一种基于红外光场—摄像头的投影触控系统

颜永清

（厦门信泰思科技有限公司，福建 厦门 361000）

0 前言

随着近几年智能电视的流行，智能微型投影仪也开始在家庭中流行。随着价格的降低及亮度的提升，投影仪逐渐替代电视机，国内智能微投市场呈爆发式的增长[2]。由于微型投影仪具有便携性和亮度的互斥性，导致亮度无法突破电视机的门限，因此在白天，很难有电视机的观影效果。

投影仪对标的目标是电视机，而电视机对新生代来说，并不是必需品，这就是投影仪和电视机的痛点。而这个痛点的本质原因应该来源于人与投影仪没有直接的交互，虽然我们可以通过遥控器控制投影仪，但是没有像手机一样通过手指滑动的直接反馈。智能手机的流程依赖于它的便携性和交互性，如果投影仪可以达到智能手机的便携性和交互性，那么投影仪必然是下一个爆款。

基于传统智能微型投影仪的痛点，该文提出了桌面投影仪整体方案，来进一步优化投影仪的交互体验。

1 系统框架

1.1 基础原理

智能手机最大的交互媒介是触摸屏，桌面触控交互方案是一套基于红外触控扫描的方案。

原理是在投影仪的底部略高于桌面的位置，放置一个红外激光发射器，向外发射大广角面的红外射线。在光机镜头的旁边，有一个红外摄像头，用于捕捉整个投影的画面。在红外摄像头镜头中，投影仪的画面是一个黑色的区域。当手指或者其他物体放入红外摄像区域时，从红外摄像头观察，物体是一个亮斑。通过分析红外图像，分析亮斑的面积大小和个数、位置，判断是否是手指在投影区域内以及手指的个数。

1.2 硬件框架

图1 为触控方案系统框图，主要由红外激光器、红外摄像头、主系统和DLP投影系统组成。该文采用基于DLP（Digital Light Procession）技术的超短焦投影仪，通过投影仪系统将画面投射在桌面[3]，由摄像头捕捉在投影屏幕上的画面图像，摄像头和主系统采用USB接口通信，主系统获取摄像头中的图像数据，依靠主系统CPU的运算处理能力，通过算法进行分析，获取到手指触控的相对坐标位置，再上报响应的按键值给主系统。

图1 触控方案系统框图

1.3 红外激光发射器参数规格

1.3.1 红外激光发射器参数

表1是红外激光发射器规格参数，其中激光器角度是180°是很关键的参数指标，涉及触控触控尺寸大小。桌面尺寸限制主要是由于红外光场的发射功率达到一定距离后会衰减导致的。触控精准度决定了实际的坐标偏移的精度。工作电压3.3V能满足常用的嵌入式设备供电电压。

表1 红外激光发射器规格参数

1.3.2 红外激光发射器原理

图2是激光器剖面图，上面斜线区域就是红外发生器。下方锥形位置是激光发射锥面。激光器的原理是通过上方的红外发生器发射出红外波，打在下方红色区域的锥面上，发射出平行与地面的180°红外摄像平面。

图2 激光器剖面图

1.3.3 激光器的注意事项

激光器需要和投影画面在同一水平面上并放在投影画面中间位置上方，让激光平均分布在投影画面上方平行距离3mm。

激光器固定时，激光头底面需要离开桌面结构0.2mm～0.3mm。

激光器安装位置距离投影画面上边缘5cm～10cm（具体根据投影画面大小）。

1.4 摄像头模组参数规格

1.4.1 摄像头参数

表2是摄像头参数，其中输出格式和分辨率是基于通用性以及成本和性能的考虑，而刷新率120Hz，是很重要的参数，其中涉及触控的跟随性，后面的章节会详细描述。投射比是在实际测试验证中可以达到的数值。

表2 摄像头参数

1.4.2 摄像头注意事项

要对准投影画面拍摄（摄像头拍摄的投影图像在定位软件界面中占60%以上），拍摄的投影画面处于软件界面正中间时的摄像头位置是其安装最佳位置。如图3所示。

定位软件里面拍摄到的投影画面显示宽度h1，定位软件黑色区域界面宽度h2；当h1/h2≥0.44，且定位软件拍摄的显示画面不超过黑色矩形窗口区域。即为合格。

2 算法原理

2.1 图像分析原理

当摄像头开启红外模式时，由于投影画面的亮度高于周围的亮度，从红外摄像头看到的画面，投影画面区域是偏灰的，而周围的画面则是黑色，如图3所示。当一根手指穿过红外光场时，这部分的投影画面被遮挡了，亮度下降，此时，从摄像头看到的就是一个黑色的光斑。如果是多个手指穿过的话，就会呈现出多个黑色光斑。而相对投影画面区域，就可以得到相对坐标位置。通过整个投影画面区域可以定义投影分辨率大小值，而根据相对坐标位置关系，就可以得到手指触控的具体相对坐标值。

