陳晟

（麥克賽爾數(shù)字映像（中國(guó)）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(huì)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(gè)大屏幕、交互式的協(xié)作會(huì)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(lái)實(shí)現(xiàn)與計(jì)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(shí)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(shí)時(shí)采集投影大屏幕的圖像信息，并通過(guò)圖像處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)定位筆精確定位。該技術(shù)無(wú)需搭配專用屏幕，甚至可以利用普通墻面來(lái)實(shí)現(xiàn)大畫面投影顯示和交互操作。

評(píng)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(duì)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(píng)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(duì)提升用戶交互體驗(yàn)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(gè)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(chǎng)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(gè)像素對(duì)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(méi)有對(duì)應(yīng)的投射畫面像素。當(dāng)定位筆的移動(dòng)光點(diǎn)在投影畫面內(nèi)出現(xiàn)時(shí)，光點(diǎn)實(shí)時(shí)位置將對(duì)應(yīng)一個(gè)圖像傳感器的像素位置，并映射到投射畫面的一個(gè)像素點(diǎn)或像素區(qū)域，從而實(shí)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(shí)，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(jì)

設(shè)計(jì)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(lái)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(shí)，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(jì)恰當(dāng)?shù)腇 值。同時(shí)要求根據(jù)圖像傳感器的尺寸設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)。一般來(lái)說(shuō)，為了使成像梯形左右對(duì)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(jì)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(duì)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(shí)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(jià)比高的CMOS 圖像傳感器來(lái)替代應(yīng)用設(shè)計(jì)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(shí)，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(shí)，理論上可以實(shí)現(xiàn)“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”的0 偏差精確定位，但因?yàn)槌上袷д?、補(bǔ)償算法誤差等原因難以實(shí)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(diǎn)，即當(dāng)交互筆尖觸碰到屏幕上某個(gè)顯示像素時(shí)，通過(guò)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(gè)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(yàn)。我們可以從硬件選擇和軟件優(yōu)化這兩個(gè)方面提升交互響應(yīng)速度。

2.1 硬件選擇

通過(guò)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(shí)，高幀率圖像傳感器有利于連續(xù)、快速地捕捉高速移動(dòng)的定位筆光點(diǎn)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(guò)增大定位筆光點(diǎn)亮度，從而減少曝光時(shí)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(méi)有對(duì)應(yīng)的投射畫面像素，屏蔽這些無(wú)用區(qū)域，將大大減少數(shù)據(jù)處理量。其次，通過(guò)設(shè)置恰當(dāng)?shù)墓恻c(diǎn)閾值，僅傳送超過(guò)閾值的有效數(shù)據(jù)，可以減少因光噪聲等引起的無(wú)用數(shù)據(jù)處理量。另外，對(duì)串行數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，即在存儲(chǔ)1 幀的圖像數(shù)據(jù)之后才執(zhí)行光點(diǎn)信息標(biāo)簽化處理，優(yōu)化為在獲取圖像數(shù)據(jù)的同時(shí)，并行地進(jìn)行光點(diǎn)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(chǎng)合中，有時(shí)會(huì)有強(qiáng)光（如日光）照射在投影屏幕上，有時(shí)現(xiàn)場(chǎng)還會(huì)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(cuò)誤，出現(xiàn)不受控制的鼠標(biāo)移動(dòng)或紊亂筆畫。下面將詳細(xì)說(shuō)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(jì)

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(diǎn)位置。但是，為了實(shí)現(xiàn)定位的自動(dòng)校正，攝像頭還要能拍攝可見(jiàn)光的校正畫面。因此需要設(shè)計(jì)可切換IR 濾片和可見(jiàn)光濾片的電子快門。IR 濾片波長(zhǎng)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(yáng)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(zhǎng)可選擇940 nm，以減小外光的影響。可見(jiàn)光濾片如果選擇通過(guò)紅色可見(jiàn)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(zhǎng)的其他設(shè)備的干擾？一種有效的方法是對(duì)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(shí)圖像傳感器的幀率需要倍增。為了實(shí)現(xiàn)定位筆紅外光與圖像傳感器幀率同步，需要用無(wú)線的方式來(lái)控制移動(dòng)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(hào)。

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?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)人員佩戴的反光物品（如手表）的晃動(dòng)反射強(qiáng)光，或物體快速移動(dòng)時(shí)對(duì)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(huì)造成類似問(wèn)題，從而導(dǎo)致系統(tǒng)誤判。為了應(yīng)對(duì)此類同步控制無(wú)法解決的問(wèn)題，需要對(duì)光點(diǎn)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(diǎn)的定義可以包含光點(diǎn)大小、橫縱比、圓度、空心率等。實(shí)際應(yīng)用中完全消除外光干擾幾乎是不可能的，但通過(guò)以上軟硬件的改進(jìn)對(duì)策，可以大大減少外光干擾引起的誤動(dòng)作。

4 提升交互體驗(yàn)——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(yàn)。

4.1 實(shí)現(xiàn)方式

通常紅外激光二級(jí)管可以輸出指向性良好的點(diǎn)狀光束。該光束從頂端照射到反射圓錐體上時(shí)，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(shí)，激光幕被遮擋反射，形成與定位筆類似的紅外光點(diǎn)，即可實(shí)現(xiàn)手指觸控的互動(dòng)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(jí)管的功率，但有時(shí)產(chǎn)品會(huì)受到激光功率分類的限制。一種解決方法是將兩個(gè)或兩個(gè)以上的激光二級(jí)管形成的多個(gè)激光扇面拼成一個(gè)激光幕。適用于紅外定位筆的抗外光干擾的對(duì)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(hào)，經(jīng)由USB 線纜輸出到激光幕發(fā)生器，實(shí)現(xiàn)激光幕的同步閃爍。

5 結(jié)束語(yǔ)

交互投影一體機(jī)在大尺寸交互顯示方面相對(duì)于交互式電子白板和交互平板一體機(jī)具有明顯的價(jià)格優(yōu)勢(shì)。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(yàn)效果將會(huì)進(jìn)一步得到提升。在不久的將來(lái)，用最自然的人機(jī)交互方式來(lái)精確控制身邊的設(shè)備，也許將成為現(xiàn)實(shí)。