李峻

摘要：為實(shí)現(xiàn)投影機(jī)無(wú)感自動(dòng)對(duì)焦及改善對(duì)焦準(zhǔn)確度，提出了一種基于投影距離的專用對(duì)焦數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行自 動(dòng)對(duì)焦的方法。觸發(fā)自動(dòng)對(duì)焦進(jìn)程時(shí)，投影機(jī)讀取數(shù)據(jù)庫(kù)中相應(yīng)投影距離的對(duì)焦數(shù)據(jù)后驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)完成 自動(dòng)對(duì)焦，快速完成無(wú)感對(duì)焦；對(duì)應(yīng)不同投影距離的專用對(duì)焦數(shù)據(jù)，支持了投影機(jī)個(gè)體的準(zhǔn)確對(duì)焦；取消 攝像頭，降低了對(duì)焦系統(tǒng)的成本。

關(guān)鍵詞：投影機(jī)；自動(dòng)對(duì)焦；測(cè)距傳感器；數(shù)據(jù)庫(kù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TN247；TP391.41文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

為得到清晰的投影圖像，在投影機(jī)使用中需要 對(duì)鏡頭焦距進(jìn)行調(diào)節(jié)，投影機(jī)的調(diào)焦有 3 種方式： 手動(dòng)調(diào)焦、電動(dòng)調(diào)焦和自動(dòng)調(diào)焦。其中，手動(dòng)調(diào)焦 方式在投影機(jī)吊裝或距離較遠(yuǎn)時(shí)受限嚴(yán)重；電動(dòng)調(diào) 焦方式是通過(guò)用戶主觀判斷調(diào)焦的最佳位置，使用 時(shí)受光線、判斷誤差等影響，對(duì)焦不易調(diào)整至最佳 位置。因此在投影領(lǐng)域有導(dǎo)入條件的投影產(chǎn)品，均 采用了自動(dòng)對(duì)焦方式。投影機(jī)自動(dòng)對(duì)焦方式分為： 攝像頭自動(dòng)對(duì)焦 [1]、傳感器測(cè)距法自動(dòng)對(duì)焦 [2]、傳 感器測(cè)距 + 攝像頭自動(dòng)對(duì)焦。攝像頭自動(dòng)對(duì)焦方式 是通過(guò)攝像頭抓取不同焦距的圖像進(jìn)行對(duì)比度或頻 譜的反復(fù)比較，用逼近法找到投影圖像最清晰的位 置，該方式過(guò)程復(fù)雜、計(jì)算量大、對(duì)焦時(shí)間長(zhǎng)；傳 感器測(cè)距法自動(dòng)對(duì)焦方式是相同投影距離的整機(jī)調(diào) 用同一個(gè)焦距值，導(dǎo)致部分投影機(jī)存在對(duì)焦不準(zhǔn)確 的現(xiàn)象；傳感器測(cè)距 + 攝像頭自動(dòng)對(duì)焦方式是先通 過(guò)測(cè)距將鏡頭粗調(diào)到大致聚焦位置，再使用攝像頭 確認(rèn)投影圖像最清晰位置，但這種方式存在圖像的 反復(fù)對(duì)比和對(duì)焦時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題，同時(shí)采用攝像頭也 增加了使用成本。

針對(duì)傳統(tǒng)自動(dòng)對(duì)焦方式存在對(duì)焦速度慢、對(duì)焦 不準(zhǔn)確的問(wèn)題，本文提出了一種基于自動(dòng)對(duì)焦數(shù)據(jù) 庫(kù)的投影機(jī)自動(dòng)對(duì)焦方法，使用該方法可使對(duì)焦更 準(zhǔn)確且極大縮短了對(duì)焦時(shí)間。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

投影機(jī)自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)由主控制器、存儲(chǔ)器、步 進(jìn)電機(jī) [3]、光機(jī)變焦鏡頭、測(cè)距傳感器、姿態(tài)傳感 器和遙控器等組成，如圖 1 所示。

