基於激光投影技術的虛擬鍵盤（硬體篇）
來自專欄開源機器人
162 人贊了文章
今天給大家帶來的免費開源項目是：基於激光投影技術的虛擬鍵盤
直接看圖，看了就明白了！（鍵盤運行視頻在文末）
這是14年做的一個開源作品~那個時候某寶上還沒有這麼多~價格大多比較貴，自從上次唐人街探案2播出了之後~低廉的虛擬鍵盤一大堆~，感覺小牛哥錯過了一個億（捂臉）
沒錯，就是這麼炫酷！
更加酷的是，這套方案，全部免費開源，免費！（源碼+論文+電路）
/ 摘要 /
本文設計的激光投影虛擬鍵盤是基於OpenCV，結合圖像攝像頭、980nm一字紅外激光、980nm紅外濾光片以及鍵盤投影激光組成，使用加裝了980nm紅外濾光片的圖像攝像頭檢測由手指遮擋引起980nm一字紅外激光漫反射生成的光點，通過檢測和定位這個光點輪廓的中心位置，從而達到識別和檢測手指的位置，然後映射到鍵盤位置，從而實現對應的鍵盤按鍵事件，使用OpenCV視覺庫，可以很快捷查找由圖像攝像頭獲取到的手指頭輪廓和定位手指頭的位置，以及校正由圖像攝像頭引起的圖像曲面失真，使用OpenCV可以減少底層硬體驅動代碼的編寫，調用內部函數可以直接面向硬體編寫程序，加快了程序開發的難度和速度，經過實驗和測試本虛擬鍵盤，可以正確和準確定位和檢測手指的位置，另外本鍵盤也有容錯演算法處理，最終實現了按鍵輸入的功能。
關鍵字：OpenCV；C++；圖像處理；Visual Studio 2010；激光投影
/ 1 系統總成 /
本系統包含兩個部分：硬體信號獲取和軟體數據處理
硬體部分：廣角攝像頭；980nm紅外濾光片；紅外一字激光；鍵盤投射激光以及覆銅板支架組成。
軟體部分：由Visual Studio開發環境結合OpenCV視覺庫編寫和編譯而成的上位機軟體。
整個系統是由軟硬體協調完成。系統框架如下圖所示。
/ 2 原理介紹 /
原理介紹比較長，還是希望你們能看完，嘿嘿。
如下圖所示，在最下面的紅外一字激光發射出紅外線覆蓋空間中的一個面，當然這個平面要覆蓋整個鍵盤的範圍，在中間的鍵盤投影鍵盤發出的是鍵盤形狀的輪廓圖形主要用於位置的標定，在最上面的攝像頭實時拍攝外界圖形並且把數據傳遞給電腦，因為一字激光發出的光線是和水平面平行的，所以沒有物體遮擋時攝像頭是不能檢測到紅外線信號的，但是如果有物體在紅外一字激光區域中時，遮擋物體表面就會覆蓋，有紅外線攝像頭就會檢測到紅外線信號，電腦獲取到攝像頭髮送過來的信號後，經過一定的演算法之後，得到紅外線亮點在圖片中的坐標，然後把這個坐標映射到現實中鍵盤的位置從而實現其功能。
/ 3 硬體設計 /
3.1硬體簡介
3.1.1 紅外激光簡介
激光英文名叫LASER，意思是「受激輻射的光放大」，最先是愛因斯坦提出來的理論，其理論是說,，分布在不同能級上的不同數量的粒子，當某種光子激發高能級上的粒子時，粒子從一高能級躍遷到一個低能級上，並相應地吸收或輻射與激發它的光相同性質的光子。激光的發明是一項重大成就，在科學領域它的發明帶動了一系列學科的發展。它使人們終於有能力製造出比太陽還要亮的光源，讓人類能駕馭數量極大、尺度極小、運動極混亂的原子和分子的發光過程。紅外激光也是激光的一種，只是它的發光波長是760nm~1mm，波長比紅光長的非可見光。
3.1.2 攝像頭簡介
攝像頭(Camera)是一種視頻輸入設備它能夠把光信號轉變成電信號，攝像頭在轉換信號上的區別，可以分為模擬攝像頭和數字攝像頭兩大類。數字攝像頭可以把視頻信號轉換為數字信號，而模擬信號則需要特定的視頻卡才能把模擬信號轉換成數字信號。攝像頭的圖形感測器在集成材料上的不同，可以分為兩種一類是CCD(電荷耦合器件) ，還有一類是CMOS(互補金屬氧化物半導體)，在本設計中使用的是CCD感光元件，CCD元件一般是由硅構成，但是硅的紅外敏感度比較高，所以就能用攝像頭檢測到紅外線。
3.2 攝像頭
攝像頭選擇的是：普通CCD攝像頭500W像素33幀頻，如下圖所示，普通的攝像頭的鏡頭的視角是90°的，所以檢測到的面積很小，這樣就會導致攝像頭固定的高度會很高才能檢測全部的鍵盤範圍，攝像頭安裝過高就會減少光線的進入量，從而減少了信號的輸入，不方便信號的檢測和轉換。
3.3 紅外激光
使用紅外線作為信號檢測的光源，之所以選擇紅外激光是因為激光的具有低功耗和集成度效果好，而且其發出光的頻率幾乎專一，可以讓人眼覺察不到，為了考慮到人身安全狀況，故選擇30mW的980nm紅外激光，由於鍵盤是一個平面，所以不能使用傳統的單束激光作為光源，所以只能選擇一字形激光，其線角度為120°，只有調節好投影鍵盤的位置，一字激光可以完全覆蓋到所有的鍵盤範圍。
3.4 鍵盤投影激光
此模塊用於鍵盤坐標的標定，在平面上投射出鍵盤的形，狀給用戶一個鍵盤位置的確認，選擇650nm的可見光激光因為是650nm波長，所以不會對攝像頭檢測980nm信號有干擾。
好了，硬體就先介紹到這裡，還有軟體篇，可以關注我【張巧龍】，或者是我的專欄【開源機器人】，
————————————————————
大致的介紹了鍵盤的硬體設計，由於篇幅原因，其中還有很多細節沒有講清，無妨。我有論文！上面有更詳細的論述和製作過程。然後免費開源（論文+代碼+電路）所有的資料！
附上原帖：（資料獲取方式）
用了這種鍵盤後，我發現了新世界！下面是一個簡單的運行視頻~
https://www.zhihu.com/video/1016839886585942016
本設計來自小牛哥的demo，我最後負責後期的整理調試
——————————————————————
最後發個車~自己做了個公眾號【大魚機器人】，我會在上面分享一些學習資料、生活分享，需要的可以關注，願者上鉤。嘻嘻。
這裡不僅僅有免費資料，省去了你找資料的麻煩，還有許多免費開源項目~（基於體感仿生的手勢機器人、自動跟隨平衡機器人、虛擬鐳射鍵盤、mini全向輪移動機器人等等）
10T資源大放送！包括但不限於：C/C++，Linux，Python，Java，PHP，人工智慧，PCB、FPGA、DSP、labview、單片機、等等！在公眾號內回復「更多資源」，即可免費獲取，期待你的關注~
最後再放幾個~
學好電子信息工程能做哪些酷炫的事？
張巧龍：機器人：一種簡易的自動跟隨方案，獨家！
看完了的，給我點個贊，一種形式，代表你已經閱過我的奏摺了！謝謝~
推薦閱讀：
※讀電子信息科學與技術專業，做CEO？
※18位 SAR ADC ADS8694的使用
※500G電子技術資料大合集，超級乾貨！
※帶你選專業——電子信息科學與技術