1、清華大學綜合 論 文 訓 練題目： 多用戶筆輸入系統中 筆的軌跡區分 系別：自動化系專業：自動化 姓名：陳孝杰 指導教師：史元春教授 輔導教師：曹麗副教授2005 年6 月21 日清華大學綜合論文訓練摘要在教學和會議中，為了更好地表達自己的思想和與其他人進行溝通，人們常 常需要能夠書寫并顯示的交互設備，傳統的媒介包括黑板、紙張等。隨著信息 技術的飛速發展，計算機支持的多媒體大屏幕投影逐漸取代了傳統的黑板，成 為教學和會議主流。但是大屏幕只能用于顯示信息，如果需要對顯示內容進行 標注或是操作，還只能借助于鼠標和鍵盤。針對這個缺陷，觸摸技術得到了開 發和應用，用戶可以使用手指或特制交互筆方便直接地

2、在顯示設備上操作或書 寫。然而，現有的觸摸技術卻不能很好地支持多用戶同時交互。smart board 是基于數字視覺技術的筆輸入觸摸屏，它能夠同時定位兩支 筆的位置，但不能夠把軌跡和代表用戶的交互筆關聯起來，因而無法區分軌跡。 本文的工作是在 smart board 的基礎上實現雙筆軌跡的區分。基本原理是首先 設計合適的硬件電路，使用來交互的筆能夠在書寫時給系統發送自身的顏色信 息，然后通過軟件把得到的顏色信息和軌跡起始點進行綁定，用最近距離算法 對后繼點進行分類。實驗證明改進后，系統能夠很好地識別兩個用戶并區分軌 跡，可以滿足多用戶同時交互的需求。由于 smart board 的雙筆定位功能

3、完全由硬件實現，如果要改進系統以實 現更多筆的同時使用，需要自行實現多筆定位功能。本文的另一項工作是用雙 攝像頭實現雙筆的同時定位。基本原理是用卡爾曼濾波器對每支交互筆狀態預 測，根據預測值尋找攝像頭中交互筆成像中心點，通過三角關系確定筆的坐標。這種算法簡單實用，使系統能夠同時跟蹤兩支筆運動并準確提供坐標。關鍵字：智能白板、多用戶、筆輸入系統、軌跡區分i清華大學綜合論文訓練abstractin order to express ones idea more clearly and communicate with others more effectively in teaching or c

4、onference, we usually tend to draw on the surface of interactive device where the data are displayed. traditional media for such kind of devices includes blackboards, paper and so on. along with the fast development of information technology, large tiled displays supported by computer projection tec

5、hnology have gradually taken the place of blackboards, and become the mainstream in teaching and conference. however, if we want to interact with the displayed data, we have to turn to mouse and keyboard. users attention together with the body must move among devices, which is very awkward. aiming a

6、t solving the problem, touch sensitive technology has been developed, which makes it quick and convenient for users to interact with the displayed data directly with fingers or specially designed styluses. but when the system serves multiple users in parallel, it faces challenges. we are now breakin

7、g through the challenges.smart board is a stylus input touch screen based on digital vision touch technology (dvit). it can locate two styluses simultaneously. however, it cant associate each stroke with a particular user. one contribution of the paper is to improve smart board to distinguish the st

8、rokes of two styluses. first we design the hardware to transmit the color information of the stylus to the system when the user writes with it; then we design the software to get the color information, and associate it with the stroke. the experiment results have shown that our system can distinguis

9、h the strokes well when two users write simultaneously.smart board accomplishes the locating of two styluses through hardware, so if we want to improve the system in order to support more styluses in parallel, we have to implement the function of multi-stylus locating by ourselves. another contribut

10、ion of this paper is to accomplish the locating of two styluses using two digital cameras.the fundamental arithmetic is as follows: firstly use kalman filter to predict the stateii清華大學綜合論文訓練of each stylus, and then find the center point of the stylus in each camera image, finally get the location th

11、rough coordinate transformation. the arithmetic, which is quite simple and useful, allows the system to locate two styluses simultaneously and accurately.keyword: smart board, multi-user, stylus input system, stroke distinguishingiii清華大學綜合論文訓練目錄摘要 . i abstract. ii 目錄 . iv第一章引言.11.1本文的研究背景.11.2研究內容和方

12、法.21.2.1smart board 基礎上實現雙筆軌跡區分 .21.2.2模擬實現 smart board 的雙筆定位 .31.3論文的組織.5第二章相關研究.72.1普通觸摸屏技術.72.1.1觸摸屏的基本原理 .72.1.2常見的觸摸屏技術 .82.2smart board 簡介.122.2.1smart board 交互筆區分原理 .132.2.2smart board 的軟件接口 .142.3dvit 技術.152.3.1dvit 的基本原理 .15iv清華大學綜合論文訓練2.3.2dvit 技術與其他觸摸技術的比較 .162.4多用戶觸摸技術 diamondtouch .182.

