激光投影系统设计

周平，任宣玮，吴静，肖立亮，吕勇

（北京信息科技大学仪器科学与光电工程学院，北京 100192）

激光投影系统设计

周平，任宣玮，吴静，肖立亮，吕勇

（北京信息科技大学仪器科学与光电工程学院，北京 100192）

0　引言

目前各种投影技术的发展日新月异，但以普通光源作为投影光源依然满足不了人们的要求，一般情况下，以传统光源作为投影光源会受到各个因素的制约，特别是普通光源颜色分布不均匀，投影色彩效果不理想。激光作为投影光源与其他发光光源有所不同，其单色性好，方向性强，同时，激光能量相对集中、寿命长、效率高和节能等的特点使其在激光投影等各个领域拥有广阔的应用前景。

本文介绍的激光投影系统将需要显示的图像采集和图像处理后改变光斑在屏幕上的位置，进而实现投影图像轮廓的显示。在显示投影之前，系统需要通过上位机软件将采集到的图片进行灰度化、二值化处理获取二值图像，再对二值图像轮廓提取，最后利用轮廓跟踪算法将图像轮廓的有序数据发送DSP微处理器，DSP微处理器通过控制振镜实现光斑在屏幕上运动，最终实现投影图像的轮廓显示。

1　系统概述

激光投影系统一般采用两种方式：一种采用面阵空间光调制器的激光投影方式，另一种采用扫描式激光投影显示方式，比较两者的优缺点以及实验的条件，本系统采用扫描方式完成设计。

扫描方式的激光投影通过改变激光光斑的位置，并根据人眼的视觉效应，从而能够看到整个图像。该种方式对于扫描的速度要求较高，因此设计采用高数据处理能力的DSP完成图像投影。系统结构如图1所示：

图1　系统整体结构

该系统主要由三部分组成，分别为：上位机软件、DSP微处理器以及扫描振镜。上位机主要负责将输入图像灰度化、二值化、轮廓提取、轮廓跟踪数字图像处理，最后将“有序”坐标数据通过串口发送到DSP微处理器。

DSP微处理器主要将上位机传送的数据保存起来并开始等待上位机控制命令，接收到命令后，DSP微处理器则将存储的坐标数据传送至扫描振镜，扫描振镜通过DA采集卡将坐标数据转化为相应的角度坐标，进而改变激光光斑的不同位置，实现静态图像、动态图像的演示。

2　上位机软件设计

上位机软件采用C#设计，根据各个功能的不同分为：图像处理区、图像预览区、基本设置和信息发送区，如图2所示：

图2　上位机用户软件设计

图像预览区将处理后的图片在功能区显示，能够直观地观察处理后图片效果，并调整算法。串口及投影区是将处理后的图像数据以串口的方式发送到DSP微处理器中，包括：串口的设置、串口使能、发送和接收区以及数据的传送等几个部分。串口命令控制区则主要通过串口发送控制命令，进而实现DSP微处理器相应控制。

上位机软件不仅能够对采集到的图像数字化处理，兼有串口发送数据的功能，同时该软件的结构设计使得整个系统操作简单、方便，易于处理和控制整个系统的运行。

3　DSP微处理器软件设计

系统采用TI公司推出的TMS320F2812的32位定点DSP微处理器，这使得系统处理数据的能力大大提高。DSP微处理器是整个系统的控制核心，其将上位机软件发送的图像数据信息保存起来并等待开始命令，接收到命令后，DSP微处理器将保存的数据经过D/A卡转换为模拟信号后控制扫描振镜扫描，最终实现投影图像的显示。DSP微处理器工作流程图如图3所示：

图3　DSP微处理器流程图

4　数字图像处理

系统要获得输入图像的轮廓，首先需要对图像进行灰度化、二值化、轮廓提取以及轮廓跟踪等数字图像处理，经过图像处理后即可获得输入图像的轮廓数据信息，且这些数据“有序”，然后通过串口将这些“有序”的数据发送给DSP微处理器。

4.1灰度化

图像灰度化就是将彩色图像处理后转化为每个像素只有一个采样颜色的图像，即灰度图像；彩色图像每个像素是由R（红）、G（绿）、B（蓝）三个分量的亮度构成，三个分量的亮度取值范围为：0～255，三个分量不同值的不同组合便组成了彩色图像，相同值的组合便显示为灰度图像。图像灰度化好处在于能够加快数据的处理速度，方便后续图像的处理。图像灰度化一般有三种方法：加权平均法、最大值法和平均值法。本设计中采用加权平均法实现图像的灰度处理。

