提升交互投影一體機(jī)的交互性能及用戶體驗

陳晟

（麥克賽爾數(shù)字映像（中國）有限公司，福建 福州 350014）

具有人機(jī)交互功能的大屏幕顯示設(shè)備廣泛應(yīng)用于會議或教學(xué)系統(tǒng)。隨著技術(shù)的發(fā)展，在交互式電子白板之外，出現(xiàn)了交互平板一體機(jī)和交互投影一體機(jī)等新型交互設(shè)備。

交互式電子白板和交互平板一體機(jī)分別是多種精確定位技術(shù)與大屏幕投影技術(shù)或大屏幕平板顯示技術(shù)的結(jié)合。在專用程序的支持下，兩者都可以構(gòu)造出一個大屏幕、交互式的協(xié)作會議或教學(xué)環(huán)境，可以利用特定的定位筆取代鍵盤和鼠標(biāo)來實現(xiàn)與計算機(jī)的人機(jī)交互。但兩者都需要配置成本高昂的專用交互屏幕，而且現(xiàn)階段熱門的交互平板一體機(jī)難以實現(xiàn)超大面積的顯示和交互操作。

交互投影一體機(jī)則是將大屏幕投影技術(shù)與數(shù)字視頻圖像處理技術(shù)相結(jié)合，采用低成本圖像傳感器實時采集投影大屏幕的圖像信息，并通過圖像處理技術(shù)實現(xiàn)定位筆精確定位。該技術(shù)無需搭配專用屏幕，甚至可以利用普通墻面來實現(xiàn)大畫面投影顯示和交互操作。

評估交互投影一體機(jī)性能的優(yōu)劣，除了投射距離、尺寸、亮度和對比度等普通短焦投影機(jī)的性能指標(biāo)以外，主要側(cè)重于評估其與交互性能相關(guān)的定位精度、響應(yīng)速度和耐外光干擾性等指標(biāo)。本文將詳細(xì)闡述如何提升交互投影一體機(jī)的交互性能，并對提升用戶交互體驗的方法進(jìn)行初步探討。

1 提升定位精度

交互投影一體機(jī)通常在短焦或超短焦的投射鏡頭附近內(nèi)置一個攝像頭，攝像頭的拍攝區(qū)域覆蓋投影機(jī)的投射區(qū)域，如圖1 所示，投影機(jī)倒裝在屏幕上方的使用場合。

投影機(jī)根據(jù)其顯像器件物理分辨率的不同，在屏幕上投射特定橫縱比例（通常有4∶3 或16∶10 等）的矩形畫面。由于投射畫面的上下兩邊距內(nèi)置攝像頭的距離不同，攝像頭拍攝到的投影畫面近似于梯形（物遠(yuǎn)像?。?，如圖2 所示。成像梯形內(nèi)的圖像傳感器像素與投射畫面像素之間形成了映射關(guān)系，由圖2 可知，梯形上部的圖像傳感器單個像素對應(yīng)的投射畫面像素的數(shù)量較梯形下部的要多些，即上部像素映射率的數(shù)值較大。梯形以外的圖像傳感器像素沒有對應(yīng)的投射畫面像素。當(dāng)定位筆的移動光點在投影畫面內(nèi)出現(xiàn)時，光點實時位置將對應(yīng)一個圖像傳感器的像素位置，并映射到投射畫面的一個像素點或像素區(qū)域，從而實現(xiàn)投射畫面上鼠標(biāo)或筆畫的定位。當(dāng)投影顯像器件（如LCD 或DMD）的物理分辨率確定時，定位精度與攝像鏡頭的參數(shù)和圖像傳感器的物理分辨率相關(guān)。

圖1 攝像區(qū)域與投射區(qū)域

圖2 拍攝到的投影畫面呈梯形

1.1 攝像鏡頭的設(shè)計

設(shè)計或選擇攝像鏡頭的透鏡組，以滿足高解像度、低F值、最優(yōu)化的視角和像角為目標(biāo)。交互投影一體機(jī)內(nèi)置的攝像鏡頭為定焦鏡頭，其光軸中心到畫面邊緣的解像度可以用MTF 值來表征，MTF 值越接近1，表示鏡頭品質(zhì)越高，具有較佳的反差和分辨率。圖像傳感器分辨率越高，要求的鏡頭分辨率也越高。為了滿足投射不同畫面尺寸的需求，安裝交互投影一體機(jī)時，機(jī)體與屏幕的間距可以在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，因此要根據(jù)景深范圍設(shè)計恰當(dāng)?shù)腇 值。同時要求根據(jù)圖像傳感器的尺寸設(shè)計恰當(dāng)?shù)溺R頭倍率，以便即使在最惡劣的裝配公差情況下，視野也能恰好覆蓋不同尺寸的投射畫面，成像不允許出現(xiàn)遮角。攝像鏡頭優(yōu)化設(shè)計后應(yīng)滿足成像梯形的面積占比盡量大，并確保有一定的調(diào)整余量。另外要求攝像鏡頭具有穩(wěn)定的光軸，以避免裝配調(diào)焦后產(chǎn)生光軸偏離。段差式鏡筒設(shè)計是比較好的解決方案，鏡筒中除了螺紋部分外，還在鏡筒兩端設(shè)計了防止光軸偏離的階段，可以有效地控制光軸偏離。

