基于投影儀和紅外攝像頭、紅外光場的桌面投影儀觸控系統研究

作者簡介：夏靜美（1982—），女，碩士研究生；研究方向：光學及人工智能。

摘要：文章研究了一種基于投影儀和紅外攝像頭的桌面投影儀觸控系統。通過采用紅外觸控掃描原理，該系統在解決傳統電視和投影儀操作體驗不足的問題上取得了顯著的改進。系統由紅外激光器、紅外攝像頭、主系統和DLP投影系統組成，通過DLP技術的超短焦投影儀在桌面上實現了觸摸屏的功能。在紅外激光發射器參數規格方面，激光器角度、桌面觸控尺寸和觸控精準度等關鍵參數的設定保證了系統的觸控范圍和性能。同時，紅外攝像頭的位置和成像區域的準確設置對于觸控精度至關重要。

關鍵詞：投影儀；紅外攝像頭；紅外光場；桌面投影儀

中圖分類號：TP39141文獻標志碼：A

0引言

隨著科技的不斷發展，用戶對于交互體驗的需求日益提高。傳統電視和投影儀的操作方式受到了便攜性和屏幕尺寸難以兼容的限制。為解決這一問題，本研究采用了一種基于投影儀和紅外攝像頭的桌面投影儀觸控系統。通過紅外觸控掃描原理，該系統在大屏幕上實現了觸摸屏的功能，極大地改善了用戶的操作體驗。文章將系統框架分為基礎原理和硬件框架2個部分，詳細介紹了紅外激光發射器、攝像頭模組的參數規格和注意事項以及系統的算法原理。這些基礎設定保證了系統在不同環境下的穩定性和精準性。

1系統框架

整個系統由紅外激光器、紅外攝像頭、主系統和DLP投影系統組成。采用基于DLP技術的超短焦投影儀，通過投影儀系統將畫面投射在桌面。攝像頭通過USB接口與主系統通信，主系統獲取圖像數據并通過算法進行分析，實現觸控功能。

紅外激光器負責發射紅外光場，攝像頭捕捉投影畫面，主系統進行圖像數據分析，而DLP投影系統則實現在桌面上的畫面投射。這些硬件組件協同工作，構建了桌面觸控系統的完整框架。觸控方案系統框架如圖1所示。

通過以上基礎原理和硬件框架，本系統實現了在任意平面上創建觸摸屏的目標，為人機交互提供了新的可能性。

2紅外激光發射器參數規格

21紅外激光發射器參數

激光器角度是紅外激光發射器的關鍵參數之一，決定了激光的發射范圍。在本系統中，激光器角度設定為180°，桌面觸控尺寸設定為127cm～1524cm，觸控精準度設定為3個像素，工作電壓設定為33V。

22紅外激光發射器原理

激光器剖面包括紅外發生器、錐形位置，是激光發射錐面。激光器通過紅外發生器發射紅外波，打在錐面上，形成平行于地面的180°紅外攝像平面。

在使用激光器時，需要注意確保激光器與投影畫面在同一水平面上，并位于投影畫面中間位置上方。激光平均分布在投影畫面上方平行距離3mm。激光器固定時，激光頭底面需要離開桌面結構02mm～03mm。此外，激光器的安裝位置也需符合一定距離要求，以確保系統正常運作［1-3］。

通過上述紅外激光發射器參數規格和原理的設計，系統能夠在不同環境下穩定、精準地實現桌面觸控功能。

3攝像頭模組參數規格

攝像頭在桌面觸控系統中的參數設置對系統的性能和功能起著關鍵作用。其中，投射比是一個重要的參數，表示了攝像頭的投影距離與畫面寬度之間的比例關系。在本系統中，設置了多個投射比數值，包括015、021、028、034、055、086、134。這些不同的投射比對應著不同的攝像頭視角，直接影響了系統對投影畫面的捕捉和識別能力［4］。攝像頭的分辨率被設定為640×480、攝像頭的刷新率被設定為120Hz、攝像頭的輸出格式包括MJPEG和YUV2種［5］。

4算法原理

41圖像分析原理

在紅外模式下，由于投影畫面的亮度高于周圍環境，紅外攝像頭捕捉到的畫面中，投影畫面區域呈現偏灰色，而周圍區域則為黑色。這為圖像分析提供了基礎，通過圖像處理，系統能夠準確識別投影畫面中的光斑。算法流程如圖2所示。

手指穿過紅外光場時，光斑位置會發生變化，系統通過分析圖像，檢測出黑色圖像中光斑的位置。根據光斑的相對位置，系統能夠計算出手指在投影區域內的相對坐標。通過定義投影分辨率大小值，系統能夠獲取手指觸控的具體相對坐標值［6］。