4.2二值化

图像二值化处理就是将一幅彩色或灰度图像转化为只有黑白两种颜色的图像。激光投影系统采用迭代法阈值分割实现，其基本思想是先选择一个作为最初开始的阈值，然后按照某种策略不断地改这个阈值，当计算出的这个阈值满足最初设定要求，则停止计算，该阈值的最终值即为阈值。

4.3轮廓提取

图像的轮廓能够反映一幅图像的很多信息，通过对图像轮廓提取，我们可以方便、简单地获取图像的大部分信息，从而完成对目标的识别或检测。

在轮廓提取中，比较常用的方法有模版算子提取法和“挖空法”。模版算子提取法通过对图像处理，一般获取的图像平滑性较好，而且检测的效果也相对较好，但处理后的图像轮廓不是所需要的单像素宽度，而且有些算子不能提供方向信息，因此本文采用另外一种算法：“挖空法”。

“挖空法”用于二值图像非常简单，就是将一幅二值图像的内部“挖空”：如果在原图像中检测到某一个点为黑色，然后对其周围8个点判断，如果8个点均为黑色，则删除该点。

4.4轮廓跟踪

轮廓跟踪算法将图像轮廓提取后的图像按一定的顺序“连接”起来，轮廓跟踪一般根据一定的“查询原则”找到目标轮廓上的第一个像素点，然后以这个像素点为起始点，按照一定的跟踪原则找到轮廓其他像素点。

5　激光投影系统搭建及结果

结合该系统设计理论分析，搭建了一套基于扫描的激光投影系统，系统原理图如图4所示。

图（a）为扫描振镜实物图，两扫描振镜分别负责行扫描和场扫描。图（b）DSP微处理器及其外围连线，分别与PC、振镜相连。

从图6、7中可以看出，基于DSP的激光投影系统设计实现了图像以及文字的显示。

图4　实验系统原理图

图5　实验系统实物图

实验结果如图6所示：

图6　人物图像投影显示

图7　文字图像投影显示

6　结语

本文设计了上位机软件、DSP微处理器以及扫描振镜为一体的激光投影系统；上位机完成了对投影图像的输入、处理及串口发送数据功能，DSP微处理器完成了对数据、命令的识别以及振镜的控制，进而控制激光光斑位置的改变，实现对输入图像的投影。从整体来看，该系统有以下特点：

（1）利用激光的优势初步实现了图像投影，为后续激光投影的研究奠定了一定的基础。

（2）设计了上位机软件，利用PC操作方便灵活的特点完成对整个系统的控制。

系统目前还只能对矢量图像处理，对于较为复杂的图像，图像处理效果较差，因此我们将对复杂图像投影显示、RGB混色实现彩色图像投影进一步研究。

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DSP Microprocessor；Contour Extraction；Contour Tracking；Laser Projection

Design of Laser Projection System

ZHOU Ping，REN Xuan-wei，WU Jing，XIAO Li-liang，LV Yong
（School of Instrument Science and opto Electronics Engineering，Beijing Information Science and Technology University，Beijing 100192）

1007-1423（2015）36-0030-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.36.007

周平（1990-），男，河南开封人，研究生

2015-11-10

2015-12-10

投影技术发展日新月异，但以普通光源作为投影光源依然满足不了人们的要求，激光单色性好、能量集中等特点使其在激光投影等各个领域拥有广阔的应用前景。所设计激光投影系统主要以DSP微处理器为控制核心，上位机软件图像处理数据为信号源，激光作为投影光源，实现对输入图像轮廓的投影显示。系统主要分为三部分：上位机软件、DSP微处理器以及扫描振镜；上位机软件采用C#编程实现输入图像的轮廓提取以及串口发送功能，DSP微处理器则通过控制扫描振镜完成图像的显示。

DSP微处理器；轮廓提取；轮廓跟踪；激光投影

大学生科技创新计划项目支持、研究生科技创新计划项目支持

Projection technology is developing rapidly，but ordinary projection light source still cannot meet people's demands；laser has monochrome and its energy is concentrated which makes it applied in the fields of laser projection.The laser projection system uses DSP microprocessor as the control of core，PC software which is to process image data as the signal source and a laser as projection light source to achieve the contour of input image display.The system includes three parts:PC software，DSP microprocessors and scanning galvanometer；PC software uses C#programming to obtain the contour extraction of the image and transmit data through serial port；DSP microprocessor completes images display by controlling the scanning galvanometer.