一种图像信息温度觉反馈的二维手控装置.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 103345184 A (43)申请公布日 2013.10.09 CN 103345184 A *CN103345184A* (21)申请号 201310268045.2 (22)申请日 2013.06.28 G05B 19/042(2006.01) (71)申请人 东南大学 地址 210018 江苏省南京市四牌楼 2 号 (72)发明人 吴剑锋 李建清 耿万培 刘海洋 贾贞 杨宇荣 万能惠允 艾晓晨 贾文渊 蔡金鑫 (74)专利代理机构 南京苏高专利商标事务所 ( 普通合伙 ) 32204 代理人 张学彪 (54) 发明名称 一种图像信息温度觉反馈的二维手控装置 (。

2、57) 摘要 本发明公开了一种图像信息温度觉反馈的二 维手控装置， 通过图像传感器采集目标物体图像， 温度觉反馈装置能够实时地反映采集到的图像色 调和轮廓等信息， 通过颜色与温度空间变换处理 建立色度与温度对应关系， 对于不同颜色人手指 可以感受到不同的温度觉， 采用轮廓提取算法获 得物体轮廓信息， 对于物体轮廓人手指可以感受 到极冷或极热的温度觉极值 ； 利用该装置人手可 以虚拟触摸目标物体图像， 根据人手在图像中的 位置， 通过温度觉工作器件将图像信息以温度觉 形式反馈到人手指上。采用温度觉反馈具有范围 广， 相比振动触觉刺激噪声小等优点 ； 此外， 在温 度觉工作器件中设有测温器件， 测。

3、温器件对温度 觉工作器件的温度测量并反馈给控制单元， 构成 稳定的闭环控制系统， 严格控制人手指感知的温 度上升幅度以确保安全 ； 本发明容易实现， 装置 小巧简便， 易于操作。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 4 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书5页 附图4页 (10)申请公布号 CN 103345184 A CN 103345184 A *CN103345184A* 1/1 页 2 1. 一种图像信息温度觉反馈的二维手控装置， 包括图像采集装置、 图像处理装置和温 度觉反馈装置， 所述图像采集装置用于采。

4、集物体的图像， 所述图像处理装置用于对所述图 像采集装置采集的图像依次进行轮廓提取处理和颜色与温度空间变换处理， 所述温度觉反 馈装置包括位置传感装置、 控制单元、 温度觉工作器件和测温器件， 所述位置传感装置将人 手二维移动的位置信息输入到所述图像处理装置中， 所述位置信息经过所述图像处理装置 处理后发送给所述控制单元， 所述控制单元控制所述温度觉工作器件以不同温度觉形式反 馈到人手指上， 所述测温器件对所述温度觉工作器件的温度进行测量并反馈给所述控制单 元构成闭环控制系统。 2. 如权利要求 1 所述的图像信息温度觉反馈的二维手控装置， 其特征在于， 所述控制 单元能够接收温度空间信息和人。

5、手的位置信息， 所述控制单元根据所述温度空间信息建立 对应的温度觉反馈曲线， 控制所述温度觉工作器件的温度按照所述温度觉反馈曲线变化， 根据所述人手的位置信息与图像轮廓的位置信息的比较， 建立图像轮廓与温度觉极值的对 应关系。 3. 如权利要求 1 所述的图像信息温度觉反馈的二维手控装置， 其特征在于， 所述控制 单元包括单片机、 MOS 管通断电路、 供电电路和测温电路， 所述单片机接受所述图像处理装 置发送的数据并通过控制所述 MOS 管通断电路来控制所述供电电路的通断， 所述供电电路 为所述温度觉工作器件提供电源， 所述测温电路利用所述测温器件对所述温度觉工作器件 的温度实时测量并反馈给。

6、所述单片机构成闭环控制系统。 4.如权利要求1或3所述的图像信息温度觉反馈的二维手控装置， 其特征在于， 所述测 温器件为热敏电阻。 5.如权利要求1或3所述的图像信息温度觉反馈的二维手控装置， 其特征在于， 所述温 度觉工作器件为半导体制冷器。 6. 如权利要求 1 所述的图像信息温度觉反馈的二维手控装置， 其特征在于， 所述图像 采集装置为摄像头， 所述图像处理装置为 PC 机。 7. 如权利要求 1 所述的图像信息温度觉反馈的二维手控装置， 其特征在于， 所述图像 处理装置对所述图像采集装置采集的图像进行轮廓提取处理是利用目标物体与背景间的 颜色差异， 检测并提取差异位置， 从而获得物体。

