对已有的课件进行注释，并且可以自由更换笔的颜 色，任意擦写。这样就打破了教师在使用课件教学时的固定模式，使教师在教学 时的智慧火花得以记录保存。 4 1 远程会议：大屏幕显示如果利用“远程会议”的功能，结合视频会议软件 浙江大学硕士学位论文 就可以方便地进行远程教学，使远处的多点能共享一个教学画面。远方的用户不 仅可以与主教室的课程进度同步，还可以看到主教室的授课者的图像和声音。在 该系统中所有的操作都能以电子档的形式进行保存以利于信息最大程度的共享。 1 2 2 交互式大屏幕显示的种类 目前市场上交互式大屏幕系统显示种类繁多，用户的选择也多种多样，按照 安装类型来分，一般可分为壁挂式、渭道式、移动式和壁橱式。不同的厂商提供 他们自己独具特色的交互式大屏幕显示的产品，但是交互式大屏幕投影显示系统 的关键技术在于对笔的定位技术，即获得当操作者在大屏幕显示器件上写字、绘 画时光笔的相对位胃信息的技术，以此为依据目前市场上的产品主要可以分为以 下几类： ( 1 ) 红外交互式大屏幕投影显示系统；红外定位输入系统是在显示器前加一 框架，在框架的下面和左面放一排红外线发射二极管，在上面和右面放一排光电 晶体管，利用x 、y 方向上密度的红外线矩阵来检测并定位触摸点。此神触摸屏 输入方法所能产生的分辨率取决于发光二极管的数量。除此之外还有一种方式通 在大屏幕左右上角处各固定1 个传感器，每个传感器都有1 个扫描六面体，通过 转动六面体对大屏幕表面进行扫描定位的方式，此方法在大屏幕顶端存在较大误 差，故没有得到广泛应用。 ( 2 ) 电阻膜交互式大屏幕投影显示系统：电阻式的定位输入系统采用层状 结构，并将触摸输入屏固定或粘接在c r t 或平板显示器的屏面上。各厂家所采 用的技术略有不同，检测触摸部位的方法也各有所异。电阻膜式触摸输入屏的外 层采用聚酯薄膜，里层为玻璃屏或经过表面处理的塑料屏，手指按下便能检测出 触摸部位。t e a m b o a r d 表面由一个有弹性的导电层薄膜覆盖在一个刚性的导 电层上，当某点受到压力时，两层膜在这点上造成短路，控制器检测出受压点 的坐标值( 手指或笔触及的位置) ，经接口送入计算机。这是属于电阻膜式的触 摸屏。电阻膜式触摸屏的优点是响应速度快，分辨率高( 可达4 0 9 6 x 4 0 9 6 点) 。 ( 3 ) 电容交互式大屏幕投影显示系统：电容式的定位输入系统是在一块玻 璃板的上下两面各喷涂一层电容性薄膜( a p 氧化铟锡电阻膜和二氧化硅电容膜) ， 4 浙江大学硕上学位论文 其四角各有一个振荡器。触摸输入屏的四周还装有4 个电极，通过这些电极可使 交流信号流遍整个触摸输入屏。当手指或电笔触摸到任一部位时，阻抗的改变将 引起4 个振荡器的振幅和频率发生变化。利用控制电路检测其不同振幅和频率的 改变量。将触摸的衰减器号码送人主机内，便可算出被触摸部位的x 和y 坐标。 ( 4 ) 表面声波交互式大屏幕投影显示系统：表面声波式的定位输入是一种 最新颖的触摸输入技术。它不采用膜层结构，而是采用廉价的压电陶瓷换能器。 位于触摸输入屏四周的反射阵列对表面声波进行空间取样，再次向多路平行路径 反射。位于各发送器对面的反射声波检测阵列合成每束反射声波，变成连续的反 射声波，变成连续的反射声波交替地对水平和垂直方向进行扫描。表面声波在屏 面上沿直线传播，经反射后继续在屏面上来回传播。另外两个换能器负责接收x 和y 方向的声波信号。对收到信号的速度与声波在玻璃中的已知传播速度进行 比较，便可算出触摸位置的坐标。 上述几种定位方式能够实现交互式大屏幕投影显示系统所要求的定位精度， 但当大屏幕的尺寸增大大时，其成本都随之大幅度提高，目前市场上最便宜的交 互式大屏幕投影显示系统大概在7 5 0 0 元人民币左右。采用附加输入屏的交互式 大屏幕投影显示系统使用价格便宣的电容式或者电阻式触摸屏，从而使成本降 低，但不能对屏幕直接操作，安装麻烦，而且触摸屏的透射与反射光效应都会对 屏幕显示效果产生较大的负面影响。