基于激光笔交互的多媒体播放技术分析

王建超

浙江工商职业技术学院 浙江宁波 315012

摘要：激光笔是一种比较新颖的多媒体交互工具，是代替计算机鼠标、键盘进行简单播放、标记、批注等功能操作的远端教学工具，在现代教育环境中能够为教师的教学带来更多的便利。本文从激光笔交互系统的设计入手，分析并探讨在多媒体播放中应用激光笔进行交互所需的技术基础，为激光笔在教育领域的进一步应用提供一些思路。

关键字：激光笔；多媒体；播放；交互

引言：多媒体技术进入教育教学领域是教育现代化、信息化的重要标志。随着计算机相关技术的不断发展，多媒体设备的形式不断多样化，从简单的白幕投影发展到交互式白板，教师的操作方式也从单纯的键盘鼠标控制发展到交互式白板书写、激光笔远程操作，使得教师能够走下讲台到学生中间去，大幅度提高了教育教学的质量和效率。

1.激光笔交互系统的设计分析

激光笔交互系统从表面上来看是教师用激光笔对着大屏幕直接操控，实际上是摄像头将激光笔的光点在大屏幕上的轨迹传送到计算机，由计算机上对应软件进行识别后配合操作的。因此，在激光笔交互系统中，大屏幕、摄像头、投影仪、计算机、激光笔这些设备缺一不可，其中的图像视频采集、畸变校正、光点检测、轨迹识别等计算机软件的重要性也很高，整个激光笔交互系统中缺了哪一环节都无法顺利实现对多媒体播放内容的远程操作。从当下的激光笔交互系统来看，基本组合是VC++语言环境和Open CV库，摄像头一般为CCD配合视频采集卡，只需要教师将计算机上的系统软件最小化运行，即可用激光笔在大屏幕上进行常规设定操作或自定义操作，实现对大屏幕的远程上下翻页、链接点击、标记或墨迹清除。

2.在多媒体播放中应用激光笔进行交互所需的技术基础

2.1 激光笔光点检测

激光笔交互系统中的关键技术之一就是激光笔的光点检测，只有准确捕捉到需要检测的光点，才能够准确根据激光笔的轨迹来执行来自教师的操作，保证多媒体教学的准确性。由于激光笔形成的光点本身较小，如果以大屏幕本身作为检测目标，容易将因光照不均匀导致的光斑与激光笔光点相混淆，影响对光点的捕捉和检测，不利于多媒体系统的有效操作。因此，激光笔交互系统多以激光笔的光点本身作为检测目标，根据激光笔光电的特征进行检测，提高检测的准确性和有效性。

2.1.1 激光笔光点检测特征

在将激光笔的光点作为目标时，光点本身的特征就需要在摄像机的采集拍摄中被突出，以便于对比捕捉。比如：光点中每个像素点的灰度平均值、彩色图像中的颜色分量、几何形状、最小长宽比、像素点数目、位移单位速度、位移方向、连续多个位置的位移连线等都是检测光点目标的依据。在实际检测过程中，不一定每一个检测依据都同时拥有价值，每一个检测依据的价值量也大不相同，摄像头检测中主要进行的是尽可能多的对比依据，实现对激光笔光点的稳定检测。

2.1.2 激光笔光点检测原理

激光笔光点的检测原理通常包括两个部分，一部分是目标探测，另一部分是后续帧检测。在大屏幕操作区域内，光点的第一个可检测到的目标，是目标探测原理的检测对象；在一个完整的激光笔指示动作中，第一个可检测目标的后续帧通常以前一帧检测到的特征来进行连续检测，从而捕捉到一个完整的动作，由计算机软件识别后进行对应操作。后续帧检测是教师利用激光笔进行轨迹操作的重要基础，支持教师设置建议的动作符号来代替功能指令，比如用“e”来代替墨迹擦出指令等。

2.2 激光笔轨迹识别

激光笔的轨迹识别是激光笔交互系统实现远程交互的重要途径，其中应用的识别技术是该系统的关键技术之一，其重要性不亚于前面的光点检测技术。交互系统对于激光笔轨迹的识别建立在摄像设备对光点的准确探测基础上，只有做好对光点的准确探测，才能够让计算机软件准确识别是有目的的光点轨迹，还是教师无目的的操作，以便提高指令执行的质量和准确度，辅助教师顺利提高多媒体教学的效果。激光笔轨迹识别的主要对象是数字、字母和“∧”、“∨”。针对激光笔轨迹的识别从本质上来讲是针对运动物体的信息采集和分类处理的结果，因此，轨迹识别包括获取和处理两个部分，分别对应特征提取和分类器两个系统结构。

2.2.1 轨迹识别方式

在市场上，现有激光笔交互系统对轨迹识别的方式有两大类，一种是由摄像头拍摄下完整的激光笔光点运动轨迹后，传递给计算机软件进行图像识别，判断出教师用激光笔在操作区域内画出图案是数字、字母还是“∧”、“∨”；另一种是通过光点走过的坐标位置、运动方向、旋转角度等信息连接在一起来得到的轨迹，由计算机软件判断出教师画出的是怎样的图案，是否对应着特殊的指令。从两种轨迹识别方法上来看，按照完整图案来识别，所需的计算量更小，运算复杂程度更低，但识别的准确度有限，有一定的误操作可能性；按照光点坐标来识别，所需的计算量更高，运算复杂程度更高，但对轨迹识别的准确度更高。

2.2.2 轨迹数据处理方式

在轨迹的处理方面，激光笔交互系统主要借助分类器来得以实现。分类器主要依据摄像头获取的激光笔光点轨迹特征来进行分类，判断识别教师操作激光笔给出了怎样的轨迹指令，因此，能否获取到足够分量的信息是影响分类器工作效率的重要因素。从分类器角度来讲，采集激光笔光点坐标信息的方式能够获取到的信息明显多于直接获取完整图案，但数据信息数量太多也容易拖慢分类器的识别速度，因此，提高分类器对特征的规整、分类能力是激光笔交互系统优化的重要方向。对于分类器来讲，同一个操作者在操作过程中画出的同一指令存在相同的特征，比如字母、数字在笔划方向、位移方向上、顺序上的特点，这些都能够让分类器顺利识别出指令内容相同的轨迹，及时这些字母、数字进行了缩小、放大或平移。在这样的分类器功能支持下，激光笔交互系统能够满足不同教师的共同使用。

结束语：激光笔是现阶段多媒体教学系统中重要的远程操作工具，能够支持上下翻页、链接点击、标记、墨迹清除等多个操作动作，使教师能够走下讲台到学生中间去。激光笔交互系统还有一定的技术革新空间，期待未来更多功能的开发，尽可能多的代替鼠标、键盘操作。

参考文献：

[1]王志华. 激光笔交互技术研究[D].大连理工大学,2015.

[2]张麒麟. 基于图像处理的人机交互激光笔设计与实现[D].华中科技大学,2016.

[3]杨峰明. 基于激光笔交互的多媒体播放技术研究[D].燕山大学,2012.

此论文系浙江省教育厅一般科研项目基于Labview和智能视频视觉的投影仪交互系统研究的研究成果，项目编号： Y201636487

姓名：王建超（出生年份1989.11.23—），男，汉，籍贯：河南，硕士，浙江工商职业技术学院，研究方向：智能控制，楼宇智能化。