其中，測(cè)距傳感器檢測(cè)投影距離；姿態(tài)傳感器 監(jiān)測(cè)投影機(jī)的移動(dòng)；遙控器發(fā)送自動(dòng)對(duì)焦等遙控碼； 存儲(chǔ)器存儲(chǔ)操作系統(tǒng)、軟件程序、數(shù)據(jù)及自動(dòng)對(duì)焦 的各數(shù)據(jù)子庫(kù)；步進(jìn)電機(jī)正向或反向轉(zhuǎn)動(dòng)改變鏡頭焦距；主控制器運(yùn)行軟件系統(tǒng)、查詢各功能模塊狀 態(tài)及數(shù)據(jù)、接收輸入并輸出控制信號(hào)。

在開(kāi)機(jī)過(guò)程、監(jiān)測(cè)到投影機(jī)移動(dòng)或者收到遙控 器自動(dòng)對(duì)焦指令時(shí)，觸發(fā)主控制器的自動(dòng)對(duì)焦進(jìn) 程。同時(shí)主控制器接收傳感器檢測(cè)到的距離數(shù)據(jù)， 并查詢存儲(chǔ)器中該距離的步進(jìn)電機(jī)相對(duì)于零點(diǎn)的步 數(shù)值（電機(jī)絕對(duì)步數(shù)值）數(shù)據(jù)，然后主控制器驅(qū)動(dòng) 步進(jìn)電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)到零位，再驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按查詢 到的步數(shù)值正向轉(zhuǎn)動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)光機(jī)的 變焦鏡頭移動(dòng)，最后變焦鏡頭通過(guò)移動(dòng)調(diào)整焦距獲 得清晰的投影圖像，完成自動(dòng)對(duì)焦。

2 測(cè)距傳感器

測(cè)距傳感器使用飛行時(shí)間（time of light，ToF） 傳感器。ToF 傳感器可發(fā)射和接收紅外激光，通 過(guò)計(jì)算光線發(fā)射和反射之間的時(shí)間差或相位差， 計(jì)算投影機(jī)和投影面之間的距離，其計(jì)算公式 如下：

L=tc/2。 （1）

其中，L 為投影機(jī)到投影面的距離，t 為激光往返 空間距離的時(shí)間間隔，c 為光速。

ToF 傳感器采用 ST 公司的 VL53L3CX，該傳 感器具有體積小、集成微控制器（microcontroller unit，MCU）和存儲(chǔ)器、精度高、配備標(biāo)準(zhǔn)集成電 路總線（inter-integrated circuit，IIC）接口、完整的 視場(chǎng)角（field of view，F(xiàn)oV）等特點(diǎn)。

如果機(jī)殼上裝配有透鏡，需要按設(shè)計(jì)指導(dǎo)手冊(cè) 控制透鏡的厚度、潔凈度和 ToF 傳感器到透鏡的距 離，并且紅外激光的發(fā)射和接收端需加泡沫墊進(jìn)行 有效隔離，避免測(cè)距不準(zhǔn)。

3 姿態(tài)傳感器

姿態(tài)傳感器是基于微機(jī)電系統(tǒng)（micro electro mechanical system，MEMS）技術(shù)的高性能三維運(yùn) 動(dòng)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)，可以偵測(cè)設(shè)備的傾斜、運(yùn)動(dòng)、靜 止和震動(dòng)。本文采用博世有限公司的 3 軸傳感器 BMA253，其具有集成度高、體積小、寬電源、配 備串行外設(shè)接口（serial peripheral interface，SPI） 和低功耗等特點(diǎn)。

軟件需要調(diào)整傳感器來(lái)偵測(cè)移動(dòng)及旋轉(zhuǎn)后的動(dòng) 作閾值，減弱音量較大引起的整機(jī)小幅震動(dòng)，避免 誤觸發(fā)投影機(jī)的自動(dòng)對(duì)焦進(jìn)程，影響用戶體驗(yàn)。

