一種非接觸互動展示系統的濾波方法與流程
2023-10-23 16:33:07
本發明屬於多媒體、人機互動領域，具體涉及一種非接觸互動展示系統的濾波方法。
背景技術：
多媒體技術是使用計算機交互式綜合技術和數字通信技術處理媒體文本、圖像、圖形、視頻和聲音，使多種信息建立邏輯連接，集成為一個人機互動系統。互動多媒體則具有更強的實時互動性，是集成「視頻、語音、文字、數據」的互動通訊，大大改變了現有的溝通方式，廣泛應用於各類展廳中，如：博物館、科技館、企業展廳等等。互動多媒體展示系統在體驗方式和創新設計方面大大突破了傳統的媒體傳播方式，其快速發展讓多媒體的傳播形式逐漸從藝術化走向了技術化和藝術化相互融合，相互襯託的方式。互動多媒體展示系統改變了傳統體驗方式，信息接受者不再僅僅的只是被動的接受多媒體傳播的信息，而是通過一種主動式的互動體驗讓客戶更加具有直接化、選擇性與娛樂性，可以預見在不遠的將來，非接觸互動展示系統的創新傳播形式將會越來越豐富多彩。現有的非接觸互動展示系統由於掃描儀存在各種各樣的噪聲幹擾，影響到人機互動的準確性，互動體驗感覺不好。
技術實現要素：
本發明目的是：提供一種能夠突破幹擾噪聲對多媒體系統的影響並實現人機自然非接觸式互動的非接觸互動展示系統的濾波方法。本發明的技術方案是：一種非接觸互動展示系統的濾波方法，其特徵在於，將非接觸互動展示系統中的雷射掃描儀所產生的噪聲進行分類，分為縱向抖動噪聲以及橫向抖動噪聲，再分別對所述縱向抖動噪聲以及橫向抖動噪聲進行濾波。經研究發現，非接觸互動展示系統主要存在的噪音源有很多種：由於掃描儀安裝不夠穩定，或懸掛於樓板，或垂直於牆壁引出，可能會使得掃描儀內部電機的震蕩加劇，引起噪聲。在所有噪聲中，影響最大的分為兩類：第一類，對於每一束紅外信號，由於電機的震動，使得即使在測量固定距離的物體時，其所測長度會存在毫米級的微小變化，此處稱之為縱向抖動；第二類，雖然電機每轉一圈都需要重新校對起始角度去除偏移，但每圈裡面所掃描測量的數據仍然會有細微偏差，體現在具體測量目標上，就是所測物體的邊緣值會存在抖動，此處稱之為橫向抖動。因此只要對這兩類的噪音源單獨進行濾波，就能取得很好的效果。對橫向抖動噪聲進行的濾波可以是平均值濾波，聚類濾波等；對縱向抖動噪聲濾波可以是將其轉化到頻域，把高頻信號濾去的高頻濾波，聚類濾波等。本發明中，對縱向抖動噪聲濾波的具體步驟為：步驟1：取當前周期掃描的數組及前n個周期的數組，n取值於3~6之間；步驟2：判斷當前點是否處在設定的操作區裡，若處於所設定的操作區內，再判斷前幾周期該點的坐標範圍，若不在操作區內，則對其進行補償；步驟3：最後對其進行濾波處理。進一步的，所述對橫向抖動噪聲濾波的具體步驟為：濾去最先進入操作區的距離值，首先去掉前N個進入的點，並對其餘點加權求平均，然後取第N+1點作為加權計算的第一個點進行濾波，（N取：2、3或4）。還可以對最後進入的兩個點也執行刪除，能取得更好的效果。進一步的，還包括以下步驟：對已識別連續有效距離值進行分析，對其求加權平均值，算出待發送的坐標點，即用於操作的手的坐標。進一步的，n為3。進一步的，N為3。本發明的優點是：非接觸式互動多媒體系統，通過橫向濾波與縱向濾波相結合方法，大大減小了由於雷射傳感器電機運行抖動產生噪聲源對人機互動的影響，讓客戶與宣傳內容實時互動，加深了產品印象與知名度，具有很好的廣告效應與娛樂效應，同時非接觸式的交流，減少了因接觸而產生細菌傳染，更加人性化。附圖說明下面結合附圖及實施例對本發明作進一步描述：圖1為非接觸互動展示系統硬體框圖。圖2為非接觸互動展示系統軟體界面設計圖。圖3為加權計算操作手的坐標點。具體實施方式實施例：在本互動展示系統中，傳感器採用採用100M乙太網通訊埠的雷射傳感器，具有超高速傳輸數據,每秒鐘採集25次數據，每一幀圖像中每0.36°有1個測量數據，可以實時獲取並處理測量數據，而且可以更多的處理或控制任務。本系統的組成如圖1所示。該系統採用雷射傳感器來採集目標信息、通過計算機與串口監控電路來處理傳感器採集到的數據，從而實現非接觸多點控制。其中，該互動展示系統主要組成部分如下：數據採集子系統：主要是通過雷射傳感器來實時採集目標圖像，該圖像表示距離或空間位置信息的深度。數據處理子系統：主要由串口複製電路組成。通過監視串口獲取雷射傳感器採集到的信息，並根據雷射傳感器的協議，解析這些信息提取有效的數據，對其進行分析處理。輔助子系統：由電源、電源控制電路、固定設備組成。其中，電源是用來給系統供電，電源控制電路可以實現打開、關閉、重啟系統，並選擇系統的測量範圍。