而直接采用屏幕作为输入屏的交互式显示系 统，如平板电脑和手掌机，虽然定位精确但却不适用于大屏幕显示；而目前市场 上采用大投影屏幕直接作为输入屏的交互式大屏幕投影显示系统需要附加装置， 而且价格不菲，因此应用范围受到很大限制。 1 3 本课题的提出 本课题正是为了解决上述问题而提出的，利用光学原理捕捉大屏幕上移动光 点的位置，在专门的应用软件的支持下，建立新型的人机交互大屏幕投影显示系 统。 本系统采用低功耗微型红外发光二极管作为光源信号产生红外光点来指示 光笔的位置；使用安装在大屏幕背投( 或前投) 光学系统中的带有红外滤波光学 浙江大学硕士学位论文 镜头的c c d 摄像器件和软硬件信号处理硬件实时分析目标点坐标，解析出光点 的二维横向和纵向坐标；利用微控制器对信号源进行信号调制，通过u s b 口把 光点的坐标信息传送至计算机；利用计算机的强大处理能力进行坐标校正以及信 号分析，实现与计算机的交互操作，从而实现交互式大屏幕投影显示系统的各种 功能。 该系统使用简单，不需要安装特定的附加屏就能工作，便于携带，使用灵活， 可适用于任何尺寸的大屏幕显示屏，且相对成本较低。 参考文献 【1 】e l r o d ，s ，b r u c e ，r ，e ta l ，l i v e b o a r d ：al a r g ei n t e r - a c t i v ed i s p l a ys u p p o r t i n gg r o u pm e e t i n g s ， p r e s e n t a t i o n s ，a n dr e m o t ec o l l a b o r a t i o n ，p r o c e e d i n g so f c h r 9 2 ，5 9 9 - 6 0 7 ，1 9 9 2 3 1 李向刚鲁东明，共享电子白板系统设计与实现，计算机工程与应用，1 9 9 9 4 】谭家杰殷森余等，电子自板激光笔迹扫描定位系统研究，光电子激光，2 0 0 2 5 1 5p a r a b h a t k 。a & k i r a n t h a k r a r 著，徐光佑史元春译，多媒体系统设计。电子工业出版社， 1 9 9 8 6 】j u n k i n se ta 1 ，l a s e rs c a n n i n gg r a p h i ci n p u ts y s t e mf p 】，u n i t e ds t a t e sp a t e n t ：5 5 2 5 7 4 6 ，1 9 9 6 【7 】7w i l l i a m s ，e ta 1 ，o p t i c a l s c a n n i n gs y s t e me m p l o y i n gi a s e ra n d1 a s e rs a f e t yc o n t r o l 【p 】，u n i t e d s l a t e sp a t e n t ：5 6 6 5 9 4 2 ，1 9 9 7 嘲8 徐鞯，基于光学信息处理的交互式电子白板，浙江大学硕士学位论文，2 0 0 5 【9 】孟晓，基于光信息处理的电子白板系统，浙江大学硕士学位论文，2 0 0 5 f l 。】李山，交互式电子白板的应用圾前景，中国教育技术装备，2 0 0 3 第3 期 【1 1 】g e o r g e l c h i ua n d k e i h y a n g ，p r o j e c t i o n d i s p l a y s ，s p i e ，v 0 1 3 6 3 4 ，1 3 2 3 【1 2 】许光銮吴一戎等，交互式电子会商室的研究，测试技术学报，2 0 0 4 6 浙江大学硕士学位论文 第二章交互式大屏幕投影显示系统的工作原理 2 1 系统原理 整个基于光信息处理的交互式大屏幕大屏幕投影显示系统的原理如图2 1 所示，计算机主机通过v g a 视频线输入将内容显示在大屏幕上，与计算机显示器 显示界面同步显示。