基于普通攝像頭的激光筆繪圖方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于普通攝像頭的激光筆繪圖方法。其特征在于，提供一種用低成本的普通攝像頭能實(shí)現(xiàn)的通過對(duì)教師手中的激光筆投射到屏幕上的光斑進(jìn)行檢測與跟蹤，在投影屏幕上繪圖的方法。具體步驟為：1.視頻圖像的采集，從攝像頭中采集圖像，輸入到存儲(chǔ)圖像的空間中，為后續(xù)的處理做準(zhǔn)備；2.圖像的處理，包括將采取到的視頻圖像進(jìn)行顏色空間的轉(zhuǎn)換，分離圖像的顏色通道，以及一些圖像的處理，為了獲得更好的跟蹤效果；3.激光筆的檢測與跟蹤，對(duì)投影屏幕上的激光筆光斑進(jìn)行檢測，定位出具體坐標(biāo)位置，然后再跟蹤光斑的運(yùn)動(dòng)；4.繪圖，檢測到激光筆光斑的坐標(biāo)后，就可以根據(jù)光斑的運(yùn)動(dòng)軌跡，在建立的畫圖窗口中繪制圖形。通過低成本的硬件設(shè)備，實(shí)現(xiàn)方便地用激光筆在投影屏幕上勾畫、標(biāo)注。
【專利說明】基于普通攝像頭的激光筆繪圖方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于圖像處理和計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域，尤其涉及一種基于普通攝像頭跟蹤捕捉激光筆運(yùn)動(dòng)軌跡在投影屏幕上繪圖的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]激光筆，或者叫激光指示器，常被用來在教育和業(yè)務(wù)的演示中作為一個(gè)醒目的光斑進(jìn)行遠(yuǎn)距離指向。激光是一種定向發(fā)光的光，激光筆發(fā)射的激光只會(huì)朝一個(gè)方向發(fā)出，激光的光束發(fā)散的度數(shù)只有大約0.001弧度，基本接近平行，可以認(rèn)為它是基本不發(fā)散的光線。而且激光筆的亮度很高，所以它能射到并指亮遠(yuǎn)距離的物體，對(duì)遠(yuǎn)距離的物體進(jìn)行指示。激光的波長涵蓋的范圍很窄，所以激光的顏色是很純正的。學(xué)生在課堂上經(jīng)常會(huì)看到老師使用激光筆，在多媒體教學(xué)中，激光筆代替了傳統(tǒng)的教鞭，它又被稱為電子教鞭。它可以使老師離開投影 屏幕，在需要指出重點(diǎn)注意的知識(shí)點(diǎn)時(shí)使用激光筆指出，從而提高多媒體教學(xué)中的講課效率。
[0003]雖然教師在講課時(shí)可以用激光筆指出重點(diǎn)字句，但不能像使用粉筆一樣方便地勾畫、涂寫。為了讓教師能方便簡潔地在投影屏幕上像黑板一樣勾畫、標(biāo)記，需要設(shè)計(jì)一種激光筆繪圖方法。同時(shí)考慮到硬件成本，如果使用觸摸屏等技術(shù)，價(jià)格較高，并且不便于移動(dòng)。而基于目前大量廣泛使用的普通攝像頭，運(yùn)用圖像處理技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)跟蹤激光筆光斑進(jìn)行繪圖。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種用低成本的普通攝像頭能實(shí)現(xiàn)的通過對(duì)教學(xué)所用的激光筆光斑進(jìn)行檢測與跟蹤，實(shí)現(xiàn)在投影屏幕上繪圖的方法。
[0005]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案提供了一種基于普通攝像頭的激光筆光斑檢測、跟蹤和繪圖方法，其步驟為:
[0006]1.視頻圖像的采集
[0007]從攝像頭中采集圖像，輸入到存儲(chǔ)圖像的空間中，為后續(xù)的處理做準(zhǔn)備；
[0008]2.圖像的處理
[0009]包括將采取到的視頻圖像進(jìn)行顏色空間的轉(zhuǎn)換，分離圖像的顏色通道，以及一些圖像的處理，為了獲得更好的跟蹤效果；
[0010]3.激光筆的檢測與跟蹤
[0011]對(duì)投影屏幕上的激光筆光斑進(jìn)行檢測，定位出具體坐標(biāo)位置，然后再跟蹤光斑的運(yùn)動(dòng)；
[0012]4.繪圖
[0013]檢測到激光筆光斑的坐標(biāo)后，就可以根據(jù)光斑的運(yùn)動(dòng)軌跡，在建立的畫圖窗口中繪制圖形了。
