摘要：為了實現激光筆與大屏幕的互動，基于常用的OV9650攝像頭模塊和315 MHz無線收發模塊，采用了一種FPGA架構實現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出的無線控制信號，通過授課主機端的軟件實現激光筆與大屏幕的互動。目前該系統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

0 引言
    在多媒體教學的普及過程中，普遍存在如何引進現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，本文設計并實現了一個基于FPGA的激光筆輔助教學系統，以便讓教師可以通過激光筆在遠處與計算機系統進行交互。
    基于FPGA的激光筆互動教學系統的實現原理是：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。
    該系統通過濾光片的使用，基本排除了噪聲的干擾，使系統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點擊功能，在普通激光筆上增加了按鍵，接收器根據按鈕發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使用起來非常復雜。本文提出的系統通過FPGA將攝像頭模塊、亮點識別算法模塊以及無線收發模塊集成在一起，使得系統部署方便，使用更為靈活。

1 系統整體設計方案
    基于FPGA的激光筆互動教學系統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，FPGA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。系統邏輯流程如圖2所示。

2 系統硬件設計與實現
2．1 無線發射激先筆設計
    無線發射激光筆可以產生穩定可靠的激光光點，另外有5個功能按鍵分別發射不同的控制信息。根據設計要求，將激光頭分為按鍵編碼模塊和無線發射模塊。設計框圖如圖3所示。在此，采用了PT2262／PT2272編解碼芯片，其中PT2262為編碼芯片；PT2272為解碼芯片。基于PT2262的工作方式，設計了6按鍵的編碼電路方案，如圖4所示。K0～K5為6個按鍵，分別對應數據位D0～D5。當所有按鍵都斷開時，晶體管Q1截止，電路中沒有電流，芯片不工作。當6個按鍵中任意一個被按下時，R1和按鍵的下拉電阻分壓使得Q1的基極電壓下降，Q1導通，PT2262芯片開始工作，指示燈D1工作。此時，除了閉合的按鍵所對應的數據位為邏輯高電平之外，其他位為低電平。

    無線發射模塊的功能是將按鍵信息編碼調制到高頻載波上并發送。載波頻率為315 MHz，調制方式為幅度調制。發射后的信號可由系統的無線接收模塊進行接收并解碼。

2．2 無線接收模塊
    無線接收模塊用以接收激光筆發射端的控制信號，它主要包括接收解調和信號解碼兩個部分。為了達到較高靈敏度的目的，選擇超再生接收作為接收端的接收解調方案，其電路原理如圖5所示。信號通過天線接收，首先經過L2和C23濾出315 MHz附近的頻段信號。Q1為第一極放大，放大特性通過R18和R17施加偏置電壓控制；Q2為超再生混頻管，其本身通過C15，C16和L1構成的選頻網絡產生315 MHz附近的本征振蕩，然后與前級放大后的信號進行混頻。如果本征頻率與315 MHz足夠接近，混頻后將產生低頻分量，該分量即為調制到載波上的編碼信號。

    解碼芯片采用PT2272，與PT2262配套使用。PT2272有多種型號，后綴可以為L4，M4，L6，M6等，后綴中的L表示鎖存數據輸出，M表示瞬態輸出。這采用PT2272-M6，解碼后的控制信號經FPGA處理后輸出。
2．3 FPGA采集處理及數據傳輸
    在系統的總體設計上，采用Altera公司的EP2C8Q208C8 FPGA芯片作為系統的主控芯片，配合OMNIVISION公司的OV9650數字CMOS圖像傳感器和ISSI公司的IS42S16160B片外SDRAM存儲芯片來構建攝像頭激光點采集處理系統，采集到的圖像可由VGA模塊顯示。激光點可利用其較高的亮度信息與背景色進行分辨區分，計算出的激光點坐標以及無線接收的控制信息以串口數據的方式發送，經片外CP2102串口轉USB模塊，可使數據通過USB口發送到授課主機。該系統的總體結構方框圖如圖6所示。

