多點(diǎn)觸控智能家居平臺應(yīng)用解析

緒論

近年來，多點(diǎn)觸控（Multi-Touch）成為了代替人機(jī)交互傳統(tǒng)方式的新方式。它拋棄了鍵盤，鼠標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了多人同時交互，是人機(jī)交互的一場革命性創(chuàng)新。但可惜的是，該項(xiàng)技術(shù)還處在初級階段，Multi-Touch的產(chǎn)品很多還只是面向高端或軍工用戶，價格十分高昂。這對廣大消費(fèi)者來說都是不能承受的。此外，目前基于Multi-Touch應(yīng)用的軟件業(yè)相當(dāng)較少，且大多數(shù)停留在游戲娛樂的功能上，這樣也限制了該技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。

為此，將Multi-Touch技術(shù)應(yīng)用低廉化、市場化，就顯得十分緊迫?？紤]到Multi-Touch新鮮而高效的人機(jī)交互的方式，我們將其應(yīng)用在日常的辦公生活中，為廣大的辦公室人群提出了一套提高工作效率、增加工作樂趣的Multi-Touch應(yīng)用解決方案。

多點(diǎn)觸控智能家居平臺

一，F(xiàn)TIR原理簡述

作為Multi-Touch最初的被提出的實(shí)現(xiàn)方法，F(xiàn)TIR（Frustrated Total Internal Reflection，受抑全內(nèi)反射）一直是最熱門和被研究得最透徹的實(shí)現(xiàn)方法。其原理是在較厚的透明有機(jī)玻璃側(cè)面放置紅外LED，使紅外光在玻璃內(nèi)部產(chǎn)生全反射，當(dāng)有手指觸碰到有機(jī)玻璃表面時，全反射的平衡會被打破，于是會有部分的光散射到下面來，從而被攝像頭捕捉到。由于有機(jī)玻璃是全透明的，在有機(jī)玻璃上部或下部還要附上一層背投影屏幕。綜合來看，雖說效果不錯，但此方案因?yàn)橐侠淼卣{(diào)整側(cè)邊入射的燈，且對材料的要求也很高，所以實(shí)現(xiàn)過于復(fù)雜。

圖一

二、DI原理簡述

DI的原理最初由微軟提出，其實(shí)現(xiàn)原理見圖2。圖中，用戶接觸的平面不一定用有機(jī)玻璃，而整個技術(shù)的關(guān)鍵在于屏幕下方的紅外散射光源，此光源將紅外光均勻地散射在多點(diǎn)觸摸屏的一面，當(dāng)手指觸碰到表面后，由于手指擋住了光向上散射的路線，此時在圖像中會有一個陰影出現(xiàn)。經(jīng)過進(jìn)一步的圖像處理，就可以提取有關(guān)手指的位置信息。

圖二

具體實(shí)現(xiàn)上，DI可以變得簡單一些。圖1所示的是Back DI（背投光DI）的原理，可以看到紅外光從下方入射。這種Back DI的好處是光源在觸摸屏下面，可以自己控制，并且可以合理控制紅外光的亮度；它不僅僅實(shí)現(xiàn)陰影捕捉，更可以實(shí)現(xiàn)物體識別。但是，這種方案需要合理擺放紅外LED的位置，并且保證所有的紅外LED的亮度幾乎一致，還要達(dá)到最理想的均勻光照的效果，所以實(shí)現(xiàn)的難度很大。

實(shí)際操作中，我們嘗試了一種Front DI（外光DI）的方案。與Back DI相反，F(xiàn)ront DI負(fù)責(zé)采集的紅外光來自觸摸屏外。同樣，由于手指的遮光作用，也會捕捉到陰影。雖說沒有Back DI那樣那樣高清的分辨能力，但對于桌面應(yīng)用，已經(jīng)足夠。

分析和實(shí)踐了FTIR實(shí)現(xiàn)方案后，考慮到產(chǎn)品的成本和復(fù)雜度，我們嘗試了DI的方案，效果較理想，而且DI的價格便宜，系統(tǒng)簡單，更易于組裝和實(shí)現(xiàn)。于是最終作品選用了DI的方案。

三、系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

整個系統(tǒng)主要有四個部分組成：PC，攝像頭模塊，投影儀及用戶的桌面。總的說來，該系統(tǒng)硬件組成比較簡單，攝像頭原型使用羅技的一款高清攝像頭產(chǎn)品，經(jīng)過去除可見光濾光片并加裝紅外濾光片后，供系統(tǒng)采集手指位置信息，而投影儀作為顯示部分，選用了愛普生的EB-X7。外框上，我們自行設(shè)計了平臺的框架的組成結(jié)構(gòu)和各部件的安裝與工作方式。