[0014]本發(fā)明通過圖像處理和計(jì)算機(jī)視覺的技術(shù)，基于低成本的普通攝像頭，檢測教學(xué)演示用的激光筆光斑位置，跟蹤光斑的運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)在投影屏幕上勾畫繪制圖形，為教師講課提供了 一個(gè)方便快捷的教學(xué)演示方式。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1是視頻捕獲及目標(biāo)跟蹤流程圖
[0016]圖2是對(duì)激光筆光斑進(jìn)行跟蹤的算法流程圖
【具體實(shí)施方式】
[0017]本發(fā)明使用普通的攝像頭采集包含有投影屏幕的視頻信號(hào)，通過圖像處理和計(jì)算機(jī)視覺的技術(shù)，處理視頻畫面，基于顏色信息檢測出激光筆光斑的位置，然后用MeanShift算法跟蹤光斑的運(yùn)動(dòng)，根據(jù)激光筆光斑的運(yùn)動(dòng)軌跡，以及光斑的出現(xiàn)與消失，在投影屏幕上繪制圖形。使激光筆真正的成為筆，使得它打出的光斑經(jīng)過的地方可以得到保存，將激光筆的光斑軌跡記錄下來，從而在一個(gè)低成本硬件平臺(tái)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)一種方便的教學(xué)演示方式。
[0018]1.視頻圖像的采集
[0019]首先，攝像頭視頻捕獲功能的設(shè)計(jì)。初始化一個(gè)攝像頭捕捉的類，調(diào)用成員函數(shù)打開攝像頭，η表示的是攝像頭的索引。它需要運(yùn)行程序的計(jì)算機(jī)是存在攝像頭設(shè)備的，打開攝像頭的成員函數(shù)需要輸入程序要用到的攝像頭的代表參數(shù)，比如說要打開第幾個(gè)攝像頭。打開攝像頭后，攝像頭會(huì)捕獲到攝像區(qū)域的畫面，將攝像頭捕捉的類定義的對(duì)象捕捉的圖像輸入到定義的存儲(chǔ)圖像的矩陣類型中，以此來進(jìn)行進(jìn)一步的處理。如果計(jì)算機(jī)不存在攝像頭，或者存在攝像頭的情況下調(diào)用攝像頭失敗，則返回不能打開攝像頭的信息給用戶。具體流程見圖1。
[0020]2.圖像的處理
[0021]進(jìn)行激光筆繪圖時(shí)所處的環(huán)境總是變化的，環(huán)境中的光照亮度等也總是變化的，RGB的顏色空間對(duì)光照強(qiáng)度的變化比較敏感，如果采用RGB的顏色空間進(jìn)行跟蹤，會(huì)由于光照強(qiáng)度的影響對(duì)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果產(chǎn)生影響。本實(shí)驗(yàn)采用的算法，要求將攝像頭采取到的RGB顏色空間下的圖像轉(zhuǎn)化到HSV顏色空間，然后再用該算法對(duì)HSV顏色空間下的圖像進(jìn)行處理。
[0022]HSV顏色空間，參數(shù)H代表圖像的色彩信息，也就是該像素在光譜中所處的位置的顏色。這個(gè)參數(shù)用角度量來表示，紅、綠、藍(lán)分別相隔120度，互補(bǔ)色分別相隔180度。參數(shù)S代表純度，它是一個(gè)比例值，表示的是所選顏色的純度與該顏色最大的純度之間的比率，范圍從O到I。當(dāng)S = O時(shí)，只有灰度。參數(shù)V代表的是色彩的明亮程度，它和光強(qiáng)度沒有直接的聯(lián)系。
[0023]RGB顏色空間轉(zhuǎn)化到HSV空間的算法:
[0024]max = max (R, G, B)
[0025]min = min (R, G, B)
[0026]if R = max, H = (G-B) / (max-min)
[0027]if G = max, H = 2+ (B-R) / (max-min)
[0028]if B = max, H = 4+ (R-G) / (max-min)
[0029]H = H*60[0030]if H<0, H = H+360[0031 ] V = max (R, G, B)
[0032]S= (max-min) /max
[0033]需要注意的是，如果圖像的亮度值即參數(shù)V很低的話，純度S也會(huì)很低，對(duì)應(yīng)的參數(shù)H色度就會(huì)在很小的區(qū)域范圍內(nèi)，這樣的話會(huì)導(dǎo)致色度H的噪聲較多，不利于進(jìn)行光斑跟蹤算法。
[0034]圖像的效果處理是基于圖像空間轉(zhuǎn)換后根據(jù)H分量計(jì)算出一個(gè)灰度圖，對(duì)所得的灰度圖像進(jìn)行處理。