操作者手持光笔在大屏幕平面显示界面上进行描迹书写。光 笔头部带有触力传感器，当光笔处于书写状态时，笔头与屏幕接触，压力信号通 过传感器转换为电压信号，经放大后导通笔尖的微型红外发光二极管，使之发光； 当光笔处于抬笔状态时，发光二极管不发光。书写轨迹与发光二极管发光时的运 动轨迹完全相同。红外发光二极管发光时的光点运动轨迹由广角光学系统聚焦至 一个面阵列c c d 摄像器件，硬件电路系统对c c d 输出信号中的特殊光点信号进行 筛选采集和处理，可以得到光笔书写轨迹的离散序列点( x ，y ) 坐标值。将序列 点坐标值合成编码后通过u s b 口传输到计算机，实时描迹跟踪应用软件接收从控 制电路处理系统传来的数据编码，并转化为操作系统的鼠标消息，在实时描迹跟 踪应用软件的驱动下，可实现对显示界面的实时描迹跟踪显示。 图2 1 人机交互系统的原理图 实时描迹跟踪驱动软件可基于w i n d o w s 的消息驱动机制，通过调用w i n d o w s a p i 图形设备接口( g d i ) 绘制函数来编制。由于光笔头部近红外光点轨迹的离 浙江大学硕 学位论文 散序列点坐标值均转化为鼠标消息，所以完全可以通过w i n d o w s 对鼠标器的编程 来实现描迹跟踪。w i n d o w s 在窗口中绘图时需要d c 设备描述( d cd e v i c e c o n r e x t ) ，将其句柄传递给w i n d o w sa p i 函数。g e t d c ( ) 可获得设备描述，同 时设备描述管理着一组调用g d i 函数时用到的绘图工具( 如笔、调色板等) ，当 调用l i n e t o ( ) 函数时将用设备描述中选择的笔来画线。 2 2 下位机原理 2 2 i 指点笔 本系统中指点笔是人机交互的主要媒介。其首要功能就是要产生特殊光点信 息。系统采用红外发光二极管，通过加红外滤光片的c c d 摄像器件拍摄获得光 点的坐标信息，从而实现定位功能。红外发光二极管安装在指点笔的头部。指点 笔由自带电源对发光二极管供电。常态下，发光二极管处于不发光状态；当光笔 笔头与屏幕接触时，压力信号通过传感器转换为电压信号，经放大后导通笔尖的 微型红外发光二极管，使之发光。当用指点笔代替鼠标功能时，系统通过光点的 持续时间来判断指点笔的操作。例如单击左键动作，这个动作的持续时间不会很 长，符合一般操作习惯应该不超过o 5 秒。根据这一假定，系统识别指点笔按键 动作的过程就可以转化为检测发光二极管由不发光状态至发光状态再回到不发 光状态过程的时间间隔。如果该时间间隔小于o 5 秒，则系统判断指点笔进行了 一次鼠标单击动作，如果该间隔大于0 5 秒，则认为指点笔进行了双击按键动作， 这样就可以排除由于指点笔头部发光二极管暂时移出c c d 摄像器件的市场范围 或被其它物体挡住而不能被c c d 摄像器件所探测造成的干扰。实际应用中，我 们在光笔上共设置了三个按键，能够完全模拟鼠标功能，采用无线数据传输模组 来实现功能信息的传递，除了电源键外，通过另外的两个按键可以方便地实现鼠 标右键功能，并且可以方便地进行交互功能和鼠标功能的切换。 2 2 2 c c d 摄像器件 c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ，电荷耦合器件) 是利用少数载流子的注入、 存储和转移等物理过程来完成几种电路功能，将图像信号变为电信号的器件a 8 浙江大学硕士学位论文 c c d 是一种m o s ( 金属一氧化物一半导体) 结构的器件，其基本原理是把由入 射光在c c d 光敏单元激发的光信号电荷存储到密排的m o s 电容里，并在适当 相序的时钟脉冲驱动下，把存储的电荷以电荷包的形式定向传输转移，实现自扫 描，完成从光信号到电信号的转换。