4 自動(dòng)對(duì)焦數(shù)據(jù)庫(kù)各數(shù)據(jù)子庫(kù)的建立

本文介紹的自動(dòng)對(duì)焦方法，關(guān)鍵在于該對(duì)焦方 法所依托的數(shù)據(jù)庫(kù)。該數(shù)據(jù)庫(kù)包含 4 個(gè)數(shù)據(jù)子庫(kù)： 投影距離基礎(chǔ)數(shù)據(jù)子庫(kù)、步進(jìn)電機(jī)步數(shù)通用數(shù)據(jù)子 庫(kù)、步進(jìn)電機(jī)步數(shù)專用數(shù)據(jù)子庫(kù)和步進(jìn)電機(jī)步數(shù)用 戶數(shù)據(jù)子庫(kù)。建立數(shù)據(jù)子庫(kù)需要專用調(diào)試設(shè)備，自 動(dòng)對(duì)焦調(diào)試設(shè)備系統(tǒng)如圖 2 所示。

專用調(diào)試設(shè)備包含計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、攝像機(jī)、投影 機(jī)及投影屏。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制投影機(jī)移動(dòng)獲得需要 的投影距離，并通過(guò)串口通信從投影機(jī)詢問(wèn)不同投 影距離對(duì)應(yīng)的測(cè)距傳感器的測(cè)距值；接收攝像機(jī) 攝取的投影圖像并判斷圖像是否清晰和對(duì)焦是否 準(zhǔn)確。

4.1 建立投影距離基礎(chǔ)數(shù)據(jù)子庫(kù)

投影距離基礎(chǔ)數(shù)據(jù)子庫(kù)包含了特定機(jī)型的實(shí)際 投影距離和傳感器測(cè)距值之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。如圖 2 所示，將 x 臺(tái)樣品投影機(jī)分別放置在 n 個(gè)不同投影距離，傳感器獲得對(duì)應(yīng)位置的測(cè)量值 a1 ～ xn，如表 1 所示。

基于每個(gè)距離的多臺(tái)測(cè)量值 a1 ～ x1，……，an ～ xn 分別計(jì)算平均值得到該投影距離 20 cm，……，Ln cm 的測(cè)距傳感器測(cè)距值；相鄰兩個(gè)投影距離之間各距 離所對(duì)應(yīng)的測(cè)距值由插值法生成填充；不同投影距 離的傳感器測(cè)距對(duì)應(yīng)值及兩者的插值構(gòu)成投影距離 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)子庫(kù)。

4.2 建立步進(jìn)電機(jī)步數(shù)通用數(shù)據(jù)子庫(kù)

步進(jìn)電機(jī)步數(shù)通用數(shù)據(jù)子庫(kù)包含了特定機(jī)型的 實(shí)際投影距離和準(zhǔn)確對(duì)焦的電機(jī)絕對(duì)步數(shù)值之間的 對(duì)應(yīng)關(guān)系。如圖 2 所示，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制投影機(jī)移 動(dòng)，并從投影機(jī)查詢不同投影距離傳感器的測(cè)距值 及通過(guò)攝像機(jī)圖像判斷正確對(duì)焦的電機(jī)絕對(duì)步數(shù) 值；將 X 臺(tái)樣品投影機(jī)分別放置在 n 個(gè)不同投影距 離，調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)獲得對(duì)應(yīng)位置準(zhǔn)確對(duì)焦的步數(shù)值 A1 ～ Xn，如表 2 所示。

基于每個(gè)距離的多臺(tái)對(duì)焦步數(shù)值 A1 ～ X1，……， An ～ Xn 分別計(jì)算平均值得到該投影距離 20 cm，……， Ln cm 的步進(jìn)電機(jī)步數(shù)值；相鄰?fù)队熬嚯x之間不同 距離的步進(jìn)電機(jī)步數(shù)值由插值法生成填充；不同投 影距離的步進(jìn)電機(jī)步數(shù)值及兩者的插值構(gòu)成步進(jìn)電 機(jī)步數(shù)通用數(shù)據(jù)子庫(kù)。此數(shù)據(jù)子庫(kù)適用于該投影機(jī) 型號(hào)的所有整機(jī)，是專用數(shù)據(jù)子庫(kù)的構(gòu)成基礎(chǔ)，該 子庫(kù)在研發(fā)試制階段完成并存儲(chǔ)在每臺(tái)整機(jī)中，用 戶無(wú)法刪除。

