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基于STM32的便携式搭载激光键盘的激光笔设计与实现
作者：方海生 李忠志 费禹潇 郭继峰 来源：《计算机时代》2018年第03期
摘 要： 随着教育高速发展，教学演示越来越普遍，但是普通的激光笔已经远远不能满足需要，为了让使用者在教学、演示时最大限度的发挥肢体语言的优势，彻底解决以往在课堂和会议上使用鼠标的不便，研究一种搭载便携式激光键盘的激光笔设计是有必要的。文章对传统几何失真校正算法进行研究，提出一种不同角度的的校正算法，并以此构建一套实验装置，实验表明效果良好。
关键词： 激光笔； 激光键盘； 失真校正； STM32
中图分类号：TP399 文献标志码：A 文章编号：1006-8228（2018）03-27-04 Design and realization of laser pen based on STM32 portable laser keyboard Fang Haisheng， Li Zhongzhi， Fei Yuxiao， Guo Jifeng
（Northeast Forestry University College of Information and Computer Engineering， Harbin， Heilongjiang 150000， China）
Abstract： With the rapid development of education， teaching demonstration is more and more common， but the ordinary laser pointer is far from meeting the needs. In order to let the user maximize the advantages of body language while teaching and presenting， on the inconvenience of using the mouse to study a laser pointer with a portable laser keyboard design is necessary. In this paper， the traditional geometric distortion correction algorithm is studied， and a different angle correction algorithm is proposed. Based on this， a set of experimental apparatus is constructed， and the experiment shows that the effect is good.
Key words： laser pen； laser keyboard； distortion correction； STM32 0 引言
目前投影机在教育、培训、商务展示行业遭遇了“应用危机”，问题是在多媒体教学普及的过程中，普遍存在如何引进现代化教学设备和老师们的课堂教学习惯有机结合的问题。基于这种情况，研究一款便携式搭载激光键盘的激光笔的设想成为一种可能。本项目将激光键盘进一步改进，提出一种新的几何失真校正算法，并利用无线传输功能将其在STM32处理器为核心的硬件系统上进行设计和实现。
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1 总体设计与硬件实现 1.1 总体设计
根据以上需求特点，本设计的硬件平台选择STM32F103芯片作为核心处理器搭建的硬件电路。软件平台则选择编写控制芯片的下位机固件程序与PC机进行通信和共享。教学激光笔的系统总体结构包括：开发板部分（STM32F103开发板），接口电路部分（IIC接口电路），电源模块。总体设计框图如图1所示。
图1 总体设计框图 1.2 硬件设计
参考论文[5]，在芯片选型上，考虑到图像处理算法的使用及较大的数据计算任务，选用以Cortex-M3作为内核的STM32F103芯片作为核心处理器，选用OV7670型号的CMOS芯片的摄像头模块采集图片信息.通过SCCB传输协议将拍摄的图像传至处理器，由图像处理算法计算出坐标值，利用NRF24L01无线收发芯片模块[4]将坐标信息传送至另一端无线模块，数据再经由有线串口传输到PC端。具体实现无线键盘坐标信息的数据传输，硬件模块结构如图2所示。
图2 硬件结构图 2 算法设计与分析 2.1 算法思路及描述
本文提出的失真是指摄像头与拍摄目标成一定角度的倾斜，因此在拍摄时产生失真，导致在实际图像拍摄和坐标与键盘映射上都存在一定的困难，而激光键盘较为重要的一点就是能准确地将拍摄的图像与实际键盘进行映射，为此基于三角测距原理[3]提出了一种几何失真算法的新思路以消除失真所带来的负面影响。摄像头以一定的倾斜角放置在高度为h的位置。此时摄像头所拍摄的图像头将会呈现一定的透视失真。具体位置摆放如图3所示。
图3 摄像头摆放位置
如图3所示，摄像头以一定高度侧拍键盘，采集到的图像是一个不规则的四边形，（设置摄像头竖直投影在水平面的点和虚拟键盘的长边中点连线刚好和长边垂直），基于这种情况，
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本文提出了一种新的校正算法。键盘的成像图像是一个梯形，这里，将会得到一个等腰梯形，但是本文的方法是从成像原理方面去进行还原和坐标转换，所以此校正方法也适用于其他类似的情况。
2.1.1 纵坐标方向校正方法
首先建立坐标系；将整个键盘的图片全部放在第一象限，以图像键盘的左下角建立二维平面直角坐标x轴和y轴。
纵坐标方向上，摄像头拍摄图像时沿x轴方向的y方向的切面图如图4所示。
图4 沿X轴方向切面图
如图4所示摄像头拍摄的是一个弧面，但是为了便于计算，将其近似看成一个平面。在图3中，图像中y方向的值是y=CN弧面，这里将CN弧面长度近似等于CN弦长度，即y=CN弦。为了求到y'（真实的y方向的值），从A做角CAN的角平分线，从C点做AM的垂线与AM交于M点，交AD于N点。在这里有一个细节是y=CN大小的值，因为这里是用图像的像素大小作为最小单位，所以对应的y和y'之间就存在一个倍数k，其关系为式⑴： ⑴
P为摄像头在水平面的投影点到键盘的最远距离，就是以投影点为原点的画圆和键盘的相交的最大的一个半径。q为图像所能达到的最大的像素距离，这里取640，利用勾股定理得出： ⑵
在等腰三角形ACN中，中线、角平分线和垂线重合易得出： ⑶ ⑷ ⑸ ⑹ ⑺
最终得出式⑻：