多点触摸-红外激光LED解决方案Multi-touch Lasers for LLP

一种新型红外多点触控识别算法的设计与实现许少睿（广东机电职业技术学院电子与通信学院，广东广州510550）摘要：尽管传统的红外多点触控识别技术具有低成本、安装简单的优势，但仍存在多点触控识别时间长、触控响应延迟严重的缺点.文章提出了一种新型的基于坐标变换的红外多点触控识别算法，搭建了AT32F403主芯片硬件测试平台，经过软硬件综合设计，多点触控识别时间比传统方法缩短了约20%，提升了多点触控识别体验．关键词：红外多点触控；坐标变换；发射灯；接收灯中图分类号：TP 23文献标识码：A 文章编号：1007-6883（2020）06-0045-06红外触控技术拥有成本低和安装售后简单的优势，作为55寸、65寸、86寸和98寸液晶屏触控技术的首选方案被广泛应用于各类电子产品中．传统的红外触控技术利用红外发射灯和红外接收灯构成了发射单元和接收单元［1-3］，如图1（a ）所示，发射灯和接收灯一发一收的光线排布形成横竖垂直的红外线检测网格，当有物体遮挡红外线时，可以通过垂直的交点快速判断物体的位置．这种方法适用于单点触控，但在多点触控时暴露出明显的不足：容易产生鬼点，识别率低．随着红外触控技术的发展［4-7］，目前最新的技术是利用发射灯和接收灯的不等间距排布产生覆盖整个屏幕的光线．图1（b ）是不等间距红外发射灯和接收灯布局所产生的光网图，黑色代表光线覆盖整个触控区域，无盲区．对比传统的方法，具有识别精度高的优点，但是因为光线数量呈现10倍的增长，对芯片的频率和算法的第41卷第6期Vol.41No.62020年12月Dec.2020韩山师范学院学报Journal of Hanshan Normal University 收稿日期：2020-08-21作者简介：许少睿（1985-），男，广东广州人，广东机电职业技术学院电子与通信学院讲师．（a ）传统的红外灯布局（b ）不等间距灯的布局产生的光网图图1传统红外触控技术的红外灯布局和光网图要求也呈现倍数的提高．本文提出了一种新型识别多点红外触控算法，在不增加物料清单BOM（Bill of Material）整体成本的基础上可以快速识别出20点触控，基于AT32F403芯片搭建硬件测试平台，经过软硬件综合设计，和传统的红外触控技术［8-10］对比，识别响应快，触摸体验感好．1关键技术介绍传统的多点触控识别方法首先选择指定的两个存在遮挡光线的接收灯，然后利用接收灯的非遮挡光线产生多个触控识别区域，区域包含了真实触控点和假点，如图2所示．图2（a）的黑色区域表示所有非遮挡光线，当有五只手指触控时，会在光网图上形成对应位置的非遮挡区域，用红圈表示触控点的位置．图2（b）利用两个指定接收灯产生了12个需要判断的识别区域，区域包含5个红色的真实触控点区域和7个蓝色的假点区域．对于12个识别区域，逐个结合遮挡光线和非遮挡光线缩小区域范围，最终删除小的假点区域，保留大的触控区域，完成多点识别．这种方法的缺点是需要消耗大量的时间判断多个假点区域，导致处理时间长，触控延时严重，用户体验感差．（a）五点触控光网图（b）12个需要判断的可疑区域图2光网图上的真实触控点区域和假点区域本文提出一种新型的多点触控识别算法，能够实现每次找出的可疑区域都是真实触控点的存在区域，通过减少可疑区域减少了大量的计算时间，提高识别速度．本文提出的方法分为四个步骤：（一）坐标映射和区域选定．将所有（x，y）坐标空间遮挡光线映射到（k，b）坐标空间，然后选择两个最左侧的接收灯r1和r2和遮挡区域形成可疑区域R．xy坐标空间的遮挡直线y=k*x+b可以转化为b=y-k*x，在kb坐标空间就可以用点坐标（k，b）来表示遮挡直线y=k*x+b，触控点多条遮挡光线转化到kb空间后，多个（k，b）点连接产生的直线也可以反向转化得到xy空间的触控点坐标．通过坐标变换，将所有遮挡直线全部用（k，b）点表示，能够快速的锁定触控点的范围．图3（a）表示五根手指在平面上触控所遮挡到的所有光线，图3（b）表示遮挡光线映射到（k，b）空间后的所有点．通过计算kb空间最左侧的点形成的直线斜率，查找出拥有相近斜率的最左侧两个接收灯r1和r2，通过r1和r2的遮挡区域可以快速产生第一个触控点可疑区域范围，如图3（c）所示，红色光线相交区域即是触控点所在的区域．图3（d）的红色直线表示可以由多个（k，b）点反向得到xy空间的触控点坐标．（二）对区域R进行缩减确定触控点TP的光标和范围．如图4（a）所示，遮挡光线用虚线表示，非遮挡光线用实线表示．非遮挡光线的数量比遮挡光线多，利用非遮挡光线能够得到触控物体的形状和大小．本文利用非遮挡光线缩减可疑区域的范围，通过在可疑区域的中心坐标附近记录所有非遮挡光线对应的值，找出包围最大区域的4根粗实线，即为触控点的最终确定范围．（三）利用触控点TP 的坐标删除掉（k ，b ）空间上所有经过触控点TP 的光线点．确定了真实的触控点之后，需要删除掉经过该触控点的所有遮挡光线，减少遮挡光线信息的复杂度．然后将剩余的未判断遮挡光线重新映射到kb 空间，如图4（b ）所示．（四）重复步骤一，循环删除（k ，b ）空间所有的点，即表示所有的遮挡光线都被删除，最终完成所有真实触控点的识别．本文给出的触控实例是5跟手指触控，只需要重复5次就可以完成所有点的识别．重复的次数等于触控的点数，避免了随着触控点数的增加，识别时间成倍数增加的情况，极大地减少识别所消耗的时间．2硬件系统设计本系统由MCU 主控电路模块、红外发射电路模块和红外接收电路模块三大部分组成．红外触控系统硬件整体布局如图5所示．MCU 主控电路模块采用ARTERY 公司Cortex M4芯片AT32F403，芯片最高主频200MHz ，支持浮点运算，电源由电脑USB 接口提供5V 电压供电，LDO 采用芯片AMS1117ADJ．（c ）产生的第一个区域（d ）kb 空间图，红色直线表示xy 空间的触控点（a ）x 轴所有遮挡光线（b ）遮挡光线转化为kb 空间的点图3坐标映射和区域选定流程（a ）区域缩减（b ）减少了1个触控点的kb 空间图图4触控点区域缩减控制图5系统电路板分布图红外发射电路模块的功能是利用MCU依次驱动每个红外发射灯发送光信号，单个红外发射灯的开关时间为500ns，驱动瞬时电流为1A．该电路的框图如图6所示，采用了信号电平转换芯片74HC244，移位器芯片74HC74D，译码器芯片74HC139和74HC138，通过三极管矩阵驱动红外发射灯.发射灯电路模块图6红外发射电路模块红外接收电路模块负责处理接收红外接收灯接收的红外信号，对接收的信号进行通道选择操作，多重信号放大和滤波，经过处理后的模拟信号进入MCU的ADC采样管脚，由MCU进行信号采样和模数转换．