一种可定位的红外书画笔及其定位方法.pdf

本发明公开了一种可定位的红外书画笔及其定位方法，画笔包括笔身(10)、容置在笔身(10)内部的红外光源组件(30)、设置在笔身(10)一端且用于将红外光源组件(30)发出的红外光传导出笔身(10)的笔头(20)，笔身(10)靠近笔头(20)一端设置有用于出射红外光的多个红外光出射机构(70)以定位红外书画笔的空间位置，多个红外光出射机构(70)沿笔身(10)周向外壁均匀布设，且每个红外光出射机构(70)出射的红外光的在朝向笔头(20)一侧的方向与笔身(10)的轴线的夹角均相同，且该夹角为锐角，因此根据其投影到书画板上的投射点，可定位红外书画笔的空间位置，进而判断画笔的倾斜度和笔头尖端离书画板的距离，有效地模拟起笔和收笔。

权利要求书
1.  一种可定位的红外书画笔，包括笔身(10)、容置在所述笔身(10)内 部的用于发出红外光的红外光源组件(30)、设置在笔身(10)一端且用于将 所述红外光源组件(30)发出的红外光传导出所述笔身(10)的笔头(20)， 其特征在于，所述笔身(10)靠近所述笔头(20)一端设置有用于出射红外光 的多个红外光出射机构(70)以定位所述红外书画笔的空间位置，该多个红外 光出射机构(70)沿所述笔身(10)周向外壁均匀布设，且每个红外光出射机 构(70)出射的红外光的在朝向所述笔头(20)一侧的方向与所述笔身(10) 的轴线的夹角均相同，且该夹角为锐角。

2.  根据权利要求1所述的可定位的红外书画笔，其特征在于，所述红外 光源组件(30)位于所述笔身(10)的中心轴线上，所述红外光出射机构(70) 包括贯穿所述笔身(10)侧壁的、用于将所述红外光源组件(30)的红外光透 射出去的光孔(701)，每个光孔(701)的延伸方向与所述笔身(10)的轴线 在朝向所述笔头(20)一侧的夹角均相同，且该夹角为锐角。

3.  根据权利要求2所述的可定位的红外书画笔，其特征在于，所述红外 光出射机构(70)还包括与所述红外光源组件(30)连接、沿光孔(701)的 延伸方向固定在对应的光孔(701)内的光纤。

4.  根据权利要求1所述的可定位的红外书画笔，其特征在于，所述红外 光出射机构(70)包括：开设在所述笔身(10)侧壁上的安装孔(702)和固 定在对应的安装孔(702)内的红外LED灯。

5.  根据权利要求1所述的可定位的红外书画笔，其特征在于，所述笔头 (20)包括端部束在所述笔身(10)内的多根导光纤维，且所述多根导光纤维 远离所述笔身(10)的一端汇聚一起以使所述笔头(20)的外部轮廓呈锥状。

6.  根据权利要求1所述的可定位的红外书画笔，其特征在于，所述红外 光源组件(30)包括朝向所述笔头(20)发光的红外LED灯以及驱动该红外 LED灯发光的控制器，所述笔身(10)内还设置有用于向所述红外LED灯以 及所述控制器供电的充电电池(40)，所述红外LED灯和充电电池分别与所述 控制器电连接。

7.  根据权利要求6所述的可定位的红外书画笔，其特征在于，所述红外 书画笔还包括用于开启或关闭所述红外LED灯的触摸式感应开关(60)以及 用于感应所述触摸式感应开关(60)在被触摸后所发出的电信号、并发送触发 信号给所述控制器的感应电路，所述感应电路分别与所述触摸式感应开关(60) 以及控制器电连接。

8.  根据权利要求7所述的可定位的红外书画笔，其特征在于，所述红外 书画笔还包括电路板(50)，所述控制器和所述感应电路均设置在所述电路板 (50)上，所述电路板(50)为柔性电路板，所述柔性电路板卷成筒状收容在 所述笔身(10)内，且所述柔性电路板设置有所述感应电路的一面朝向所述笔 身(10)的内侧壁。