7、轮廓位置信息。 8. 如权利要求 1 所述的图像信息温度觉反馈的二维手控装置， 其特征在于， 所述图像 处理装置对所述图像采集装置采集的图像进行颜色与温度空间变换处理是将图像中的各 点的色度值与设定的色度阈值相比较划分温度区间， 从而转换成人手指感受的不同温度 觉， 所述设定的色度阈值可调。 9. 如权利要求 9 所述的图像信息温度觉反馈的二维手控装置， 其特征在于， 还包括外 壳， 所述外壳上设置有第一开口和第二开口， 所述第一开口设置在所述外壳的顶部， 所述第 二开口设置在所述外壳的底部， 所述位置传感装置、 控制单元、 温度觉工作器件和测温器件 均设置在所述外壳中， 所述温度觉工作器件设。

8、置在所述第一开口处， 所述位置传感装置设 置在所述第二开口处， 所述测温器件设置在所述温度觉工作器件上。 10. 如权利要求 9 所述的图像信息温度觉反馈的二维手控装置， 其特征在于， 所述温度 觉工作器件的下方设置有散热块。 权 利 要 求 书 CN 103345184 A 2 1/5 页 3 一种图像信息温度觉反馈的二维手控装置 技术领域 0001 本发明涉及一种图像信息温度觉反馈的二维手控装置。 背景技术 0002 据世界卫生组织估计， 当前全世界约有 4500 万盲人， 而我国视力残疾状况的调查 数据显示我国现有盲人(含低视力)1263万， 占残疾人总数的14.86%， 其中多重残疾的。

9、盲人 458 万。本着科技造福于人类的理念， 为弥补盲人的视觉功能缺陷， 各国科学家都尝试利用 工程技术的手段来改善盲人生存环境。在提出的各种各样的解决方案中， 利用盲人的听觉 代替视觉的方案占很大比例， 但利用听觉获取视觉信息也有其不足之处。 相比之下， 以触觉 替代视觉系统的设计更加简单实用， 具有更高的可行性。盲人在生活中大多都是通过用手 去直接触摸物体来获得物体基本特征信息。 0003 因此， 需要一种图像信息温度觉反馈的二维手控装置以解决上述问题。 发明内容 0004 发明目的 ： 本发明针对现有技术中盲人利用听觉获取视觉信息的缺陷， 提供一种 可以通过温度觉反馈在人手指的方式来感知。

10、真实或虚拟物体的色调和轮廓等特征信息的 图像信息温度觉反馈的二维手控装置。 0005 技术方案 ： 为解决上述技术问题， 本发明的图像信息温度觉反馈的二维手控装置 采用如下技术方案 ： 一种图像信息温度觉反馈的二维手控装置， 包括图像采集装置、 图像处理装置和温度 觉反馈装置， 所述图像采集装置用于采集物体的图像， 所述图像处理装置用于对所述图像 采集装置采集的图像依次进行轮廓提取处理和颜色与温度空间变换处理， 所述温度觉反馈 装置包括位置传感装置、 控制单元、 温度觉工作器件和测温器件， 所述位置传感装置将人手 二维移动的位置信息输入到所述图像处理装置中， 所述位置信息经过所述图像处理装置处。

11、 理后发送给所述控制单元， 所述控制单元控制所述温度觉工作器件以不同温度觉形式反馈 到人手指上， 所述测温器件对所述温度觉工作器件的温度进行测量并反馈给所述控制单元 构成闭环控制系统。 0006 更进一步的， 所述控制单元能够接收温度空间信息和人手的位置信息， 所述控制 单元根据所述温度空间信息建立对应的温度觉反馈曲线， 控制所述温度觉工作器件的温度 按照所述温度觉反馈曲线变化， 根据人手的位置信息与图像轮廓的位置信息的比较， 建立 图像轮廓与温度觉极值的对应关系。 0007 更进一步的， 所述控制单元包括单片机、 MOS 管通断电路、 供电电路和测温电路， 所 述单片机接受所述图像处理装置发。

12、送的数据并通过控制所述 MOS 管通断电路来控制所述 供电电路的通断， 所述供电电路为所述温度觉工作器件提供电源， 所述测温电路利用所述 测温器件对所述温度觉工作器件的温度实时测量并反馈给所述单片机构成闭环控制系统。 0008 更进一步的， 所述测温器件为热敏电阻。 说 明 书 CN 103345184 A 3 2/5 页 4 0009 更进一步的， 所述温度觉工作器件为半导体制冷器。为了提高温度觉反馈的响应 速度， 可以将半导体制冷器作为温度觉工作器件， 半导体制冷器的大小可以根据需要进行 定制。 0010 更进一步的， 所述图像采集装置为摄像头， 所述图像处理装置为 PC 机。 0011 。

