【学习笔记】可穿戴智能戒指在多媒体投影系统中的应用
0 引言
目前，多媒体技术授课和协作会议越来越普及，国内外诸多电子设备应运而生，但这些产品大部分在使用上有具体的限定。例如，国内外市面已经出现可穿戴远程操控装置，其采用陀螺仪定位的同时进行无线传输，使用范围只有3～5 m，没有实现真正意义上的远程无线灵活控制，体积与外形也严重降低了设备的美观程度，且出现了续航短、频繁充电等问题；激光笔技术可以很好地进行PPT定位，但却面临着操作不连贯、功能单一、不断更换电池等问题，且不能实现演示文稿中写字划线的鼠标功能。
为了给多媒体教学和协作会议带来更加高效、生动的操作模式，系统将可穿戴智能戒指取代传统激光笔、鼠标及语音麦克，实现“合三为一”。系统由智能戒指和外部独立装置形成，通过操控智能戒指的按键使激光束打到大银幕上，CMOS摄像头采集大银幕中激光点图像，将采集的图像数据传输到计算机，计算机对图像进行存储、处理，并将计算得到的坐标转换成鼠标的绝对坐标，实现模拟鼠标对PC机的远程操作。此外，语音信号通过戒指中无线发射模块传输到扬声器处的语音接收模块，实现无线语音麦克功能。整个装置如图1所示。
1 硬件实现
硬件系统设计主要包括激光变频发生器、无线语音收发、图像采集等部分。戒指上的激光发射头发射不同频率的激光束被图像传感器识别，将信息传输到计算机后完成激光位置的识别与跟踪，进而响应激光操作。系统硬件总体框图如图2所示。
(1)激光变频发生器模块
教学与会议中常见的无线激光教鞭产生的激光频率仍以固定频率为主流，本设计采用变频技术，通过左右按键实现激光频率的不断改变，既达到图像传感器对激光进行识别，又实现了模拟鼠标功能，具备便携省电等优点。采用555定时器产生两种频率的激光束，当按下可穿戴智能戒指左右键时，激光发出不同频率的光，视频采集处理系统通过扫描摄像头在单位时间内传输的n帧图像中激光点闪烁的次数来判别操作者按下的是左键还是右键。
(2)无线语音收发模块
现代大多数多媒体教室中，无线语音麦克都是与激光教鞭分隔开，本设计将无线语音麦克与激光教鞭结合在一起，高效实用，轻巧方便。为了实现语音的有效传达，利用FM调频收发技术把模拟语音信号进行放大与频率调频后，天线将合成的信号发射出去。根据需要，利用相应的硬件设计放大倍数和提高信噪比，并在使用场合的扬声器上安置一个接收模块，即将频率信号还原为语音信号并进行放大，从而实现麦克风的功能。对应电路设计方案如图3所示。
(3)CMOS图像采集模块
为了保证采集到的图像的质量和效果，本设计在选用摄像头时对CCD和CMOS传感器进行了对比。虽然基于CCD传感器构造所产生的图像具有低噪音、高性能、分辨率高等特点，但是生产CCD需采用时钟信号、偏压技术，整个构造复杂，增大了耗电量，体积较大，也增加了成本。而CMOS采用半导体厂家产生集成电路的流程，可以将所有部件与驱动电路等都集成到一块芯片上，只需要一个芯片就可以实现数码相机的所有功能。由于本系统的操作数据量大且运算度复杂，但对图像的清晰度要求不高，且通用性较强，故选用体积小、工作电压低、功能强大且使用方便灵活的图像传感器OV7670。
2 软件实现
为了准确地识别激光点，实现坐标定位，本设计采用了小目标尺寸自适应检测和神经网络BP算法相结合的图像处理方法。对原始图像进行图像的预处理，图像在获取传输存储过程中由于受多种原因的影响会造成图像的退化降质问题。基本软件流程如图4所示。
根据图像分割进行图像分类，其结果直接影响到后面的目标检测、特征提取和目标识别等工作。激光点的识别基于激光独特的特征信息，从颜色亮度特征、形状特征和运动信息三个方面对激光点进行检测定位，从而减少误差。现在已有三种检测方式，即远程感知类图像中的形状识别方法，视觉注视点位置判断方法和尺度自适应的小目标实时检测方法。本系统通过获得足够的图像像素点信息，采用对基本形状（矩形、圆形、正方形等）划分为原始模型的方法，识别指定的区域。通过对分割后的图像应用尺度自适应的小目标实时检测法构造PNLOG算法公式。又由于激光点的光斑具有同心圆的特征，所以在二维图像中，构造MY算子，实现形状目标的匹配。
式中：x为该亮点区域外接矩形的长；y为该亮点区域外接矩形的宽；?滓为亮点的面积计算半径。与其他轨迹识别技术(隐马尔科夫模型、基于树形分类法、特征集评估的方法)相比，本设计借鉴人工神经网络算法，能有效地解决非线性、非正态分布的评价问题。采用并行结构和并行处理，具有较强的灵活性和自适应性，计算速度快，时效高。
3 实验结果及分析
基于以上较为完善的理论，搭建了实验平台进行实验对比。从对比结果可以看出，算法在结合小目标尺寸自适应的检测和神经网络BP算法相结合后，鼠标的精准度及功能的连续性都都得到了较大的提高。图5～图8为演示结果。其中图5与图6是改善算法后屏幕上识别出的激光点与实际鼠标位置的对比图，图7与图8是改善算法后利用该装置实现划线等功能对比图。
经过对比，戒指在实现无线鼠标功能时，采用小目标尺寸自适应检测和神经网络BP算法相结合的方法会产生更快速、更准确的鼠标坐标定位。表1为算法比较结果。
4 结论
本设计灵感来源于多媒体教室设备及现代人们穿戴的戒指。现如今，越来越多的科技文明成果涌入人们的生活，基于人机互交系统的可移动戒指提供了一种新型多媒体投影系统。讲述者可以摆脱电脑、鼠标键盘的约束，远距离无线精准地控制PC操作，真正实现教学（会议）环境中的视听觉结合，增强了互动性、实时性，具有较好的教学效果。