9.  一种基于权利要求1所述的红外书画笔的红外书画笔定位方法，其特 征在于，所述方法用于确定所述多个红外光出射机构(70)出射的红外光的反 向延长线的交点O到该交点O在书画板上的理论投射点O1之间的距离OO1， 以及确定该交点O与理论投射点O1确定的线段OO1在竖直平面内的倾斜角 度α；
所述方法包括以下步骤：
S1：识别出所述多个红外光出射机构(70)出射的红外光在书画板上的一 组投射点，根据识别出的该一组投射点拟合一个椭圆；如果椭圆的长轴AB和 短轴的长度差小于阈值，则执行步骤S2，否执行转步骤S3，其中，长轴AB 的长度值记为AB，红外光出射机构(70)出射的红外光与所述笔身(10)轴 线之间的所述夹角的角度值记为θ；
S2：判定所述倾斜角度α为0，所述距离OO1等于(AB/2)*cotθ；
S3：计算所述笔头(20)在书画板上的投射区域的重心坐标，并将该重心 坐标进行校正以使其位于所述长轴AB上，并将校正后的重心坐标确定为所述 理论投射点O1的坐标；确定离长轴AB的投射点汇聚端B最近的两个投射点C 和D，并对投射点C和D进行校正以使校正后的投射点C和D构成的线段CD 垂直于长轴AB，并以所述线段CD作为红外光投射的正棱锥与线段OO1垂直的 截面正多边形的一个边；根据所述夹角的角度值θ、线段CD的长度、以及理 论投射点O1的坐标，计算倾斜角度α和所述距离OO1。

10.  根据权利要求9所述的可定位的红外书画笔定位方法，其特征在于，
所述步骤S3中对所述一组投射点进行校正以使校正后的投射点C和D构 成的线段CD垂直于长轴AB包括：保持理论投射点O1与投射点C和D构成的 ∠CO1D的角度值不变，将投射点C和D在椭圆上进行移动，直至长轴AB成 为∠CO1D的角平分线；
所述步骤S3中计算倾斜角度α和所述距离OO1根据以下公式进行计算：
α＝90°-ω，ω＝arcsin(PE/EO1)
OO1＝OP+PO1＝PE*(cotω+cotβ)
β＝arctan(tanθ*cos(180°/n))
其中，PE为所述截面正多边形的中心与边之间的距离，EO1为校正后的 线段CD与长轴AB之间的交点到所述理论投射点O1之间的距离，n是红外光 出射机构(70)的个数。