13、更进一步的， 所述图像处理装置对所述图像采集装置采集的图像进行轮廓提取处 理是利用目标物体与背景间的颜色差异， 检测并提取差异位置， 从而获得物体轮廓的位置 信息。 0012 更进一步的， 所述图像处理装置对所述图像采集装置采集的图像进行颜色与温度 空间变换处理是将图像中的各点的色度值与设定的色度阈值相比较划分温度区间， 从而转 换成人手指感受的不同温度觉， 所述设定的色度阈值可调。 0013 更进一步的， 还包括外壳， 所述外壳上设置有第一开口和第二开口， 所述第一开口 设置在所述外壳的顶部， 所述第二开口设置在所述外壳的底部， 所述位置传感装置、 控制单 元、 温度觉工作器件和测温器件均设。

14、置在所述外壳中， 所述温度觉工作器件设置在所述第 一开口处， 所述位置传感装置设置在所述第二开口处， 所述测温器件设置在所述温度觉工 作器件上。 0014 更进一步的， 所述温度觉工作器件的下方设置有散热块。为了能够连续多次地进 行温度觉反馈， 获取良好的反馈效果， 可以在温度觉反馈装置的温度觉工作器件的下方设 置有散热块。 0015 有益效果 ： 本发明的图像信息温度觉反馈的二维手控装置具有以下优点 ： 1） 、 本发明通过图像传感器采集目标物体图像， 温度觉反馈装置能够实时地反映采集 到的图像色调和轮廓等信息， 通过颜色与温度空间变换处理建立色度与温度对应关系， 此 对应关系因色度阈值的设。

15、定可以调节， 对于不同颜色人手指可以感受到不同的温度觉， 采 用轮廓提取算法获得物体轮廓信息， 对于物体轮廓人手指可以感受到极冷或极热的温度觉 极值 ； 2） 、 采用温度觉反馈具有范围广， 相比振动刺激噪声小等优点 ； 3） 、 为了使用者操作安全， 避免使操作者产生不适感， 在温度觉工作器件中设有测温器 件， 测温器件对温度觉工作器件的温度测量并反馈给控制单元， 构成稳定的闭环控制系统， 严格控制人手指感知的温度上升幅度以确保安全 ； 4） 、 本发明容易实现， 装置小巧简便， 易于操作。 附图说明 0016 图 1 是本发明的图像信息温度觉反馈的二维手控装置的系统框图 ； 图 2 是本发。

16、明的图像信息温度觉反馈的二维手控装置的硬件设计框图 ； 图 3 是本发明的颜色与温度空间变换处理的示意图 ； 图 4 是本发明的系统程序流程图 ； 图 5 是本发明的手控装置的结构示意图 ； 图 6 是本发明的散热块结构示意图。 具体实施方式 说 明 书 CN 103345184 A 4 3/5 页 5 0017 下面结合附图和具体实施例， 进一步阐明本发明， 应理解这些实施例仅用于说明 本发明而不用于限制本发明的范围， 在阅读了本发明之后， 本领域技术人员对本发明的各 种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。 0018 请参阅图 1、 图 2、 图 3、 图 4、 图 5 和图。

17、 6 所示， 本发明的一种图像信息温度觉反馈 的二维手控装置， 包括图像采集装置、 图像处理装置和温度觉反馈装置。其中， 图像采集装 置用于采集物体的图像， 图像处理装置用于对图像采集装置采集的图像依次进行轮廓提取 处理和颜色与温度空间变换处理。 图像处理装置对图像采集装置采集的图像进行轮廓提取 处理是利用目标物体与背景间的颜色差异， 检测并提取差异位置， 从而获得物体轮廓位置 信息。 图像处理装置对图像采集装置采集的图像进行颜色与温度空间变换处理是将图像中 的各点的色度值与设定的色度阈值相比较划分温度区间， 从而转换成人手指感受的不同温 度觉， 设定的色度阈值可调。 0019 温度觉反馈装置。

