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一、IPBOARD交互式电子白板的基本指标
1.产品品牌:IPBOARD
2.技术原理:电磁感应式
3.规格尺寸:参见表1
4.销售区域:覆盖国内29个省近300个城市,并远销海外50多个国家及地区
二、电磁感应式交互白板所涉及的核心技术
电磁感应式交互白板是我公司从2001年就开始研发的产品,目前是我公司的主打产品,该产品已实现了规模化生产,围绕着该产品的核心技术,我公司不断进行创新和改进,应用软件每半年升级一个版本,并陆续申请了5项专利。该产品的技术创新包括以下方面:
1.信号采集系统(电磁感应数据的采集)技术;
2.高速DSP数字信号处理及嵌入式软件技术;
3.嵌入式控制系统;
4.坐标变换算法;
5.计算机底层通信技术;
计算机(WINDOWS OS和MAC OS)图像处理技术,包括应用模板矢量图形开发技术;图形反走样技术、曲线拟合技术等图形处理,等等。
交互式电子白板应用软件的创新,包括全新理念的功能设计,使应用软件达到国际先进水平。
本项目中硬件结构技术、材料及生产工艺上进行重大的创新。
三、IPBOARD交互式电子白板的技术优势
1.信号采集系统(电磁感应数据的采集)技术
电磁感应信号采集系统是采用一支可以发射电磁波的笔,水平垂直两个方向排列的接收线圈矩阵组成,当电子笔在白板上操作时,电子笔发射电磁波,白板内的线圈上会感应到笔发射的电磁波。应用磁场聚焦原理,离笔最近的线圈组感应到的电动势越高,根据水平方向和垂直方向感应到的电动势,通过特有的算法计算可以获得笔所在的X、Y坐标的精确值。
系统采用非线性衰减算法(NLR),采用单一搜索引擎;使用3～8个hit进行定位计算(过定位算法)。更进一步改进目标精度及分辨率,引入距离-幅度修正(DAC)曲线,用于生成衰减图谱,以帮助设置适当的门槛值来决定目标的灵敏度。这些改进都大大改进了对电磁专用笔的定位精度。
2.DSP高速数字信号处理及嵌入式软件技术
当电子笔在交互白板上运动时,电子笔所发出的电磁波在三组等距排列的线圈上产生感生信号,电子笔的位移与这三个信号的相位差呈线性关系,通过对这三个信号用DSP进行计算,分别计算出其相位,从而计算出电子笔的精确的位移数据和准确的坐标值。该算法是本公司的核心技术。
本项目采用DSP专用芯片及其外围线路,对电磁接收网接收到专用笔的信号进行采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理数字形式,下图所示是本项目DSP系统设计的过程:
3.嵌入式控制系统
嵌入式高性能高可靠的CPU控制系统控制协调应的位置传感器前端处理电路、A/D转换电路、DSP数字信号处理器、嵌入式跟踪及定位算法以及专用的底层通信协议,使各部分组件相配合,构成一个完整的交互式电子白板。
4.自主开发的投影—白板坐标变换算法
在白板的交互工作模式和网络工作模式当中,书写区域、计算机和显示屏幕构成了一个典型的光机电一体化系统。书写区域通过数字接口到计算机的定位和跟踪信息是基于一个绝对坐标系的坐标(Xb,Yb);而计算机操作系统图形界面所使用的坐标系也是一个绝对坐标系,这个坐标系就是计算机的显示坐标系(X,Y),当使用WINDOWS系列操作系统时,这个坐标系的典型范围就是显示分辨率1024×768或800×600。当计算机的图形界面被投影到交互白板上显示时,图像将产生由相对位置、角度和光学系统误差所收起的梯形、枕形和非线性畸变失真。因此要做到交互电子白板所见即所得式的实时工作和准确定位,就必须进行坐标变换,即通过坐标变化算法F,由白板点坐标P(Xb,Yb)得到计算机图形系点坐标P(X,Y),表示为p(X,Y)=F (P(Xb,Yb))。