四、軟件部分

4.1 軟件概述

在系統(tǒng)設(shè)計中，我們選擇采用C#進(jìn)行編寫程序，將手指觸摸事件用UP,DOWN,MOVE分別表示手指接觸觸摸屏，在觸摸屏移動，離開觸摸屏三個事件，并利用CCV來編寫整個觸摸屏的手指識別程序，并封裝成動態(tài)鏈接庫，方便后續(xù)程序的調(diào)用。

CCV（Community Core Vision）是一款解決計算機(jī)視覺和機(jī)器感應(yīng)的開源/跨平臺的軟件。可識別出因?yàn)榕龅绞种付瓷浠貋淼募t外光，在經(jīng)過數(shù)據(jù)處理是圖像更為清晰，再將事件傳遞給已編寫好的DLL動態(tài)鏈接庫文件，從而使軟件識別出具體的手指動作。

用戶可以在顯示緩沖區(qū)上通過繪圖繪制圖形。圖形系統(tǒng)使用了GDI+，GDI+提供了較為強(qiáng)大的繪圖功能，這比較適合本系統(tǒng)提供的應(yīng)用?？梢酝ㄟ^一個函數(shù)提供獲得GDI+繪圖對象的指針。顯示緩沖區(qū)在用戶繪制完成后要更新到父窗口以最終顯示到屏幕上。

每個消息處理隊(duì)列都對應(yīng)一個獨(dú)立的消息處理線程，負(fù)責(zé)處理各種事件，特別是用戶操作事件。事件以消息的方式發(fā)送到消息處理隊(duì)列中，消息處理線程從隊(duì)列中取出消息，處理后返回。消息發(fā)送有兩種模式，一種是發(fā)送后返回，另一種是發(fā)送后等待消息處理完后再返回。消息處理線程直到窗口關(guān)閉才被銷毀。消息隊(duì)列是窗口系統(tǒng)具有了多線程的特性，可以使多個窗口在英特爾雙核處理器上同時工作，大大提高了窗口的性能，特別是多個用戶同時執(zhí)行復(fù)雜操作的時候，可以大大提高并行能力。

消息隊(duì)列的操作是互斥的，每次僅有一個線程能夠?qū)ζ渲械脑剡M(jìn)行添加刪除操作。所以就需要一個鎖的機(jī)制來保護(hù)。

對于用戶操作，父窗口將位于子窗口內(nèi)的用戶操作通過消息的的方式發(fā)送給子窗口，這樣一級一級地傳遞下去。特別需要介紹的是手指消息，手指消息分為手指放下、手指移動和手指離開，窗口通過消息參數(shù)中的手指ID實(shí)現(xiàn)不同手指的識別。

多個手指的操作基于一個窗口維護(hù)的活動手指表，標(biāo)準(zhǔn)記錄了所有綁定在這個窗口上的手指。該表通過平衡二叉樹實(shí)現(xiàn)，以提高速度。

本系統(tǒng)設(shè)計的窗口可以以任意角度旋轉(zhuǎn)，這樣可以支持從各個角度觀看的用過戶，以適合小型會議的需要。窗口內(nèi)置支持一種環(huán)形的菜單，這種菜單通過一個消息通知窗口用戶的選擇。窗口另外支持鍵盤操作，鍵盤通過字符消息通知窗口。

4.2 應(yīng)用功能

4.2.1 白板

白板作為會議中常用的功能，特別是在與設(shè)計有關(guān)的會議中，如果設(shè)計人員能夠面對面地討論，并在白板上表達(dá)自己的看法是非常有效的，傳統(tǒng)的紙質(zhì)白板能夠提供多人討論的環(huán)境，但不能夠方便地修改設(shè)計，而一般的網(wǎng)絡(luò)白板能夠提供交流的平臺，卻不能夠讓很多人聚在一起討論并同時操作。Multi-Touch技術(shù)完美地解決了它們存在的問題，給人們一個可以充分交流的平臺。

4.2.1 虛擬鍵盤

在應(yīng)用當(dāng)中，用戶不僅僅需要畫圖，在很多情況下需要打字，這是只有白板功能就不能滿足客戶打出標(biāo)準(zhǔn)漢字的要求，所以添加了虛擬的觸摸鍵盤，可以在觸摸屏上利用鍵盤輸入文字，觸摸鍵盤還帶有搜狗輸入法，可以輸入中文漢字。