基于FPGA的激光笔辅助教学系统设计与实现

摘要：为了实现激光笔与大屏幕的互动，基于常用的OV9650摄像头模块和315 MHz无线收发模块，采用了一种FPGA架构实现激光笔与大屏幕互动的设计方案。OV9650摄像头模块的采集信号由FPGA进行缓存和处理，由它计算出激光点的坐标，之后计算机接收激光点的坐标及激光笔发出的无线控制信号，通过授课主机端的软件实现激光笔与大屏幕的互动。目前该系统已应用于上海交通大学部分智能教室中，效果明显。
关键词：激光笔互动；亮点识别；FPGA；OV9650；无线收发

0 引言
    在多媒体教学的普及过程中，普遍存在如何引进现代化教学设备与教师课堂教学习惯有机结合的问题。目前教师在做教学演示的过程中，往往需要守在计算机旁边，一边操作计算机一边进行讲解，需要重点强调的地方，还要不时地站起身来，指指点点，本来提供方便的多媒体演示设备，却把教师丰富的课堂语言都束缚了。为了解决这个问题，本文设计并实现了一个基于FPGA的激光笔辅助教学系统，以便让教师可以通过激光笔在远处与计算机系统进行交互。
    基于FPGA的激光笔互动教学系统的实现原理是：首先通过OV9650摄像头模块拍摄到投影屏，并在摄像头捕捉图中检测到激光点的位置信息后，通过跟踪来分析和识别激光点的轨迹，同时通过激光笔上的按键信息来共同实现激光笔与远程计算机的交互。在激光点的检测方法中，用到了不同的线索，如激光点的运动特征和模式特征以及颜色特征等。由于激光点的区域很小，模式特征不是很明显，易受到噪声的干扰，而激光点颜色特征不同的使用环境中可以有较大的变化，因此单纯使用颜色特征也不是很好的办法。文献提出将激光点的颜色特征、运动信息和形状特征这几种线索融合起来进行激光点的检测，可使准确率得到一定的提升，但是仍然存在漏检和误判的情况。
    该系统通过滤光片的使用，基本排除了噪声的干扰，使系统的准确率得到大大的提升。文献公开了一种激光笔指示与光点识别方法，利用亮度信息从显示屏图像提取红色激光点，亮点识别原理与本文一致，但是由于使用的是固定枪式摄像头，故安装调试不方便。Cavens等通过改变硬件方法实现点击功能，在普通激光笔上增加了按键，接收器根据按钮发射频段的不同判断操作类型，但是使用起来效果比较单一。文献分别使用了不同方法来实现激光笔的互动，但都比较单一，不够完善。然而在对激光点的行为进行描述上，文献提到的激光笔互动系统使用起来非常复杂。本文提出的系统通过FPGA将摄像头模块、亮点识别算法模块以及无线收发模块集成在一起，使得系统部署方便，使用更为灵活。

1 系统整体设计方案
    基于FPGA的激光笔互动教学系统主要是为在智能自然教学空间中授课的教师提供一种辅助工具，帮助他们在课程讲义上进行各种指示动作或轨迹绘制，以及远距离进行各种操作，从而使教学过程更生动，教师的行动更自由。为完成提供交互式教学场景的任务，系统的总体设计遵循方便、实用、效率的原则，使教师和学生都感到自然，“黑板”更具有特色。图1是基于FPGA的激光笔互动系统的总体结构框图，它主要由嵌入式模块、激光笔、授课主机和投影屏幕4大部分组成。

    教师通过激光笔这一交互工具，在显示屏幕上留下光点，通过红光滤光片及OV9650摄像头获取显示屏幕的信息，并通过FPGA模块中的亮点识别算法获取视频图像每一帧中的光点位置，这样的坐标信息送至授课主机，通过坐标变换将亮点位置变换为自身的屏幕坐标位置，并进行轨迹绘制、放大镜操作或鼠标操作，结果通过投影或VGA线缆连接在显示屏幕上展示出来。除此以外，激光笔本身和FPGA模块通过无线连接，FPGA模块与授课主机通过USB线缆连接，利用笔上的按钮控制整个系统的启动和中止，以及轨迹绘制、放大镜操作和鼠标操作之间的功能切换。系统逻辑流程如图2所示。

2 系统硬件设计与实现
2．1 无线发射激先笔设计
    无线发射激光笔可以产生稳定可靠的激光光点，另外有5个功能按键分别发射不同的控制信息。根据设计要求，将激光头分为按键编码模块和无线发射模块。设计框图如图3所示。在此，采用了PT2262／PT2272编解码芯片，其中PT2262为编码芯片；PT2272为解码芯片。基于PT2262的工作方式，设计了6按键的编码电路方案，如图4所示。K0～K5为6个按键，分别对应数据位D0～D5。当所有按键都断开时，晶体管Q1截止，电路中没有电流，芯片不工作。当6个按键中任意一个被按下时，R1和按键的下拉电阻分压使得Q1的基极电压下降，Q1导通，PT2262芯片开始工作，指示灯D1工作。此时，除了闭合的按键所对应的数据位为逻辑高电平之外，其他位为低电平。

