基于FPGA的激光筆輔助教學系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

摘要：為了實現(xiàn)激光筆與大屏幕的互動，基于常用的OV9650攝像頭模塊和315 MHz無線收發(fā)模塊，采用了一種FPGA架構實現(xiàn)激光筆與大屏幕互動的設計方案。OV9650攝像頭模塊的采集信號由FPGA進行緩存和處理，由它計算出激光點的坐標，之后計算機接收激光點的坐標及激光筆發(fā)出的無線控制信號，通過授課主機端的軟件實現(xiàn)激光筆與大屏幕的互動。目前該系統(tǒng)已應用于上海交通大學部分智能教室中，效果明顯。
關鍵詞：激光筆互動；亮點識別；FPGA；OV9650；無線收發(fā)

0 引言
在多媒體教學的普及過程中，普遍存在如何引進現(xiàn)代化教學設備與教師課堂教學習慣有機結合的問題。目前教師在做教學演示的過程中，往往需要守在計算機旁邊，一邊操作計算機一邊進行講解，需要重點強調的地方，還要不時地站起身來，指指點點，本來提供方便的多媒體演示設備，卻把教師豐富的課堂語言都束縛了。為了解決這個問題，本文設計并實現(xiàn)了一個基于FPGA的激光筆輔助教學系統(tǒng)，以便讓教師可以通過激光筆在遠處與計算機系統(tǒng)進行交互。
基于FPGA的激光筆互動教學系統(tǒng)的實現(xiàn)原理是：首先通過OV9650攝像頭模塊拍攝到投影屏，并在攝像頭捕捉圖中檢測到激光點的位置信息后，通過跟蹤來分析和識別激光點的軌跡，同時通過激光筆上的按鍵信息來共同實現(xiàn)激光筆與遠程計算機的交互。在激光點的檢測方法中，用到了不同的線索，如激光點的運動特征和模式特征以及顏色特征等。由于激光點的區(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。文獻提出將激光點的顏色特征、運動信息和形狀特征這幾種線索融合起來進行激光點的檢測，可使準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)通過濾光片的使用，基本排除了噪聲的干擾，使系統(tǒng)的準確率得到大大的提升。文獻公開了一種激光筆指示與光點識別方法，利用亮度信息從顯示屏圖像提取紅色激光點，亮點識別原理與本文一致，但是由于使用的是固定槍式攝像頭，故安裝調試不方便。Cavens等通過改變硬件方法實現(xiàn)點擊功能，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，但是使用起來效果比較單一。文獻分別使用了不同方法來實現(xiàn)激光筆的互動，但都比較單一，不夠完善。然而在對激光點的行為進行描述上，文獻提到的激光筆互動系統(tǒng)使用起來非常復雜。本文提出的系統(tǒng)通過FPGA將攝像頭模塊、亮點識別算法模塊以及無線收發(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)整體設計方案
基于FPGA的激光筆互動教學系統(tǒng)主要是為在智能自然教學空間中授課的教師提供一種輔助工具，幫助他們在課程講義上進行各種指示動作或軌跡繪制，以及遠距離進行各種操作，從而使教學過程更生動，教師的行動更自由。為完成提供交互式教學場景的任務，系統(tǒng)的總體設計遵循方便、實用、效率的原則，使教師和學生都感到自然，“黑板”更具有特色。圖1是基于FPGA的激光筆互動系統(tǒng)的總體結構框圖，它主要由嵌入式模塊、激光筆、授課主機和投影屏幕4大部分組成。

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