13、4.1diamondtouch 的基本原理 .182.4.2優點和缺陷 .192.5本章小結.20第三章基于 smart board 雙筆軌跡區分.213.1基本原理描述.213.2硬件設計.223.2.1供電模塊 .233.2.2無線傳輸模塊 .243.2.3發送控制模塊 .253.2.4單片機固件編程 .263.2.5usb 信號接收模塊簡介 .263.3軟件設計.273.3.1usb 信號讀取與同步 .293.3.2軌跡的生成與擦除 .303.4本章小結.31第四章基于雙攝像頭的雙筆定位.324.1雙攝像頭物體定位的基本原理.324.2卡爾曼濾波器.36v清華大學綜合論文訓練4.2.1卡

14、爾曼濾波器基本思想 .364.2.2離散卡爾曼濾波器的基本原理 .374.3系統模型建立.404.4雙筆定位的實現.444.4.1基本原理 .444.4.2程序說明 .454.5小結.48第五章總結與展望.495.1本論文工作.495.2未來的工作.49 參考文獻 .51 致 謝 .53 聲 明 .53 外文資料翻譯 .54外文資料原文 .72vi清華大學綜合論文訓練第一章引言1.1 本文的研究背景在會議、教學和討論中，人們往往需要使用能夠書寫并顯示的交互介質或設 備來更好地表達自己的思想和其他人進行溝通，其中最傳統的交互介質有紙張、 黑板等。隨著信息技術的飛速發展，計算機支持的多媒體投影方式

15、越來越多地 取代了傳統的黑板書寫，并逐漸成為高校教學、高級會議的主流。多媒體投影 雖然解決了教室會議室粉塵污染、書寫板書費時費力等缺點，但仍然存在無法 克服的局限和弊端。大多數時候，投影顯示屏只能用來顯示信息，如果需要做 筆記、進行標注，還是只能借助于鍵盤和鼠標。當然這樣可以進行交互式的展 示和討論，但是卻沒有像傳統的黑板那么直接，不能直接在顯示界面上進行書 寫和操作成了多媒體投影的一大弱點。針對多媒體投影的這個弱點，直接交互的觸摸屏得到了開發。觸摸屏的技術 多種多樣，可以電容式的，也可以是電感式的，但是它們的目的是一樣的，就 是允許用戶不通過鼠標鍵盤直接在顯示界面上進行書寫和操作。這樣就大大

16、提 供了用戶的工作效率，使人機交互變得更加簡單直接。然而現有的觸摸技術也存在一定的缺陷，常見的觸摸屏往往只支持單個用 戶，而不允許多個用戶同時書寫使用，不能很好地滿足會議、討論等需要多人 同時參與的應用需求。人們需要支持兩個或兩個以上用戶同時使用的觸摸設備， 以達到類似傳統黑板交互的效果。為了滿足這種需求，多用戶的觸摸設備越來越受到重視，很多新出現的產品 都逐漸向這種應用需求靠近，smart board 就是其中一種產品。smart board 能夠支持兩個用戶同時進行書寫操作，并能夠實時測定兩支筆的坐標。但是它 提供的只是雙筆定位的基礎服務，而不能夠把筆的軌跡和交互筆本身關聯起來， 當雙筆同

17、時書寫時，系統無法根據不同的交互筆顯示不同顏色的軌跡，只能使用同一種顏色來表示兩條軌跡。這樣對用戶來說顯得不夠直觀，用戶往往希望第 1 頁清華大學綜合論文訓練使用兩支不同交互筆時能夠顯示不同顏色的軌跡，并且軌跡的顏色是和交互筆綁定的，smart board 就不能滿足需求了。如果能夠在 smart board 基礎上， 進行一定的改進，使系統能夠在交互筆書寫時實時得到交互筆的信息，就能夠 把產生的軌跡和交互筆本身綁定起來，從而實現軌跡的區分，這就是本文要做 的工作。1.2 研究內容和方法本文以 smart board 為實驗對象，研究顯示界面上的雙筆軌跡的區分問題。 研究內容主要分為兩個方面，