4.3 建立步進(jìn)電機(jī)步數(shù)專用數(shù)據(jù)子庫(kù)

步進(jìn)電機(jī)步數(shù)專用數(shù)據(jù)子庫(kù)包含生產(chǎn)調(diào)試階段 后的投影機(jī)個(gè)體、實(shí)際投影距離和準(zhǔn)確對(duì)焦的步進(jìn) 電機(jī)絕對(duì)步數(shù)值之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。如圖 2 所示，在 生產(chǎn)階段被調(diào)試的投影機(jī)進(jìn)入自動(dòng)聚焦調(diào)試，計(jì)算 機(jī)系統(tǒng)控制投影機(jī)移動(dòng)至設(shè)定的投影距離，并從投 影機(jī)查詢?cè)撏队熬嚯x傳感器的測(cè)距值，通過(guò)攝像機(jī) 回傳圖像判斷正確對(duì)焦時(shí)的電機(jī)絕對(duì)步數(shù)值；使用 專有算法，求與 4.2 節(jié)中步進(jìn)電機(jī)步數(shù)通用數(shù)據(jù)子 庫(kù)中該位置的電機(jī)步數(shù)差值并依此修正通用數(shù)據(jù)子 庫(kù)的其他所有數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)修正后存儲(chǔ)到本機(jī)從 而構(gòu)成步進(jìn)電機(jī)步數(shù)專用數(shù)據(jù)子庫(kù)。專有算法中的 數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

其中，Xn 為修正后的調(diào)節(jié)量，Xn為通用數(shù)據(jù)庫(kù)中 n 位置對(duì)應(yīng)的調(diào)節(jié)量，an 為校正因子，Xm 為調(diào)試時(shí) 投影機(jī)在 m 位置的調(diào)節(jié)量，Xm 為通用數(shù)據(jù)庫(kù)中 m 位置對(duì)應(yīng)的調(diào)節(jié)量。

此數(shù)據(jù)子庫(kù)適用于本投影機(jī)的自動(dòng)對(duì)焦，在批 量生產(chǎn)的調(diào)試階段完成，用戶不能刪除。在不存在 步進(jìn)電機(jī)步數(shù)用戶數(shù)據(jù)子庫(kù)時(shí)，投影機(jī)可調(diào)用該子 庫(kù)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)對(duì)焦。

4.4 建立步進(jìn)電機(jī)步數(shù)用戶數(shù)據(jù)子庫(kù)

步進(jìn)電機(jī)步數(shù)用戶數(shù)據(jù)子庫(kù)包含經(jīng)過(guò)用戶自動(dòng) 對(duì)焦校準(zhǔn)的投影機(jī)個(gè)體、實(shí)際投影距離和準(zhǔn)確對(duì) 焦的步進(jìn)電機(jī)步數(shù)值之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。在長(zhǎng)期使用后，為彌補(bǔ)因?qū)瓜到y(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)帶來(lái)的自動(dòng)對(duì)焦參 數(shù)漂移，用戶可以自行校準(zhǔn)自動(dòng)對(duì)焦參數(shù)。被調(diào)試 的投影機(jī)放置在規(guī)定的投影位置，調(diào)節(jié)投影圖像準(zhǔn) 確對(duì)焦后，投影機(jī)記錄當(dāng)前絕對(duì)電機(jī)步數(shù)值；使用 4.3 節(jié)中的專有算法修正通用數(shù)據(jù)子庫(kù)的其他所有 數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)為本機(jī)的步進(jìn)電機(jī)步數(shù)用戶數(shù)據(jù)子庫(kù)。 投影機(jī)恢復(fù)出廠設(shè)置后，會(huì)清除該用戶數(shù)據(jù)子庫(kù)。 以上 4 個(gè)數(shù)據(jù)子庫(kù)構(gòu)成本文的基于測(cè)距傳感器 的自動(dòng)對(duì)焦數(shù)據(jù)庫(kù)。