42投射比、投影區間和手指區間的重要性

投射比、投影區間和手指區間是桌面觸控系統中關鍵的參數，直接影響系統的觸控性能和準確度。

投射比是指投影距離和畫面寬度之比，決定了投影鏡頭和投影面的夾角。這個夾角影響了攝像頭下捕捉到的圖像的視角，從而對手指光斑的分辨產生直接影響。通過不同的投射比設置，系統可以適應不同場景和使用需求。然而，為確保準確的手指光斑分析，需要結合過濾算法來處理由投射比變化而引起的圖像視角差異［7］。

投影區間校準是確保系統在成品出廠時能夠準確獲取投影區間參數的過程。這一校準確保在沒有任何物體放置在投影區域時，系統能夠獲取到準確的投影區間參數，為后續手指光斑的定位提供基礎。

手指區間的校準通過在定位軟件中顯示的9個圓點進行，旨在獲取手指光斑的坐標和大小信息，從而評估坐標定位的精度。這一步驟是確保在不同的投影區域內，系統能夠準確、精細地捕捉手指觸摸的關鍵環節。

通過仔細校準和設置投射比、投影區間、手指區間等參數，桌面觸控系統能夠在各種場景下提供高度準確的觸控體驗，確保用戶能夠流暢、精準地進行交互操作。這些參數的精準調整是系統性能優化的關鍵步驟，直接影響了用戶體驗的質量和可靠性。

43光場與投影面的平行程度對算法的影響

算法是基于手指點觸整個投影儀面都在手指統一高度基礎上設計的。如果出現光場上下不平整的情況，可能導致獲取的光斑位置在下方區域偏上，引起坐標偏移。因此，校準光場平整度是確保算法準確性的重要工序［8］。

通過上述圖像分析原理和對投射比、投影區間、手指區間的重要性的解釋，系統能夠在不同情境下準確地識別和解析手指觸控信息，為桌面觸控提供可靠的算法支持。

5觸控方案的難點

51紅外發射器的安裝平整度

桌面觸控方案基于紅外觸控掃描原理，對紅外發射器的安裝平整度要求極高。若平面和桌面不能保持平行或出現傾斜，可能導致解析出的坐標位置不準確。確保紅外發射器的角度校準是系統穩定運行的重要前提［9］。

觸控系統對桌面的要求較高，理想情況下需要一個白色平整的桌面。為提供最佳操作體驗，建議廠家設計統一的桌布，并標注好投影儀放置的位置。

52多點觸控的難點

實現多點觸控的難點在于準確判定多個手指的位置以及確保手指滑動時的流暢性。與手機觸控方案不同，紅外觸控需要通過抓取紅外圖像，并應用圖像分析算法進行解析，這降低了系統的處理效率。

紅外方案的觸控響應時間相對于手機觸控屏可能存在差距，因為圖像分析需要更多的處理時間。優化算法以提高觸控響應速度是一個技術上的挑戰。

53觸控方案的應用領域

桌面觸控方案的廣泛應用領域為用戶提供了更為靈活和便捷的交互方式。

首先，在界面操作方面。該方案顯著改善了傳統電視和投影儀的用戶體驗，使其操作更加模塊化，并呈現類似于手機或平板電腦的便捷使用方式。這種模塊化設計為用戶提供了更直觀和高效的操作方式［10］。

其次，教育領域也受益于桌面觸控方案的引入。通過結合投影儀和紅外觸控技術，學生能夠在大屏幕上進行各種教育應用，如寫字、畫畫、彈琴等。此外，投影儀的漫反射成像原理減輕了對學生眼睛的傷害，提供了更為安全和舒適的學習環境。

再次，在娛樂領域，紅外觸控技術使得電視或投影儀成為更大屏幕的游戲平臺，為用戶提供更為震撼和互動的娛樂體驗。多點觸控的支持增強了游戲的互動性，使得多人游戲變得更加有趣。此外，在桌面上觀看電影、視頻等娛樂內容也能夠獲得良好的操作體驗，提升了家庭娛樂的水平。

最后，桌面觸控方案在廚房中的應用為用戶在烹飪過程中提供了便捷的操作方式。用戶可以方便地查看菜譜和烹飪教程，而大屏幕上清晰的顯示使得操作更為直觀。這種應用提高了廚房中的互動性和便利性，使得在做菜時更加愉悅和高效。桌面觸控實際場景如圖3所示。

桌面觸控方案不僅在傳統界面操作中有所創新，還在教育、娛樂和廚房等領域展現出了巨大的應用潛力，為用戶提供了全新的交互體驗。

6結語

通過對桌面投影儀觸控系統的研究，深刻理解了紅外觸控技術的原理和應用。該系統不僅解決了傳統電視和投影儀的操作不便之處，還在教育、娛樂和廚房等領域展現了廣泛的應用前景。系統的創新性設計和穩定性能為人機交互提供新的可能性，為未來智能家居和娛樂系統的發展奠定基礎。

參考文獻

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［10］王豪.多點觸控的觸點手勢識別與應用研究［D］.武漢：湖北大學，2011.

（編輯沈強）