0、引言
隨著人類進入信息化社會，教學環境的規模在不斷擴大。多媒體技術廣泛應用于教師的授課。在使用多媒體技術進行授課的過程中，激光筆作為輔助設備幾乎是每個教師所必備的。目前市場普通的激光筆只能實現翻頁和激光顯示的簡單功能，通常教師都會使用它來投映一個光點到屏幕上指示信息。但是在教師使用激光筆時，若想強調某一處文字，這種普通的激光筆的局限性顯露無遺。普通的激光筆只能起指示作用，卻不能在投影屏幕上留下強調的痕跡，即不能在投影屏上留下線條。而基于圖像處理的劃線激光筆可以解決這種問題。
劃線激光筆的實現原理是：首先使用攝像頭拍攝投影屏幕，獲取整個投影屏幕的圖像，識別分析出每一幀圖像中光點的位置坐標，再用軟件編程用直線連接前后兩幀光點，實現在投影屏幕上劃線的功能。在激光光點檢測的過程中用到了圖像灰度變換、閾值分割、開運算等圖像預處理方法以及質心法求解光點坐標。在軟件部分采用WindowsAPI函數產生具有鼠標穿透效果的透明窗體在劃線的同時仍可以進行其他鼠標鍵盤操作。本系統在攝像頭前加入綠色濾光片，增強對激光光點識別的準確率，濾除雜散光，提升了系統的信噪比和準確度。
1、系統原理
基于圖像處理的劃線激光筆為授課教師提供一種輔助措施，他們在使用多媒體授課時，可在投影屏上進行軌跡繪制，解除傳統激光筆對教師的限制，使教學更加生動活潑。劃線激光筆的設計遵循實用、便利的原則，使學生和教師都感到自然親切，使投影屏幕具有像黑板一樣可以“寫字”的功能。
基于圖像處理的劃線激光筆由攝像采集模塊與投影屏幕顯示模塊組成。其系統結構如圖1所示。
教師通過劃線激光筆，在投影屏幕上留下激光光點，由綠色濾波片和攝像頭獲取投影屏幕的圖像，圖像傳輸給授課電腦，電腦通過激光光點識別算法獲取圖像每一幀中的光點位置，把光點位置變換為光點在投影屏幕的實際位置，進行軌跡繪制。結果通過投影儀在投影屏幕上顯示出來。圖2給出了劃線激光筆的系統流程圖。
2、攝像頭的選擇及標定
（1）攝像頭的選擇
系統采用USB2.0攝像頭作為視頻采集裝置。采用標準CS接口的鏡頭，并可以在鏡頭和攝像頭連接處加裝濾光片。
（2）攝像頭標定
由于攝像頭采集的圖像存在畸變，需要對采集到的圖像進行畸變校正；使用時需要識別出光點位置在投影圖像中的相對坐標，因此需要對系統進行標定。在攝像頭標定的過程中應考慮到攝像頭的徑向畸變，這里所討論的劃線激光筆對于精度的要求不是非常高，受攝像頭徑向畸變所帶來的誤差在實際應用中影響很小。主要考慮由于攝像頭光軸無法垂直于投影屏表面引起的透視畸變。
本系統采用校正的模型為：a（x，y）=c1x+c2y+c3xy+c4b（x，y）=c5x+c6y+c7xy+c8（1）其中（x，y）為校正前圖像坐標，（a，b）為校正后圖像坐標。共需要用4對總共8個相互對應的點來求取參數。拍攝圖像，利用圖像的4個角點作為校正參數點。獲取圖像中校正前的校正點圖像坐標，設定其校正后的坐標，建立方程組可求出式（1）中的參數c1~c8。
則每次在圖像面獲得的坐標（x',y'）對應投影屏幕中所處的實際坐標為（X，Y）其中：X=C1x'+C2y'+C3x'y'+C4Y=C5x'+C6y'+C7x'y'+C8
為了獲取圖像平面上4個角點的坐標，使投影屏幕顯示一幅白色背景圖像。攝像頭采集到的圖像經灰度化二值化后獲得邊緣點，并通過邊緣點擬合直線，求出角點坐標。
3、圖像預處理
圖像經過攝像頭采集后，為了能更好地檢測出光點的位置，在提取坐標之前需要對圖像進行預處理。圖像預處理主要包含：圖像灰度化、閾值分割、二值圖形態學運算。
（1）圖像分割
攝像頭采集到的圖像經過灰度變換后灰度圖中仍含有與光點無關的信息，為了能準確提取光點位置信息，必須去除其他無關的信息。對灰度圖像進行閾值分割轉化為二值圖像，去除無關信息。設一幅圖像f（x,y），其灰度范圍為[t1，t2]，如果給定一個閾值T