说明书一种可定位的红外书画笔及其定位方法
技术领域
本发明涉及影像处理领域，更具体地说，涉及一种可定位的红外书画笔及 其定位方法。
背景技术
现有技术中的红外书画笔，采用光导纤维制作笔头，笔头具有一定的柔性， 可以模拟毛笔和画笔的效果，通过采集笔头的红外光影像跟踪笔的运行轨迹， 模拟书画笔迹。做书画时起笔和收笔特别重要，这种红外书画笔因为采用主动 发光的原理，在笔头未接触到书画面板的时候，笔头发出的红外光就被感应到 了，当笔尖离开书画板的时候，红外感应器并不能马上感应到。由于不能感知 笔头离书画板的距离远近，在做书画时落笔和抬笔无法控制，导致模拟起笔和 收笔时走样严重。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种可定 位的红外书画笔及其定位方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种可定位的红外书画 笔，包括笔身、容置在所述笔身内部的用于发出红外光的红外光源组件、设置 在笔身一端且用于将所述红外光源组件发出的红外光传导出所述笔身的笔头， 所述笔身靠近所述笔头一端设置有用于出射红外光的多个红外光出射机构以 定位所述红外书画笔的空间位置，该多个红外光出射机构沿所述笔身周向外壁 均匀布设，且每个红外光出射机构出射的红外光的在朝向所述笔头一侧的方向 与所述笔身的轴线的夹角均相同，且该夹角为锐角。
本发明所述的可定位的红外书画笔，其中，所述红外光源组件位于所述笔 身的中心轴线上，所述红外光出射机构包括贯穿所述笔身侧壁的、用于将所述 红外光源组件的红外光透射出去的光孔，每个光孔的延伸方向与所述笔身的轴 线在朝向所述笔头一侧的夹角均相同，且该夹角为锐角。
本发明所述的可定位的红外书画笔，其中，所述红外光出射机构还包括与 所述红外光源组件连接、沿光孔的延伸方向固定在对应的光孔内的光纤。
本发明所述的可定位的红外书画笔，其中，所述红外光出射机构包括：开 设在所述笔身侧壁上的安装孔和固定在对应的安装孔内的红外LED灯。
本发明所述的可定位的红外书画笔，其中，所述笔头包括端部束在所述笔 身内的多根导光纤维，且所述多根导光纤维远离所述笔身的一端汇聚一起以使 所述笔头的外部轮廓呈锥状。
本发明所述的可定位的红外书画笔，其中，所述红外光源组件包括朝向所 述笔头发光的红外LED灯以及驱动该红外LED灯发光的控制器，所述笔身内 还设置有用于向所述红外LED灯以及所述控制器供电的充电电池，所述红外 LED灯和充电电池分别与所述控制器电连接。
本发明所述的可定位的红外书画笔，其中，所述红外书画笔还包括用于开 启或关闭所述红外LED灯的触摸式感应开关以及用于感应所述触摸式感应开 关在被触摸后所发出的电信号、并发送触发信号给所述控制器的感应电路，所 述感应电路分别与所述触摸式感应开关以及控制器电连接。
本发明所述的可定位的红外书画笔，其中，所述红外书画笔还包括电路板， 所述控制器和所述感应电路均设置在所述电路板上，所述电路板为柔性电路 板，所述柔性电路板卷成筒状收容在所述笔身内，且所述柔性电路板设置有所 述感应电路的一面朝向所述笔身的内侧壁。
本发明还公开了一种基于所述的红外书画笔的红外书画笔定位方法，所述 方法用于确定所述多个红外光出射机构出射的红外光的反向延长线的交点O 到该交点O在书画板上的理论投射点O1之间的距离OO1，以及确定该交点O 与理论投射点O1确定的线段OO1在竖直平面内的倾斜角度α；
所述方法包括以下步骤：
S1：识别出所述多个红外光出射机构出射的红外光在书画板上的一组投射 点，根据识别出的该一组投射点拟合一个椭圆；如果椭圆的长轴AB和短轴的 长度差小于阈值，则执行步骤S2，否执行转步骤S3，其中，长轴AB的长度值 记为AB，红外光出射机构出射的红外光与所述笔身轴线之间的所述夹角的角 度值记为θ；
S2：判定所述倾斜角度α为0，所述距离OO1等于(AB/2)*cotθ；
S3：计算所述笔头在书画板上的投射区域的重心坐标，并将该重心坐标进 行校正以使其位于所述长轴AB上，并将校正后的重心坐标确定为所述理论投 射点O1的坐标；确定离长轴AB的投射点汇聚端B最近的两个投射点C和D， 并对投射点C和D进行校正以使校正后的投射点C和D构成的线段CD垂直于 长轴AB，并以所述线段CD作为红外光投射的正棱锥的与线段OO1垂直的截面 正多边形的一个边；根据所述夹角的角度值θ、线段CD的长度、以及理论投 射点O1的坐标，计算倾斜角度α和所述距离OO1。
本发明所述的可定位的红外书画笔定位方法，其中，所述步骤S3中对所 述一组投射点进行校正以使投射点C和D构成的线段CD垂直于长轴AB包括： 保持理论投射点O1与投射点C和D构成的∠CO1D的角度值不变，将投射点 C和D在椭圆上进行移动，直至长轴AB成为∠CO1D的角平分线；
所述步骤S3中计算倾斜角度α和所述距离OO1根据以下公式进行计算：
α＝90°-ω，ω＝arcsin(PE/E O1)
OO1＝OP+PO1＝PE*(cotω+cotβ)
β＝arctan(tanθ*cos(180°/n))
其中，PE为所述截面正多边形的中心与边之间的距离，EO1为校正后的 线段CD与长轴AB之间的交点到所述理论投射点O1之间的距离，n是红外光 出射机构的个数。
