周平，任宣瑋，吳靜，肖立亮，呂勇

（北京信息科技大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京 100192）

激光投影系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周平，任宣瑋，吳靜，肖立亮，呂勇

（北京信息科技大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京 100192）

0　引言

目前各種投影技術(shù)的發(fā)展日新月異，但以普通光源作為投影光源依然滿足不了人們的要求，一般情況下，以傳統(tǒng)光源作為投影光源會(huì)受到各個(gè)因素的制約，特別是普通光源顏色分布不均勻，投影色彩效果不理想。激光作為投影光源與其他發(fā)光光源有所不同，其單色性好，方向性強(qiáng)，同時(shí)，激光能量相對(duì)集中、壽命長(zhǎng)、效率高和節(jié)能等的特點(diǎn)使其在激光投影等各個(gè)領(lǐng)域擁有廣闊的應(yīng)用前景。

本文介紹的激光投影系統(tǒng)將需要顯示的圖像采集和圖像處理后改變光斑在屏幕上的位置，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)投影圖像輪廓的顯示。在顯示投影之前，系統(tǒng)需要通過(guò)上位機(jī)軟件將采集到的圖片進(jìn)行灰度化、二值化處理獲取二值圖像，再對(duì)二值圖像輪廓提取，最后利用輪廓跟蹤算法將圖像輪廓的有序數(shù)據(jù)發(fā)送DSP微處理器，DSP微處理器通過(guò)控制振鏡實(shí)現(xiàn)光斑在屏幕上運(yùn)動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)投影圖像的輪廓顯示。

1　系統(tǒng)概述

激光投影系統(tǒng)一般采用兩種方式：一種采用面陣空間光調(diào)制器的激光投影方式，另一種采用掃描式激光投影顯示方式，比較兩者的優(yōu)缺點(diǎn)以及實(shí)驗(yàn)的條件，本系統(tǒng)采用掃描方式完成設(shè)計(jì)。

掃描方式的激光投影通過(guò)改變激光光斑的位置，并根據(jù)人眼的視覺(jué)效應(yīng)，從而能夠看到整個(gè)圖像。該種方式對(duì)于掃描的速度要求較高，因此設(shè)計(jì)采用高數(shù)據(jù)處理能力的DSP完成圖像投影。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1　系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)主要由三部分組成，分別為：上位機(jī)軟件、DSP微處理器以及掃描振鏡。上位機(jī)主要負(fù)責(zé)將輸入圖像灰度化、二值化、輪廓提取、輪廓跟蹤數(shù)字圖像處理，最后將“有序”坐標(biāo)數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送到DSP微處理器。

DSP微處理器主要將上位機(jī)傳送的數(shù)據(jù)保存起來(lái)并開(kāi)始等待上位機(jī)控制命令，接收到命令后，DSP微處理器則將存儲(chǔ)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)傳送至掃描振鏡，掃描振鏡通過(guò)DA采集卡將坐標(biāo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的角度坐標(biāo)，進(jìn)而改變激光光斑的不同位置，實(shí)現(xiàn)靜態(tài)圖像、動(dòng)態(tài)圖像的演示。

2　上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件采用C#設(shè)計(jì)，根據(jù)各個(gè)功能的不同分為：圖像處理區(qū)、圖像預(yù)覽區(qū)、基本設(shè)置和信息發(fā)送區(qū)，如圖2所示：

圖2　上位機(jī)用戶軟件設(shè)計(jì)

圖像預(yù)覽區(qū)將處理后的圖片在功能區(qū)顯示，能夠直觀地觀察處理后圖片效果，并調(diào)整算法。串口及投影區(qū)是將處理后的圖像數(shù)據(jù)以串口的方式發(fā)送到DSP微處理器中，包括：串口的設(shè)置、串口使能、發(fā)送和接收區(qū)以及數(shù)據(jù)的傳送等幾個(gè)部分。串口命令控制區(qū)則主要通過(guò)串口發(fā)送控制命令，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)DSP微處理器相應(yīng)控制。