18、包括位置传感装置、 控制单元、 温度觉工作器件和测温器件， 位置 传感装置将人手二维移动的位置信息输入到图像处理装置中， 位置信息经过图像处理装置 处理后发送给控制单元， 控制单元控制温度觉工作器件以不同温度觉形式反馈到人手指 上， 测温器件对温度觉工作器件的温度进行测量并反馈给控制单元构成闭环控制系统。其 中， 控制单元能够接收温度空间信息和人手的位置信息， 控制单元根据温度空间信息建立 对应的温度觉反馈曲线， 控制温度觉工作器件的温度按照温度觉反馈曲线变化， 根据人手 的位置信息与图像轮廓的位置信息的比较， 建立图像轮廓与温度觉极值的对应关系。控制 单元包括单片机、 MOS 管通断电路、 。

19、供电电路和测温电路， 单片机接受图像处理装置发送的 数据并通过控制 MOS 管通断电路来控制供电电路的通断， 供电电路为温度觉工作器件提供 电源， 测温电路利用测温器件对温度觉工作器件的温度实时测量并反馈给单片机构成闭环 控制系统。 0020 其中， 测温器件可以为热敏电阻。温度觉工作器件可以为半导体制冷器。为了提 高温度觉反馈的响应速度， 可以将半导体制冷器作为温度觉工作器件， 半导体制冷器的大 小可以根据需要进行定制。图像采集装置可以为摄像头， 图像处理装置可以为 PC 机。 0021 还包括外壳， 外壳上设置有第一开口和第二开口， 第一开口设置在外壳的顶部， 第 二开口设置在外壳的底部，。

20、 位置传感装置、 控制单元、 温度觉工作器件和测温器件均设置在 外壳中， 温度觉工作器件设置在第一开口处， 位置传感装置设置在第二开口处， 测温器件设 置在温度觉工作器件上。温度觉工作器件的下方设置有散热块。为了能够连续多次地进行 温度觉反馈， 获取良好的反馈效果， 可以在温度觉反馈装置的温度觉工作器件的下方设置 有散热块。 0022 实施例 1 请参阅图 1 所示， 本发明的图像信息温度觉反馈的二维手控装置， 包括图像采集装置、 图像处理装置和温度觉反馈装置。图像采集装置能够对物体进行图像采集， 并将采集的图 像输出至图像处理装置， 可以将摄像头作为图像采集装置来使用 ； 图像处理装置能够显。

21、示 接收到的图像并进行轮廓提取获得物体轮廓边界的位置信息， 再进行颜色与温度空间变换 处理， 建立颜色与温度的对应关系， 可以将具有图像处理功能的处理器核心作为图像处理 装置来使用 ； 温度觉反馈装置包括位置传感装置、 控制单元、 温度觉工作器件和测温器件， 位置传感装置能够将人手二维移动的位置信息输入到图像处理装置中， 由图像处理装置读 说 明 书 CN 103345184 A 5 4/5 页 6 取所处的位置信息和变换后的温度空间信息并输出至温度觉反馈装置的控制单元， 控制单 元能够接收温度空间信息和人手的位置信息， 根据温度空间信息建立对应的温度觉反馈曲 线， 控制温度觉工作器件的温度按。

22、照曲线变化， 根据人手的位置信息与图像轮廓的位置信 息的比较， 建立轮廓与温度觉极值对应关系， 温度觉工作器件能够以不同温度觉的形式反 馈到人的手指上， 测温器件能够对温度觉工作器件的温度进行测量并反馈给控制器形成闭 环控制系统。 0023 请参阅图 2 所示， 本发明的图像信息温度觉反馈的二维手控装置的硬件设计框 图。系统主要包括位置传感装置、 温度觉工作器件、 测温器件、 控制单元和电源。人手移动 该二维手控装置时， 位置传感单元就通过位置传感电路将人手二维移动的位置信息以 USB 方式发送到图像处理装置中， 图像处理装置读取所处图像上的位置信息和颜色信息后通过 串口发送给控制单元， 温度。

23、觉工作器件选用半导体制冷器， 测温器件选用的是热敏电阻， 控 制单元包括单片机、 MOS 管通断电路、 供电电路和测温电路， 单片机接受图像处理装置发送 的数据， 并通过控制 MOS 管通断电路来控制半导体制冷器供电电路的通断， 以产生不同的 温度觉反馈到人手指上， 测温电路利用热敏电阻对半导体制冷器的温度实时测量并反馈给 单片机构成闭环控制系统。 0024 图 3 为本发明的颜色与温度空间变换处理的示意图。在该转换过程中， 颜色 1 对 应于手指感觉的温度T1， 颜色2对应于手指感觉到的温度T2， 颜色3对应于手指感觉的温度 T3， T1到 T2 再到 T3的温度变化是一个跳变的过程且呈现温。

