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基于SOPC的投影触控系统设计

2017/04/06|发布者: 期刊易|阅读:
【摘要】 基于 SOPC 的投影触控系统设计 马熙,韩庆龙 (武汉科技大学信息科学与工程学院 武汉 430081 ) 摘要 本文设计一个基于 SOPC 的投影触控系统,通过摄像头识别手的触碰来控制

基于SOPC的投影触控系统设计

马熙,韩庆龙    

(武汉科技大学信息科学与工程学院  武汉  430081

摘要

本文设计一个基于SOPC的投影触控系统,通过摄像头识别手的触碰来控制投影屏幕的变换,因为摄像头采集的视频图像包含的信息数据量巨大,分析它所需要的图像处理算法的复杂度也越来越高,所以图像处理系统对于实时性的要求越发显著。本项目是基于DE1-SOC平台开发的投影触控系统,充分利用SOPC的优势,来实现投影交互功能。利用FPGA的高速并行处理特性进行视频数据采集,利用ARM的处理特性进行复杂的图像处理算法来对手指进行识别,结合两者优势,来提高投影触控系统的实时性。

关键词  SOPC  投影触控

 

1 概述

把内容投影到墙上,然后在墙上操控内容,是很久以来人们非常期盼的交互方式,为了克服大屏投影操作的不便,本项目提出一种基于SOPC的投影触控系统设计,采用的是terasic公司推出的DE1-SOC开发板,内嵌入双核ARMDE1-SOC充分融合了FPGAARM的各自特性与优势,非常适合来进行同时有大数据量和复杂算法的系统的实现。整个系统采用软硬件协同思想,DE1-SOC开发板做到了将FPGAHPS完美地融合在一起。控制信号放在HPS端实现。大数据处理交由FPGA完成。充分发挥了两者的优势,两者的恰当融合使得本系统可以达到稳定,可靠,高速等性能指标。


1   DE1-SOC板子俯视图                   2  DE1-SOC内部资源分布图

2  手指触碰识别的算法实现:

2.1手指指尖识别:

指尖的识别:

在经过图像校正之后得到的拍摄图像进行预处理可以提取出手部分颜色较深的位置,计算所提取出的手部图像计算手的图像离手的重心位置最远的为指尖,也即是重心距离法。

  1. 找到手的区域,肤色分割,画出轮廓。
  2. 计算手的区域的重心。
  3. 在手的区域的边缘点集中寻找距离重心最远的点,该点很大可能为指尖。
  4. 判断找到的点是否为指尖。判断依据:若离重心最远点到重心的距离大于边缘到重心平均距离的1.5倍,则判断该点为指尖;否则不是指尖,也就是说没有手指伸出。

   

3 指尖检测图

1、对图像做高斯模糊;

2、肤色分割

3、找到手轮廓;

4、计算矩,即重心;

5、寻找指尖。

2.2 手指触碰的识别:




 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4  测量原理图

触碰识别比较准确的做法是测量指尖下表面到投影界面的距离。

如图 4所示,将投影仪放在上方、摄像机置于下 方,则由图示光路可知,指尖下存在一块阴影区域不 能被投影仪所投射到,但可被摄像机所拍摄到,其长  D’与指尖下表面到投影界面的高度 H’成正相关 关系。类似地也可证明,当 H’较小时,D’与 H’同样存在着接近正比的关系,因此亦可以设定阴影长度的一个门限 th_d,当 D’<th_d 时即判定用户指尖下表面已接触投影面。

2.3手指滑动的识别

与滑动解锁的思想类似,若在识别触碰的同时存储用户上几次连续触碰的位置,可以进行用户滑动方向的判断,进而实现翻页功能。借此原理实现,根据手指的滑动信息可以实现翻页操作。

 

 

3  系统设计

本系统由便携式投影仪与单个普通可见光摄像机固定在一起组成的互动投影系统,通过投影仪将背景画面投射在任意的规则平面上,由摄像机捕捉用户在投影屏幕上的交互手势图像,经数据接口传输给DE1-SOC进行处理,对前景手臂区域分割提取并检测指尖点的位置,最后采用自适应结构光编码的方法检测指尖触摸投影平面的操作,并根据触控结果实时更新UI界面,实现触控的投影交互方式。

本系统之所以采用DE1-SOC,是想利用ARM软件处理和FPGA硬件处理优势实现双赢。
由于视频信息量大,实时性要求高,可以充分利用FPGA的并行特性来进行视频数据的采集。

整体模块框图:

 

 

                      

 

 

5 基于DE1-SOC的投影交互系统系统框图

 

3.1 FPGA端设计

因为FPGA无可比拟的并行特性,所以用FPGA来对视频图像这种大数据量的预处理就非常合适,所以选择用FPGA来完成最初始的图像校正和中值滤波,后面复杂的算法交由ARM端来实现。


6 FPGA图像校正模块


7  FPGA中值滤波模块

3.2 嵌入式软件设计

因为DE1-SOC嵌入双核ARM-cortex-A9处理器,所以可以在上面移植Linux操作系统,在操作系统之上编写相应的应用软件来实现对保存在DDR3 SDRAM的已经过FPGA滤波之后的图像进行进一步的复杂算法处理,实现对手指之间的识别和手指触碰的识别,以及进一步的手势识别,根据识别结果实时将UI界面通过VGA输出给投影仪。

UI界面工作流程:



 

 

 

 

 

 


                    

                         








 

 

 

 

 


8 交互界面工作流程图

4  实验效果:
实验结果表明,基于SOPC的投影触控系统比单纯用ARM实现的投影触控系统在实时性上有显著的提高。克服了传统ARM在图像视频领域开发的劣势,充分体现了SOPC的灵活性和实用性!

 

 

参考文献:

[1]郑毅.一种基于条纹和阴影识别手指触碰的算法[J].微电子学与计算机.2015.32(2).20-27

[2]鲍峰.基于kinect的人机交互演示系统[J].计算机与现代化.2013.218.46-50

[3]齐志强.基于FPGA的全方位视觉图像畸变校正[D].天津:天津理工大学.2008:1-57

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