上位機(jī)軟件不僅能夠?qū)Σ杉降膱D像數(shù)字化處理，兼有串口發(fā)送數(shù)據(jù)的功能，同時(shí)該軟件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使得整個(gè)系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單、方便，易于處理和控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。

3　DSP微處理器軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用TI公司推出的TMS320F2812的32位定點(diǎn)DSP微處理器，這使得系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)的能力大大提高。DSP微處理器是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，其將上位機(jī)軟件發(fā)送的圖像數(shù)據(jù)信息保存起來(lái)并等待開(kāi)始命令，接收到命令后，DSP微處理器將保存的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)D/A卡轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)后控制掃描振鏡掃描，最終實(shí)現(xiàn)投影圖像的顯示。DSP微處理器工作流程圖如圖3所示：

圖3　DSP微處理器流程圖

4　數(shù)字圖像處理

系統(tǒng)要獲得輸入圖像的輪廓，首先需要對(duì)圖像進(jìn)行灰度化、二值化、輪廓提取以及輪廓跟蹤等數(shù)字圖像處理，經(jīng)過(guò)圖像處理后即可獲得輸入圖像的輪廓數(shù)據(jù)信息，且這些數(shù)據(jù)“有序”，然后通過(guò)串口將這些“有序”的數(shù)據(jù)發(fā)送給DSP微處理器。

4.1灰度化

圖像灰度化就是將彩色圖像處理后轉(zhuǎn)化為每個(gè)像素只有一個(gè)采樣顏色的圖像，即灰度圖像；彩色圖像每個(gè)像素是由R（紅）、G（綠）、B（藍(lán)）三個(gè)分量的亮度構(gòu)成，三個(gè)分量的亮度取值范圍為：0～255，三個(gè)分量不同值的不同組合便組成了彩色圖像，相同值的組合便顯示為灰度圖像。圖像灰度化好處在于能夠加快數(shù)據(jù)的處理速度，方便后續(xù)圖像的處理。圖像灰度化一般有三種方法：加權(quán)平均法、最大值法和平均值法。本設(shè)計(jì)中采用加權(quán)平均法實(shí)現(xiàn)圖像的灰度處理。

4.2二值化

圖像二值化處理就是將一幅彩色或灰度圖像轉(zhuǎn)化為只有黑白兩種顏色的圖像。激光投影系統(tǒng)采用迭代法閾值分割實(shí)現(xiàn)，其基本思想是先選擇一個(gè)作為最初開(kāi)始的閾值，然后按照某種策略不斷地改這個(gè)閾值，當(dāng)計(jì)算出的這個(gè)閾值滿足最初設(shè)定要求，則停止計(jì)算，該閾值的最終值即為閾值。

4.3輪廓提取

圖像的輪廓能夠反映一幅圖像的很多信息，通過(guò)對(duì)圖像輪廓提取，我們可以方便、簡(jiǎn)單地獲取圖像的大部分信息，從而完成對(duì)目標(biāo)的識(shí)別或檢測(cè)。

在輪廓提取中，比較常用的方法有模版算子提取法和“挖空法”。模版算子提取法通過(guò)對(duì)圖像處理，一般獲取的圖像平滑性較好，而且檢測(cè)的效果也相對(duì)較好，但處理后的圖像輪廓不是所需要的單像素寬度，而且有些算子不能提供方向信息，因此本文采用另外一種算法：“挖空法”。

“挖空法”用于二值圖像非常簡(jiǎn)單，就是將一幅二值圖像的內(nèi)部“挖空”：如果在原圖像中檢測(cè)到某一個(gè)點(diǎn)為黑色，然后對(duì)其周圍8個(gè)點(diǎn)判斷，如果8個(gè)點(diǎn)均為黑色，則刪除該點(diǎn)。