这种电信号通常是符合电视标准的视频信号， 可在电视屏幕上还原成物体的可见光像，也可将信号转换为数字信号，输入计算 机进行图像增强、识别、存储等处理。因此，c c d 器件是理想的摄像器件。由 于c c d 传感器具有自扫描、高灵敏、低噪声、长寿命、低功耗和高可靠等优点， 一直受到人们的高度重视，发展十分迅速。c c d 的像元尺寸小，几何精度高， 配置适当的光学系统可以获得很高的空间分辨率，且c c d 器件一般具有体积小、 重量轻、功耗低、可靠性好以及光谱响应宽等特点，因此在遥感遥测、天文测量、 光学图像处理等领域得到了广泛的应用 c c d 摄像器件根据光敏阵列的排列不同可分为两类：线阵c c d 摄像器件和 面阵c c d 摄像器件。此两类器件都需要光学成像系统将图像成像在其光敏面上。 线阵c c d 摄像器件的光敏单元成一维排列；按特定的方式将一维线阵c c d 摄 像器件的光敏单元及移位寄存器排列成二维阵列，即可以构成二维面阵c c d 摄 像器件。由于面阵c c d 摄像器件的光敏单元是二维阵列，因此可以直接利用光 学成像系统直接将目标成像与其光敏面上，然后通过视频处理得到光点像的二维 坐标信息；若采用线阵c c d 摄像器件，则需要设计一个二维位置解析成像光学 系统。 2 2 3 光点坐标生成原理 系统定位的关键在于将c c d 拍摄到的光点信号转化为可以为上位机接收并 处理的二维坐标的数字化信息。c c d 摄像器件输出的视频信号是全电视信号。 由于各个国家都发展有自己的广播电视系统，制定自己的国家标准，因此各国的 电视标准并不统一。国际无线电咨询委员会( c c i r ) 建议采用1 3 种黑自电视体 制标准，代号分别为c c i r - a 、m 、n 、c 、b 、g 、h 、i 、d 、k 、k l 、l 、e 。我 国采用的是c c i r - - d 制。我国电视系统每秒传送2 5 帧画面，帧频为力= 2 5h z ， 每帧画面扫描的行数为z = 6 2 5 行， 1 5 6 2 5 k h z ，行周期为t 2 = 1 仍= 6 4 u s ， 相应的行频为f 2 = z 西= 6 2 5 2 5 = 这样活动画面的连续性和清晰度都可以 9 浙江大学硕士学位论文 达到要求，但仍然存在帧频闪烁问题，即在每帧画面扫描结束后重新开始第一行 扫描时会产生严重的亮度闪烁。将帧频增加一倍至5 0 h z 时会消除这种闪烁现象， 但同时要增加图像通道的带宽。在不增加电视信号带宽和不降低图像清晰度的前 提下可以用隔行扫描的方法来解决帧频闪烁问题。隔行扫描即把一帧画面分成两 场来扫描，扫描奇数行称为奇数场，扫描偶数行称为偶数场。场频为f 3 = 弘= 5 0 h z ，场周期t 3 = i ) 5 = 2 0 m s 。隔行扫描虽然每秒仍然传送2 5 帧画面，但由于 实际上每秒显示了5 0 场画面，所以逐行扫描大面积的帧亮度闪烁现象被不易察 觉的行亮度闪烁所替代。 c c d 视频信号处理电路原理框图如图2 2 所示： 图2 2c c d 视频信号处理电路原理框图 如图所示，c c d 摄像器件在驱动电路的驱动下，输出信号经预处理及特征 点筛选电路筛选，送至终止计数电路，来控制纵向坐标计数电路和横向坐标计数 电路对目标物点的两维坐标进行计数。利用视频复合信号分离芯片可以从输出视 频信号中分离出视频信号的场频触发信号和行频触发信号，对目标光点的两维坐 标计数经电子细分电路细分，并由坐标合成电路对特征点的坐标序列值进行合 成。由此可产生x 、y 方向的坐标值： ( 1 ) x 坐标的得出： 要生成x 坐标值，需要提供从全电视信号中无法直接提取出来的元频信号。 元频信号通过电路模拟来实现，其周期可通过c c d 的行周期和显示图像的行象 素值求得。设元频信号的周期为t 。