    FPGA模塊是該系統的核心模塊，它將數據采集、圖像處理、圖像存儲控制、圖像顯示控制、坐標計算及串口傳輸控制等功能集成到一片芯片上。該系統采用Altera公司的EP2C8Q208C8 FPGA芯片，它擁有5 256個邏輯單元(LE)、36個M4K、2個PLL和18個嵌入式乘法器，還擁有最多138個通用I／O口，它能提供足夠多的擴展口，以滿足系統的所有要求。另外，OV9650攝像頭基于CMOS圖像傳感器技術，最大輸出圖像分辨率為SxGA(1 280×1 024)。OV9650支持多種圖像格式，包括10位或者8位的原始RGB，RGB565，RGB555，GBR[4：2：2]，YUV等多種格式，且具備自動圖像控制功能，包括自動曝光控制AEC、自動增益控制AGC、自動白平衡AWB以及自動濾波ABF等。以上各個參數都可以通過芯片的SCCB接口進行設置。SCCB是OMNWISION公司定義的串行相機控制總線，主要用于對該公司研發的系列圖像芯片寄存器進行設置。OV9650有多個寄存器，這些寄存器主要用于對圖像格式和圖像質量的控制，用戶可以通過SCCB總線對這些寄存器進行讀／寫操作。

3 系統軟件設計與實現
    該教學系統的軟件部分可以分為屏幕校準模塊和屏幕顯示模塊。
3．1 屏幕校準模塊
    由于在OV9650攝像頭所采集到的圖像信息中無法準確地只包含顯示屏幕的信息而不含其他成分，且顯示屏幕在視頻圖像中往往不是規則的四邊形，而是帶有較小曲率的類似四邊形，因此需要進行屏幕校準步驟，使圖像信息中的坐標轉換為顯示屏幕對應的坐標。這種轉換采用線性代數的方法，公式如下：
   
    式中：為轉換后坐標；為轉換前坐標；A，d為轉換參數，通過計算初始采集圖像中屏幕的4個頂點坐標值得到。
    該系統中的這種轉換及需要的定位位置要在系統啟動時期以獲取，并將轉換矩陣固定，這樣對每個坐標值的轉換可在常數時間內完成。
3．2 屏幕顯示模塊
    屏幕顯示模塊主要完成軌跡繪制、鼠標操作和放大鏡操作的實現。該模塊的邏輯流程如圖7所示。

    圖7中屏幕顯示模塊的輸入來自屏幕校準模塊校準后的激光點坐標信息，輸出為軌跡繪制的顯示、鼠標操作的響應或放大鏡操作的響應。具體來說，這三種輸出是該系統功能模式的實現，分別為：
    繪圖模式  使用激光筆在屏幕上描繪，屏幕上出現對應的軌跡，同時可以通過激光筆上的按鍵實現幻燈片的上下翻頁及擦除屏幕軌跡的操作。
    鼠標模式  使用激光筆在屏幕上的指示位置，屏幕上的鼠標發生移動，并可通過激光筆上的按鍵實現鼠標左擊及右擊的操作。
    放大鏡模式  使用激光筆在屏幕上的指示位置，屏幕上對應的區域會進行局部放大，并且屏幕上的放大區域會隨著光點發生移動。為了防止操作激光筆時由于手的輕微抖動使屏幕產生輸出，本系統采用了閾值的方法對這一情況進行了限制，具體算法如圖8所示。

4 系統的整體實施結果
    基于FPGA的激光筆互動教學系統功能測試效果如圖9所示。從圖中可以看出，基于FPGA的激光筆互動教學系統完全實現了預先設定的邏輯功能，在實際使用中能大大方便智能教室的教學，提高教學質量。

5 結語
    激光筆互動教學具有如下有益效果；能夠豐富教學環境，提供給教師一種更新的教學模式，可使教師的教學工作更加連貫和自由；在其他環境中，通過遠程指示特性，各種人機交互設備可被修改為遠程指示性設備，避免人力直接接觸屏幕，提高設備的可靠性。同時該系統采用FPGA將攝像頭模塊、光點識別算法模塊及無線接收模塊集成在一起，使得FPGA模塊成為惟一的外設，方便安裝部署，從而使得系統不僅僅局限于教室這一場景，大大提高了這套系統的實用性。未來的工作主要是將FPGA模塊與授課主機的通信方式由USB線纜通信升級為藍牙通信，進一步增加系統的靈活性及實用性。