该模块的框图如图7所示，采用了信号电平转换芯片74HC244，多路片选信号开关芯片74HC4051，移位器芯片74HC74D，2路片选信号开关芯片74LVC2G66．图7红外接收电路模块3软件设计程序的设计使用C语言作为编程工具，集成开发环境（IDE）是Keil uVision，通过功能的模块化来实现，软件程序功能包括：硬件资源初始化和USB枚举模块、发射灯控制模块、接收灯信号处理模块、数据坐标映射模块、区域缩减模块、遮挡光线删除模块、触控数据跟踪和位置分配模块、USB数据发送模块．程序的主流程图如图8所示．图8流程图4系统调试及测试验证本文提出的新型多点触控识别算法在65寸红外触控一体机上进行验证．65寸红外触摸框总共需要1块MCU主控电路板，5块发射电路板和6块接收电路板．板级PCBA之间运用FPC排线串接方式连接，水平方向插入4块PCBA，垂直方向插入2块PCBA．硬件系统通过MCU主控电路板上的USB接口与PC端连接，由USB接口给系统提供5V供电．基于USB Multi-touch HID协议，MCU和PC之间完成USB枚举后，windows将红外触摸屏识别为Touch HID设备．当用户触控液晶屏时，硬件系统通过接收电路模块可以将实时信号传送入MCU ADC，由MCU采样并识别出用户触控的位置．MCU将触控点的坐标数据通过USB发送给windows操作系统，操作系统就会出现触摸响应．测试书写的效果如图9所示，经过测试验证可以识别出多点触控．通过windows软件Bus Hound观察USB传输时间，5点触控时间大约为13ms，10点触控时间大约为15ms，20点触控时间大约为20ms.传统的识别算法5点触控时间大约为16ms，10点触控时间大约为20ms，20点触控时间大约为26ms.与传统的识别算法对比，本文提出的算法整体识别时间缩短了约20%．用户触控没有感觉出触控和显示的延后，输出效果优异．实验结果证明了本文提出的新型多点触控识别算法的有效性和系统软硬件设计的可行性．图95点触控识别效果5结论针对传统红外多点触控识别方法的不足之处，提出了一种新型的红外多点触控识别算法，并基于AT32F403主芯片搭建了65寸液晶触控一体机硬件测试平台，详细阐述了硬件测试平台的各个硬件模块和软件设计流程，经过软硬件综合设计，实现了多点触控的识别，优化了识别时间，提升了用户的触控体验．最后通过实验结果验证该方案设计的有效性．整个设计方案在保持成本优势的基础上，提升了识别效率，能够满足市场的需求．参考文献：［1］DOERING R W.Infrared touch panel：U.S.Patent4，868，912［P］．1989-09-19．［2］罗佳佳，景晓军，孙松林．红外式触摸手写白板应用设计的关键技术［J］．自动化技术与应用，2010，29（2）：51-53．［3］顾召辉，刘志恒，王正为．一个多点触摸系统软件体系框架［J］．计算机与现代化，2011（9）：199-200+204．［4］王惠良，王万昭，和志强．多点红外触控系统的设计与实现［J］．河北工业科技，2012，29（6）：502-503+511．［5］李钧，谷灵康．基于MCU的红外多点触摸屏设计［J］．电脑知识与技术，2012，8（19）：4701-4704．［6］LEEA Y，LEEA W，PUSHCHINB V，et al．Multi-touch detection technology using a divergence IR beam profile for large LCD touch solutions［J］．Journal of Information Display，2010，11（4）：169-172．［7］吕燚，邓春健，李文生．高分辨率多点触控红外触摸屏设计［J］．液晶与显示，2015，30（1）：77-82．［8］王璐，牛薇，方乐，等．基于计算几何的新型红外式触摸屏多点触摸识别算法［J］．中南大学学报（自然科学版），2013，44（S2）：300-303．［9］王铁流，李宗方，陈东升．基于STM32的USB数据采集模块的设计与实现［J］．测控技术，2009，28（8）：37-40．［10］李钧．一种新型红外多点触摸识别算法［J］．计算机与现代化，2012（9）：178-180+189．Design and Implementation of a Novel Infrared Multi-TouchRecognition AlgorithmXU Shao-rui（College of Electronics and Communication，Guangdong Mechanical and Electrical Polytechnic，Guangzhou，Guangdong，510550）Abstract：Although the traditional infrared multi-touch recognition technology has the advantages of low cost and simple installation，it still has the disadvantages of long multi-touch recognition time and serious touch response delay．This paper proposes a novel infrared multi-touch recognition algo⁃rithm based on coordinate transformation．To verify the proposed algorithm，a hardware system based on the MCU AT32F403is built．With the integrated implementation of hardware and software，the recognition time of the proposed algorithm is about20%shorter than that of the traditional algorithm，thus improving the multi-touch recognition experience．Key words：infrared multi-touch；coordinate transformation；emitter；receiver责任编辑朱本华。