，c c d 的行周期为t ，显示图像的行象素值 为n ，则： tv=t，n(2-1) 1 0 鬻剽粼嗣匪iii巨曩i_巨i 浙江大学硕士学位论文 以元频信号作为计数脉冲信号，以光点信号为停止计数信号，以行同步信号 作为清零信号，则可实现对光点x 坐标的计数生成。每一行扫描开始时，x 坐 标清零，此后每扫描该行的一个光敏源，通过模拟元频信号使计数器加一，直到 检测到光点信号时停止计数，此时得到的即是光点的x 坐标值。 ( 2 ) y 坐标的得出： 以行同步信号作为计数脉冲信号，以光点信号作为停止计数信号，以场同步 信号作为清零信号，即可实现对光点y 坐标的计数生成。每一场扫描开始时，y 坐标清零，此后每扫描该场的行，通过行同步信号使计数加一，直到检测到光 点信号停止计数，光点的y 坐标值得到。 根据以上坐标值产生机理得到的x 、y 方向坐标值只是光点在c c d 器件坐 标系中的位置，并不能直接用来定位光笔在屏幕上的位置，必须经过后期的转换 运算，才能得到最终的坐标值。 2 3 上位机软件原理 2 3 1w i n d o w s 环境 w i n d o w s9 8 2 0 0 0 x p 都是3 2 位抢占式多任务及多线程图形操作系统。 w i n d o w s 拥有图形用户界面( g u i ) ，有时也称作“可视化界面”或“图形窗口 界面”。所有g u i 都在基于位图的视频显示器上使用图形界面。图形界面提供了 使用屏幕的最佳方式、传递信息的可视化环境、能够做到w y s i w y g ( w h a t y o u s e ei sw h a ty o ug e t ：所见即所得) 的图形视频显示，以及为打印文档准备好格式化 文本。 从程序员角度看，用户界面来自于w i n d o w s 构造菜单和对话框的内置程序。 所有菜单都有相同的键盘和鼠标界面，因为这项工作是由w i n d o w s 来处理的， 而不是由应用程序来处理的。 为了便于多个程序的使用和这些程序间信息的交换，w i n d o w s 支持多任务。 在同一时刻能够有多个w i n d o w s 程序显示并运行。每个程序在屏幕上各占据一 浙江大学硕上学位论文 个窗口。用户可以在屏幕上拖动窗口，改变他们的大小，在不同的程序之间切换， 或者从一个程序向另一个程序进行数据传送。 运行于w i n d o w s 上的程序可以与被称为“动态链接库”的其他文件的例 程共享。w i n d o w s 包含一个机制，这个机制能够在运行时用动态链接库中例程的 连接程序。w i n d o w s 自身是一个动态连接库集。在w i n d o w s 下编写的程序不直 接访问屏幕和打印机等显示设备硬件。相反，w i n d o w s 包括了一个图形编程语言 ( 称作图形设备接口或g d i ) ，它使得显示图形和文本格式化更加容易。w i n d o w s 虚拟化了显示硬件。在w i n d o w s 下编写的程序可以运行于任何具有w i n d o w s 设 备驱动的显示卡或打印机上。程序不需要确定系统相连的设备类型。 2 3 2 动态链接 w i n d o w s 运转的核心是一个被称作“动态链接”的概念。w i n d o w s 提供了应 用程序可利用的丰富的函数调用，大多数用于实现其用户界面和在视频显示器上 显示文本和图形。这些函数采用动态链接库即d l l 实现。 早期w i n d o w s 的主要部分只需在三个动态链接库实现。这代表了w i n d o w s 的三个主要子系统，它们被称作k e r n e l 、u s e r 和g d i 。当予系统的数目在w i n d o w s 的最近版本中增多时，大多数典型的w i n d o w s 程序产生的函数调用仍通过这三 个模块之一。k e r n e l 处理所有的在传统上e h 操作系统内核处理的事务内存管 理、文件i o 和任务管理。