18、首先是在 smart board 的基礎上，改進系統，實 現在雙筆書寫時區分雙筆軌跡；另一個方面就是從底層上研究 smart board 的 技術，模擬實現 smart board 的雙筆定位基礎服務。1.2.1smart board 基礎上實現雙筆軌跡區分在雙筆同時交互時，smart board 已經能夠實時提供兩支筆的坐標，只是 無法把各個坐標和交互筆關聯起來，因而無法實現軌跡的區分。我們所要做的 工作是在交互筆書寫時給系統發一個信息，通過系統把這個交互筆信息和得到 的坐標關聯起來，就可以實現軌跡的區分。要在交互筆書寫時給系統發信息，首先要檢測交互筆是否接觸書寫板面，只 有在接觸的時候才發

19、送信息，其他時候應該不發送。由于 smart board 的物體 識別定位部分都已經制作成硬件，我們不可能修改，要使系統能夠適時發送信 息，只能在交互筆上進行改動，需要在交互筆筆頭上安裝一定的裝置檢測接觸 信息。檢測接觸可以采用很多方法，如壓力傳感器、電感位移傳感器、電容位 移傳感器等傳感器或是靈敏度較小開關。但是并不是所有的檢測方式都適用在 這里。交互筆首先要制作成筆狀才能方便用戶使用，筆狀的裝置就決定了電路 的體積必須足夠小且結構簡單，同時要求檢測裝置經久耐用以使交互筆能夠長 期書寫。常規的壓力、位移傳感器都比較復雜，體積比較大，而且要求的電源 比較嚴格，往往需要高頻的交流電供電，對電壓電

20、流的要求也很高，這就給電路設計帶來很大麻煩；常規的開關體積比較小，原理很簡單，電路設計起來也第 2 頁清華大學綜合論文訓練簡單得多，但是也有一些缺陷，一般開關需要很大的力量才能閉合，作為交互筆筆尖，用戶使用起來不是很順手，比較生硬。上述的傳感器和開關方案各有 利弊，權衡之后，決定使用開關方案，尋找足夠靈敏的開關，盡量減少用戶使 用時的生硬感。交互筆接觸板面的信號檢測到以后，就需要通過一定的方式傳送到計算機 上，系統才能真正收到交互筆接觸的信息。信號傳送的方式當然是必須使用無 線方式，因為有線方式會妨礙交互筆的使用，而且看起來不美觀。無線的傳送 方式可以采用紅外線、無線電波等。由于紅外本身波長比

21、較短、對障礙物的衍 射能力差的特點決定了這種傳送信號的方式的方向性很強，作用角度一般都在30 度左右，而在交互筆書寫過程中不可能要求用戶保持交互筆的方向性，因而 紅外方式不太適用。無線電波波長比紅外線要長一些，對障礙物的衍射能力比 較強，在各個方向上都能實現良好接收，很適合用在交互筆的信號傳送上。系統得到交互筆的接觸信號后，需要把這個信號同交互筆的坐標信息結合起 來才能實現軌跡的區分。但是 smart board 的定位速度很快，每秒鐘能夠生成 上百個交互筆坐標，交互筆的接觸信號不可能也以這么高的頻率發送給系統。 即使能夠實現這么高頻率的信號發送，要保證交互筆的每個坐標信號和接觸信 號同步也是

22、一件非常困難的事情。因此只能在每次書寫時發送一次接觸信號。 同時由于無線電通訊信道獨享，兩支筆同時發送無線電信號時會產生沖突，使 接收端無法收到信號，所以交互筆的接觸信號只能在交互筆接觸板面的一瞬間 發送，其他時間不發送，把沖突的可能性降到最低。每條軌跡的第一個坐標點 和接觸信號綁定后，接下來產生的新的坐標點需要根據與前面坐標點的關系進 行分類，就可以實現軌跡的區分。新坐標點分類的方法可以采用簡單的最鄰近 距離法，從 smart board 得到一個坐標點后比較與當前正在編輯的軌跡的距離， 離哪條軌跡近就把該坐標點歸類到那條軌跡。至此就可以完成在 smart board 基礎上的軌跡區分。1.