5 基于測(cè)距數(shù)據(jù)庫(kù)的自動(dòng)對(duì)焦方法

基于該數(shù)據(jù)庫(kù)的投影機(jī)自動(dòng)對(duì)焦方法分別為開(kāi) 機(jī)過(guò)程中的自動(dòng)對(duì)焦和正常使用過(guò)程中的自動(dòng)對(duì)焦。 當(dāng)存在用戶數(shù)據(jù)子庫(kù)時(shí)，調(diào)用用戶數(shù)據(jù)子庫(kù)步進(jìn)電 機(jī)步數(shù)值進(jìn)行自動(dòng)對(duì)焦；當(dāng)不存在用戶數(shù)據(jù)子庫(kù)時(shí)， 調(diào)用專用數(shù)據(jù)子庫(kù)步進(jìn)電機(jī)步數(shù)值進(jìn)行自動(dòng)對(duì)焦。

5.1 開(kāi)機(jī)過(guò)程中的自動(dòng)對(duì)焦

由于系統(tǒng)掉電無(wú)法偵測(cè)是否存在投影機(jī)移動(dòng)的 情況，所以每次開(kāi)機(jī)均默認(rèn)啟動(dòng)自動(dòng)對(duì)焦。在操作 系統(tǒng)引導(dǎo)、運(yùn)行內(nèi)核及完成硬件系統(tǒng)的初始化和配 置后，從用戶態(tài)第一個(gè)進(jìn)程開(kāi)始的開(kāi)機(jī)對(duì)焦流程如 下：①顯示對(duì)焦輔助圖像；②啟動(dòng)測(cè)距模組，讀取 其寄存器當(dāng)前投影距離測(cè)量值；③調(diào)用專用數(shù)據(jù)庫(kù) 中對(duì)應(yīng)當(dāng)前投影距離的步進(jìn)電機(jī)絕對(duì)步數(shù)值；④步 進(jìn)電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)到鏡頭位置歸零，發(fā)送復(fù)位信號(hào)給 主控制器；⑤主控按步數(shù)值 A 控制步進(jìn)電機(jī)正向轉(zhuǎn) 動(dòng)，驅(qū)動(dòng)鏡頭到相應(yīng)位置；⑥取消顯示對(duì)焦輔助圖 像，完成開(kāi)機(jī)自動(dòng)對(duì)焦，顯示系統(tǒng)主頁(yè)界面。

5.2 正常使用過(guò)程中的自動(dòng)對(duì)焦

正常使用過(guò)程中的自動(dòng)對(duì)焦是投影機(jī)在工作中 由姿態(tài)傳感器監(jiān)測(cè)到投影機(jī)產(chǎn)生移動(dòng)或者接收到遙 控自動(dòng)對(duì)焦命令觸發(fā)。觸發(fā)自動(dòng)對(duì)焦進(jìn)程后，自動(dòng) 對(duì)焦程序加載并在原投影畫(huà)面上疊加顯示對(duì)焦輔助 圖像，后續(xù)步驟同開(kāi)機(jī)過(guò)程中的對(duì)焦流程。

6 結(jié)論

基于數(shù)據(jù)庫(kù)的自動(dòng)對(duì)焦方法應(yīng)用于投影機(jī)的整 個(gè)生命周期，且投影機(jī)已投入批量生產(chǎn)。該對(duì)焦方 法節(jié)約了攝像頭成本，并將普通攝像頭 12 s 的對(duì)焦 時(shí)間降低到了 2 s，真正實(shí)現(xiàn)了無(wú)感對(duì)焦，對(duì)焦準(zhǔn) 確度可以充分滿足用戶的需求，特別適合于中長(zhǎng)焦 的投影機(jī)。

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