多点触控（Multi-Touch）屏幕技术综述摘要：随着iPhone等触控手机和平板电脑的日益火爆，人机互动领域成为新时尚热点，人们追求这种效果华丽、科技感强大的触控技术产品。

多点触控技术，支持复杂的姿势识别，通过手势操作，可以实现放大缩小图像等功能。

从此，人们可以甩开鼠标键盘，用双手就可以浏览图片、拖拽文件，甚至大玩游戏，一点一拨之间就轻松体验到充满科技乐趣的全新产品。

本文将从多点触控技术的定义，发展，当前应用，主要的研究方法分类和发展前景这几个发面对多点触控技术进行综述。

关键词：多点触控；Multi-touch；多通道交互技术1、多点触控（Multi-Touch）屏幕技术定义多点触控(又称多重触控、多点感应、多重感应，英译为Multi-touch或Multi-touch)是一项由电脑使用者透过数只手指达至图像应用控制的输入技术。

是采用人机交互技术与硬件设备共同实现的技术，能在没有传统输入设备（如鼠标、键盘等）的情况下进行计算机的人机交互操作[1]。

多点触控系统特点:1、多点触控是在同一显示界面上的多点或多用户的交互操作模式，摒弃了键盘、鼠标的单点操作方式。

2、用户可通过双手进行单点触摸，也可以以单击、双击、平移、按压、滚动以及旋转等不同手势触摸屏幕，实现随心所欲地操控，从而更好更全面地了解对象的相关特征（文字、录像、图片、卫片、三维模拟等信息）。