由于相关坐标变化算法是国外各竞争厂商的不公开的商业机密,同时在应用数学领域还没有相关的标准算法公开。因此坐标变换算法就成了软件开发的难点。要攻克这个技术关键必须要解决算法简单、原始定位数据少、CPU占有少、定位准确等技术难题。巨龙公司的软件人员经过数月的艰苦努力,终于创造性地提出了六点定位式投影—白板坐标变化算法,成功地解决上述技术难题。巨龙的坐标变换算法在定位精度达到国外同类产品算法的同时,运算量较少,同时在操作的方便程度方面优于国外算法。该算法已申请了国家发明专利。
5.自行开发定义了专用的底层数字通信协议和基于底层驱动程序的客户端应用软件
为实现对交互电子白板的控制,巨龙公司开发定义了专用的底层数字通信协议。为提高客户端软件的性能,提高软件的兼容性,结合当前国际新兴的数字墨水(Digital ink)概念,巨龙公司通过基于底层驱动程序这一比较困难的方法来开发大屏幕交互电子白板应用软件,使大屏幕交互电子白板软件和操作系统融合为一体,极大地增强了软件的性能和兼容性,准确高效地实现了大屏幕交互电子白板的全部功能。
6.计算机(WINDOWS OS和MAC OS)图形和图像处理技术
(1)自行开发了应用模板
为解决用户输入各学科符号、图形计算机输入的难题,巨龙公司开发了丰富的应用模板,包括各学科符号输入模板、矢量图、常用符号、常用图形等,可做到即调即用。
(2)自行开发了图形反走样技术、曲线拟合技术
使用图形反走样、曲线拟合技术可以使书写的笔划和线条达到很平滑的效果,达到美观的效果,原理如下:
对于图像的某一行数据,可以认为是一个数据子集(xi,yi),拟合过程可以表述为:寻找一个函数f(x),使得该函数在(xi)处的值与子集(yi)之间的某种测度(如均方根)为最小。一般而言,函数f(x)是多项式,也就是说,曲线拟合过程就是多项式系数的确定过程。
选择函数f(x)与子集(yi)的均方误差为最小,称为最小二乘曲线拟合。即
(1)
对多项式拟合f(x) = a0 + a1x + a2x2 + a3x3 +…,代入(1)式,令其一阶导数为零,可得多项式系数矩阵。一般要求拟合数据点数大于或等于多项式幂次,以保证多项式系数矩阵的唯一性。
曲线拟合应用于图像处理必须考虑两个参数:拟合长度以及拟合多项式幂次。这两个参数是相互联系的:相同的拟合长度,拟合幂次越小,对高频成分的抑制越好,同样,相同的拟合幂次,拟合长度越长,对高频的抑制也越好。由于曲线拟合是在许多数据点中找到规律,因此对于拟合参数的选择是十分关键的。巨龙公司经过多次的拟合试验,选择得当的拟合参数,取得非常好的处理效果。
7.本项目中硬件结构技术、材料及生产工艺上进行重大的创新
(1)低功耗无线电磁感应笔技术结构及工艺
本项目利用无线技术成功地开发出了电子白板专用的频率调制无线电磁笔,在这种电磁笔上创造性地采用了磁场聚焦变频、具有省电模式的电池倍压电源和频率上下限双调节器节的专有磁芯结构,具有磁场聚焦准确、可靠性稳定性高和电池使用寿命长等特点,是电子白板成功研制的关键技术点之一。
(2)书写屏感应矩阵网采用机械手进行编织
整个超大屏幕交互式电子白板的书写屏感应矩阵网是一个整体,大大提高感应矩阵网的准确度和质量可靠性。
(3)采用坚固的特殊材料和独特的工艺
表面材料耐磨次数达10万次以上,可承受冲击力达100kg以上,解决了压感技术同类产品的表面材料易损、书写磨擦起皱、划痕及薄膜接触不良等。
(4)高强度、低成本轻型电子白板框架机械结构及工艺
研制了预成型复合材料制造的电子白板的板体和采用工程塑料注塑成型的白板框架,使电子白板机械结构具有强度高、表面平整、重量轻、成本低的特点,大大提高了产品的生产工效,同时大幅降低了产品的物流成本和客户的安装成本。
