基于光学原理的多点触摸技术导论.doc

概述

      多点触摸指是许可计算机用户同时经过多个手指或触点来控制计算机一个操作模式, 而多点触摸设备是由可触摸显示或影幕设备（如计算机显示器、 桌面、 墙壁）, 也可由触摸板组成, 以后经过软件识别同时发生触摸行为点并进行处理。这与市场上常见触摸显示器（如计算机触摸板、 银行ATM 柜员机）不一样, 市场上常见触摸显示器只能够识别单点。
      经过全球爱好者不停探索和创新, 到现在为止, 已经有五种能够帮助爱好者搭建稳定多点触摸平台技术, 它们分别是: 由Jeff Han 教授开创受抑全内反射多点触摸技术（FTIR）; 微软Surface采取后面散射光多点触摸技术（Rear-DI）; 由Alex Popovich 提出激光平面多点触摸技术（LLP）; 由Nima Motamedi 提出发光二极管平面多点触摸技术（LED-LP）; 由Tim Roth 提出散射光平面多点触摸技术（DSI）。
      这五项技术关键基于光学原理和计算机视觉识别, 除了这五种主流技术之外, , 还有部分其它技术一样能够搭建多点触摸设备, 包含声波器、 电容、 电阻、 动作捕捉器、 定位器、 压力感应条等。通常情况下, 这多种感应器结合起来, 就能够搭建一个尤其多点触摸设备。在这里, 我们将和大家探索这五种多点触摸技术。

基于光学原理多点触摸技术

      基于光学原理（如摄像头）多点触摸技术搭建设备体积相对较大, 但它可拓展性较强、 成本较低以及轻易搭建。受抑全内反射多点触摸技术（FTIR）, 正面和后面散射光多点触摸技术（Front and Rear DI）, 激光平面多点触摸技术（LLP）, 发光二极管平面多点触摸技术（LED-LP）, 散射光平面多点触摸技术（DSI）, 这些都是基于光学原理多点触摸技术。
      每个基于光学原理多点触摸技术都包含光学感应器（通常为摄像头或摄像机）、 红外光源以及经过投影仪或者显示面板显示器幕。因为有这三个相通点, 所以在系统探讨各项技术前, 需要对这三点有个清楚认识和了解。

      红外光源
      红外线（英文简称: IR）是不可见光一个, 位于人眼能够看到可见光红光外侧, 在光谱中波长自0.76μm（微米）至400μm, “近红外”（英文简称: NIR）处于红外光谱上最低处, 通常被认可波长为700nm（纳米）到1000nm 。大多数数码摄像头传感器对红外线很敏感, 所以我们通常看到摄像头都加装一块能够滤去红外线镜头, 方便于摄像头只捕捉可见光。但这与我们所需要相反, 我们需要捕捉红外光, 所以我们需要将一块能够滤除其它波长光只接收相对应红外线波长光镜头, 替换原先过滤镜片就能够达成我们目。
      在多点触摸技术中, 红外光源关键作用是区分触摸表面可视界面和手指或物体痕迹。鉴于很多系统都以投影仪或者显示器作为显示设备, 所以怎样让摄像头仅读取手指或物体反馈触摸点是我们需要关注, 经过改装摄像头, 让它仅读取我们在触摸表面上所需要反馈触摸点即可。
      大多数亚克力(Acrylic)生产商在生产亚克力时已经加强了减弱900nm 以上红外线能力, 这么能够帮助在作为窗户使用时是降低对太阳热吸收。很多摄像头在这方面上也做了修正, 减小对940nm 以上红外线敏感度和降低太阳光干扰。
      我们需要红外光是经过红外发光二极管得到。在多数基于光学原理多点触摸技术中（尤其是LED-LP 以及FTIR）, 红外发光二极管能够作为有效红外光源从而提升我们所需要红外光。散射光多点触摸技术(DI)不一定需要红外发光二极管, 不过也能够安装含有红外发光二极管红外光源组。激光平面多点触摸技术(LLP)利用红外激光器作为红外光源。

      通常情况下, 能够购置单红外发光二极管或者直接购置红外发光二极管带:
      单红外发光二极管: 单红外发光二极管价格相对廉价, 能够很轻易利用FTIR、 DSI 以及LED-LP技术, 为设备制作发光二极管框, 不过需要我们了解怎样去焊接我们所需要电路。现在最常见型号是欧司朗SFH 485P, 假如你想利用LCD面板作为显示设备话, 那么你需要亮度更大红外发光二极管。
      红外发光二极管带: 这是用柔性扁平电缆结合红外发光贴片制作条带, 十分便利, 购置时候已经组装好, 只需要我们贴在亚克力四边则可, 公认质量最好是美国提供红外发光二极管带。
      红外发射器: 用于散射光多点触摸装置, 这种方法装置更为简易, 只需要我们经过红外发射器将箱子内部照亮即可, 但需要我们注意是怎样消除因为红外发射器引发区域过亮问题。
      在购置红外发光二极管之前, 需要十分注意发光二极管参数表、 波长、 角度、 功率等, 这些都是技术关键。
      波长: 780-940nm, 红外发光二极管在这个范围内最轻易被摄像头读取。波长越低, 敏感度就越高, 更轻易分析压感。
      功率: 最低为80mw。