23、2.2模擬實現 smart board 的雙筆定位smart board 采用攝像頭定位技術能夠實現兩支筆的同時定位，但是當三第 3 頁清華大學綜合論文訓練支或三支以上筆同時書寫時，系統就不能正確提供各筆的坐標。由于 smartboard 的圖像處理、物體定位功能完全由硬件完成，提供給上層應用程序的只是 定位以后的坐標，要從軟件編程上改進來支持更多的筆是不可能實現的。如果 要改進 smart board 以支持更多的交互筆同時書寫，就需要從底層原理著手， 在圖像處理等方面進行改進，為此首先要能夠模擬實現 smart board 的功能。 另外雙攝像頭定位技術本身就是一項非常值得研究的課題，如果

24、能夠實現，就 可以應用于更加廣泛的場合，如室內物體定位等。要摸擬實現 smart board 雙筆定位的基礎服務，首先要實現一支筆的定位。 一支筆定位過程中要解決圖像處理、觸摸屏物理坐標和顯示器邏輯坐標的轉換、 攝像機標定等問題。這部分不是本文的工作，而是由另一名合作者完成。本文的工作建立在一支筆已經能夠實現定位的基礎上，通過一定的算法改進 實現雙筆定位。由于兩支筆同時書寫時，從攝像頭的圖像中看起來兩支筆是完 全一樣的，如果沒有任何先驗知識就無法區分，要實現兩支筆的同時定位就需 要如下的前提條件：(1)最多允許兩支筆同時書寫。(2)書寫中兩支交互筆不能夠 距離不能太近。(3)一支筆到兩支筆的轉

25、變的瞬間，兩支筆和任意一個攝像頭都 不能在一條直線上。(4)雙筆同時書寫時，落筆不能完全同時，先后要大于一定 的時間間隔。這個時間間隔由攝像頭的刷新頻率確定，就是攝像頭取兩幀圖像 的時間間隔。本文實驗中采用的攝像頭的刷新頻率為 30hz，也就是書寫時兩支 筆不能在 1/30 秒內先后落筆，如果攝像頭的刷新頻率提高，時間間隔就會變短， 用戶就不會感到書寫使用有所限制。落筆上的先后順序，就可以獲得一定的先 驗知識。每次雙筆交互的過程都是從一支筆書寫到兩支筆書寫的過程，這就是 一個先驗知識。一支筆書寫時，系統可以給出定位坐標，當由一支筆變成兩支 筆同時書寫時，系統可以根據前面的軌跡先判斷出前一支筆的

26、坐標，然后圖像 中剩下的就是新加入的交互筆的坐標，這樣就可以同時得到兩支筆的坐標，接 著就可以根據兩支筆的前一次坐標判斷下一次坐標位置，并從圖像中檢測出來。從前一次坐標判斷下一次坐標位置，需要使用一定的預測方法，本文采用的 是卡爾曼濾波的預測算法。為每條軌跡建立一個卡爾曼濾波器，每次軌跡添加 當前坐標點后，濾波器就預測下一點在圖像中可能出現的區域，當新的圖像到第 4 頁清華大學綜合論文訓練達時就在這個區域內查找物體，如果找到物體，就可以得到新的坐標點，如果沒有找到物體就認為這支交互筆完成一次書寫過程離開了書寫板面。當然由于交互筆沒有在圖像上提供可以識別的標志，要做到不出任何錯誤同 時定位兩支筆

27、坐標是不可能實現的，無論采用什么算法都無法避免出錯。如極 限情況，兩支交互筆距離足夠近，在攝像頭上成的像互相之間有交叉的話，系 統就不可能區分出兩支筆。另外兩支筆同時書寫時，遮擋問題也會影響定位的 準確性，兩支筆和攝像頭三者呈一條線的時候，定位也會出問題。因而我們要 做的是尋找好的算法盡量減少錯誤的產生。1.3 論文的組織在本文的引言中介紹了論文的研究背景，并簡要介紹了論文的研究內容和研 究方法。在以后的各章中，首先介紹一下幾種常見觸摸技術、smart board 設 備和 dvit 技術；接著介紹在 smart board 基礎上實現雙筆軌跡的區分及模擬 實現 smart board 的雙筆