1.产品品牌:IPBOARD
2.技术原理:电磁感应式
3.规格尺寸:参见表1
4.销售区域:覆盖国内29个省近300个城市,并远销海外50多个国家及地区
二、电磁感应式交互白板所涉及的核心技术
电磁感应式交互白板是我公司从2001年就开始研发的产品,目前是我公司的主打产品,该产品已实现了规模化生产,围绕着该产品的核心技术,我公司不断进行创新和改进,应用软件每半年升级一个版本,并陆续申请了5项专利。该产品的技术创新包括以下方面:
1.信号采集系统(电磁感应数据的采集)技术;
2.高速DSP数字信号处理及嵌入式软件技术;
3.嵌入式控制系统;
4.坐标变换算法;
5.计算机底层通信技术;
计算机(WINDOWS OS和MAC OS)图像处理技术,包括应用模板矢量图形开发技术;图形反走样技术、曲线拟合技术等图形处理,等等。
交互式电子白板应用软件的创新,包括全新理念的功能设计,使应用软件达到国际先进水平。
本项目中硬件结构技术、材料及生产工艺上进行重大的创新。
三、IPBOARD交互式电子白板的技术优势
1.信号采集系统(电磁感应数据的采集)技术
电磁感应信号采集系统是采用一支可以发射电磁波的笔,水平垂直两个方向排列的接收线圈矩阵组成,当电子笔在白板上操作时,电子笔发射电磁波,白板内的线圈上会感应到笔发射的电磁波。应用磁场聚焦原理,离笔最近的线圈组感应到的电动势越高,根据水平方向和垂直方向感应到的电动势,通过特有的算法计算可以获得笔所在的X、Y坐标的精确值。
系统采用非线性衰减算法(NLR),采用单一搜索引擎;使用3～8个hit进行定位计算(过定位算法)。更进一步改进目标精度及分辨率,引入距离-幅度修正(DAC)曲线,用于生成衰减图谱,以帮助设置适当的门槛值来决定目标的灵敏度。这些改进都大大改进了对电磁专用笔的定位精度。
2.DSP高速数字信号处理及嵌入式软件技术
当电子笔在交互白板上运动时,电子笔所发出的电磁波在三组等距排列的线圈上产生感生信号,电子笔的位移与这三个信号的相位差呈线性关系,通过对这三个信号用DSP进行计算,分别计算出其相位,从而计算出电子笔的精确的位移数据和准确的坐标值。该算法是本公司的核心技术。
本项目采用DSP专用芯片及其外围线路,对电磁接收网接收到专用笔的信号进行采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理数字形式,下图所示是本项目DSP系统设计的过程:
3.嵌入式控制系统
嵌入式高性能高可靠的CPU控制系统控制协调应的位置传感器前端处理电路、A/D转换电路、DSP数字信号处理器、嵌入式跟踪及定位算法以及专用的底层通信协议,使各部分组件相配合,构成一个完整的交互式电子白板。
4.自主开发的投影—白板坐标变换算法
在白板的交互工作模式和网络工作模式当中,书写区域、计算机和显示屏幕构成了一个典型的光机电一体化系统。书写区域通过数字接口到计算机的定位和跟踪信息是基于一个绝对坐标系的坐标(Xb,Yb);而计算机操作系统图形界面所使用的坐标系也是一个绝对坐标系,这个坐标系就是计算机的显示坐标系(X,Y),当使用WINDOWS系列操作系统时,这个坐标系的典型范围就是显示分辨率1024×768或800×600。当计算机的图形界面被投影到交互白板上显示时,图像将产生由相对位置、角度和光学系统误差所收起的梯形、枕形和非线性畸变失真。因此要做到交互电子白板所见即所得式的实时工作和准确定位,就必须进行坐标变换,即通过坐标变化算法F,由白板点坐标P(Xb,Yb)得到计算机图形系点坐标P(X,Y),表示为p(X,Y)=F (P(Xb,Yb))。由于相关坐标变化算法是国外各竞争厂商的不公开的商业机密,同时在应用数学领域还没有相关的标准算法公开。因此坐标变换算法就成了软件开发的难点。要攻克这个技术关键必须要解决算法简单、原始定位数据少、CPU占有少、定位准确等技术难题。巨龙公司的软件人员经过数月的艰苦努力,终于创造性地提出了六点定位式投影—白板坐标变化算法,成功地解决上述技术难题。巨龙的坐标变换算法在定位精度达到国外同类产品算法的同时,运算量较少,同时在操作的方便程度方面优于国外算法。该算法已申请了国家发明专利。