      适用在FTIR 角度: 角度低于正负48 度将不能产生全内反射, 而角度大于正负48 度则会使红外线溢出亚克力。为了确保范围正常, 能够让角度高于正负48 度, 但高于正负60 度会造成浪费（60-48=+/-12 度）, 红外线会溢出亚克力。
      适用在DI 角度: 通常来讲角度越广越好, 更大角度产生效果会更理想。对于DI 装置, 很多人会碰到区域过亮问题。为了处理这个问题, 我们提议将发光器反转照射, 避免直射显示区域, 同时我们需要为摄像头加上过滤片, 软盘盘片能够临时充当, 但效果不太好, 我们提议用专业过滤镜镜片来处理问题。

      红外摄像头
      通常网络摄像头或者摄像机能够用于多点触摸设备上, 不过会将红外光过滤掉, 只让其读取可见光, 所以我们需要对其进行改装成只有红外光能够被读取。通常情况下, 我们只需要打开摄像头盖⼦, 然后将过滤红外光线镜片去掉, 换上能够过滤可见光镜片即可。但有些价格比较贵摄像头会将这个含有过滤红外线功效过滤镜片整合在摄像头里面, 我们无法去掉。
      有些摄像头能够直接读取红外光线, 但进行改装摄像头用起来效果会愈加好。
      多点触摸设备性能好坏取决于其采取部件, 所以你需要十分谨慎地去选择你所需要部件。在购置摄像头之前, 你需要明确是自己目是什么。假如你仅需要搭建一个小用来测试多点触摸设备, 那么一个简单摄像头就足够了, 但相反假如你需要搭建一个用来演示多点触摸设备, 那就需要考虑购置愈加好摄像头了。
      分辨率: 摄像头分辨率十分关键, 分辨率越高摄像头能够更轻易地读取手指或者物体清楚图像, 这对于需要做正确度高设备来说很关键。对于一个小多点触摸设备来说, 一个低分辨率网络摄像头(320*240像素)就能够胜任了, 而比较大设备则需要一个分辨率高摄像头(640*480像素以上)以提升正确度。
      帧率: 帧率是指摄像头在一秒中内读取到帧数目, 帧率越高意味着在单位时间内影像越流畅。为了让设备反应愈加灵敏, 愈加好地读取手指或物体移动时产生触点信息, 我们少需要30帧每秒(FPS)摄像头。
      接口: 通常情况下, 我们能够经过两种接口来连接摄像头和电脑。依据项目不一样, 能够选择常见USB接口或者专业IEEE1394接口（常说“火口”、 “火线”）。IEEE1394摄像头对读取信息衰减程度小, 从而能够愈加好地将信息传送给计算机处理, 衰减越少摄像头, 设备效率越高。
      镜头类型: 大多数网络摄像头都含有过滤红外线滤镜片, 也含有避免图像变形矫正单元。我们需要捕捉和利用红外线, 很多网络摄像头能够很轻易去除滤除红外镜片, 这个镜片被放置在镜头后面, 含有遇红色反光特征。有些摄像头无法拆除红外滤镜, 需要将整个镜头进行更换。
      网络摄像头通常都会用到M12型号底座, 工业摄像头系列(IEEE1394)通常需要另外购置镜头。不一样型号摄像头, 底座也不尽相同, 比如M12、 C或者CS。
选择一个好摄像头并不是一件轻易事情, 很多摄像头生产商会提供一个在线镜头计算工具, 这个工具经过输入多个参数便能够帮我们测量出在镜头与显示物体区域焦距。要注意选择好相对应型号。一个焦距比较低镜头往往会产生诸如图像变形等不好效果, 干扰触点定位, 使得工作难以进行。
      摄像头传感器和红外线过滤镜: 鉴于我们多点触摸技术是基于红外线, 所以我们需要知道我们选择摄像头是否含有读取红外线功效。通常情况下, 生产商都会提及所用摄像头传感器类型, 经过这个类型我们能够找到相对应参数表, 这个参数表会告诉我们这个摄像头传感器在不一样波长光下敏感度, 比如: SONY ICX098BQ CCD 传感器参数表。

      在利用摄像头作为多点触摸设备部件前, 需要为摄像头添加过滤干扰光滤镜。尽管我们使用是已经能够感应红外线摄像头, 但它仍然会对其它光敏感。为了处理这个问题, 我们需要在镜头前添加一个裁剪滤片(软盘、 三色胶片)或者镜头滤镜。裁剪滤片能够为我们消去部分可见光, 但没有特定范围, 而镜头滤镜含有波长唯一性、 只许可一个特定波长光线经过特点。

      假如是购置USB接口摄像头, 我们提议您购置以下一个:
        PlayStation 3(PS3leye)摄像头, 能够比较轻易地除去红外滤镜片, 含有比较高帧率(640*480@30 FPS)。
        Philips SPC 900NC, 不能除去红外滤镜片, 需要更换镜头, 含有比较高帧率(640*480@30l FPS）。

      假如是购置IEEE 1394(火线接口)摄像头, 我们提议您购置以下一个:
    l    Unibrain Fire(640*480@30 FPS), 传感器型号与Philips SPC 900NC相同。
        Pointl Grey Firefly(640*480@60 FPS)。

      IEEE 1394 摄像头相对于USB 摄像头含有以下优点:
        高帧率l
        高分辨率l
        图像压缩率低l