一種基于紅外光場(chǎng)—攝像頭的投影觸控系統(tǒng)

顏永清

（廈門信泰思科技有限公司，福建 廈門 361000）

0 前言

隨著近幾年智能電視的流行，智能微型投影儀也開始在家庭中流行。隨著價(jià)格的降低及亮度的提升，投影儀逐漸替代電視機(jī)，國(guó)內(nèi)智能微投市場(chǎng)呈爆發(fā)式的增長(zhǎng)[2]。由于微型投影儀具有便攜性和亮度的互斥性，導(dǎo)致亮度無(wú)法突破電視機(jī)的門限，因此在白天，很難有電視機(jī)的觀影效果。

投影儀對(duì)標(biāo)的目標(biāo)是電視機(jī)，而電視機(jī)對(duì)新生代來(lái)說(shuō)，并不是必需品，這就是投影儀和電視機(jī)的痛點(diǎn)。而這個(gè)痛點(diǎn)的本質(zhì)原因應(yīng)該來(lái)源于人與投影儀沒(méi)有直接的交互，雖然我們可以通過(guò)遙控器控制投影儀，但是沒(méi)有像手機(jī)一樣通過(guò)手指滑動(dòng)的直接反饋。智能手機(jī)的流程依賴于它的便攜性和交互性，如果投影儀可以達(dá)到智能手機(jī)的便攜性和交互性，那么投影儀必然是下一個(gè)爆款。

基于傳統(tǒng)智能微型投影儀的痛點(diǎn)，該文提出了桌面投影儀整體方案，來(lái)進(jìn)一步優(yōu)化投影儀的交互體驗(yàn)。

1 系統(tǒng)框架

1.1 基礎(chǔ)原理

智能手機(jī)最大的交互媒介是觸摸屏，桌面觸控交互方案是一套基于紅外觸控掃描的方案。

原理是在投影儀的底部略高于桌面的位置，放置一個(gè)紅外激光發(fā)射器，向外發(fā)射大廣角面的紅外射線。在光機(jī)鏡頭的旁邊，有一個(gè)紅外攝像頭，用于捕捉整個(gè)投影的畫面。在紅外攝像頭鏡頭中，投影儀的畫面是一個(gè)黑色的區(qū)域。當(dāng)手指或者其他物體放入紅外攝像區(qū)域時(shí)，從紅外攝像頭觀察，物體是一個(gè)亮斑。通過(guò)分析紅外圖像，分析亮斑的面積大小和個(gè)數(shù)、位置，判斷是否是手指在投影區(qū)域內(nèi)以及手指的個(gè)數(shù)。

1.2 硬件框架

圖1 為觸控方案系統(tǒng)框圖，主要由紅外激光器、紅外攝像頭、主系統(tǒng)和DLP投影系統(tǒng)組成。該文采用基于DLP（Digital Light Procession）技術(shù)的超短焦投影儀，通過(guò)投影儀系統(tǒng)將畫面投射在桌面[3]，由攝像頭捕捉在投影屏幕上的畫面圖像，攝像頭和主系統(tǒng)采用USB接口通信，主系統(tǒng)獲取攝像頭中的圖像數(shù)據(jù)，依靠主系統(tǒng)CPU的運(yùn)算處理能力，通過(guò)算法進(jìn)行分析，獲取到手指觸控的相對(duì)坐標(biāo)位置，再上報(bào)響應(yīng)的按鍵值給主系統(tǒng)。

圖1 觸控方案系統(tǒng)框圖

1.3 紅外激光發(fā)射器參數(shù)規(guī)格

1.3.1 紅外激光發(fā)射器參數(shù)

表1是紅外激光發(fā)射器規(guī)格參數(shù)，其中激光器角度是180°是很關(guān)鍵的參數(shù)指標(biāo)，涉及觸控觸控尺寸大小。桌面尺寸限制主要是由于紅外光場(chǎng)的發(fā)射功率達(dá)到一定距離后會(huì)衰減導(dǎo)致的。觸控精準(zhǔn)度決定了實(shí)際的坐標(biāo)偏移的精度。工作電壓3.3V能滿足常用的嵌入式設(shè)備供電電壓。

表1 紅外激光發(fā)射器規(guī)格參數(shù)

1.3.2 紅外激光發(fā)射器原理

圖2是激光器剖面圖，上面斜線區(qū)域就是紅外發(fā)生器。下方錐形位置是激光發(fā)射錐面。激光器的原理是通過(guò)上方的紅外發(fā)生器發(fā)射出紅外波，打在下方紅色區(qū)域的錐面上，發(fā)射出平行與地面的180°紅外攝像平面。

圖2 激光器剖面圖

1.3.3 激光器的注意事項(xiàng)

激光器需要和投影畫面在同一水平面上并放在投影畫面中間位置上方，讓激光平均分布在投影畫面上方平行距離3mm。

激光器固定時(shí)，激光頭底面需要離開桌面結(jié)構(gòu)0.2mm～0.3mm。

激光器安裝位置距離投影畫面上邊緣5cm～10cm（具體根據(jù)投影畫面大?。?。

1.4 攝像頭模組參數(shù)規(guī)格

1.4.1 攝像頭參數(shù)