5.自行开发定义了专用的底层数字通信协议和基于底层驱动程序的客户端应用软件
为实现对交互电子白板的控制,巨龙公司开发定义了专用的底层数字通信协议。为提高客户端软件的性能,提高软件的兼容性,结合当前国际新兴的数字墨水(Digital ink)概念,巨龙公司通过基于底层驱动程序这一比较困难的方法来开发大屏幕交互电子白板应用软件,使大屏幕交互电子白板软件和操作系统融合为一体,极大地增强了软件的性能和兼容性,准确高效地实现了大屏幕交互电子白板的全部功能。
6.计算机(WINDOWS OS和MAC OS)图形和图像处理技术
(1)自行开发了应用模板
为解决用户输入各学科符号、图形计算机输入的难题,巨龙公司开发了丰富的应用模板,包括各学科符号输入模板、矢量图、常用符号、常用图形等,可做到即调即用。
(2)自行开发了图形反走样技术、曲线拟合技术
使用图形反走样、曲线拟合技术可以使书写的笔划和线条达到很平滑的效果,达到美观的效果,原理如下:
对于图像的某一行数据,可以认为是一个数据子集(xi,yi),拟合过程可以表述为:寻找一个函数f(x),使得该函数在(xi)处的值与子集(yi)之间的某种测度(如均方根)为最小。一般而言,函数f(x)是多项式,也就是说,曲线拟合过程就是多项式系数的确定过程。
选择函数f(x)与子集(yi)的均方误差为最小,称为最小二乘曲线拟合。即
(1)
对多项式拟合f(x) = a0 + a1x + a2x2 + a3x3 +…,代入(1)式,令其一阶导数为零,可得多项式系数矩阵。一般要求拟合数据点数大于或等于多项式幂次,以保证多项式系数矩阵的唯一性。
曲线拟合应用于图像处理必须考虑两个参数:拟合长度以及拟合多项式幂次。这两个参数是相互联系的:相同的拟合长度,拟合幂次越小,对高频成分的抑制越好,同样,相同的拟合幂次,拟合长度越长,对高频的抑制也越好。由于曲线拟合是在许多数据点中找到规律,因此对于拟合参数的选择是十分关键的。巨龙公司经过多次的拟合试验,选择得当的拟合参数,取得非常好的处理效果。
7.本项目中硬件结构技术、材料及生产工艺上进行重大的创新
(1)低功耗无线电磁感应笔技术结构及工艺
本项目利用无线技术成功地开发出了电子白板专用的频率调制无线电磁笔,在这种电磁笔上创造性地采用了磁场聚焦变频、具有省电模式的电池倍压电源和频率上下限双调节器节的专有磁芯结构,具有磁场聚焦准确、可靠性稳定性高和电池使用寿命长等特点,是电子白板成功研制的关键技术点之一。
(2)书写屏感应矩阵网采用机械手进行编织
整个超大屏幕交互式电子白板的书写屏感应矩阵网是一个整体,大大提高感应矩阵网的准确度和质量可靠性。
(3)采用坚固的特殊材料和独特的工艺
表面材料耐磨次数达10万次以上,可承受冲击力达100kg以上,解决了压感技术同类产品的表面材料易损、书写磨擦起皱、划痕及薄膜接触不良等。
(4)高强度、低成本轻型电子白板框架机械结构及工艺
研制了预成型复合材料制造的电子白板的板体和采用工程塑料注塑成型的白板框架,使电子白板机械结构具有强度高、表面平整、重量轻、成本低的特点,大大提高了产品的生产工效,同时大幅降低了产品的物流成本和客户的安装成本。