一種基于數據庫的投影機自動對焦方法

李峻

摘要：為實現投影機無感自動對焦及改善對焦準確度，提出了一種基于投影距離的專用對焦數據庫進行自 動對焦的方法。觸發自動對焦進程時，投影機讀取數據庫中相應投影距離的對焦數據后驅動步進電機完成 自動對焦，快速完成無感對焦；對應不同投影距離的專用對焦數據，支持了投影機個體的準確對焦；取消 攝像頭，降低了對焦系統的成本。

關鍵詞：投影機；自動對焦；測距傳感器；數據庫

中圖分類號：TN247；TP391.41文獻標識碼：A

0 引言

為得到清晰的投影圖像，在投影機使用中需要 對鏡頭焦距進行調節，投影機的調焦有 3 種方式： 手動調焦、電動調焦和自動調焦。其中，手動調焦 方式在投影機吊裝或距離較遠時受限嚴重；電動調 焦方式是通過用戶主觀判斷調焦的最佳位置，使用 時受光線、判斷誤差等影響，對焦不易調整至最佳 位置。因此在投影領域有導入條件的投影產品，均 采用了自動對焦方式。投影機自動對焦方式分為： 攝像頭自動對焦 [1]、傳感器測距法自動對焦 [2]、傳 感器測距 + 攝像頭自動對焦。攝像頭自動對焦方式 是通過攝像頭抓取不同焦距的圖像進行對比度或頻 譜的反復比較，用逼近法找到投影圖像最清晰的位 置，該方式過程復雜、計算量大、對焦時間長；傳 感器測距法自動對焦方式是相同投影距離的整機調 用同一個焦距值，導致部分投影機存在對焦不準確 的現象；傳感器測距 + 攝像頭自動對焦方式是先通 過測距將鏡頭粗調到大致聚焦位置，再使用攝像頭 確認投影圖像最清晰位置，但這種方式存在圖像的 反復對比和對焦時間長的問題，同時采用攝像頭也 增加了使用成本。

針對傳統自動對焦方式存在對焦速度慢、對焦 不準確的問題，本文提出了一種基于自動對焦數據 庫的投影機自動對焦方法，使用該方法可使對焦更 準確且極大縮短了對焦時間。

1 系統組成及工作原理

投影機自動對焦系統由主控制器、存儲器、步 進電機 [3]、光機變焦鏡頭、測距傳感器、姿態傳感 器和遙控器等組成，如圖 1 所示。

其中，測距傳感器檢測投影距離；姿態傳感器 監測投影機的移動；遙控器發送自動對焦等遙控碼； 存儲器存儲操作系統、軟件程序、數據及自動對焦 的各數據子庫；步進電機正向或反向轉動改變鏡頭焦距；主控制器運行軟件系統、查詢各功能模塊狀 態及數據、接收輸入并輸出控制信號。

在開機過程、監測到投影機移動或者收到遙控 器自動對焦指令時，觸發主控制器的自動對焦進 程。同時主控制器接收傳感器檢測到的距離數據， 并查詢存儲器中該距離的步進電機相對于零點的步 數值（電機絕對步數值）數據，然后主控制器驅動 步進電機反向轉動到零位，再驅動步進電機按查詢 到的步數值正向轉動，步進電機的旋轉驅動光機的 變焦鏡頭移動，最后變焦鏡頭通過移動調整焦距獲 得清晰的投影圖像，完成自動對焦。

2 測距傳感器

測距傳感器使用飛行時間（time of light，ToF） 傳感器。ToF 傳感器可發射和接收紅外激光，通 過計算光線發射和反射之間的時間差或相位差， 計算投影機和投影面之間的距離，其計算公式 如下：

L=tc/2。 （1）

其中，L 為投影機到投影面的距離，t 為激光往返 空間距離的時間間隔，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）和存儲器、精度高、配備標準集成電 路總線（inter-integrated circuit，IIC）接口、完整的 視場角（field of view，FoV）等特點。

如果機殼上裝配有透鏡，需要按設計指導手冊 控制透鏡的厚度、潔凈度和 ToF 傳感器到透鏡的距 離，并且紅外激光的發射和接收端需加泡沫墊進行 有效隔離，避免測距不準。

3 姿態傳感器

姿態傳感器是基于微機電系統（micro electro mechanical system，MEMS）技術的高性能三維運 動姿態測量系統，可以偵測設備的傾斜、運動、靜 止和震動。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 備串行外設接口（serial peripheral interface，SPI） 和低功耗等特點。

軟件需要調整傳感器來偵測移動及旋轉后的動 作閾值，減弱音量較大引起的整機小幅震動，避免 誤觸發投影機的自動對焦進程，影響用戶體驗。

4 自動對焦數據庫各數據子庫的建立

本文介紹的自動對焦方法，關鍵在于該對焦方 法所依托的數據庫。該數據庫包含 4 個數據子庫： 投影距離基礎數據子庫、步進電機步數通用數據子 庫、步進電機步數專用數據子庫和步進電機步數用 戶數據子庫。建立數據子庫需要專用調試設備，自 動對焦調試設備系統如圖 2 所示。

專用調試設備包含計算機系統、攝像機、投影 機及投影屏。計算機系統控制投影機移動獲得需要 的投影距離，并通過串口通信從投影機詢問不同投 影距離對應的測距傳感器的測距值；接收攝像機 攝取的投影圖像并判斷圖像是否清晰和對焦是否 準確。