实施本发明的可定位的红外书画笔及其定位方法，具有以下有益效果：本 发明的红外书画笔在所述笔身靠近所述笔头一端设置有用于出射红外光的多 个红外光出射机构，由于多个红外光出射机构沿所述笔身周向外壁均匀布设， 且每个红外光出射机构出射的红外光的方向与所述笔身的轴线的夹角均相同， 因此根据其投影到书画板上的投射点坐标，定位所述红外书画笔的空间位置， 进而可以判断画笔的倾斜度和笔头尖端离书画板的距离，有效地模拟起笔和收 笔。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明红外书画笔的结构示意图；
图2是本发明红外书画笔的第一实施例的剖视结构示意图；
图3是本发明红外书画笔的第二实施例的剖视结构示意图；
图4是本发明红外书画笔的竖直立于书画板上方时的红外光投影示意图；
图5是本发明红外书画笔的倾斜立于书画板上方时的红外光投影示意图；
图6是本发明红外书画笔定位方法中的对线段CD进行校正的原理图；
图7是本发明红外书画笔定位方法中基于图5中的投影计算笔身的空间位 置的部分原理图；
图8是本发明红外书画笔定位方法中基于图5中的投影计算笔身的空间位 置的部分原理图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详 细说明本发明的具体实施方式。
参考图1，是本发明红外书画笔的结构示意图；
本发明的可定位的红外书画笔，包括笔身10、容置在所述笔身10内部的 用于发出红外光的红外光源组件30、设置在笔身10一端且用于将所述红外光 源组件30发出的红外光传导出所述笔身10的笔头20，笔身10具体为中空的 管状，笔身10可由铝合金材质或塑料等材料制成。
所述红外光源组件30具体包括朝向所述笔头20发光的红外LED灯以及 驱动该红外LED灯发光的控制器，所述红外LED灯与所述控制器电连接。
所述笔身10内还设置有用于向所述红外LED灯以及所述控制器供电的充 电电池40、用于开启或关闭所述红外LED灯的触摸式感应开关60以及用于感 应所述触摸式感应开关60在被触摸后所发出的电信号并发送触发信号给所述 控制器的感应电路，所述充电电池与所述控制器电连接，所述感应电路分别与 所述触摸式感应开关60以及控制器电连接。
其中，所述红外书画笔还包括电路板50，所述控制器和所述感应电路均 设置在所述电路板50上，所述电路板50为柔性电路板，所述柔性电路板卷成 筒状收容在所述笔身10内，且所述柔性电路板设置有所述感应电路的一面朝 向所述笔身10的内侧壁。采用柔性电路板可以缩小笔身10的直径，使其更 接近与真实的毛笔。该触摸式感应开关60为电容式感应开关，当然其也可以 用机械开关替代，这些都在本发明的保护范围之内。关于红外光源组件30与 笔头20配合实现模拟书写的原理属于现有技术，此处不再赘述。
其中，所述笔身10靠近所述笔头20一端设置有用于出射红外光的多个红 外光出射机构70以定位笔身10的空间位置，所述多个红外光出射机构70沿 所述笔身10周向外壁均匀布设，且每个红外光出射机构70出射的红外光的在 朝向所述笔头20一侧的方向与所述笔身10的轴线的夹角均相同。
由于多个红外光出射机构70沿所述笔身周向外壁均匀布设，且每个红外 光出射机构70的红外光的方向与所述笔身的轴线的夹角均相同，因此根据其 投影到书画板上的投射点坐标，定位所述红外书画笔的空间位置，进而可以判 断画笔的倾斜度和笔头尖端离书画板的距离，有效地模拟起笔和收笔。
红外光出射机构70可以是直接利用内部的红外光源组件30的红外光，也 可以是单独的发光源实现，只要能发出红外光且方向一致即可。下面将结合图 2和图3分别介绍本发明的两个实施例。
实施例一：
参考图2，是本发明红外书画笔的第一实施例的剖视结构示意图；
该实施例中利用笔身10内部现有的红外光源组件30发出的红外光进行定 位。具体的，所述红外光源组件30位于所述笔身10的中心轴线上，所述红外 光出射机构70包括贯穿所述笔身10侧壁的、用于将所述红外光源组件30的 红外光透射出去的光孔701，每个光孔701的延伸方向与所述笔身10的轴线 在朝向所述笔头20一侧的夹角均相同，且该夹角为锐角。
本实施例中，红外光源组件30发出的红外光从各个光孔701透射出去， 由于光孔701的高度位置和倾斜角度都是一致的，所以当书画笔竖直位于书画 板上方时，从各个光孔701透射出来的红外光在书画板上投影的投射点构成正 多边形的各个顶点，笔身10的中心线对应该正多边形的中心，在参考图4所 示。
优选的，所述红外光出射机构70还包括与所述红外光源组件30连接、沿 光孔701的延伸方向固定在对应的光孔701内的光纤，该光纤将红外光源组件 30发出的红外光导出光孔701，以提高光线发射角度的准确性。
其中，所述笔头20包括端部束在所述笔身10内的多根导光纤维，且所述 多根导光纤维远离所述笔身10的一端汇聚一起以使所述笔头20的外部轮廓呈 锥状。
实施例二：
参考图3，是本发明红外书画笔的第二实施例的剖视结构示意图；
