劉東澤

研究?jī)?nèi)容

本課題最終制作的激光筆，具有控制電腦鼠標(biāo)指針跟隨激光光斑移動(dòng)的功能。激光筆的制作涉及激光筆光斑的坐標(biāo)識(shí)別技術(shù)、激光筆的俯仰角及方位角檢測(cè)技術(shù)、激光筆與電腦的無(wú)線通信技術(shù)及激光筆在電腦上的控制程序。對(duì)于這些內(nèi)容，只有激光筆光斑的坐標(biāo)識(shí)別技術(shù)是本研究的核心內(nèi)容，也是具有創(chuàng)新的內(nèi)容?；诖?，本論文將只闡述研究的核心內(nèi)容。

研究過(guò)程與方法

計(jì)算方法的理論依據(jù)

現(xiàn)有獲取激光光斑坐標(biāo)的方法都需要使用單獨(dú)的攝像裝置。為什么不能將攝像裝置直接安裝在激光筆上從而提高易用性呢？經(jīng)過(guò)分析，主要有2個(gè)原因：其一，這些方法都要求攝像裝置正對(duì)著投影屏幕，并且與投影屏幕間是相對(duì)靜止的，而激光筆在使用時(shí)與投影屏幕間一定存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，并且無(wú)法保證固定的拍攝方向；其二，如果將攝像裝置安裝在激光筆上，那么在操作激光筆時(shí)，攝像裝置必須實(shí)時(shí)對(duì)拍攝圖像進(jìn)行動(dòng)態(tài)識(shí)別，這對(duì)圖像處理器件的運(yùn)算能力要求很高，無(wú)論是芯片的處理能力還是芯片需要的功耗都難以在激光筆上實(shí)現(xiàn)。

針對(duì)當(dāng)前實(shí)現(xiàn)方法的缺陷，提出改進(jìn)設(shè)計(jì)。分析如下：可以使用線陣圖像傳感器捕捉激光筆在屏幕上形成的光斑。因?yàn)榫€陣圖像傳感器可以識(shí)別圖像的亮度，而且識(shí)別方法簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，可以通過(guò)檢測(cè)圖像的亮度值分辨出光斑邊界。各種成像方法比較，只有小孔成像沒(méi)有聚焦的問(wèn)題，且易于實(shí)現(xiàn)，所以可以考慮將投影屏幕的光線通過(guò)小孔成像的方法將光斑成像在線陣傳感器上。本著化繁為簡(jiǎn)的原則，先假設(shè)激光筆與投影屏幕的位置是固定的，并且垂直于投影屏幕。

綜合以上分析，在水平方向上，抽象出投影屏幕與激光筆的應(yīng)用示意圖，如圖1所示。在圖1中，矩形是激光筆的外殼。激光筆內(nèi)的粗線是線陣傳感器。激光筆的激光從D點(diǎn)發(fā)出，照射到端點(diǎn)為A和B的投影屏幕上，交于C點(diǎn)。投影屏幕的端點(diǎn)A和B的光線經(jīng)過(guò)小孔D照射到線陣傳感器上，形成的像分別為G和E點(diǎn)。激光發(fā)射線DC的反向延長(zhǎng)線，交線陣傳感器于F點(diǎn)。因?yàn)榫€陣傳感器與投影屏幕平行，所以△ABD與△EGD是相似三角形，故可推導(dǎo)出AC/AB FG/EG。因?yàn)榫€陣傳感器的像素?cái)?shù)量及每個(gè)像素的尺寸是確定的，通過(guò)分析線陣傳感器上像的編號(hào)即可計(jì)算出EF和FG的長(zhǎng)度。這樣，就可以計(jì)算出C點(diǎn)在投影屏幕AB上水平方向的相對(duì)位置。

實(shí)際上，激光筆與投影屏幕不可能總是垂直的關(guān)系，會(huì)有一定的夾角，比如激光筆從左向右或從右向左指向投影屏幕。分析這2種情況可知（推導(dǎo)略），激光筆與投影屏幕任意夾角時(shí)，也都可以得到激光光斑的相對(duì)坐標(biāo)值。

綜上，在水平方向上將激光筆與投影屏幕抽象成數(shù)學(xué)上的幾何關(guān)系，可以計(jì)算出激光光斑在投影屏幕上的水平和相對(duì)垂直方向上的位置。另外，在上述推導(dǎo)過(guò)程中，所有使用到的參數(shù)都與激光筆到投影屏幕的距離無(wú)關(guān)。這說(shuō)明該計(jì)算方法完全適用于激光筆在投影屏幕前任意角度、任意距離的情況。

激光筆成像小孔的設(shè)計(jì)

線陣傳感器能否識(shí)別投影屏幕的光通過(guò)小孔成的像，是研究的關(guān)鍵。首先是必須保證通過(guò)小孔的光能夠正常成像；其次必須保證線陣圖像傳感器能夠正確識(shí)別圖像的邊界。