攝像鏡頭的安裝位置及角度也需要正確設(shè)計。一般來說，為了使成像梯形左右對稱，從而獲得投影畫面左右同等的定位精度，我們推薦將攝像鏡頭的位置設(shè)計在投射鏡頭的正上方。攝像鏡頭的安裝角度與投影機(jī)的投射比（投影距離與畫面的寬度之比）相關(guān)，投射比越小，攝像頭的安裝仰角越高。為了提升定位精度、降低成像梯形上部水平方向的像素映射率，攝像鏡頭仰角理論上應(yīng)盡量低。但是為了取得穩(wěn)定的梯形（相對于裝配公差）和較低的上下部失真率，又要求成像梯形居于圖像傳感器中央。在實際應(yīng)用中，攝像鏡頭的安裝角度需要根據(jù)要求進(jìn)行權(quán)衡考慮和調(diào)整。

1.2 圖像傳感器的選擇

通常選擇集成度、性價比高的CMOS 圖像傳感器來替代應(yīng)用設(shè)計復(fù)雜且昂貴的CCD 圖像傳感器。在短焦或超短焦投射鏡頭附近拍攝投影畫面（4∶3 的畫面），可以得到扁平化的成像梯形，如采用寬屏的圖像傳感器將有助于提高傳感器像素的利用率。當(dāng)投影顯像器件的物理分辨率確定時，圖像傳感器的物理分辨率越高，則像素映射率越小，定位精度越高。如果像素映射率小等于1 時，理論上可以實現(xiàn)“點對點”的0 偏差精確定位，但因為成像失真、補(bǔ)償算法誤差等原因難以實現(xiàn)或?qū)崿F(xiàn)成本高昂。當(dāng)前交互投影一體機(jī)的定位精度在1～5 點，即當(dāng)交互筆尖觸碰到屏幕上某個顯示像素時，通過系統(tǒng)定位的鼠標(biāo)圖標(biāo)或描畫筆畫可能產(chǎn)生1～5個顯示像素的偏離。

2 提升響應(yīng)速度

選擇高分辨率的圖像傳感器，有利于提升定位精度。但不利之處是需要處理的圖像數(shù)據(jù)量將倍增，可能導(dǎo)致系統(tǒng)響應(yīng)延遲（如筆畫滯后甚至斷續(xù)等），從而影響用戶交互體驗。我們可以從硬件選擇和軟件優(yōu)化這兩個方面提升交互響應(yīng)速度。

2.1 硬件選擇

通過選擇高速DSP 器件，可以有效地提高數(shù)據(jù)處理速度。選擇高速圖像傳感器，并選擇恰當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)流輸出格式，比如RAW，將提供高速率的數(shù)據(jù)讀出。同時，高幀率圖像傳感器有利于連續(xù)、快速地捕捉高速移動的定位筆光點軌跡。推薦采用幀率達(dá)720 P@120 FPS 或以上的圖像傳感器。另外，通過增大定位筆光點亮度，從而減少曝光時間等方法也有助于提升系統(tǒng)響應(yīng)速度。

2.2 軟件優(yōu)化

成像梯形以外的圖像傳感器像素沒有對應(yīng)的投射畫面像素，屏蔽這些無用區(qū)域，將大大減少數(shù)據(jù)處理量。其次，通過設(shè)置恰當(dāng)?shù)墓恻c閾值，僅傳送超過閾值的有效數(shù)據(jù)，可以減少因光噪聲等引起的無用數(shù)據(jù)處理量。另外，對串行數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，即在存儲1 幀的圖像數(shù)據(jù)之后才執(zhí)行光點信息標(biāo)簽化處理，優(yōu)化為在獲取圖像數(shù)據(jù)的同時，并行地進(jìn)行光點信息標(biāo)簽化處理，將大大改善系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

3 提升耐外光干擾性

在交互投影一體機(jī)的使用場合中，有時會有強(qiáng)光（如日光）照射在投影屏幕上，有時現(xiàn)場還會有其他紅外光源（如教師使用的紅外麥克風(fēng)）干擾內(nèi)置攝像頭，從而造成系統(tǒng)定位錯誤，出現(xiàn)不受控制的鼠標(biāo)移動或紊亂筆畫。下面將詳細(xì)說明如何提升交互投影一體機(jī)的耐受外界光源干擾的能力。