所述红外光出射机构70包括：开设在所述笔身10侧壁上的安装孔702 和固定在对应的安装孔702内的红外LED灯。安装孔702的开设并不做限制， 只要能提供固定红外LED灯的空间位置即可。当然，可以理解的是，还可以 直接将红外LED灯固定在笔身10外壁上，只要能保证红外光的均匀同角度同 高度的发出即可。
本实施例中，考虑到红外LED灯的线路设置，安装孔702具体为径向贯 穿该笔身10侧壁的截面为方形的通孔，红外LED灯可以固定在通孔上壁或者 底壁，通过固定好红外LED灯的光线角度，使得其红外光的出射方向一致。
需要明确的是，本发明中的红外光出射机构70的数量并不做限制，只要 能使得投影的投射点组成正多边形即可。下面将以6个红外光出射机构70为 例介绍本发明的定位原理。
图5是本发明红外书画笔的倾斜立于书画板上方时的红外光投影示意图； 下面结合图4和图5，阐述基于所述的红外书画笔的红外书画笔定位方法，所 述方法用于确定所述多个红外光出射机构70出射的红外光的反向延长线的交 点O到该交点O在书画板上的理论投射点O1之间的距离OO1，以及该交点 O与理论投射点O1确定的线段OO1在竖直平面内的倾斜角度α；
所述方法包括以下步骤：
S1：采集书画笔在书画板上运行轨迹的一帧图像；从该图像中识别出书画 笔的多个红外光出射机构70出射的红外光在书画板上的一组投射点，根据识 别出的该一组投射点拟合一个椭圆，如果椭圆的长轴AB和短轴的长度差小于 阈值(该阈值为一个接近0的数值)，则将该椭圆作为圆处理，转步骤S2，否 则，按照椭圆的方案处理，转步骤S3；其中，长轴AB的长度值记为AB，红外 光出射机构70出射的红外光与所述笔身10轴线的所述夹角的角度值记为θ；
S2：判定所述倾斜角度α为0，即此时书画笔是竖直立于书画板上方的， 所述距离OO1等于(AB/2)*cotθ；
S3：采用通用的图像重心算法计算所述笔头20在书画板上的投射区域的 重心坐标，并将该重心坐标进行校正以使其位于所述长轴AB上(这种算法以及 校正过程为几何图像处理中的常用方法，此处不做详述)，并将校正后的重心 坐标确定为所述理论投射点O1的坐标；确定离长轴的投射点汇聚端B最近的 两个投射点C和D，并对所述一组投射点进行校正以使校正后的投射点C和D 构成的线段CD垂直于长轴AB，并以所述线段CD作为所述红外光投射的正棱 锥的与线段OO1垂直的截面正多边形的一个边；根据所述夹角的角度值θ、 线段CD的长度、以及理论投射点O1的坐标，计算倾斜角度α和所述距离OO1。
其中，参考图6，所述步骤S3中对所述一组投射点进行校正以使校正后 的投射点C和D构成的线段CD垂直于长轴AB包括：保持理论投射点O1与投 射点C和D构成的∠CO1D的角度值不变，将投射点C和D在椭圆上进行移动， 直至长轴AB成为∠CO1D的角平分线，图中以C’表示旋转后的投射点C，D’ 表示旋转后的投射点D，由于C’和D’并不是真实的投影点，此时有近似误 差，此误差会随着笔上的红外光出射机构70的数目增加而减小。
参考图7，所述步骤S3中计算倾斜角度α和所述距离OO1根据以下公式 进行计算：
α＝90°-ω，ω＝arcsin(PE/EO1)
OO1＝OP+PO1＝PE*(cotω+cotβ)
β＝arctan(tanθ*cos(180°/n))
其中，PE为所述截面正多边形的中心与边之间的距离，因为截面正多边 形的边数确定，且边长为线段CD的长度，也是可以获得的，所以PE也可以通 过计算得到。EO1为校正后的线段CD与长轴AB之间的交点到所述理论投射点 O1之间的距离，n是红外光出射机构(70)的个数，α的计算可以从图7中直 接推导出来，此处不再详述，下面以6个红外光出射机构70为例，举例说明 OO1的推导过程：
结合图5，参考图7、图8，图8中∠DOP等于θ，OP垂直于PD， PD＝OP*tanθ，截面是正六边形，所以∠DPC＝60°，∠DPE＝30°，PE垂直 CD，PE＝PD*cos30°，∠EOO1＝∠EOP＝arctan(PE/OP)＝arctan(PD*cos30° /OP)＝arctan(OP*tanθ*cos30°/OP)＝arctan(tanθ*cos30°)
所以步骤S3中：
OO1＝OP+PO1＝PE*(cotω+cotβ)
β＝∠EOO1＝arctan(tanθ*cos30°)
综上所述，本发明的红外书画笔在所述笔身靠近所述笔头一端设置有多个 出射红外光的红外光出射机构，由于多个红外光出射机构沿所述笔身周向外壁 均匀布设，且每个红外光出射机构出射的红外光的方向与所述笔身的轴线的夹 角均相同，因此根据其投影到书画板上的投射点坐标，定位所述红外书画笔的 空间位置，进而可以判断画笔的倾斜度和笔头尖端离书画板的距离，有效地模 拟起笔和收笔。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述 的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本 领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保 护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。