软硬件实现多点触控智能家居平台的完整解决方案

近年来，多点触控（Multi-Touch）成为了代替人机交互传统方式的新方式。但可惜的是，该项技术还处在初级阶段，Multi-Touch的产品很多还只是面向高端或军工用户，价格十分高昂。这对广大消费者来说都是不能承受的。此外，目前基于Multi-Touch应用的软件业相当较少，且大多数停留在游戏娱乐的功能上，这样也限制了该技术的发展和应用。

考虑到Multi-Touch新鲜而高效的人机交互的方式，我们将其应用在日常的办公生活中，为广大的办公室人群提出了一套提高工作效率、增加工作乐趣的Multi-Touch应用解决方案。
 
多点触控智能家居平台

一、FTIR原理简述

作为Multi-Touch最初的被提出的实现方法，FTIR（Frustrated Total Internal Reflection，受抑全内反射）一直是最热门和被研究得最透彻的实现方法。其原理是在较厚的透明有机玻璃侧面放置红外LED，使红外光在玻璃内部产生全反射，当有手指触碰到有机玻璃表面时，全反射的平衡会被打破，于是会有部分的光散射到下面来，从而被摄像头捕捉到。由于有机玻璃是全透明的，在有机玻璃上部或下部还要附上一层背投影屏幕。综合来看，虽说效果不错，但此方案因为要合理地调整侧边入射的灯，且对材料的要求也很高，所以实现过于复杂。

图1：FTIR原理

 
二、DI原理简述

DI的原理最初由微软提出，其实现原理见图2。图中，用户接触的平面不一定用有机玻璃，而整个技术的关键在于屏幕下方的红外散射光源，此光源将红外光均匀地散射在多点触摸屏的一面，当手指触碰到表面后，由于手指挡住了光向上散射的路线，此时在图像中会有一个阴影出现。经过进一步的图像处理，就可以提取有关手指的位置信息。

图2：DI原理

 
具体实现上，DI可以变得简单一些。图1所示的是Back DI（背投光DI）的原理，可以看到红外光从下方入射。这种Back DI的好处是光源在触摸屏下面，可以自己控制，并且可以合理控制红外光的亮度；它不仅仅实现阴影捕捉，更可以实现物体识别。但是，这种方案需要合理摆放红外LED的位置，并且保证所有的红外LED的亮度几乎一致，还要达到最理想的均匀光照的效果，所以实现的难度很大。
 
实际操作中，我们尝试了一种Front DI（外光DI）的方案。与Back DI相反，Front DI负责采集的红外光来自触摸屏外。同样，由于手指的遮光作用，也会捕捉到阴影。虽说没有Back DI那样那样高清的分辨能力，但对于桌面应用，已经足够。
 
分析和实践了FTIR实现方案后，考虑到产品的成本和复杂度，我们尝试了DI的方案，效果较理想，而且DI的价格便宜，系统简单，更易于组装和实现。于是最终作品选用了DI的方案。

三、系统组成结构

整个系统主要有四个部分组成：PC，摄像头模块，投影仪及用户的桌面。总的说来，该系统硬件组成比较简单，摄像头原型使用罗技的一款高清摄像头产品，经过去除可见光滤光片并加装红外滤光片后，供系统采集手指位置信息，而投影仪作为显示部分，选用了爱普生的EB-X7。外框上，我们自行设计了平台的框架的组成结构和各部件的安装与工作方式。
 
四、软件部分

软件概述

在系统设计中，我们选择采用C#进行编写程序，将手指触摸事件用UP,DOWN,MOVE分别表示手指接触触摸屏，在触摸屏移动，离开触摸屏三个事件，并利用CCV来编写整个触摸屏的手指识别程序，并封装成动态链接库，方便后续程序的调用。
 
CCV（Community Core Vision）是一款解决计算机视觉和机器感应的开源/跨平台的软件。可识别出因为碰到手指而反射回来的红外光，在经过数据处理是图像更为清晰，再将事件传递给已编写好的DLL动态链接库文件，从而使软件识别出具体的手指动作。
 
用户可以在显示缓冲区上通过绘图绘制图形。图形系统使用了GDI+，GDI+提供了较为强大的绘图功能，这比较适合本系统提供的应用。可以通过一个函数提供获得GDI+绘图对象的指针。显示缓冲区在用户绘制完成后要更新到父窗口以最终显示到屏幕上。
 
每个消息处理队列都对应一个独立的消息处理线程，负责处理各种事件，特别是用户操作事件。事件以消息的方式发送到消息处理队列中，消息处理线程从队列中取出消息，处理后返回。消息发送有两种模式，一种是发送后返回，另一种是发送后等待消息处理完后再返回。消息处理线程直到窗口关闭才被销毁。消息队列是窗口系统具有了多线程的特性，可以使多个窗口在英特尔双核处理器上同时工作，大大提高了窗口的性能，特别是多个用户同时执行复杂操作的时候，可以大大提高并行能力。
 
消息队列的操作是互斥的，每次仅有一个线程能够对其中的元素进行添加删除操作。所以就需要一个锁的机制来保护。
 
对于用户操作，父窗口将位于子窗口内的用户操作通过消息的的方式发送给子窗口，这样一级一级地传递下去。特别需要介绍的是手指消息，手指消息分为手指放下、手指移动和手指离开，窗口通过消息参数中的手指ID实现不同手指的识别。
 
多个手指的操作基于一个窗口维护的活动手指表，标准记录了所有绑定在这个窗口上的手指。该表通过平衡二叉树实现，以提高速度。
 
本系统设计的窗口可以以任意角度旋转，这样可以支持从各个角度观看的用过户，以适合小型会议的需要。窗口内置支持一种环形的菜单，这种菜单通过一个消息通知窗口用户的选择。窗口另外支持键盘操作，键盘通过字符消息通知窗口。
 
应用功能

1.白板

白板作为会议中常用的功能，特别是在与设计有关的会议中，如果设计人员能够面对面地讨论，并在白板上表达自己的看法是非常有效的，传统的纸质白板能够提供多人讨论的环境，但不能够方便地修改设计，而一般的网络白板能够提供交流的平台，却不能够让很多人聚在一起讨论并同时操作。Multi-Touch技术完美地解决了它们存在的问题，给人们一个可以充分交流的平台。
 
2.虚拟键盘

在应用当中，用户不仅仅需要画图，在很多情况下需要打字，这是只有白板功能就不能满足客户打出标准汉字的要求，所以添加了虚拟的触摸键盘，可以在触摸屏上利用键盘输入文字，触摸键盘还带有搜狗输入法，可以输入中文汉字。