f（x，y）為灰度圖中（x，y）點像素的灰度值；T為規定的閾值；g（x，y）為閾值二值化后該點像素值，只能取0或255。本系統采用自定義閾值分割法。自定義閾值分割法通常用在被提取物體與背景灰度值區別較大的情況。激光筆通常在教室里使用，教室環境簡單光照均勻，光點與背景亮度存在很大的差異故使用自定義閾值分割會達到較好效果。如圖5光點灰度直方圖所示。通過觀察發現光點的灰度值主要集中在歸一化灰度值的0.7以上。故選取0.7作為閾值進行閾值分割。
（2）圖像的形態學處理
圖像經過閾值分割變為二值圖以后，二值圖中仍存在少量空洞和噪點，這會干擾對光點坐標的提取，這時需要對圖像進行形態學處理，使二值圖中最后只保留光點圖像。常見的形態學運算有腐蝕、膨脹、開運算、閉運算。腐蝕具有收縮圖像和消除圖像中比結構元圖像小的成分的作用?？梢允瓜嗷フ尺B的物體分開，可以消除圖像中的小顆粒噪聲。膨脹具有擴大圖像或填充比結構元圖像小的成分的作用。連接圖像中相鄰的物體或目標區域，可以填充小孔或者狹縫。開運算使用同一個結構元圖像對目標圖像先進行腐蝕運算，再進行膨脹運算。開運算可以去除較小的明亮細節，保持整體的灰度級和較大的明亮區域不變。閉運算與開運算相反，先進行膨脹運算，再進行腐蝕運算。閉運算可以去除圖像中暗細節部分，相對地保持明亮部分不受影響。
經過灰度閾值分割后的圖像如圖6所示，可以明顯地看到圖中除含有激光光點外，還含有不少小的顆粒噪聲。通過開運算的方法先腐蝕掉圖像中較小的顆粒點而不破壞光點的完整性，再通過膨脹使光點面積增大便于后續對其坐標進行提取。經過開運算后的圖像如圖7所示。與圖6相比只保留了光點的圖像，其他噪聲部分被開運算剔除，并且光點的完整性沒有遭到破壞。
（3）質心法提取光點坐標
光點每一幀圖像經過預處理之后變為只含有光點信息的二值圖像，需要從中提取出激光光點的坐標，采用質心法，提取光點幾何形狀的質心作為光點的坐標。質量中心簡稱質心，指物質系統上被認為質量集中于此的一個假想點。與重心不同的是，質心不一定要在有重力場的系統中。值得注意的是，除非重力場是均勻的，否則同一物質系統的質心與重心通常不在同一假想點上。在一個N維空間中的質量中心，坐標系計算公式為：
mi表示物質系統中，某i質點的質量。xi表示物質系統中，某i質點的坐標。
對離散化的數字圖像：
4、VB與MatLab混合編程
劃線激光筆的軟件部分由兩部分組成，即圖像處理部分和劃線部分。圖像處理部分采用MatLab進行編程。MatLab具有強大的圖像處理功能，方便快速實現各類圖像處理算法。劃線部分采用VB語言進行編程。VB作為一門簡單易用的編程語言詣在迅速開發出應用程序。最后通過VB與MatLab混合編程的方法將兩者結合在一起。
（1）MatLab編程
基于圖像處理的劃線激光筆圖像處理部分通過MatLab編程實現，主要包含兩個步驟。
①視頻對象的創建
對攝像頭編程需要知道攝像頭的各項參數，因此MatLab的工具箱提供了imaqhwinfo（）函數，來獲取PC上以安裝的圖像獲取硬件信息。使用函數obj=videoinput（adaptorname，deviceID，format）創建視頻輸入對象。
②圖像的獲取及坐標計算
getsnapshot（obj）用于截取圖像。se=strel（shape,parameters）進行結構元素的生成。imopen（image,se）進行開運算。
③質心法
根據視頻格式的高和寬產生以高為行，寬為列的兩個大小相同的矩陣。用生成的兩個矩陣分別與原圖像作積，把作積后的圖像求矩陣和再與原圖像的矩陣和作商計算出坐標值（x，y）為質心坐標，即光點坐標。
（2）VB編程