u s e r 指用户界面，实现所有的窗口逻辑。g d i 是一个 图形设备接口，允许程序在屏幕和打印机上显示文本和图形。 在运行w i n d o w s 程序时，它通过一个被称作“动态连接”的进程与w i n d o w s 相连。一个w i n d o w s 的e x e 文件拥有它使用的不同动态链接库的引用，所使用的 函数即在那里。当w i n d o w s 程序被加载到内存中时，程序中的调用被指向d l l 函数的入口，如果该d l l 不在内存中，系统就将其加载到内存中。当链接w i n d o w s 程序以产生一个可执行文件时，您必须连接由编程环境所提供的专门的“导入库 ( i m p o r tl i b r a r y ) ”。这些导入库包含了动态链接库名称和所有w i n d o w s 函数调用 的引用信息。连接程序使用该信息在e x e 文件中构建一个表，当加载程序时， w i n d o w s 使用它将嗲用转换为w i n d o w s 函数。 浙江大学硕士学位论文 2 3 3w i n d o w s 程序工作原理 w i n d o w s 程序设计从其本质上说是一种事件驱动的程序设计模式，其核心是 消息驱动机制。在程序提供给用户的界面中有许多可视的操作对象。用户从所有 这些操作中任意选择，被选择的操作会产生某个特定类型的事件，这些事件发生 后向的某些对象发出消息，然后这些对象调用与其相对应的消息处理的函数来完 成特定的操作，至此一个完整的操作过程完成。w i n d o w s 应用程序的最大的优点 就是没有固定的流程，而只是对于某些事件处理有特定的子流程，许多w i n d o w s 环境下的应用程序是由这样的子流程构成的。 从上面的介绍可以看出，w i n d o w s 环境下的应用程序在其本质上是面向 对象的。由程序提供给用户界面的可视对象在其程序的内部同样是一个对象，用 户对可视对象的操作通过事件驱动模式触发相应的对象的应用程序。程序运行的 过程就是用户的外部操作产生事件，然后这些事件被相应的对象处理的过程。下 面是w i n d 0 w s 程序工作原理示意图。 陛 善 鬟i _ ：l 黧 巨蓦 i | 剐： i j 霸曩囊蠢嘲二i 且孪吲 攘维蘩缓 l | 消息 x j 拶溺) f j 蠢强_ 。曩。 鬻慰弛壤溺：戮 浙江大学硕士学位论文 特定类型的事件来处理。操作者敲击键盘、按下鼠标也只是引起键盘事件、鼠标 事 牛的产生。另外，w i n d o w sa p i 函数、应用程序或d l l 等都可以产生一系列 事件来驱动操作系统作出响应的消息响应。对于发生的每个事件，w i n d o w s 都会 以对应的消息的形式标识并将其存放在一片称之为消息队列的内存中，由 w i n d o w s 程序中的消息循环机制检测到队列中的消息，最后由消息系统中的消息 发送函数把消息发送到指定的窗口，使目标窗口对消息进行相应的处理。消息驱 动，从本质上讲也就是事件驱动。 当w i n d o w s 程序运行时，它的功能及其a p i 函数驻留在k e r n e l g d i 和 u s e r 三个库模块中。其中k r n e l ( 顾名思义即内核) 负责内存和资源管理、调度； g d i ( 图形界面接口) 模块负责屏幕和打印机上的图形显示与打印：u s e r ( 用 户模块) 负责窗口管理、用户输入和通信的任务。 处理消息的程序大部分由u s e r 模块负责，但是在消息处理过程中涉及任 务切换或内存管理等的较为内核的部分仍然由k e r n e l 的任务调度函数负责完 成。从整个w i n d o w s 的运行机制来看，k e r n e l 和u s e r 的和谐搭配是w i n d o w s 内核运转的坚强基石。 2 3 4w i n d o w s 编程选项 1 a p i 和内存模式 对于程序员来说，操作系统是由本身的a p i 定义的。