基于FPGA的激光筆輔助教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：為了實(shí)現(xiàn)激光筆與大屏幕的互動(dòng)，基于常用的OV9650攝像頭模塊和315 MHz無(wú)線收發(fā)模塊，采用了一種FPGA架構(gòu)實(shí)現(xiàn)激光筆與大屏幕互動(dòng)的設(shè)計(jì)方案。OV9650攝像頭模塊的采集信號(hào)由FPGA進(jìn)行緩存和處理，由它計(jì)算出激光點(diǎn)的坐標(biāo)，之后計(jì)算機(jī)接收激光點(diǎn)的坐標(biāo)及激光筆發(fā)出的無(wú)線控制信號(hào)，通過(guò)授課主機(jī)端的軟件實(shí)現(xiàn)激光筆與大屏幕的互動(dòng)。目前該系統(tǒng)已應(yīng)用于上海交通大學(xué)部分智能教室中，效果明顯。
關(guān)鍵詞：激光筆互動(dòng)；亮點(diǎn)識(shí)別；FPGA；OV9650；無(wú)線收發(fā)

0 引言
在多媒體教學(xué)的普及過(guò)程中，普遍存在如何引進(jìn)現(xiàn)代化教學(xué)設(shè)備與教師課堂教學(xué)習(xí)慣有機(jī)結(jié)合的問(wèn)題。目前教師在做教學(xué)演示的過(guò)程中，往往需要守在計(jì)算機(jī)旁邊，一邊操作計(jì)算機(jī)一邊進(jìn)行講解，需要重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)的地方，還要不時(shí)地站起身來(lái)，指指點(diǎn)點(diǎn)，本來(lái)提供方便的多媒體演示設(shè)備，卻把教師豐富的課堂語(yǔ)言都束縛了。為了解決這個(gè)問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于FPGA的激光筆輔助教學(xué)系統(tǒng)，以便讓教師可以通過(guò)激光筆在遠(yuǎn)處與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行交互。
基于FPGA的激光筆互動(dòng)教學(xué)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)原理是：首先通過(guò)OV9650攝像頭模塊拍攝到投影屏，并在攝像頭捕捉圖中檢測(cè)到激光點(diǎn)的位置信息后，通過(guò)跟蹤來(lái)分析和識(shí)別激光點(diǎn)的軌跡，同時(shí)通過(guò)激光筆上的按鍵信息來(lái)共同實(shí)現(xiàn)激光筆與遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)的交互。在激光點(diǎn)的檢測(cè)方法中，用到了不同的線索，如激光點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)特征和模式特征以及顏色特征等。由于激光點(diǎn)的區(qū)域很小，模式特征不是很明顯，易受到噪聲的干擾，而激光點(diǎn)顏色特征不同的使用環(huán)境中可以有較大的變化，因此單純使用顏色特征也不是很好的辦法。文獻(xiàn)提出將激光點(diǎn)的顏色特征、運(yùn)動(dòng)信息和形狀特征這幾種線索融合起來(lái)進(jìn)行激光點(diǎn)的檢測(cè)，可使準(zhǔn)確率得到一定的提升，但是仍然存在漏檢和誤判的情況。
該系統(tǒng)通過(guò)濾光片的使用，基本排除了噪聲的干擾，使系統(tǒng)的準(zhǔn)確率得到大大的提升。文獻(xiàn)公開了一種激光筆指示與光點(diǎn)識(shí)別方法，利用亮度信息從顯示屏圖像提取紅色激光點(diǎn)，亮點(diǎn)識(shí)別原理與本文一致，但是由于使用的是固定槍式攝像頭，故安裝調(diào)試不方便。Cavens等通過(guò)改變硬件方法實(shí)現(xiàn)點(diǎn)擊功能，在普通激光筆上增加了按鍵，接收器根據(jù)按鈕發(fā)射頻段的不同判斷操作類型，但是使用起來(lái)效果比較單一。文獻(xiàn)分別使用了不同方法來(lái)實(shí)現(xiàn)激光筆的互動(dòng)，但都比較單一，不夠完善。然而在對(duì)激光點(diǎn)的行為進(jìn)行描述上，文獻(xiàn)提到的激光筆互動(dòng)系統(tǒng)使用起來(lái)非常復(fù)雜。本文提出的系統(tǒng)通過(guò)FPGA將攝像頭模塊、亮點(diǎn)識(shí)別算法模塊以及無(wú)線收發(fā)模塊集成在一起，使得系統(tǒng)部署方便，使用更為靈活。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案
基于FPGA的激光筆互動(dòng)教學(xué)系統(tǒng)主要是為在智能自然教學(xué)空間中授課的教師提供一種輔助工具，幫助他們?cè)谡n程講義上進(jìn)行各種指示動(dòng)作或軌跡繪制，以及遠(yuǎn)距離進(jìn)行各種操作，從而使教學(xué)過(guò)程更生動(dòng)，教師的行動(dòng)更自由。為完成提供交互式教學(xué)場(chǎng)景的任務(wù)，系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)遵循方便、實(shí)用、效率的原則，使教師和學(xué)生都感到自然，“黑板”更具有特色。圖1是基于FPGA的激光筆互動(dòng)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖，它主要由嵌入式模塊、激光筆、授課主機(jī)和投影屏幕4大部分組成。

教師通過(guò)激光筆這一交互工具，在顯示屏幕上留下光點(diǎn)，通過(guò)紅光濾光片及OV9650攝像頭獲取顯示屏幕的信息，并通過(guò)FPGA模塊中的亮點(diǎn)識(shí)別算法獲取視頻圖像每一幀中的光點(diǎn)位置，這樣的坐標(biāo)信息送至授課主機(jī)，通過(guò)坐標(biāo)變換將亮點(diǎn)位置變換為自身的屏幕坐標(biāo)位置，并進(jìn)行軌跡繪制、放大鏡操作或鼠標(biāo)操作，結(jié)果通過(guò)投影或VGA線纜連接在顯示屏幕上展示出來(lái)。除此以外，激光筆本身和FPGA模塊通過(guò)無(wú)線連接，F(xiàn)PGA模塊與授課主機(jī)通過(guò)USB線纜連接，利用筆上的按鈕控制整個(gè)系統(tǒng)的啟動(dòng)和中止，以及軌跡繪制、放大鏡操作和鼠標(biāo)操作之間的功能切換。系統(tǒng)邏輯流程如圖2所示。