表2是攝像頭參數(shù)，其中輸出格式和分辨率是基于通用性以及成本和性能的考慮，而刷新率120Hz，是很重要的參數(shù)，其中涉及觸控的跟隨性，后面的章節(jié)會(huì)詳細(xì)描述。投射比是在實(shí)際測(cè)試驗(yàn)證中可以達(dá)到的數(shù)值。

表2 攝像頭參數(shù)

1.4.2 攝像頭注意事項(xiàng)

要對(duì)準(zhǔn)投影畫面拍攝（攝像頭拍攝的投影圖像在定位軟件界面中占60%以上），拍攝的投影畫面處于軟件界面正中間時(shí)的攝像頭位置是其安裝最佳位置。如圖3所示。

定位軟件里面拍攝到的投影畫面顯示寬度h1，定位軟件黑色區(qū)域界面寬度h2；當(dāng)h1/h2≥0.44，且定位軟件拍攝的顯示畫面不超過(guò)黑色矩形窗口區(qū)域。即為合格。

2 算法原理

2.1 圖像分析原理

當(dāng)攝像頭開啟紅外模式時(shí)，由于投影畫面的亮度高于周圍的亮度，從紅外攝像頭看到的畫面，投影畫面區(qū)域是偏灰的，而周圍的畫面則是黑色，如圖3所示。當(dāng)一根手指穿過(guò)紅外光場(chǎng)時(shí)，這部分的投影畫面被遮擋了，亮度下降，此時(shí)，從攝像頭看到的就是一個(gè)黑色的光斑。如果是多個(gè)手指穿過(guò)的話，就會(huì)呈現(xiàn)出多個(gè)黑色光斑。而相對(duì)投影畫面區(qū)域，就可以得到相對(duì)坐標(biāo)位置。通過(guò)整個(gè)投影畫面區(qū)域可以定義投影分辨率大小值，而根據(jù)相對(duì)坐標(biāo)位置關(guān)系，就可以得到手指觸控的具體相對(duì)坐標(biāo)值。

圖3 攝像頭位置和成像區(qū)域

2.2 算法原理

圖4是算法流程，算法原理是先通過(guò)攝像頭實(shí)時(shí)獲取到圖像數(shù)據(jù)，分析每幀圖像中在投影畫面區(qū)域內(nèi)是否出現(xiàn)光斑，結(jié)合通過(guò)校準(zhǔn)保存的投影成像區(qū)域以及手指光斑尺寸、投影儀投射比參數(shù)，結(jié)合過(guò)濾算法，確認(rèn)為手指光斑，并結(jié)合校準(zhǔn)的投影區(qū)間坐標(biāo)，確認(rèn)出相對(duì)坐標(biāo)點(diǎn)。

圖4 算法流程

其中有幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)對(duì)算法非常重要。

2.2.1 投射比

投射比就是投射距離和畫面寬度之比。投射比大小不同意味著投影鏡頭和投影面的夾角是不同的，而攝像頭在不同夾角下，也會(huì)出現(xiàn)不同程度的畸變[4-5]。表3是經(jīng)過(guò)測(cè)試的參數(shù)數(shù)據(jù)對(duì)比。

表3 攝像頭不同鏡頭的視角

2.2.2 投影區(qū)間和手指區(qū)間

手指的相對(duì)坐標(biāo)是相對(duì)投影區(qū)間來(lái)，因此這兩個(gè)參數(shù)都是很關(guān)鍵的參數(shù)。

投影區(qū)間校準(zhǔn)：在成品出廠校準(zhǔn)中，要在校準(zhǔn)桌面上沒(méi)有放置任何物體，獲取到投影區(qū)間，記錄整個(gè)投影區(qū)間參數(shù)。

手指區(qū)間：在校準(zhǔn)界面中顯示9個(gè)圓點(diǎn)，分別分布在9個(gè)區(qū)域，手指一一點(diǎn)過(guò)，獲取到9個(gè)圓點(diǎn)坐標(biāo)，并記錄下手指光斑大小，作為坐標(biāo)定位精度判斷。

2.2.3 紅外光場(chǎng)與投影面的平行程度

算法是基于手指點(diǎn)觸整個(gè)投影儀面都是在手指統(tǒng)一高度基礎(chǔ)上。

假如出現(xiàn)光場(chǎng)上高下低的情況，此時(shí)獲取的光斑位置，在下面區(qū)域就是比實(shí)際的偏上，從而導(dǎo)致坐標(biāo)偏移。

因此，校準(zhǔn)光場(chǎng)平整度是非常重要的工序。一般的做法是在投影面4個(gè)角落的外邊沿，放置高度比光場(chǎng)屏幕略低的物體，當(dāng)出現(xiàn)光場(chǎng)不平整的現(xiàn)象時(shí)，在攝像頭畫面可以看到光斑，通過(guò)調(diào)焦紅外激光發(fā)射器結(jié)構(gòu)固定支架調(diào)整光場(chǎng)平面角度。

