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光学多点触摸交互式桌面系统的设计与实现

作　者: 陈拴拴
导　师: 廖海洋
学　校: 重庆大学
专　业: 仪器科学与技术
关键词: 多点触控系统激光平面技术人机交互多点触控软件嵌入式系统
分类号: TP391.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

人机交互一直是计算机领域的研究热点，寻求更加自然、灵活的交互方式是人们不断追求的目标。近年来，以iphone手机为代表的智能终端以其友好的用户界面和自然的操作方式，吸引了广大消费者和开发人员对多点触摸技术的关注，最近的发展更是表明：多点触控技术大有无处不在的应用趋势。基于光感应原理的多点触控系统设计是目前多点触控领域研究比较活跃的分支，出现了几种成熟的技术并在产品中得以应用。论文依据此原理，提出并实现了一套嵌入式多点触控桌面系统，系统由微型投影仪、摄像头和红外光源构成，利用计算机视觉的相关理论，对摄像头获取的交互区域图像进行处理，以检测手指触点的位置，识别用户手势的含义。论文根据LLP技术提出一种多点触控系统的设计方案；利用嵌入式开发技术，搭建了嵌入式多点触控交互系统软硬件环境；针对所构造的系统平台，实现了相应的多点触控跟踪软件。论文的主要研究工作如下：①研究LLP触点检测原理，提出了多点触控系统的构建方案，设计系统结构，分析系统各部分的特点，并介绍系统组装方法。②在以OMAP3530处理器为核心的嵌入式平台基础上，构建了嵌入式Linux系统环境，并移植目标软件运行所需的支撑库QTE/OPENCV；搭建了主机端环境，为软件的开发做准备。③针对系统检测平台的特点，设计了触点检测、识别、跟踪的图像处理流程，提出并优化各个步骤所用到的核心算法；结合OMAP平台软件体系架构，将图像处理任务合理分配给ARM和DSP核协同处理，以充分发挥ARM和DSP各自的独特优势，获得了更快的触摸响应速度；最后在QT框架下，开发实现了多点触控跟踪软件。④综合以上模块，组装了一套可独立工作的嵌入式多点触控桌面系统，并对其性能进行了测试。系统的运行结果表明：所提出的多点触控系统设计方案合理；搭建的嵌入式软硬件平台工作可靠、稳定；为系统所开发的多点触控跟踪软件运行正常，执行效率高，可以满足实际应用需要。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-9
1 绪论  9-16
  1.1 研究背景及意义  9-10
  1.2 国内外研究现状  10-15
    1.2.1 受抑全内反射（FTIR）技术  10-11
    1.2.2 散射光照明（DI）技术  11-12
    1.2.3 激光平面技术（Laser Light Plane）  12
    1.2.4 散射表面光（Diffused Surface Illumination）技术  12-13
    1.2.5 LED 光平面技术（LED Light Plane）  13-14
    1.2.6 各种技术的比较  14-15
  1.3 研究目标和主要研究内容  15
  1.4 本章小结  15-16
2 多点触控系统工作原理与系统结构  16-20
  2.1 多点触控系统工作原理  16-17
    2.1.1 红外光源  16
    2.1.2 红外摄像头  16
    2.1.3 视觉反馈系统  16-17
    2.1.4 LLP（Laser Light Plane）多触点感应原理  17
  2.2 多点触控系统方案设计  17-18
  2.3 系统整体结构设计  18-19
  2.4 本章小结  19-20
3 图像处理流程及核心算法  20-29
  3.1 标定  20-22
    3.1.1 平面间的单应矩阵  21
    3.1.2 单应矩阵求解  21-22
  3.2 自适应背景减法  22-23
    3.2.1 背景减除法  22-23
    3.2.2 自适应混合高斯模型  23
  3.3 滤波  23
    3.3.1 卷积滤波  23
  3.4 触点分割和标记  23-25
    3.4.1 顺序扫描标记算法  24-25
    3.4.2 blob 坐标计算  25
  3.5 触点跟踪  25-27
    3.5.1 多触点跟踪  25-26
    3.5.2 K 最近邻分类算法  26-27
  3.6 手势描述和识别  27-28
    3.6.1 手势描述  27
    3.6.2 手势识别  27-28
  3.7 本章小结  28-29
4 多点触控软件开发  29-44
  4.1 多点触控软件体系  29-31
    4.1.1 多点触控人机交互模型  29-30
    4.1.2 多点触控系统软件架构  30
    4.1.3 本系统软件结构  30-31
  4.2 多点触控跟踪软件开发环境和工具  31-32
  4.3 多点触控软件各子模块实现  32-42
    4.3.1 基于 V4L2 的视频图像采集  32-33
    4.3.2 标定  33-35
    4.3.3 blob 检测  35-36
    4.3.4 触点跟踪模块  36-37
    4.3.5 触摸事件通知/响应  37-41
    4.3.6 TUIO 协议发送触摸事件  41-42
  4.4 软件实现  42-43
  4.5 本章小结  43-44
5 嵌入式多点触摸系统开发和实现  44-57
  5.1 搭建系统软硬件平台  44-52
    5.1.1 选择嵌入式硬件平台  44-45
    5.1.2 搭建交叉编译环境  45
    5.1.3 构建嵌入式软件环境  45-52
  5.2 ARM+DSP 协同开发  52-56
    5.2.1 OMAP 平台软件体系  52-53
    5.2.2 DSPLink 通信机制  53-54
    5.2.3 DSP/BIOS LINK 开发环境搭建  54-55
    5.2.4 多点触控跟踪系统软件框架  55-56
  5.3 本章小结  56-57
6 系统调试运行与结果分析  57-62
  6.1 系统的组装与调试  57-58
  6.2 系统测试和结果分析  58-61
    6.2.1 功能验证  58-59
    6.2.2 应用测试和分析  59-61
  6.3 本章小结  61-62
7 总结与展望  62-64
  7.1 主要工作及结论  62-63
  7.2 下一步研究工作展望  63-64
致谢  64-65
参考文献  65-68
附录  68
  作者在攻读硕士学位期间发表的论文  68

光学多点触摸交互式桌面系统的设计与实现

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