[0035]3.激光筆的檢測與跟蹤
[0036]激光筆的檢測是基于光斑的顏色特征，獲知激光筆光斑的H分量的取值范圍后，對(duì)視頻圖像進(jìn)行基于H分量的取值范圍的灰度轉(zhuǎn)換。得到的圖像進(jìn)行相關(guān)處理后就可以進(jìn)行光斑的檢測。由于是根據(jù)目標(biāo)的H分量進(jìn)行的圖像轉(zhuǎn)化，所以得到的灰度圖像應(yīng)該是目標(biāo)以及與目標(biāo)物體顏色相近的區(qū)域的取值越高，表現(xiàn)在人眼看來，就是那個(gè)圖像部位越白亮。H分量取值范圍外的區(qū)域顯示黑色。這樣就可以通過在圖像檢測出激光筆光斑。
[0037]檢測得到激光筆光斑的初始位置，根據(jù)位置信息，就可以舍棄很多與目標(biāo)物體顏色相近的非目標(biāo)物體。由運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性可以得到，相近的兩幀畫面中目標(biāo)物體的位置應(yīng)該變化不大。這樣就可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)的檢測跟蹤。
[0038]本程序跟蹤目標(biāo)物體是采用如下步驟，選取目標(biāo)物體后計(jì)算目標(biāo)物體的顏色直方圖，根據(jù)直方圖計(jì)算視頻圖像的反向投影圖，在反向投影圖上運(yùn)行跟蹤算法得到結(jié)果。跟蹤算法流程見圖2。
[0039]激光筆光斑的中心位置由移動(dòng)到新的位置:
【權(quán)利要求】
1.一種基于普通攝像頭的激光筆繪圖方法，其特征在于，步驟為: a)激光筆光斑所處區(qū)域圖像的色彩空間變換 激光筆繪圖時(shí)所處的環(huán)境總是變化的，環(huán)境中的光照亮度等也總是變化的，RGB的顏色空間對(duì)光照強(qiáng)度的變化比較敏感，如果采用RGB的顏色空間進(jìn)行跟蹤，會(huì)由于光照強(qiáng)度的影響對(duì)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果產(chǎn)生影響；本實(shí)驗(yàn)采用的算法，要求將攝像頭采取到的RGB顏色空間下的圖像轉(zhuǎn)化到HSV顏色空間，然后再用該算法對(duì)HSV顏色空間下的圖像進(jìn)行處理； b)激光筆光斑的檢測與跟蹤 激光筆的檢測是基于光斑的顏色特征，獲知激光筆光斑的H分量的取值范圍后，對(duì)視頻圖像進(jìn)行基于H分量的取值范圍的灰度轉(zhuǎn)換，得到的圖像進(jìn)行相關(guān)處理后就可以進(jìn)行光斑的檢測；由于是根據(jù)目標(biāo)的H分量進(jìn)行的圖像轉(zhuǎn)化，所以得到的灰度圖像應(yīng)該是目標(biāo)以及與目標(biāo)物體顏色相近的區(qū)域的取值越高，表現(xiàn)在人眼看來，就是那個(gè)圖像部位越白亮；H分量取值范圍外的區(qū)域顯示黑色；這樣就可以通過在圖像檢測出激光筆光斑； 檢測得到激光筆光斑的初始位置，根據(jù)位置信息，舍棄很多與目標(biāo)物體顏色相近的非目標(biāo)物體；由運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性可以得到，相近的兩幀畫面中目標(biāo)物體的位置應(yīng)該變化不大，這樣就可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)的檢測跟蹤； 本方法跟蹤目標(biāo)物體是采用如下步驟，選取目標(biāo)物體后計(jì)算目標(biāo)物體的顏色直方圖，根據(jù)直方圖計(jì)算視頻圖像的反向投影圖，在反向投影圖上運(yùn)行跟蹤算法得到結(jié)果； c)激光筆繪圖 依據(jù)跟蹤得到的每幀圖像中激光筆光斑的位置，用直線段講它們連起來；每一幀圖像繪制完成后，都將當(dāng)前的坐標(biāo)Point (X，y)賦值給Point (tempx, tempy),為下一巾貞圖像的線段繪制做準(zhǔn)備。
【文檔編號(hào)】G06F3/0484GK103984482SQ201410229000
【公開日】2014年8月13日 申請(qǐng)日期:2014年5月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月28日
【發(fā)明者】陳遠(yuǎn), 陳文欣, 羅必輝, 馬躍 申請(qǐng)人:重慶大學(xué)