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。

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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。

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