28、定位基礎服務；最后進行總結得出結論。具體的章節 安排如下：第二章首先介紹了常見的觸摸技術的原理和存在的缺陷，接著介紹本文實驗 的平臺smart board，并詳細介紹了它的基本原理和軟件接口，然后具體 介紹 smart board 所采用的 dvit 技術的基本原理，最后介紹一種目前已經實 現雙筆軌跡區分的觸摸系統diamondtouch。第三章和后面的第四章包括了本文主要實現的工作。其中第三章主要介紹基 于 smart board 的雙筆軌跡區分，講述了基本的實現原理，從供電模塊、無線 傳輸模塊、發送控制模塊、單片機固件編程、usb 信號接收模塊等五個部分詳 細介紹了硬件電路設計，最后介紹軟

29、件設計。第四章主要介紹如何使用兩個攝像頭模擬實現 smart board 的雙筆定位功 能，首先詳細介紹雙攝像頭物體定位的原理，其中包括圖像處理、物體檢測和 一系列的坐標變換。接著介紹雙筆定位中需要使用的卡爾曼濾波器的基本原理，然后根據濾波基本原理建立實際使用的模型，最后介紹用這個模型實現雙筆定第 5 頁清華大學綜合論文訓練位的過程。第五章是對本文的總結和展望，其中著重分析了現有工作中的一些問題和缺 陷，提出一些可行的改進方案或是改進方向。第 6 頁清華大學綜合論文訓練第二章相關研究2.1 普通觸摸屏技術隨著多媒體信息查詢的與日俱增，人們越來越多地接觸到觸摸屏，因為觸摸 屏作為一種最新的電腦輸

30、入設備，它是目前最簡單、方便、自然而且實用的輸 入設備，觸摸屏具有堅固耐用、反應速度快、節省空間、易于交流等許多優點。 利用這種技術，用戶只要用手指輕輕地指碰計算機顯示屏上的圖符或文字就能 實現對主機操作，從而使人機交互更為直截了當，極大方便了那些不懂電腦操 作的用戶。這種人機交互方式，賦予了多媒體以嶄新的面貌，是極富吸引力的 全新多媒體交互設備。2.1.1觸摸屏的基本原理為了操作上的方便，人們用觸摸屏來代替鼠標或鍵盤。工作時，人們必須首 先用手指或其它物體觸摸安裝在顯示器前端的觸摸屏，然后系統根據手指觸摸 的圖標或菜單位置來定位選擇信息輸入。觸摸屏由觸摸檢測部件和觸摸屏控制 器組成；觸摸檢測

31、部件安裝在顯示器屏幕前面，用于檢測用戶觸摸位置，接收 后送觸摸屏控制器；而觸摸屏控制器的主要作用是從觸摸點檢測裝置上接收觸 摸信息，并將它轉換成觸點坐標，再送給 cpu，它同時能接收 cpu 發來的命令 并加以執行。觸摸屏有三個基本特征：1透明。 它直接影響到觸摸屏的視覺效果。透明至少應該包括四個特性：透明度、色彩失真度、反光性和清晰度。觸摸屏通常安裝在計算機的顯示表面上，或 是直接作為投影設備，這樣會降低顯示圖像的質量。觸摸屏的透明性能的提 高是觸摸技術發展的一大挑戰。2絕對坐標系統。第 7 頁清華大學綜合論文訓練觸摸屏是絕對坐標系統，觸摸的位置與實際的定位應該相同，與鼠標這類相對定位系統有

32、本質的區別，一次到位的絕對坐標系統更加簡便直觀。絕 對坐標系統的特點是每一次定位坐標與上一次定位坐標沒有關系，觸摸屏在 物理上是一套獨立的坐標定位系統，每次觸摸的數據通過校準轉為屏幕上的 坐標，這樣就要求觸摸屏這套坐標不管在什么情況下，同一點的輸出數據應 該是穩定的，如果不穩定，那么這觸摸屏就不能保證絕對坐標定位。大多數 的觸摸技術都不能保證同一點觸摸每一次采樣數據相同，這種漂移是普遍存 在的，不斷減小漂移是觸摸技術努力的方向。3檢測觸摸并定位。 各種觸摸技術都是依靠各自的傳感器來工作的，甚至有的觸摸屏本身就是一套傳感器。不同的定位原理和各自所用的傳感器決定了觸摸屏的反應速度、可靠性、穩定性和