24、度趋势可以设定为上升或下降， 在边界处对应温度 Tm可以是一个冷觉或热觉的温度极值。 0025 图 4 为本发明的系统程序流程图。初始化分软件系统初始化和硬件系统初始化。 软件系统初始化对摄像头和软件串口作初始化设置， 此后打开摄像头进行图像采集， 选定 好角度对目标物体进行轮廓提取和颜色处理， 然后通过人手移动该二维手控装置来获取该 图像的色调信息及相应的位置信息， 先判断是否超出物体边界， 再与设定的阈值比较， 把比 较得到的结果发送给硬件系统 ； 硬件系统初始化分别对硬件串口、 AD 和定时器做初始化设 置， 硬件系统查询并分析接受到数据， 根据接受到的数据选择相应的温度觉反馈曲线来控 。

25、制半导体制冷器供电电路的通断及导通时间， 同时将测温器件测得的温度值实时反馈给主 控制器以确保安全， 最后人手指触摸温度觉工作器件能感受到不同的温度觉。 0026 图 5 为本发明的手控装置的结构示意图。本发明的图像信息温度觉反馈的二维手 控装置包括外壳、 位置传感装置 2、 控制单元 3、 温度觉工作器件 4。其中 ： 外壳包括上壳包 括上壳 1 和底座 5。外壳上设置有第一开口、 第二开口和第三开口， 第一开口设置在外壳的 顶部， 即第一开口设置在上壳 1 上， 第二开口设置在外壳的底部， 即第二开口设置在底座 5 上， 第三开口设置在外壳的一侧， 即第三开口设置在底座 5 一侧。位置传感。

26、装置 2、 控制单 元 3、 温度觉工作器件 4 和测温器件均设置在外壳中。温度觉工作器件 4 设置在第一开口 处， 用胶粘合固定。位置传感装置 2 设置在第二开口处。位置传感装置 2 上还设置有一个 按钮， 当按下此按钮时图像采集装置才会进行图像采集。测温器件 6 设置在温度觉工作器 件4上。 具体要求 ： 测温器件必须跟温度觉工作器件接触， 但是不能妨碍到手指与温度觉工 作器件 4 的接触。外壳的一侧设置有第四开口， 便于控制器单元 3 中的引线接出 ； 控制器单 元3上有第一插座、 第二插座和一个USB接口， 第一插座用于连接温度觉工作器件4， 第二插 座接外部电源给温度觉工作器件 4 。

27、供电， USB 接口与 PC 机连接， 其中， USB 线通过第三开口 说 明 书 CN 103345184 A 6 5/5 页 7 连接 USB 接口和 PC 机， 给控制单元 3 供电和下载程序。 0027 图6为本发明的散热块示意图。 在温度觉工作器件4的下方设置有散热块7， 散热 块 7 位于温度觉工作器件 4 的底部， 且接触良好。能够连续多次地进行温度觉反馈， 获取良 好的反馈效果。 0028 本发明的图像信息温度觉反馈的二维手控装置具有以下优点 ： 1） 、 本发明通过图像传感器采集目标物体图像， 温度觉反馈装置能够实时地反映采集 到的图像色调和轮廓等信息， 通过颜色与温度空间变。

28、换处理建立色度与温度对应关系， 此 对应关系因色度阈值的设定可以调节， 对于不同颜色人手指可以感受到不同的温度觉， 采 用轮廓提取算法获得物体轮廓信息， 对于物体轮廓人手指可以感受到极冷或极热的温度觉 极值 ； 2） 、 采用温度觉反馈具有范围广， 相比振动刺激噪声小等优点 ； 3） 、 为了使用者操作安全， 避免使操作者产生不适感， 在温度觉工作器件中设有测温器 件， 测温器件对温度觉工作器件的温度测量并反馈给控制单元， 构成稳定的闭环控制系统， 严格控制人手指感知的温度上升幅度以确保安全 ； 4） 、 本发明容易实现， 装置小巧简便， 易于操作。 说 明 书 CN 103345184 A 7 1/4 页 8 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103345184 A 8 2/4 页 9 图 3 说 明 书 附 图 CN 103345184 A 9 3/4 页 10 图 4 说 明 书 附 图 CN 103345184 A 10 4/4 页 11 图 5 图 6 说 明 书 附 图 CN 103345184 A 11 。