4.1 建立投影距離基礎數據子庫

投影距離基礎數據子庫包含了特定機型的實際 投影距離和傳感器測距值之間的對應關系。如圖 2 所示，將 x 臺樣品投影機分別放置在 n 個不同投影距離，傳感器獲得對應位置的測量值 a1 ～ xn，如表 1 所示。

基于每個距離的多臺測量值 a1 ～ x1，……，an ～ xn 分別計算平均值得到該投影距離 20 cm，……，Ln cm 的測距傳感器測距值；相鄰兩個投影距離之間各距 離所對應的測距值由插值法生成填充；不同投影距 離的傳感器測距對應值及兩者的插值構成投影距離 基礎數據子庫。

4.2 建立步進電機步數通用數據子庫

步進電機步數通用數據子庫包含了特定機型的 實際投影距離和準確對焦的電機絕對步數值之間的 對應關系。如圖 2 所示，計算機系統控制投影機移 動，并從投影機查詢不同投影距離傳感器的測距值 及通過攝像機圖像判斷正確對焦的電機絕對步數 值；將 X 臺樣品投影機分別放置在 n 個不同投影距 離，調節步進電機獲得對應位置準確對焦的步數值 A1 ～ Xn，如表 2 所示。

基于每個距離的多臺對焦步數值 A1 ～ X1，……， An ～ Xn 分別計算平均值得到該投影距離 20 cm，……， Ln cm 的步進電機步數值；相鄰投影距離之間不同 距離的步進電機步數值由插值法生成填充；不同投 影距離的步進電機步數值及兩者的插值構成步進電 機步數通用數據子庫。此數據子庫適用于該投影機 型號的所有整機，是專用數據子庫的構成基礎，該 子庫在研發試制階段完成并存儲在每臺整機中，用 戶無法刪除。

4.3 建立步進電機步數專用數據子庫

步進電機步數專用數據子庫包含生產調試階段 后的投影機個體、實際投影距離和準確對焦的步進 電機絕對步數值之間的對應關系。如圖 2 所示，在 生產階段被調試的投影機進入自動聚焦調試，計算 機系統控制投影機移動至設定的投影距離，并從投 影機查詢該投影距離傳感器的測距值，通過攝像機 回傳圖像判斷正確對焦時的電機絕對步數值；使用 專有算法，求與 4.2 節中步進電機步數通用數據子 庫中該位置的電機步數差值并依此修正通用數據子 庫的其他所有數據，完成數據修正后存儲到本機從 而構成步進電機步數專用數據子庫。專有算法中的 數學表達式如下：

其中，Xn 為修正后的調節量，Xn為通用數據庫中 n 位置對應的調節量，an 為校正因子，Xm 為調試時 投影機在 m 位置的調節量，Xm 為通用數據庫中 m 位置對應的調節量。

此數據子庫適用于本投影機的自動對焦，在批 量生產的調試階段完成，用戶不能刪除。在不存在 步進電機步數用戶數據子庫時，投影機可調用該子 庫數據進行自動對焦。

4.4 建立步進電機步數用戶數據子庫

步進電機步數用戶數據子庫包含經過用戶自動 對焦校準的投影機個體、實際投影距離和準確對 焦的步進電機步數值之間的對應關系。在長期使用后，為彌補因對焦系統長期運轉帶來的自動對焦參 數漂移，用戶可以自行校準自動對焦參數。被調試 的投影機放置在規定的投影位置，調節投影圖像準 確對焦后，投影機記錄當前絕對電機步數值；使用 4.3 節中的專有算法修正通用數據子庫的其他所有 數據，存儲為本機的步進電機步數用戶數據子庫。 投影機恢復出廠設置后，會清除該用戶數據子庫。 以上 4 個數據子庫構成本文的基于測距傳感器 的自動對焦數據庫。

5 基于測距數據庫的自動對焦方法

基于該數據庫的投影機自動對焦方法分別為開 機過程中的自動對焦和正常使用過程中的自動對焦。 當存在用戶數據子庫時，調用用戶數據子庫步進電 機步數值進行自動對焦；當不存在用戶數據子庫時， 調用專用數據子庫步進電機步數值進行自動對焦。

5.1 開機過程中的自動對焦

由于系統掉電無法偵測是否存在投影機移動的 情況，所以每次開機均默認啟動自動對焦。在操作 系統引導、運行內核及完成硬件系統的初始化和配 置后，從用戶態第一個進程開始的開機對焦流程如 下：①顯示對焦輔助圖像；②啟動測距模組，讀取 其寄存器當前投影距離測量值；③調用專用數據庫 中對應當前投影距離的步進電機絕對步數值；④步 進電機反向轉動到鏡頭位置歸零，發送復位信號給 主控制器；⑤主控按步數值 A 控制步進電機正向轉 動，驅動鏡頭到相應位置；⑥取消顯示對焦輔助圖 像，完成開機自動對焦，顯示系統主頁界面。

5.2 正常使用過程中的自動對焦

正常使用過程中的自動對焦是投影機在工作中 由姿態傳感器監測到投影機產生移動或者接收到遙 控自動對焦命令觸發。觸發自動對焦進程后，自動 對焦程序加載并在原投影畫面上疊加顯示對焦輔助 圖像，后續步驟同開機過程中的對焦流程。

6 結論

基于數據庫的自動對焦方法應用于投影機的整 個生命周期，且投影機已投入批量生產。該對焦方 法節約了攝像頭成本，并將普通攝像頭 12 s 的對焦 時間降低到了 2 s，真正實現了無感對焦，對焦準 確度可以充分滿足用戶的需求，特別適合于中長焦 的投影機。

參考文獻

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