2.3 觸控方案的難點(diǎn)

2.3.1 紅外發(fā)射器的安裝平整度

由于觸控基于紅外攝像平面，如果平面和桌面不能保持平行，出現(xiàn)某個(gè)角度的傾斜，就導(dǎo)致解析出來(lái)的坐標(biāo)位置不準(zhǔn)確。而觸控最大的參數(shù)要求就是精確度。

另外對(duì)桌面也有要求，最理想的是一個(gè)白色平整的桌面，這樣對(duì)手指操作反饋以及攝像頭抓取圖像來(lái)說(shuō)都是有利的。因此最好是廠家設(shè)計(jì)統(tǒng)一的桌布，標(biāo)注好投影儀放置的位置，這樣才能得到最好的操作體驗(yàn)。

2.3.2 多點(diǎn)觸控

多點(diǎn)觸控的難點(diǎn)在于多指位置的判定，以及手指滑動(dòng)跟隨的流暢性。手機(jī)的觸控方案是由觸控IC直接解析，然后反饋給主系統(tǒng)，這樣響應(yīng)的頻率就可以達(dá)到很高。而紅外方案觸控是通過(guò)抓取紅外圖像，再利用圖像分析算法來(lái)做解析，整體的處理效率就會(huì)降低，且對(duì)CPU的處理能力要求較高，因此算法的優(yōu)化上難點(diǎn)較高。

2.4 觸控方案的應(yīng)用

2.4.1 系統(tǒng)界面操作

常規(guī)的電視和投影儀界面操作都是依賴于遙控器，交互性較弱。而直接通過(guò)紅外觸控，結(jié)合操作界面的模塊化，整體體驗(yàn)和使用手機(jī)或者平板電腦一致，如圖5所示，就是桌面觸控的實(shí)際使用場(chǎng)景。

圖5 桌面觸控實(shí)際場(chǎng)景

2.4.2 教育應(yīng)用

由于電子產(chǎn)品的普及，目前很多學(xué)生都離不開手機(jī)或者平板電腦，但由于手機(jī)和平板電腦的光線是直射入人眼的，因此長(zhǎng)期觀看，對(duì)人眼是有傷害的。而投影儀的光線是通過(guò)桌面或墻面漫反射成像原理，對(duì)人眼的傷害會(huì)減輕很多。

加入紅外觸控后，可以在手機(jī)和平板上寫字、畫畫、彈琴等教育應(yīng)用在投影儀上也同樣可以實(shí)現(xiàn)。

2.4.3 游戲娛樂(lè)

電視或者投影儀另外一個(gè)最大的功能就是娛樂(lè)性。

利用紅外觸控技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)和手機(jī)、平板電腦一樣的游戲體驗(yàn)，并且由于投影儀面積較大，整體操作體驗(yàn)會(huì)更好。

并且在桌面也同樣可以觀看電影視頻等，也能獲得良好的操作體驗(yàn)。

2.4.4 廚房應(yīng)用

現(xiàn)代人做飯往往都是根據(jù)美食家的做法來(lái)做，如果以前想一邊做飯一邊看視頻教程，往往很麻煩，屏幕小不說(shuō)，手上有水、油、面等東西時(shí)就無(wú)法操作平板，但有了桌面觸控投影儀，放在廚臺(tái)一側(cè)投影做菜視頻，即使手上有水有面，都能直接觸控操作，而且大屏看得更清楚。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著人機(jī)交互技術(shù)不斷地創(chuàng)新和發(fā)展，由于移動(dòng)設(shè)備使用最廣的觸控屏技術(shù)自身存在便攜性與顯示屏幕尺寸難以兼容的不足，因此觸控投影系統(tǒng)在人機(jī)交互領(lǐng)域的研究日益得到關(guān)注[6]。該文的目的是通過(guò)紅外光場(chǎng)、攝像頭和投影儀組成的系統(tǒng)，利用圖像算法分析的方法，將任意一個(gè)平面變?yōu)橐粋€(gè)觸摸屏。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了單點(diǎn)和多點(diǎn)觸控的功能，得到了類似與手機(jī)觸摸屏的操作體驗(yàn)。

目前的桌面觸控在一定程度上改善了人機(jī)交互的體驗(yàn)，但是仍存在一定的技術(shù)壁壘。紅外觸控對(duì)激光發(fā)射器平整度的要求很高，因此在量產(chǎn)試制中，需要投入很大的人力用于校準(zhǔn)光場(chǎng)的平整度。且對(duì)終端用戶，對(duì)桌面的面積及平整度也是有要求的。另外手指操作的跟隨性也是很大一個(gè)壁壘，在觸控響應(yīng)時(shí)間上仍與手機(jī)觸控屏有一定的差距。

未來(lái)隨著技術(shù)的發(fā)展，光機(jī)亮度有了新的突破，且出現(xiàn)新的觸控技術(shù)，彌補(bǔ)目前的局限性，這樣用戶就能得到完美的體驗(yàn)。并可能結(jié)合AR、VR等技術(shù)，給用戶提供全息投影的優(yōu)質(zhì)體驗(yàn)。