a p i 包含了所有应用程 序构造操作系统的函数调用，同时包含了相关的数据类型和结构。w i n d o w s a p i 和它的语法的最大变化来自于从1 6 位体系结构向3 2 位体系结构转化的过程。 w i n d o w s 从1 0 到3 1 使用1 6 位的i n t e l8 0 8 6 、8 0 8 8 和2 8 6 处理器的所谓分段内 存模式，处于兼容性的考虑，从3 8 6 开始的3 2 位i n t e l 微处理器也支持该模式。 在这种模式下，微处理器寄存器的大小为1 6 位，因此c 的i n t 数据类型也是1 6 位宽。在分段内存模式下，内存地址由两部分组成一个1 6 位段指针和一个 1 6 位偏移量指针。这非常凌乱，并带来了l o n g 或f 打指针( 包括地址和偏移量 地址) 和s h o r t 或n e a r ( 包括带有假定段地址的偏移量地址) 的区别。 从w i n d o w sn t 开始，w i n d o w s 支持使用i n t e l2 8 6 、4 8 6 和p e n t i u m 处理器的 4 浙江大学硕士学位论文 3 2 位模式的3 2 位平面内存模式。c 语言的i n t 数据类型也扩展为3 2 位的值。为 3 2 位版本w i n d o w s 编写的程序使用在平面线性地址空间寻址的简单的3 2 位指针 值。 2 语言选项 使用c 语言和原始的a p i 不是编写w i n d o w s 程序的唯一办法。然而，这种 方法却提供最佳的性能、最强大的功能，以及在挖掘w i n d o w s 特性方面最大的 灵活性。可执行文件相对较小而且运行时不需要外部库。 在专业程序员中间一特别是那些编写商业应用程序的程序员一一 m i c r o s o f tv i s u a lc + + 和m i c r o s o f t 基础类库( m f c ) 是近年来流行的选择。m f c 在 一个c + + 类集合中封装了许多w i n d o w s 编程中的繁重内容。 3 m f c 类库 m f c 的全称是m i c r o s o f tf o u n d a t i o nc l a s s e s ，即微软的基础类库，m f c 的本 质是一个包含了由微软公司已经定义好的数量巨大的对象的类库，我们知道，虽 然我们要编写的程序在功能上千差万别，但从本质上来讲，都可以化归为用户界 面的设计，对文件的操作，多媒体的使用，数据库的访问等等一些最主要的方面。 这一点正是微软提供m f c 类库的最重要原因。这个类库中包含了一百多个程序 开发过程中最常用到的对象，在进行程序设计的时候，如果类库中的某个对象能 完成所需要的功能，这时我们只要简单地调用已有对象的方法就可以了。我们还 可以利用面向对象技术中很重要的“继承”的概念，从m f c 类库中的已有对象 派生出我们自己的对象，这时派生出来的对象除了具有类库中的对象的特性和功 能之外，还可以由我们自己根据需要加上所需的特性和方法，产生一个更专门的， 功能更为强大的对象。当然，也可以在程序中创建全新的对象，并根据需要不断 完善对象的功能。 m f c 编程方法充分利用了面向对象技术的优点，使得我们编程时极少需要关 心对象方法的实现细节，同时类库中的各种对象的强大功能足以完成我们程序中 的绝大部分所需功能，这使得应用程序中程序员所需要编写的代码大为减少，有 力地保证了程序的良好的可调试性。 最后要指出的是m f c 类库在提供的对象的各种属性和方法都是经过谨慎的 浙江大学硕士学位论文 编写和严格的测试，可靠性很高，这就保证了对m f c 类库的使用不会影响程序的 可靠性和正确性。 2 4u s b 通讯 通用串行总线usb ( uni v ers alseria1bus ) 是由i nt el