图3 摄像头位置和成像区域

2.2 算法原理

图4是算法流程，算法原理是先通过摄像头实时获取到图像数据，分析每帧图像中在投影画面区域内是否出现光斑，结合通过校准保存的投影成像区域以及手指光斑尺寸、投影仪投射比参数，结合过滤算法，确认为手指光斑，并结合校准的投影区间坐标，确认出相对坐标点。

图4 算法流程

其中有几个关键参数对算法非常重要。

2.2.1 投射比

投射比就是投射距离和画面宽度之比。投射比大小不同意味着投影镜头和投影面的夹角是不同的，而摄像头在不同夹角下，也会出现不同程度的畸变[4-5]。表3是经过测试的参数数据对比。

表3 摄像头不同镜头的视角

2.2.2 投影区间和手指区间

手指的相对坐标是相对投影区间来，因此这两个参数都是很关键的参数。

投影区间校准：在成品出厂校准中，要在校准桌面上没有放置任何物体，获取到投影区间，记录整个投影区间参数。

手指区间：在校准界面中显示9个圆点，分别分布在9个区域，手指一一点过，获取到9个圆点坐标，并记录下手指光斑大小，作为坐标定位精度判断。

2.2.3 红外光场与投影面的平行程度

算法是基于手指点触整个投影仪面都是在手指统一高度基础上。

假如出现光场上高下低的情况，此时获取的光斑位置，在下面区域就是比实际的偏上，从而导致坐标偏移。

因此，校准光场平整度是非常重要的工序。一般的做法是在投影面4个角落的外边沿，放置高度比光场屏幕略低的物体，当出现光场不平整的现象时，在摄像头画面可以看到光斑，通过调焦红外激光发射器结构固定支架调整光场平面角度。

2.3 触控方案的难点

2.3.1 红外发射器的安装平整度

由于触控基于红外摄像平面，如果平面和桌面不能保持平行，出现某个角度的倾斜，就导致解析出来的坐标位置不准确。而触控最大的参数要求就是精确度。

另外对桌面也有要求，最理想的是一个白色平整的桌面，这样对手指操作反馈以及摄像头抓取图像来说都是有利的。因此最好是厂家设计统一的桌布，标注好投影仪放置的位置，这样才能得到最好的操作体验。

2.3.2 多点触控

多点触控的难点在于多指位置的判定，以及手指滑动跟随的流畅性。手机的触控方案是由触控IC直接解析，然后反馈给主系统，这样响应的频率就可以达到很高。而红外方案触控是通过抓取红外图像，再利用图像分析算法来做解析，整体的处理效率就会降低，且对CPU的处理能力要求较高，因此算法的优化上难点较高。

2.4 触控方案的应用

2.4.1 系统界面操作

常规的电视和投影仪界面操作都是依赖于遥控器，交互性较弱。而直接通过红外触控，结合操作界面的模块化，整体体验和使用手机或者平板电脑一致，如图5所示，就是桌面触控的实际使用场景。

图5 桌面触控实际场景

2.4.2 教育应用

由于电子产品的普及，目前很多学生都离不开手机或者平板电脑，但由于手机和平板电脑的光线是直射入人眼的，因此长期观看，对人眼是有伤害的。而投影仪的光线是通过桌面或墙面漫反射成像原理，对人眼的伤害会减轻很多。

加入红外触控后，可以在手机和平板上写字、画画、弹琴等教育应用在投影仪上也同样可以实现。

2.4.3 游戏娱乐

电视或者投影仪另外一个最大的功能就是娱乐性。

利用红外触控技术，可以实现和手机、平板电脑一样的游戏体验，并且由于投影仪面积较大，整体操作体验会更好。

并且在桌面也同样可以观看电影视频等，也能获得良好的操作体验。

2.4.4 厨房应用

现代人做饭往往都是根据美食家的做法来做，如果以前想一边做饭一边看视频教程，往往很麻烦，屏幕小不说，手上有水、油、面等东西时就无法操作平板，但有了桌面触控投影仪，放在厨台一侧投影做菜视频，即使手上有水有面，都能直接触控操作，而且大屏看得更清楚。

3 结语

随着人机交互技术不断地创新和发展，由于移动设备使用最广的触控屏技术自身存在便携性与显示屏幕尺寸难以兼容的不足，因此触控投影系统在人机交互领域的研究日益得到关注[6]。该文的目的是通过红外光场、摄像头和投影仪组成的系统，利用图像算法分析的方法，将任意一个平面变为一个触摸屏。该系统实现了单点和多点触控的功能，得到了类似与手机触摸屏的操作体验。

目前的桌面触控在一定程度上改善了人机交互的体验，但是仍存在一定的技术壁垒。红外触控对激光发射器平整度的要求很高，因此在量产试制中，需要投入很大的人力用于校准光场的平整度。且对终端用户，对桌面的面积及平整度也是有要求的。另外手指操作的跟随性也是很大一个壁垒，在触控响应时间上仍与手机触控屏有一定的差距。

未来随着技术的发展，光机亮度有了新的突破，且出现新的触控技术，弥补目前的局限性，这样用户就能得到完美的体验。并可能结合AR、VR等技术，给用户提供全息投影的优质体验。