4.4輪廓跟蹤

輪廓跟蹤算法將圖像輪廓提取后的圖像按一定的順序“連接”起來(lái)，輪廓跟蹤一般根據(jù)一定的“查詢?cè)瓌t”找到目標(biāo)輪廓上的第一個(gè)像素點(diǎn)，然后以這個(gè)像素點(diǎn)為起始點(diǎn)，按照一定的跟蹤原則找到輪廓其他像素點(diǎn)。

5　激光投影系統(tǒng)搭建及結(jié)果

結(jié)合該系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論分析，搭建了一套基于掃描的激光投影系統(tǒng)，系統(tǒng)原理圖如圖4所示。

圖（a）為掃描振鏡實(shí)物圖，兩掃描振鏡分別負(fù)責(zé)行掃描和場(chǎng)掃描。圖（b）DSP微處理器及其外圍連線，分別與PC、振鏡相連。

從圖6、7中可以看出，基于DSP的激光投影系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了圖像以及文字的顯示。

圖4　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖

圖5　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示：

圖6　人物圖像投影顯示

圖7　文字圖像投影顯示

6　結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了上位機(jī)軟件、DSP微處理器以及掃描振鏡為一體的激光投影系統(tǒng)；上位機(jī)完成了對(duì)投影圖像的輸入、處理及串口發(fā)送數(shù)據(jù)功能，DSP微處理器完成了對(duì)數(shù)據(jù)、命令的識(shí)別以及振鏡的控制，進(jìn)而控制激光光斑位置的改變，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入圖像的投影。從整體來(lái)看，該系統(tǒng)有以下特點(diǎn)：

（1）利用激光的優(yōu)勢(shì)初步實(shí)現(xiàn)了圖像投影，為后續(xù)激光投影的研究奠定了一定的基礎(chǔ)。

（2）設(shè)計(jì)了上位機(jī)軟件，利用PC操作方便靈活的特點(diǎn)完成對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制。

系統(tǒng)目前還只能對(duì)矢量圖像處理，對(duì)于較為復(fù)雜的圖像，圖像處理效果較差，因此我們將對(duì)復(fù)雜圖像投影顯示、RGB混色實(shí)現(xiàn)彩色圖像投影進(jìn)一步研究。

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DSP Microprocessor；Contour Extraction；Contour Tracking；Laser Projection

Design of Laser Projection System

ZHOU Ping，REN Xuan-wei，WU Jing，XIAO Li-liang，LV Yong
（School of Instrument Science and opto Electronics Engineering，Beijing Information Science and Technology University，Beijing 100192）

1007-1423（2015）36-0030-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.36.007

周平（1990-），男，河南開(kāi)封人，研究生

2015-11-10

2015-12-10

投影技術(shù)發(fā)展日新月異，但以普通光源作為投影光源依然滿足不了人們的要求，激光單色性好、能量集中等特點(diǎn)使其在激光投影等各個(gè)領(lǐng)域擁有廣闊的應(yīng)用前景。所設(shè)計(jì)激光投影系統(tǒng)主要以DSP微處理器為控制核心，上位機(jī)軟件圖像處理數(shù)據(jù)為信號(hào)源，激光作為投影光源，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入圖像輪廓的投影顯示。系統(tǒng)主要分為三部分：上位機(jī)軟件、DSP微處理器以及掃描振鏡；上位機(jī)軟件采用C#編程實(shí)現(xiàn)輸入圖像的輪廓提取以及串口發(fā)送功能，DSP微處理器則通過(guò)控制掃描振鏡完成圖像的顯示。

DSP微處理器；輪廓提取；輪廓跟蹤；激光投影

大學(xué)生科技創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目支持、研究生科技創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目支持

Projection technology is developing rapidly，but ordinary projection light source still cannot meet people's demands；laser has monochrome and its energy is concentrated which makes it applied in the fields of laser projection.The laser projection system uses DSP microprocessor as the control of core，PC software which is to process image data as the signal source and a laser as projection light source to achieve the contour of input image display.The system includes three parts:PC software，DSP microprocessors and scanning galvanometer；PC software uses C#programming to obtain the contour extraction of the image and transmit data through serial port；DSP microprocessor completes images display by controlling the scanning galvanometer.