3.1 濾光片設(shè)計

交互投影一體機(jī)通常采用紅外攝像頭捕捉定位筆的紅外光點位置。但是，為了實現(xiàn)定位的自動校正，攝像頭還要能拍攝可見光的校正畫面。因此需要設(shè)計可切換IR 濾片和可見光濾片的電子快門。IR 濾片波長的選擇，首先要考慮各類光源的光譜構(gòu)成，如圖3 所示。地表上太陽光在940 nm波段的強(qiáng)度是850 nm 波段的一半左右，因此交互系統(tǒng)中的IR 濾片帶通中心和紅外定位筆波長可選擇940 nm，以減小外光的影響。可見光濾片如果選擇通過紅色可見光則較為理想，有利于減少與紅外光的像差。

圖3 各類光源的光譜特性

3.2 紅外同步控制

如何進(jìn)一步地避免使用940 nm 波長的其他設(shè)備的干擾？一種有效的方法是對定位筆發(fā)出的紅外光進(jìn)行調(diào)制。如圖4 所示，連續(xù)發(fā)光的定位筆紅外光與外界干擾光難以區(qū)分。如果定位筆紅外光與圖像傳感器幀率同步，每隔1 幀閃爍一次，那么相鄰的幀圖像數(shù)據(jù)相減，結(jié)果為0 的是外界干擾光，不為0 的則是定位筆紅外光。需要注意的是，為了獲得與連續(xù)發(fā)光方式同等的響應(yīng)速度，同步閃爍方式時圖像傳感器的幀率需要倍增。為了實現(xiàn)定位筆紅外光與圖像傳感器幀率同步，需要用無線的方式來控制移動中的定位筆。一種解決方法是在定位筆筆尖附近設(shè)置紅外接收器，接收交互投影一體機(jī)向屏幕方向發(fā)送的與幀率同步的紅外信號。

圖4 同步閃爍方式控制定位筆紅外光

3.3 軟件去除外光干擾

因為現(xiàn)場人員佩戴的反光物品（如手表）的晃動反射強(qiáng)光，或物體快速移動時對強(qiáng)光的遮擋等，有可能使得捕獲圖像的相鄰幀相減結(jié)果不為0.另外，快速放大縮小的光斑也會造成類似問題，從而導(dǎo)致系統(tǒng)誤判。為了應(yīng)對此類同步控制無法解決的問題，需要對光點進(jìn)行定義，并設(shè)定恰當(dāng)?shù)呐卸ㄩ撝?，在此基礎(chǔ)上利用軟件處理去除外光干擾。光點的定義可以包含光點大小、橫縱比、圓度、空心率等。實際應(yīng)用中完全消除外光干擾幾乎是不可能的，但通過以上軟硬件的改進(jìn)對策，可以大大減少外光干擾引起的誤動作。

4 提升交互體驗——手指觸控

交互投影一體機(jī)如果能使用手指觸控替代定位筆觸控，操作將更加便捷，將有利于提升用戶的交互體驗。

4.1 實現(xiàn)方式

通常紅外激光二級管可以輸出指向性良好的點狀光束。該光束從頂端照射到反射圓錐體上時，可以形成扇型光面，利用這種光面可形成平行地覆蓋于屏幕之上的激光光幕。也可以選擇用激光束照射光學(xué)導(dǎo)光圓柱體或波浪鏡片，同樣可以形成激光光幕。

當(dāng)手指或教鞭等物體接觸屏幕時，激光幕被遮擋反射，形成與定位筆類似的紅外光點，即可實現(xiàn)手指觸控的互動操作。激光幕發(fā)生器通常安裝在屏幕上方，并且具有可以調(diào)整光幕與屏幕之間距離和角度的機(jī)構(gòu)。

4.2 耐外界強(qiáng)光干擾

為了提升手指觸控系統(tǒng)的耐外光干擾能力，并在遠(yuǎn)離激光幕發(fā)生器的屏幕邊角處獲得更佳的觸控效果，可以加大激光二級管的功率，但有時產(chǎn)品會受到激光功率分類的限制。一種解決方法是將兩個或兩個以上的激光二級管形成的多個激光扇面拼成一個激光幕。適用于紅外定位筆的抗外光干擾的對策，也同樣可以應(yīng)用于手指觸控。交互投影一體機(jī)可以將圖像傳感器的幀同步信號，經(jīng)由USB 線纜輸出到激光幕發(fā)生器，實現(xiàn)激光幕的同步閃爍。

5 結(jié)束語

交互投影一體機(jī)在大尺寸交互顯示方面相對于交互式電子白板和交互平板一體機(jī)具有明顯的價格優(yōu)勢。隨著交互技術(shù)的不斷進(jìn)步，交互投影一體機(jī)的交互性能和用戶體驗效果將會進(jìn)一步得到提升。在不久的將來，用最自然的人機(jī)交互方式來精確控制身邊的設(shè)備，也許將成為現(xiàn)實。