固定設備是用來固定雷射傳感器的。軟體採用微軟公司的MicrosoftVisualstudioC#開發，操作軟體具有直觀的用戶界面，其主要功能模塊包括：原始數據濾波分析、有效工作區域的劃定、有效點的識別、有效點的濾波處理與坐標分析、網絡設置、基本數據保存、通過相關協議與終端軟體之間的坐標傳送。雷射傳感器發出的雷射束可以覆蓋它的整個工作範圍內所有物體，而測量到的一幀數據就是該工作區內的所有被掃描到的物體的距離信息。通過順序讀取傳感器相鄰幀的數據，就可以實現對周圍環境目標的監測與控制。互動系統軟體界面設計，如圖2所示，可分為如下四個模塊：串口通信模塊。實現串口通信任務，將掃描儀掃描的數據傳輸至PC機。接收回顯模塊。負責顯示串口接收到的數據。數據圖形化顯示模塊。圖形化顯示測量到的數據。大屏幕顯示模塊。負責顯示互動畫面與圖像。由於掃描儀掃描測量數據依靠其內部電機，故電機運行時帶來的震動成為其不可避免的噪聲源，帶來的幹擾可分為兩類。第一類，對於每一束紅外信號，由於電機的震動，使得即使在測量固定距離的物體時，其所測長度會存在毫米級的微小變化，此處稱之為縱向抖動；第二類，雖然電機每轉一圈都需要重新校對起始角度去除偏移，但每圈裡面所掃描測量的數據仍然會有細微偏差，體現在具體測量目標上，就是所測物體的邊緣值會存在抖動，此處稱之為橫向抖動。因此分別單獨進行縱向濾波和橫向濾波會取得很好的效果。縱向濾波：針對第一類抖動，本產品在軟體的數值分析上對其進行濾波處理。取當前周期掃描的數組及前3個周期的數組，先判斷當前點是否處在設定的操作區裡，若處於所設定的操作區內，再判斷前幾周期該點的坐標範圍，若不在操作區內，則對其進行補償。也可以取4個周期或者5個周期，但時間上會稍有影響，反應速度變慢。具體如下：僅有一個在裡面，以當前點（x,y）為準；有兩個在外面，兩個在裡面，用臨近值補償；x,x1在外面，兩個在裡面，用臨近值補償；x,x2在外面，兩個在裡面，用臨近值補償；x,x3在外面，兩個在裡面，用臨近值補償；x2,x3,在裡面，臨近補償剩餘值；x1,x3,在裡面，臨近補償剩餘值；x1,x2,在裡面，臨近補償剩餘值；有一個在外面，三個在裡面，用臨近值補償；有一個在外面，用臨近值補1償，當前點x,y；有一個在外面，用臨近值補1償，x1,y1；有一個在外面，用臨近值補1償，x2,y2；有一個在外面，用臨近值補1償，x3,y3；全部在裡面，無需替代進行補償。最後對其進行濾波，相關公式如下：x=μx+μ1x1+μ2x2+μ3x3;y=μy+μ1y1+μ2y2+μ3y3;等號右邊的表達式中，x為當前周期及該角度所測距離值轉化為直角坐標的x軸坐標，y為當前周期該角度所測距離值轉化為直角坐標的y軸坐標。x1,x2,x3,y1,y2,y3分別為之前三個周期該點的計算值。等號左邊的x、y，為當前周期該點的計算值，即更新值。μ、μ1、μ2、μ3為係數。μ、μ1、μ2、μ3的取值範圍大於0，小於等於1/2，且μ≥μ1≥μ2≥μ3，μ、μ1總和大於1/2。本實施例中μ=1/3,μ1=1/4,μ2=1/4,μ3=1/6。針對第二類抖動，本產品在軟體的數值分析上對其進行濾波處理，包括以下步驟：1.由於檢測物體的距離值時，邊緣的誤差較大，所以濾去最先進入操作區的距離值（即那根被在操作區內物體擋住的雷射束）。首先去掉前兩個進入的點，並對其餘點加權求平均，然後取第3點作為加權計算的第一個點進行濾波。本實施例還可以對最後進入的兩個點也執行刪除，能取得更好的效果。對已識別連續有效距離值進行分析，對其求加權平均值，算出待發送的坐標點，即用於操作的手的坐標，如圖3所示，其中藍色框為設定的有效操作區。選擇正常有效點（第三點，及其以後所有點），在顯示界面中顯示，無效距離值PenOut用綠色表示，PenIn為有效距離值（紅色），計算有效點的x,y的總和，對有效點數進行統計。當操作手離開掃描範圍時，第一次離開掃描範圍，計算均值坐標，當此組數據掃描結束後，重置參數』ThirdPoint』、』InNumber』。本發明能夠突破電機運行產生的幹擾噪聲對多媒體展示系統的影響並實現人機自然無接觸式互動。本發明利用先進計算機視覺技術，結合互動式體驗技術的設計方案，整合了圖形、圖像、文字、聲音等傳播方式，從一系列的不完全及包含噪聲的測量數據中分析與濾波，採用橫向濾波與縱向濾波相結合方法，讓多種信息傳播元素集成為一個完整化的無接觸式人機互動系統，以一種直觀化、立體式、多人實時互動性的方式傳遞一種全新互動新感覺和新體驗。