【毕业学位论文】（Word原 稿）面向两点触摸的光学触摸系统识别算法研究-计算机系统结构

分类号 密级 编号 中国科学院研究生院 硕 士学位论文 面向两点触摸的 光学 触摸系统识别算法研究 指导教师 杜晓黎 研究员 中国科学院计算技术研究所 申请学位级别 工学硕 士 学科专业名称 计算 机系统结构 论文提交日期 2010 年 4 月 论文答辩日期 2010 年 5月 培养单位 中国科学院计算技术研究所 学位授予单位 中国科学院研究生院 答辩委员会主席 声 明 我声明本论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 本论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 日期： 论文版权使用授权书 本人授权中国科学院计算技术研究所可以保留并向国家有关部门或机构送交本论文的复印件和电子文档，允许本论文被查阅和借阅，可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编本论文。 （保密论文在解密后适用本授权书。） 作者签名： 导师签名： 日期： I 摘 要 随着人机交互技术的发展，计算机与人之间的交互越来越便捷了。尤其是触摸技术的发展，使得人们 能够更加直观便捷地与计算机进行交互。而作为一项具有良好用户体验的交互技术， 触摸技术 更是得到了大规模的应用。随着 推出，最新的 多 点触摸技术给人们带来了比传统的单点触摸技术更酷更炫的交互体验。 而 对于多点触摸的原生支持，使得人们对于大尺寸多点触摸屏的需求日益强烈。 但是 大尺寸多点触摸屏的高成本却阻碍了该技术的大规 模发展 与应用。本文旨在研究并实现一种面向两点触摸的光学触摸系统，以降低 大尺寸多点触摸屏的成本，推动多点触摸技术的大规模应用。 本文采用普通摄像头及 导光光纤作为 摸系统的基本 组件 ， 通过检测触点在左右摄像头中形成的暗斑 坐标 来计算触点在屏幕上的相应坐标。 本文 主要解决了以下三个技术挑战： （ 1） 如何 从摄像头图像中准确地、鲁棒地检测出触点对应的暗斑质心的一维坐标。 （ 2） 如何 将触点在左右摄像头中对应的一维坐标精确地、迅速地转换为触点在屏幕上的二维坐标。 （ 3） 在一些特定使用模式下 ， 怎样的 算法处理策略 能够取得较好的效果 。 本文的 贡献 在于用更低的成本 实现了大尺寸的两点触摸系统，解决了由此引入的一系列新的技术挑战， 并 达到了 与业界相当的触摸性能。 通过对系统各方面性能的综合测试， 学触摸系统 获得 了微软的 标认 证，并已经 作为联想一体机的组成部分 成功上市。 关键词 ： 多点触摸 ；光学触摸系统；图像处理；双目视觉；卡尔曼滤波 y he CI In of it to As an s is of of of of to a of of In as By in by on we of in (1) to of of (2) to of (3) In of of is to by a of by of a of of in as s 目 录 摘 要 . I 目 录 . V 图目录 . 目录 . 一章 引言 . 1 用背景 . 1 文的研究目标 . 2 文的贡献 . 2 文的组织 . 3 第二章 触摸技术介绍 . 5 统的单点触摸技术 . 5 点触摸的几种主要实现技术 . 5 点触摸技术的优点及其局限性 . 8 点触摸技术 . 9 点触摸的几种主要实现技术 . 9 点触摸技术的优点及其局限性 . 13 点触摸技术 . 14 点触摸的几种主要实现技术 . 14 点光学触摸技术的优点及挑战 . 16 章小结 . 17 第三章 . 19 件总体设计 . 19 件总体设计 . 20 文的三个技术挑战 . 21 章小结 . 22 第四章 触点的图像质心检测算法 . 23 使用的一些基本的图像处理算法 . 24 面向两点触摸的 光学 触摸系统识别算法研究 ： 目录 数字图像的表示 . 24 像相减 . 25 间域的滤波 . 26 度变换 . 28 度 . 29 像处理中的一些关键算法 . 30 像的预处理 . 31 点的边缘检测 . 33 景更新策略 . 36 干扰处理策略 . 38 章小结 . 42 第五章 基于双目视觉的坐标 转换算法 . 45 统的基于三角关系的计算方法 . 45 本计算模型 . 45 性插值法 . 46 进的计算模型 . 48 用摄像头内外参数的方法 1415 . 51 像头参数的调节 . 54 像头畸变的处理 16 . 57 于双目视觉的计算方法 . 60 般意义上的摄像机成像模型 . 61 化后的成像模型 . 63 影矩阵的计算 . 65 用投影矩阵计算触点坐标 . 68 于双目视觉的畸变校正 . 70 种坐标转换方法的比较 . 72 章小结 . 73 第六章 三个特定使用模式下的关键算法 . 75 点的平滑与预测 . 75 尔曼滤波器简介 . 76 点的平滑 . 77 点的预测 2137 . 78 点的遮挡问题 . 79 点匹配与“假点”问题 . 82 面向两点触摸的 光学 触摸系统识别算法研究 ： 目录 “假点”问题 . 82 点的匹配 . 84 章小结 . 86 第七章 . 87 论 . 87 甲单双击及拖拽 . 88 势识别率 . 90 干扰测试 . 91 章小结 . 92 第八章 结束语 . 93 文工作总结 . 93 一步工作 . 93 参考文献 . 95 致 谢 . i 作者简介 . 目录 图 阻式触摸屏的组成 . 6 图 容式触摸屏的组成 . 6 图 外式触摸屏的组成 . 7 图 面声波触摸屏的组成 . 8 图 原理 . 10 图 检测效果 . 10 图 I 原理 . 11 图 I 的检测效果 . 11 图 理 . 12 图 检测效果 . 12 图 理 . 13 图 检测结果 . 13 图 电容检测方式 . 15 图 向两点触摸的光学触摸屏示意图 . 15 图 点光学触摸系统原理示意图 . 16 图 统硬件总体设计 . 19 图 体设计 . 20 图 右摄像头看到的光带 . 23 图 同位置触点明暗对比 . 23 图 值图 . 25 图 用 1W 进行滤波后的效果图 . 27 图 值、最大值、最小值滤波效果图 . 27 图 值化使用的灰度变换曲线 . 28 面向两点触摸的 光学 触摸系统识别算法研究 ： 图目录 X 图 一种曲线变换 . 28 图 度变换效果图 . 29 图 子梯度图 . 30 图 像预处理步骤 . 31 图 景减背景后的差值图 . 32 图 处理后的效果图 . 33 图 点边缘检测算法 . 34 图 点边缘检测效果图 . 35 图 景没有正确更新的结果 . 37 图 景更新策略 . 37 图 境光干扰背景图 . 39 图 影子存在时的摄像头图像 . 39 图 干扰处理策略 . 41 图 干扰处理结果 . 42 图 算坐标的基本原理图 . 45 图 性插值法基本原理 . 46 图 性插值法效果图 . 48 图 变摄像头高度对坐标误差的影响 . 49 图 进的计算模型 . 50 图 像头内外参数 . 51 图 算所得的摄像头参数 . 53 图 用摄像头参数计算坐标的效果图 . 54 图 5.9 . 55 图 数调节后的结果图 . 56 图 向畸变 . 57 面向两点触摸的 光学 触摸系统识别算法研究 ： 目录 向畸变模型曲线 . 58 图 过畸变校正后的结果 . 59 图 像头针孔成像模型 . 61 图