3、可根据客户需求，订制相应的触控板，触摸软件以及多媒体系统；可以与专业图形软件配合使用。

2、多点触控（Multi-Touch）屏幕技术发展历史多点触控技术始于1982年由多伦多大学发明的感应食指指压的多点触控屏幕。

同年贝尔实验室发表了首份探讨触控技术的学术文献。

1984年，贝尔实验室研制出一种能够以多于一只手控制改变画面的触屏。

同时上述于多伦多大学的一组开发人员终止了相关硬件技术的研发，把研发方向转移至软件及界面上，期望能接续贝尔实验室的研发工作。

关于多点触控1 前言多点触控(又称多重触控、多点感应、多重感应)是采用人机交互技术与硬件设备共同实现的技术，能在没有传统输入设备（如：鼠标、键盘等。

）下进行计算机的人机交互操作。

在人机交互的发展过程中，鼠标和键盘一直是最基本的输入设备，而屏幕一直是计算机信息的最主要输出设备。

现在，一种全新的交互方式正在向我们走来——自然用户界面，也就是俗称的触摸界面，在这种操作模式下，屏幕不仅作为输出设备，同时被作为输入设备，在屏幕上直接操作，从而操控计算机。

多点触控是一样全新的人机互动方式，通过我们的十根手指代替鼠标键盘等输入设备，采用全新的用户体验方式，手势识别，新奇的体验感觉，高清直观的显示方式，为用户提供简便直观的人机互动方式和高效震撼的操作体验。

随着iPhone等触控手机和平板电脑的日益火爆，人机互动领域成为新时尚热点，多点触控必将引领一次新的人机交互变革。

实体键盘鼠标等输入外设早晚有一天会被取代，现代的人们追求的是高效便捷的信息服务，不可能走到哪里都要带着鼠标键盘，便捷高效的多点触控技术正是我们所需要的下一代人机交互方式。

简单的来说就是解放我们的十个指头，能让我们离开办公室的椅子，在任何地方，通过任何媒介进行人和机器装置高质量高效的沟通。

2 国内外现状目前，手机等数码产品大多数采用电容屏或电阻屏，不管是电容屏还是电阻屏都共同存在一个缺点，就是尺寸的限制，一般不能超过20寸，这也是制约多点触控技术发展的一个重要原因。

在大尺寸多点触控技术方面，国外有一个组织，名字叫自然用户界面小组（Natural User Interttace Group），创建于2007年，他们以互动媒体探索以及开源机器遥感技术为中心，开发受益于艺术、商业、教育等相关应用。

希望能够为在搭建低成本、高分辨率、开源式的多点触摸设备感兴趣的人提供一个多点触摸技术的信息资源中心。

随着全国多点触控爱好者加入到这个项目的研究中，这个平台不断发展壮大，多点触摸技术带来了许多惊人的开创，国内外几乎所有多点触控公司的技术都是来源于这个开源平台。

多点触控(Multi-Touch)屏幕技术综述多点触控（Multi-Touch）屏幕技术综述摘要：随着iPhone等触控手机和平板电脑的日益火爆，人机互动领域成为新时尚热点，人们追求这种效果华丽、科技感强大的触控技术产品。

多点触控技术，支持复杂的姿势识别，通过手势操作，可以实现放大缩小图像等功能。

从此，人们可以甩开鼠标键盘，用双手就可以浏览图片、拖拽文件，甚至大玩游戏，一点一拨之间就轻松体验到充满科技乐趣的全新产品。

本文将从多点触控技术的定义，发展，当前应用，主要的研究方法分类和发展前景这几个发面对多点触控技术进行综述。

关键词：多点触控；Multi-touch；多通道交互技术1、多点触控（Multi-Touch）屏幕技术定义多点触控(又称多重触控、多点感应、多重感应，英译为Multi-touch或Multi-touch)是一项由电脑使用者透过数只手指达至图像应用控制的输入技术。

是采用人机交互技术与硬件设备共同实现的技术，能在没有传统输入设备（如鼠标、键盘等）的情况下进行计算机的人机交互操作[1]。

多点触控系统特点:1、多点触控是在同一显示界面上的多点或多用户的交互操作模式，摒弃了键盘、鼠标的单点操作方式。

2、用户可通过双手进行单点触摸，也可以以单击、双击、平移、按压、滚动以及旋转等不同手势触摸屏幕，实现随心所欲地操控，从而更好更全面地了解对象的相关特征（文字、录像、图片、卫片、三维模拟等信息）。

3、可根据客户需求，订制相应的触控板，触摸软件以及多媒体系统；可以与专业图形软件配合使用。

2、多点触控（Multi-Touch）屏幕技术发展历史多点触控技术始于1982年由多伦多大学发明的感应食指指压的多点触控屏幕。

同年贝尔实验室发表了首份探讨触控技术的学术文献。

1984年，贝尔实验室研制出一种能够以多于一只手控制改变画面的触屏。

同时上述于多伦多大学的一组开发人员终止了相关硬件技术的研发，把研发方向转移至软件及界面上，期望能接续贝尔实验室的研发工作。