VB軟件編程主要包含兩部分，即Windows窗體繪制軌跡與VB、MatLab混合編程部分。通過三個調用WindowsAPI函數GetWindowLong、Set Window Long與Set Layered Window Attributes，實現窗體的透明特性。Get Window Long（HWNDhWnd,intnlndex）函數用于獲得有關指定窗口的信息。SetWindowLong（HWNDhWnd，intnlndex，LONGdw New Long）函數用來改變指定窗口的屬性。SetLayered Window Attributes（HWNDhwnd,COLORREFcrKey,BYTEbAlpha,DWORDdwFlags）函數為透明窗體函數。bAlpha是不透明度。dwFlags是透明方式，可以取兩個值：當取值為LWA_ALPHA時，crKey參數無效，bAlpha參數有效；當取值為LWA_COLORKEY時，窗體中的所有顏色為crKey的地方將變為透明，bAlpha參數無效。當取兩個值的組合：LWA_ALPHA Or LWA_COLORKEY時，crKey的地方將變為全透明，而其他地方根據bAlpha參數確定透明度。
透明窗體的產生及劃線的實現方法：
①首先通過GetWindow Long函數獲得窗口初始化的擴展窗口風格。
②把WS_EX_LAYERED透明擴展窗口風格賦值給變量。
③通過SetWindowLong函數設定窗口的風格設置成透明擴展窗口風格。
④獲取之前設定的透明窗體的句柄，利用SetLayered Window Attributes函數。將第二個參數掩碼顏色選擇為當前窗體的背景色。當第四個參數值為LWA_COLORKEY時，窗體中的所有顏色為背景色的地方將變為透明也就是背景變透明，此時第三個參數無效。
⑤最后通過Move函數使窗體全屏顯示起到一個“畫板”的功能，同時鼠標可以“穿透”窗體執行操作。
⑥將每次求出的光點坐標傳遞給Line函數。Line函數的功能為用直線連接兩個指定坐標的點。每畫完一條直線將本條直線終點坐標賦值給起點坐標，將終點坐標作為下一條直線的起點坐標，依次連接每個點復原光點所走過的軌跡。
軟件界面包含劃線、清屏、停止劃線、調節顏色、調節線條粗細等功能。每項功能通過用戶觸發相應的事件，跳轉到相應的代碼段執行操作。在界面窗體裝載時執行SetWindowPosWindowsAPI函數。該函數為窗體置頂函數，通過調用該函數可以使軟件界面窗體保持在所有窗體之上，不會因為鼠標鍵盤事件而被其他窗體覆蓋，更加人性化，使用戶操作更加方便。圖9顯示了軟件的界面。
（3）VB與MatLab混合編程
使用MatLab的combuilder工具進行混合編程。com是componentobjectmodule的簡稱，它是一種通用的對象接口，任何語言只要按照這種接口標準，就可以實現調用，該方法實現簡單，通用性強，而且幾乎可以使用MatLab的任何函數。這也是Mathworks公司推薦的使用方法。MatLab工具箱中提供了deploytool工具。該工具通過C++編譯器將多個M文件以類的形式進行編譯封裝。每個M文件以函數的形式封裝成類方法。打包成com組件的形式，即生成dll（DynamicLinkLibrary）動態鏈接庫，供VB調用。
混合編程實現的實現方法：
將上述視頻對象的創建、圖像的獲取及坐標計算封裝成類的形式。
在VB中聲明類并實例化類的對象。
在軟件啟動后調用實例化對象中的視頻對象創建方法創建視頻窗口。
在VB中創建定時器Timer控件，設置定時器計時時間，當定時器計時溢出時調用對象中的圖像的獲取及坐標計算方法計算出坐標傳遞給Line函數劃線。
5、結語
系統經過測試，激光筆的響應速度很快，實時性好，能完美處理30幀圖像，繪制出的軌跡線條自然、柔和。劃線激光筆作為輔助教學工具能夠豐富教學手段，使教師授課更加生動，保證了教師授課的連續性。通過使用USB攝像頭和綠色濾光片，降低了系統成本，提升了系統識別率。該系傳統對于顯示設備沒有特殊要求，只需設備能顯示光點的軌跡即可，不會對顯示設備產生其他影響。使用USB攝像頭使該系統具備了即插即用的特性，使這套系統的使用場所不僅僅局限于教室，提高了系統的實用性。
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