小孔的選擇經(jīng)歷了多次實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，用不銹鋼薄刀片制作的、寬度為0.5mm矩形狹縫（見(jiàn)圖2）成像效果較好。

狹縫的寬度在0.4～0.6mm之間的效果差別不大。狹縫寬度過(guò)小，通過(guò)狹縫進(jìn)入線陣傳感器的光線強(qiáng)度變?nèi)?，圖像的邊界會(huì)變得模糊，使光斑位置檢測(cè)的精確度下降，同時(shí)產(chǎn)生抖動(dòng)。狹縫寬度過(guò)大，線陣傳感器上圖像的邊界與真實(shí)的邊界對(duì)應(yīng)關(guān)系將變差，同樣會(huì)使光斑位置檢測(cè)的精確度下降。

線陣圖像傳感器及其驅(qū)動(dòng)

線陣圖像傳感器選擇的是東芝公司的TCD1254，共使用了4片。該傳感器有效像素2500個(gè)，感光面長(zhǎng)度13.13mm。4片TCD1254的安裝布局如圖3所示。水平2傳感器用于識(shí)別投影屏幕的水平邊界，垂直2傳感器用于識(shí)別投影屏幕的垂直邊界。

帶有狹縫的板子安裝在線陣圖像傳感器感光面上，與傳感器間的距離為5mm。線陣圖像傳感器的工作需要一系列滿足特定時(shí)序要求的脈沖信號(hào)。φM是TCD1254工作的主時(shí)鐘，典型頻率是1 MHz。OS是傳感器輸出的模擬圖像信號(hào)。SH和ICG是2個(gè)輸入信號(hào)，需要滿足特定的時(shí)序，才能保證在OS引腳輸出正確的圖像信號(hào)。這幾個(gè)信號(hào)需要由外部驅(qū)動(dòng)電路提供。

綜合考慮，選擇單片機(jī)生成線陣傳感器驅(qū)動(dòng)信號(hào)最為適合。通過(guò)使用單片機(jī)提供的定時(shí)器時(shí)鐘輸出功能，可以得到穩(wěn)定的1MHz的方波信號(hào)，用它作為φM信號(hào)。通過(guò)單片機(jī)的計(jì)數(shù)功能對(duì)φM信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，并輔以一定的邏輯處理，就可以獲得需要的SH和ICG信號(hào)。

將STC15L104W輸出的φM、SH及ICG信號(hào)連接至4個(gè)線陣圖像傳感器的相應(yīng)引腳。4個(gè)線陣圖像傳感器的OS信號(hào)輸出端通過(guò)跟隨器，進(jìn)入主控單片機(jī)的模數(shù)轉(zhuǎn)換引腳。由單片機(jī)將這4個(gè)模擬圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并存儲(chǔ)在單片機(jī)的內(nèi)容RAM中。然后，單片機(jī)根據(jù)前述的計(jì)算方法計(jì)算出激光光斑的坐標(biāo)，進(jìn)而將坐標(biāo)值傳送給電腦。電腦上的應(yīng)用程序根據(jù)激光光斑的坐標(biāo)控制鼠標(biāo)的移動(dòng)。

結(jié)果及分析

激光筆的核心器件是線陣圖像傳感器，而φM、SH及ICG信號(hào)的時(shí)序關(guān)系是保證線陣圖像傳感器正常工作的前提。與TCD1254產(chǎn)品手冊(cè)要求的時(shí)序信號(hào)對(duì)比，關(guān)鍵的切換點(diǎn)都符合要求。在時(shí)序信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下，線陣傳感器可以正常工作，并在激光筆指向投影屏幕不同位置時(shí)，輸出期望的波形。

為了驗(yàn)證單片機(jī)模數(shù)轉(zhuǎn)換后得到數(shù)據(jù)的正確性，在單片機(jī)中編寫(xiě)了診斷輸出程序，用于將圖像的數(shù)字量信號(hào)輸出給電腦進(jìn)行分析。在上述波形輸出下，將單片機(jī)輸出的數(shù)字量數(shù)值通過(guò)Excel繪制成的曲線圖再與示波器顯示波形進(jìn)行對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)二者完全是對(duì)應(yīng)的。這說(shuō)明單片機(jī)正確獲取了投影屏幕圖像的數(shù)字量。

為了了解實(shí)際制作的激光筆獲取激光光斑坐標(biāo)的效果，進(jìn)行了如下測(cè)試。

將電腦桌面墻紙?jiān)O(shè)置為含有100個(gè)格子的圖片。然后將激光筆置于電腦屏幕前方大約30cm處，保持激光筆與屏幕的夾角在±30°以?xún)?nèi)。移動(dòng)激光筆，讓光斑呈蛇形照遍這100個(gè)格子，使用攝像機(jī)記錄下整個(gè)過(guò)程。

