激光投影虚拟键盘的基本原理设计

于家泉刘俊杰

大连民族大学辽宁大连116600

摘要：本文主要对激光投影虚拟键盘的基本原理、设计方法及测试过程进行了研究，在功能模块上可分成可视化的虚拟键盘呈现、键盘输入信号的采集、图像信号定位编码及通信接口四部分，实际分硬件和软件两部分展开工作。

关键词：红外光；图像信号定位编码；STM32F103RBT

一、激光投影键盘工作原理及制作步骤

1工作原理

本设计采用小功率红色激光发生器作为投射光源，并以自主设计制作的键盘字模，覆盖于激光光源表面，激光透过字模将键盘图形投射到表面上，从而实现虚拟键盘的呈现工作。单片机对信号的采集拟采用摄像头和一字红外光源实现。主要做法是将一字红外光源置于投影装置底部，发射出的一字红外信号用于检测是否有手指按下。若有手指按下时，红外线就会以一定角度被反射。而摄像头则安置于一字红外光源上方，用于接收被反射的红外信号。手指按下的时候，将一字线激光器发射出来的红外线反射到摄像头里面，摄像头的图像通过液晶显示屏显示出来。摄像头加上了红外滤光片的，只有红外线可以进入摄像头里面，避免了可见光的干扰存在，更好的获取到手指的反射光斑，也就是手指反射的红外光斑，将可见光（包括键盘投射的图案）过滤掉了，所以可见光是看不到的，最后得到光斑，再进行二值化+阈值调节。

2激光键盘投影

单片机对信号的采集拟采用摄像头和一字红外光源实现。主要做法是将一字红外光源置于投影装置底部，发射出的一字红外信号用于检测是否有手指按下。若有手指按下时，红外线就会以一定角度被反射[5]。其中键盘图案投射器将在桌面等平面上投影出人能看到的虚拟的键盘图案，当使用者用手指接触投射出的虚拟键盘图案中的“按键”时，手指将进入贴近桌面的线形激光发射器的照射范围，此时手指将被该激光器照射，产生反射光，而摄像头则安置于一字红外光源上方，用于接收被反射的红外信号。

这种键盘提供检测三个轴（X，Y和Z）一个织物结构内厚大约1毫米。该技术是一种织物传感器和电子和软件系统的组合。所得织物接口根据其所提出的应用的要求提供数据。传感器操作的三种模式包括位置感测（X-Y定位），压力测量（Z传感）和开关阵列。从图像中获取目标的坐标是建立在图像坐标系空间的，而投影的键盘图像是建立在世界坐标系空间的，需要进行坐标变换，将其映射到投影键盘的坐标系，才能将“单击”事件转换成键盘输入指令，变换过程如式(9)所示：

(9)

其中，A为2×2非奇异像素坐标旋转矩阵;t为2×1的像素坐标平移向量;A与t由原图像和变换后图像边缘角点坐标求解;x'为转换后像素坐标;x为转换前像素坐标。最后将图像中的每个键盘按键键位对应的坐标以软件方式标记，当键盘区域内有“点击”事件存在的时候，判断该“点击”事件坐标对应的键盘区域的坐标位置，然后向计算机传输该按键消息，实现键盘的输入。

二、图像信号定位

3.1位图转二值图

在单片机接收完图像后，采用四个步骤完成对所采集图像的定位，依次为：位图转二值图，最大闭合区间定位，键盘编码，上位机接收。四个部分的功能分别是压缩图像，按键定位，坐标与键码互换，上位机接收并反映[7]。

位图转二值图，位图的四字节对齐，这个对齐是位图每行像素的对齐，不要和上面的结构体对齐混淆，每行像素所占字节数必须是4字节的整数倍，不足的要填充，这时因为内存分配单位是32位的，即4字节，读入的每行像素是连续的，不能和其他行共占一个内存单位。

彩色图转为灰度图，RGB共有256种灰色分量，就是R=G=B时的色彩是灰色的，所以可以用一个字节来表示，将彩色图转化为灰度图就是让真彩色图的三个颜色分量等于一个相同的数值，具体等于多少可以与多种方法，比如求三个分量的平均值，取三个分量的最大值或者使其中两个分量等于另一个分量的值，还有一种常用的方法是取加权平均值，根据这个很著名的心理学公式Gray=R*0.299+G*0.587+B*0.114[6]。

3.2信号接收

虚拟区域可以形成在一个有形平面或区域确实由用户绘制的假想区域的虚拟区域的示意图。平面可以存在的任何平台上，诸如一个刚性板包括一个刚性塑料板，由木材制成的板，玻璃板或金属板，以及一个柔性板包括软塑料片，橡胶板或一张纸。此外，平面可以是一个计算机桌，一个餐桌，一个监控面，刚性/柔性板或具有多个印刷在其上键图案的一张纸。

三、测试结果

通过上述方法，对主控芯片进行编程实现，并通过LCD液晶屏对图像处理效果进行调试，得到所采集的图像信号如图8所示。

图8摄像头采集信号示例

可以发现，摄像头经偏振片后，已经滤除了可见激光，只留下了700nm左右波长的近红外光。且亮度足以区别于环境，因此可以进行进一步的定位处理，通过坐标于键码的转换，输出相应的键码。

为了验证激光虚拟键盘的实用性、可靠性，实验中每分钟键盘的“单击”次数不低于200次。在正常室内照明的情况下，准确率及精度如表1所示。可见，该虚拟键盘的响应速度和响应精度完全能够满足计算机输入设备的需要，可以代替传统键盘。

四、结论

多年以来，便携式计算机已经变得越来越小。在产生一个较小的便携式计算机的努力主要尺寸限制性元件一直是键盘。如果使用标准打字机尺寸的键，便携式计算机必须至少为键盘那样大。微型键盘已被用于在便携式计算机上，但微型键盘的键已被发现是太小，是由用户足够的精确度容易地或快速地操纵。

参考文献：

[1]曲楠．科技照亮生活，激光虚拟键盘的前世今生．中关村在线原创，2014年，第32卷第1期：108-112

[2]梁华.为直接从双峰直方图确定二值化阂值.模式识别与人工智能,2002年,第15卷第2期:253-256