33、壽命。觸摸屏的傳感方式還決定了該觸摸屏能否解決 多點觸摸的問題，而多點觸摸在日常應用中非常常見。2.1.2常見的觸摸屏技術常見的觸摸技術可以分成兩大類：被動型和主動型。被動的觸摸系統不需要 特殊的觸點去激活觸摸表面，用戶完全可以用手指或其他物體完成交互工作。 而主動的觸摸系統則需要特殊的裝置去接觸觸摸表面，最常用的交互裝置是特 制的電源供電的交互筆。2.1.2.1 被動型觸摸系統由于被動式系統不需要特殊的觸點裝置，因此這類系統的定位完全依靠板面 上的傳感器實現功能。常見的被動系統有：1 模擬電阻式觸摸屏（analog resistivear） 電阻觸摸屏的屏體部分是一塊與顯示器表面相匹配的多層

34、復合薄膜，由一層玻璃或有機玻璃作為基層，表面涂有一層透明的導電層，上面再蓋有一第 8 頁清華大學綜合論文訓練層外表面硬化處理、光滑防刮的塑料層，它的內表面也涂有一層透明導電層，在兩層導電層之間有許多細小 (小于千分之一英寸)的透明隔離點把它們隔 開絕緣。當手指觸摸屏幕時，平常相互絕緣的兩層導電層就在觸摸點位置有了一 個接觸，觸點位置不同可以產生不同的電壓分布，通過檢測電壓分布的情況 就可以得到觸點的坐標。電阻式觸摸屏的關鍵在于材料技術，材料的改變帶 來的最明顯的改變是透明性的改變，但是總體上來說，電阻式觸摸屏由于使 用了多層材料，光線反射損失很大，透明性能差。電阻式觸摸屏是一種對外界完全隔離的

35、工作環境，不怕灰塵和水汽，它 可以用任何物體來觸摸,可以用來書寫繪畫，比較適合工業控制領域及辦公 室內有限人的使用。2 表面聲波式觸摸屏（surface acoustic wavesaw） 表面聲波是一種沿介質表面傳播的超聲波。表面聲波式觸摸屏由玻璃平板、超聲波發射和接收器組成，其中的玻璃平板只是一塊純粹的強化玻璃，不需要任何貼膜和覆蓋層，因此具有較好的透明性能。當手指觸摸屏幕時， 觸點上的聲波吸收或阻斷，超聲波接收器通過檢測聲波的強度和位置，確定 坐標位置。表面聲波式觸摸屏對原顯示器的清晰度影響比較小，分辨率很高，而且 經久耐用。但是其對環境的要求也很高，容易受到灰塵、水滴的影響。3 電容式

36、觸摸屏（capacitive） 電容式觸摸屏的構造主要是在玻璃屏幕上鍍一層透明的薄膜體層，再在導體層外加上一塊保護玻璃，雙玻璃設計能徹底保護導體層及感應器。電容式觸摸屏在觸摸屏四個角上安裝電極，在導電體內形成一個低電壓交流電 場。當手指觸摸在金屬層上時，由于人體電場，用戶和觸控屏表面形成以一 個耦合電容，觸點的電容就會發生變化，使得與之相連的振蕩器頻率發生變第 9 頁清華大學綜合論文訓練化，通過測量頻率變化可以確定觸摸位置獲得信息。由于電容隨溫度、濕度或接地情況的不同而變化，所以穩定性較差，往往會產生漂移現象，而且要 求觸摸的設備必須是導體。4 紅外線式觸摸屏（infrared lightem

37、itting diode） 紅外觸摸屏以光束阻斷技術為基本原理，不需要在原來的顯示器表面覆蓋任何材料，而是在顯示屏幕的四周安放一個框架。框架上面的兩個對邊上，一邊安裝發光二極管（led），另一邊安裝紅外線探測器，這樣就在顯示屏 幕的表面形成了一個由紅外線組成的柵格。當有任何物體進入這個柵格的時 候，就會阻擋一些光線，在紅外線探測器上就會收到變化的信號，這樣就可 以檢測到觸摸的位置坐標。紅外觸摸屏的好處是完全透光，不影響顯示器的清晰度，但是分辨率受 外線發射和接收器的物理大小限制，而且容易損壞。2.1.2.2 主動型觸摸系統主動式系統正好與被動式系統相反，主動式系統不一定需要使用特殊的觸摸 板面