測(cè)試結(jié)果表明，激光光斑在相鄰格子之間移動(dòng)時(shí)，鼠標(biāo)指針跟隨的延遲時(shí)間大約在100ms以?xún)?nèi)。激光光斑快速?gòu)淖钭蠖艘苿?dòng)到最右端，延遲時(shí)間不超過(guò)500 ms。這樣的延遲時(shí)間，對(duì)于普通PPT演示的操作，基本不會(huì)造成太大的影響。

鼠標(biāo)指針跟隨激光光斑的精度基本能控制在1個(gè)格子內(nèi)。這表示任何時(shí)刻，當(dāng)激光光斑穩(wěn)定時(shí)，鼠標(biāo)指針和激光光斑問(wèn)的最大距離都小于1個(gè)格子的對(duì)角線長(zhǎng)度。

討論

關(guān)于線陣圖像傳感器的可變積分時(shí)間的設(shè)置，需要根據(jù)實(shí)際情況動(dòng)態(tài)設(shè)置?？勺兎e分時(shí)間設(shè)置得過(guò)小，線陣圖像傳感器將檢測(cè)不到投影屏幕像的邊界。設(shè)置得過(guò)大，則線陣圖像傳感器將出現(xiàn)光飽和現(xiàn)象。正確的積分時(shí)間下，OS的輸出波形應(yīng)該具有一定的變化幅值（0.5V以上），同時(shí)波形不會(huì)出現(xiàn)底部平坦的情況。

當(dāng)投影屏幕的光線以較大傾角通過(guò)小孔成像在線陣傳感器上時(shí)，光線的強(qiáng)度較弱，表現(xiàn)在波形上就是波形的上升沿不夠陡峭，這給邊界識(shí)別帶來(lái)一定的難度?，F(xiàn)在的做法是首先獲取大量的數(shù)據(jù)，然后分析出最可能的臨界值。

激光筆在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，單片機(jī)連續(xù)取5個(gè)圖像數(shù)值，然后判斷其平均值是否大于臨界值。如果大于臨界值，則認(rèn)為上升沿出現(xiàn)，找到圖像的邊界值。激光筆樣機(jī)見(jiàn)圖4。

結(jié)論

本論文提出了一種全新的在投影屏幕上獲取激光光斑坐標(biāo)的方法。該方法以光學(xué)及數(shù)學(xué)理論為依據(jù)，經(jīng)過(guò)嚴(yán)密的數(shù)學(xué)推導(dǎo)得出。使用該方法制作的激光筆樣機(jī)，經(jīng)實(shí)際測(cè)試完全能夠?qū)崿F(xiàn)電腦上的鼠標(biāo)指針跟隨激光筆光斑的坐標(biāo)進(jìn)行同步移動(dòng)。鼠標(biāo)指針跟隨激光筆光斑移動(dòng)的跟隨時(shí)間在100ms左右，跟隨精度完全可以滿足一般的PPT演示需要。

由于該激光筆是通過(guò)獲取投影屏幕的邊界，而不是激光點(diǎn)光斑計(jì)算激光光斑位置的，所以該激光筆工作時(shí)，完全可以關(guān)閉激光發(fā)射，對(duì)激光筆的正常使用沒(méi)有任何影響。這使它非常適合某些不允許發(fā)射激光的特殊場(chǎng)合。

目前對(duì)于投影屏幕不同的亮度，需要手動(dòng)調(diào)整線陣傳感器的光積分時(shí)間以得到最佳的識(shí)別效果。后續(xù)將研究通過(guò)光敏器件自動(dòng)調(diào)節(jié)光積分時(shí)間。另外，對(duì)于激光筆方位角的檢測(cè)還沒(méi)有找到性?xún)r(jià)比較高并且數(shù)值準(zhǔn)確的解決方案，還在繼續(xù)探索中。此外，激光筆在使用時(shí)，不允許激光筆本體有左右翻滾的情況，否則識(shí)別精度將大大下降，這是后續(xù)設(shè)計(jì)要改進(jìn)的地方。

該項(xiàng)目獲得第32屆全國(guó)青少年科技創(chuàng)新大賽創(chuàng)新成果競(jìng)賽項(xiàng)目中學(xué)組工程學(xué)一等獎(jiǎng)。

專(zhuān)家評(píng)語(yǔ)

該項(xiàng)目制作的激光筆可直接獲取光斑的位置信息，并實(shí)時(shí)傳遞給計(jì)算機(jī)，方法簡(jiǎn)便、快捷、準(zhǔn)確、成本低，具有較好的使用價(jià)值與良好的市場(chǎng)前景。以圖像傳感器獲取屏幕的邊界并經(jīng)理論計(jì)算獲取光斑的坐標(biāo)值，進(jìn)而通過(guò)無(wú)線方式傳遞信號(hào)控制計(jì)算機(jī)動(dòng)作，方法上為首次提出，無(wú)申報(bào)專(zhuān)利。當(dāng)投影邊界不清晰時(shí)，存在邊界不能識(shí)別或識(shí)別不清的可能，建議進(jìn)一步改進(jìn)程序，增加圖像復(fù)雜邊界的處理能力。