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交互式电子白板

交互式电子白板技术概述

中科院软件所人机交互实验室李俊峰博士

    随着科技的发展，以往单一的教学方式逐步被改善。多媒体教室以多渠道的教学内容呈现方式，将理论教学和直观教学有机的结合在一起，调动学生的多种感官参与学习，提升了教学的质量、提高了教学效率、扩大了教学规模。

    目前，在多媒体教室的应用中，常用的解决方案以投影机、实物展台、计算机等为主。这样的解决方案能方便的将实物、计算机教学课件、视频、音频等教学内容呈现在学生面前，然而在绝大部分教学实践中，传统的“板书”依然是最常用的教学手段，因为通过板书，教师可以即兴地插入教学内容，可以有效地控制教学进程。于是，多媒体教室和板书相结合的方式成为许多教师喜欢的教学模式。交互式电子白板正是在这种需求背景下进入到教师和学生中间，逐渐成为不可或缺的教学工具。

    交互式电子白板是一种先进的教育或会议辅助人机交互设备，它可以配合投影机、电脑等工具，实现无尘书写、随意书写、远程交流等功能。从硬件原理上来说，交互式电子白板融合了大屏幕投影技术、精确定位的测试技术等。现阶段的国际或国内市场上，有多种技术可以实现电子白板精确定位，具有代表性的是电磁感应、红外线、电阻、超声波、CCD等技术。每种技术都有不同的特点和优势，在电子白板市场上占有一定的份额。

    本文主要从实现技术角度对目前不同的电子白板精确定位测试技术进行简要的介绍。

一：电阻膜技术

电阻膜技术原理是：电子白板基本结构是由多层膜组成，包括水平线电阻膜、绝缘网格、导电膜、绝缘网格、垂直电阻膜等，组合膜与使用区域大小相同。工作原理是在电阻膜上加一个固定的电压，在没有外力作用下，导电膜不接触电阻膜，没有电压被测得，不会有定位的信息反应。当用硬物压在电阻膜的某一点时，电流通过导电膜被测试电路读取，就像从一个电位器中点测试到一个变动的电压，这个电压与触摸点的位置有关，根据从水平和垂直方向读取的电压，可以换算为触摸点的X，Y方向位置。电阻式触摸屏是一种网格扫描实现方式，特点是有物体压住膜的表面时，可以反应出物体压住的位置。

技术的优劣势分析：
优势：
1、定位相对准确。
2、无需专用笔，可做触摸操作
劣势：
1、书写需要一定的力度
2、无法做超大面积

主要使用厂家：
美国：Polyvison、Interactive Tech

二：电磁感应

电磁感应式的工作原理是：电磁波是可以通过空气和绝缘物体进行传播，电磁感应式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膜组成，膜的大小与显示区域相同。定位原理是，发射电磁波的笔按间歇方式发射电磁波，当笔靠近接收线圈的膜时，线圈上会感应到笔发射的电磁波。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，通过计算可以获得笔所在的X、Y坐标位置。

技术的优劣势分析：
优势：
1、定位相对准确
2、书写过程中有压感，即根据书写的轻重不同，笔迹的粗细会不同
3、显示区域的均匀度较好
劣势：
1、必须使用专用笔，不能做触摸操作。反应速度不够快
2、难以实现超大面积的版面制作

采用此项技术的主要厂家：
英国：Promethean和GTCO
加拿大：SMART
美国：Numonics
中国：巨龙、天士博等
这是一项早期电子白板常用的技术，目前市场份额相对稳定。

三：红外

红外技术的原理是：由密布在显示区四周红外接收和发射对管形成水平和垂直方向的扫描网格，形成一个扫描平面网，当有可以阻挡红外光的物体阻挡住网格中的某对水平和垂直红外扫描线时，就可以通过被阻挡的水平和垂直方向的红外线位置确定X，Y坐标，实现坐标的定位。

技术的优劣势分析
优势：
1、定位准确、精度较高
2、无需专用笔、可用手指、教鞭等进行书写或触摸操作
3、使用寿命较长,反应速度较快, 造价较低
劣势：
1、无压感反应
2、可能受强红外光的影响

采用此项技术的主要厂家：
美国：3M
英国：Sahara 和Luidia
日本：HITACHI
中国：鸿合

四：超声波

超声波技术的原理是：利用超声波的传输速度较慢的特性，根据超声波发射到接收时间计算出发射点到接收点的距离。使用在平面定位上的原理采用的是在屏幕的一边放置两个按固定距离分布的超声接收装置，用于定位的笔是一个超声波发射器，当笔移动在屏幕的表面时，所发射的超声波沿屏幕表面被接收器检测到，由收到超声波的时间可以换算出笔与两个接收器的距离。采用三点定位的原理，即根据三角形已知三个边长可以确定笔所在的顶点原理，计算出笔所在的位置坐标。是一种测距定位模式。

技术的优劣势分析
优势：
1、定位相对准确
2、适应性强，可在不同面积的设备上使用
劣势：
1、定位精度不均匀
2、受温度影响较大
3、需用专用笔书写

采用此技术的主要厂家
HITACHI、IBEAM等

五：CCD光扫描

CCD光扫描原理是：在显示区域的一边设置两个固定距离的CCD线阵探测器和红外发射器，对准显示区域。在显示区域的另外三边设置可以反射光线的反射膜，在没有物体阻挡时，线阵CCD检测到的是一条完整的光带。当有物体在显示区域中挡住光线传播路径时，在线阵CCD检测到的光带中会出现无反光区域，分布在两个角的CCD分别检测到的遮挡区域反应在线阵CCD的对应区域，根据对应的区域计算出物体在显示区域的位置，是一种交叉点测试定位方式。

此技术为较新的技术，未完全成熟，其最大的优点是可做多点同时触摸，除少数厂家在尝试性使用外，还为完全普及，可用资料不多。

综上所述，交互式电子白板采用不同的定位方式，则会有不同的特点和性能。下表将上面的文字内容进行总结和对比，相信读者能分清各种技术的差异，选择适合自己的一款产品。

技术方式	电阻	电磁感应	红外	超声波	CCD扫描
基本传感方式	面	面	线	点	点
触摸操作	O	X	O	X	O
专用笔	X	O	X	O	X
手势识别	O	X	O	X	O
矩阵扫描方式	O	O	O	X	X
表面覆膜	O	O	X	X	X
使用耗材	X	电池	X	电池	X
多级压感	O	O	X	X	X
主材料	电阻膜	带线圈的膜	红外发射接收LED	超声检测器	光检测器
教鞭操作	O	X	O	X	O
定位算法依据	X，Y	X，Y	X，Y	距离	角度
定位精度算法	模拟电压计算	插值计算	插值计算	距离换算	角度换算
显示区域均匀度	一致	一致	一致	近优远差	近优远差
背投影模式	差	X	好	好	好
同类技术	触摸屏	数字化板	触摸屏	测距仪	扫描装置