38、，但是卻需要使用特殊的交互設備。常見的主動式觸摸系統有：1 電磁式觸摸屏（electromagnetic） 電磁式觸摸屏需要使用一個布滿線圈的屏幕，用電源供電的交互筆或是嵌入電磁線圈的交互筆，進行觸摸。通過檢測屏幕線圈內的磁力線變化就可 以確定接觸點的坐標。如果交互筆的筆頭是一個可變的電感，電感大小隨著 壓力變化而變化，那么電磁式觸摸屏還能夠得到交互筆書寫的力量大小，這 是其他觸摸屏無法實現的。電磁式觸摸系統可以得到很高的分辨率，非常適合用于需要精確定位的 項目，如繪圖板。此外，電磁式感應技術能夠在一定距離內檢測到交互筆的 動作，當交互筆接觸板面或懸移在交互板面上方，系統都能夠檢測到，并確第

39、10 頁清華大學綜合論文訓練定其坐標，而是否接觸板面又可以作為另一個信號區分不同的操作，因此電磁式系統能夠模擬鼠標拖動（鼠標左鍵按下）和鼠標懸移（鼠標左鍵不按下） 兩種動作。電磁式觸摸系統的交互過程只在交互筆和交互板面之間進行，與 其他物體是否接觸板面無關，用戶完全可以把手放在交互板面上而不干擾交 互的進行。然而，電磁式觸摸屏需要在交互板面上鋪設電線網絡，從而限制了板面 的尺寸，很難應用于大型的等離子顯示器和背投顯示屏。電磁式系統對特制 交互筆的依賴會在交互筆丟失的時候帶了很大的麻煩。2 超聲波或紅外線式觸摸屏（ultrasonic and infrared） 用紅外線傳感器或是超聲波傳感器，

40、接收交互筆發射的紅外線或超聲波，根據信號的方位和強度確定接觸點的坐標。這里的主動式紅外線觸摸屏與前面的被動式紅外線觸摸屏并不相同，兩者在原理上有一定差異。主動式 的紅外線發射器是在交互筆上，觸摸板面上只有接收裝置，交互筆發送紅外 線板面接收，通過檢測信號的方位和強度可以確定接觸點坐標；被動式的紅 外線發射器和接收器都安裝在板面上，物體接觸板面時，紅外線被阻斷，通 過檢測紅外線阻斷的位置確定接觸點坐標。3 激光條碼式觸摸屏（laser/bar code） 這種系統中，采用激光掃描交互平面，傳感器接收反射的激光。當帶有條碼的交互進入激光的掃描范圍后，傳感器就可以收到反射光，以此確定交互筆的坐標。2

41、.1.2.3 各種觸摸技術的優點和缺陷被動式觸摸系統共同的優勢是經久耐用，不需要特制的交互設備，因此使用 方便快捷，非常適合于在公共場所中的使用。但是由于工藝和技術的限制，被 動式觸摸系統在尺寸上不能做的很大。另外由于需要使用特殊工藝的觸摸板面 來檢測物體的位置，被動式觸摸系統對顯示的圖像影響很大，圖像質量提高比較困難。第 11 頁清華大學綜合論文訓練主動式觸摸屏對特制交互筆的依賴一定程度上限制了它的應用，因為交互筆可能丟失。另外交互筆一般需要電池供電，定期更換電池將會是一件很麻煩的 事情，而不更換電池又會影響到定位的準確性。主動式觸摸屏中的超聲波和激光系統對交互筆的靈敏性要求更高，用戶可能

42、在不經意間阻擋了超聲波和激光的傳輸途徑。使用超聲波系統時，用戶還需要 采用特殊的握筆方式并且要施加足夠大的壓力才能使交互筆發送超聲波。激光 技術則依賴于交互筆上的條碼，如果用戶不小心用手或手指擋住了交互筆上的 條碼部分，系統就無法識別交互筆。傳統的觸摸技術存在共同的缺陷，無論是主動式的還是被動式的，一般都無 法實現兩支或兩支以上交互筆的同時書寫。2.2 smart board 簡介smart board 是加拿大 smart technologies inc.公司推出的多功能智能板， 是一種具備電子書寫板和觸控功能的大型觸摸設備。用于等離子顯示屏的 smart board 是一個交互式的觸摸屏，它能將等離子 顯示屏（pd