    无线发射模块的功能是将按键信息编码调制到高频载波上并发送。载波频率为315 MHz，调制方式为幅度调制。发射后的信号可由系统的无线接收模块进行接收并解码。

2．2 无线接收模块
    无线接收模块用以接收激光笔发射端的控制信号，它主要包括接收解调和信号解码两个部分。为了达到较高灵敏度的目的，选择超再生接收作为接收端的接收解调方案，其电路原理如图5所示。信号通过天线接收，首先经过L2和C23滤出315 MHz附近的频段信号。Q1为第一极放大，放大特性通过R18和R17施加偏置电压控制；Q2为超再生混频管，其本身通过C15，C16和L1构成的选频网络产生315 MHz附近的本征振荡，然后与前级放大后的信号进行混频。如果本征频率与315 MHz足够接近，混频后将产生低频分量，该分量即为调制到载波上的编码信号。

    解码芯片采用PT2272，与PT2262配套使用。PT2272有多种型号，后缀可以为L4，M4，L6，M6等，后缀中的L表示锁存数据输出，M表示瞬态输出。这采用PT2272-M6，解码后的控制信号经FPGA处理后输出。
2．3 FPGA采集处理及数据传输
    在系统的总体设计上，采用Altera公司的EP2C8Q208C8 FPGA芯片作为系统的主控芯片，配合OMNIVISION公司的OV9650数字CMOS图像传感器和ISSI公司的IS42S16160B片外SDRAM存储芯片来构建摄像头激光点采集处理系统，采集到的图像可由VGA模块显示。激光点可利用其较高的亮度信息与背景色进行分辨区分，计算出的激光点坐标以及无线接收的控制信息以串口数据的方式发送，经片外CP2102串口转USB模块，可使数据通过USB口发送到授课主机。该系统的总体结构方框图如图6所示。

    FPGA模块是该系统的核心模块，它将数据采集、图像处理、图像存储控制、图像显示控制、坐标计算及串口传输控制等功能集成到一片芯片上。该系统采用Altera公司的EP2C8Q208C8 FPGA芯片，它拥有5 256个逻辑单元(LE)、36个M4K、2个PLL和18个嵌入式乘法器，还拥有最多138个通用I／O口，它能提供足够多的扩展口，以满足系统的所有要求。另外，OV9650摄像头基于CMOS图像传感器技术，最大输出图像分辨率为SxGA(1 280×1 024)。OV9650支持多种图像格式，包括10位或者8位的原始RGB，RGB565，RGB555，GBR[4：2：2]，YUV等多种格式，且具备自动图像控制功能，包括自动曝光控制AEC、自动增益控制AGC、自动白平衡AWB以及自动滤波ABF等。以上各个参数都可以通过芯片的SCCB接口进行设置。SCCB是OMNWISION公司定义的串行相机控制总线，主要用于对该公司研发的系列图像芯片寄存器进行设置。OV9650有多个寄存器，这些寄存器主要用于对图像格式和图像质量的控制，用户可以通过SCCB总线对这些寄存器进行读／写操作。

3 系统软件设计与实现
    该教学系统的软件部分可以分为屏幕校准模块和屏幕显示模块。
3．1 屏幕校准模块
    由于在OV9650摄像头所采集到的图像信息中无法准确地只包含显示屏幕的信息而不含其他成分，且显示屏幕在视频图像中往往不是规则的四边形，而是带有较小曲率的类似四边形，因此需要进行屏幕校准步骤，使图像信息中的坐标转换为显示屏幕对应的坐标。这种转换采用线性代数的方法，公式如下：
   
    式中：为转换后坐标；为转换前坐标；A，d为转换参数，通过计算初始采集图像中屏幕的4个顶点坐标值得到。
    该系统中的这种转换及需要的定位位置要在系统启动时期以获取，并将转换矩阵固定，这样对每个坐标值的转换可在常数时间内完成。
3．2 屏幕显示模块
    屏幕显示模块主要完成轨迹绘制、鼠标操作和放大镜操作的实现。该模块的逻辑流程如图7所示。

    图7中屏幕显示模块的输入来自屏幕校准模块校准后的激光点坐标信息，输出为轨迹绘制的显示、鼠标操作的响应或放大镜操作的响应。具体来说，这三种输出是该系统功能模式的实现，分别为：
    绘图模式  使用激光笔在屏幕上描绘，屏幕上出现对应的轨迹，同时可以通过激光笔上的按键实现幻灯片的上下翻页及擦除屏幕轨迹的操作。
    鼠标模式  使用激光笔在屏幕上的指示位置，屏幕上的鼠标发生移动，并可通过激光笔上的按键实现鼠标左击及右击的操作。
    放大镜模式  使用激光笔在屏幕上的指示位置，屏幕上对应的区域会进行局部放大，并且屏幕上的放大区域会随着光点发生移动。为了防止操作激光笔时由于手的轻微抖动使屏幕产生输出，本系统采用了阈值的方法对这一情况进行了限制，具体算法如图8所示。

4 系统的整体实施结果
    基于FPGA的激光笔互动教学系统功能测试效果如图9所示。从图中可以看出，基于FPGA的激光笔互动教学系统完全实现了预先设定的逻辑功能，在实际使用中能大大方便智能教室的教学，提高教学质量。

5 结语
    激光笔互动教学具有如下有益效果；能够丰富教学环境，提供给教师一种更新的教学模式，可使教师的教学工作更加连贯和自由；在其他环境中，通过远程指示特性，各种人机交互设备可被修改为远程指示性设备，避免人力直接接触屏幕，提高设备的可靠性。同时该系统采用FPGA将摄像头模块、光点识别算法模块及无线接收模块集成在一起，使得FPGA模块成为惟一的外设，方便安装部署，从而使得系统不仅仅局限于教室这一场景，大大提高了这套系统的实用性。未来的工作主要是将FPGA模块与授课主机的通信方式由USB线缆通信升级为蓝牙通信，进一步增加系统的灵活性及实用性。