激光投影系統設計

周平，任宣瑋，吳靜，肖立亮，呂勇

（北京信息科技大學儀器科學與光電工程學院，北京 100192）

激光投影系統設計

周平，任宣瑋，吳靜，肖立亮，呂勇

（北京信息科技大學儀器科學與光電工程學院，北京 100192）

0　引言

目前各種投影技術的發展日新月異，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，以傳統光源作為投影光源會受到各個因素的制約，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光光源有所不同，其單色性好，方向性強，同時，激光能量相對集中、壽命長、效率高和節能等的特點使其在激光投影等各個領域擁有廣闊的應用前景。

本文介紹的激光投影系統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，進而實現投影圖像輪廓的顯示。在顯示投影之前，系統需要通過上位機軟件將采集到的圖片進行灰度化、二值化處理獲取二值圖像，再對二值圖像輪廓提取，最后利用輪廓跟蹤算法將圖像輪廓的有序數據發送DSP微處理器，DSP微處理器通過控制振鏡實現光斑在屏幕上運動，最終實現投影圖像的輪廓顯示。

1　系統概述

激光投影系統一般采用兩種方式：一種采用面陣空間光調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，比較兩者的優缺點以及實驗的條件，本系統采用掃描方式完成設計。

掃描方式的激光投影通過改變激光光斑的位置，并根據人眼的視覺效應，從而能夠看到整個圖像。該種方式對于掃描的速度要求較高，因此設計采用高數據處理能力的DSP完成圖像投影。系統結構如圖1所示：

圖1　系統整體結構

該系統主要由三部分組成，分別為：上位機軟件、DSP微處理器以及掃描振鏡。上位機主要負責將輸入圖像灰度化、二值化、輪廓提取、輪廓跟蹤數字圖像處理，最后將“有序”坐標數據通過串口發送到DSP微處理器。

DSP微處理器主要將上位機傳送的數據保存起來并開始等待上位機控制命令，接收到命令后，DSP微處理器則將存儲的坐標數據傳送至掃描振鏡，掃描振鏡通過DA采集卡將坐標數據轉化為相應的角度坐標，進而改變激光光斑的不同位置，實現靜態圖像、動態圖像的演示。

2　上位機軟件設計

上位機軟件采用C#設計，根據各個功能的不同分為：圖像處理區、圖像預覽區、基本設置和信息發送區，如圖2所示：

圖2　上位機用戶軟件設計

圖像預覽區將處理后的圖片在功能區顯示，能夠直觀地觀察處理后圖片效果，并調整算法。串口及投影區是將處理后的圖像數據以串口的方式發送到DSP微處理器中，包括：串口的設置、串口使能、發送和接收區以及數據的傳送等幾個部分。串口命令控制區則主要通過串口發送控制命令，進而實現DSP微處理器相應控制。

上位機軟件不僅能夠對采集到的圖像數字化處理，兼有串口發送數據的功能，同時該軟件的結構設計使得整個系統操作簡單、方便，易于處理和控制整個系統的運行。

3　DSP微處理器軟件設計

系統采用TI公司推出的TMS320F2812的32位定點DSP微處理器，這使得系統處理數據的能力大大提高。DSP微處理器是整個系統的控制核心，其將上位機軟件發送的圖像數據信息保存起來并等待開始命令，接收到命令后，DSP微處理器將保存的數據經過D/A卡轉換為模擬信號后控制掃描振鏡掃描，最終實現投影圖像的顯示。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　數字圖像處理

系統要獲得輸入圖像的輪廓，首先需要對圖像進行灰度化、二值化、輪廓提取以及輪廓跟蹤等數字圖像處理，經過圖像處理后即可獲得輸入圖像的輪廓數據信息，且這些數據“有序”，然后通過串口將這些“有序”的數據發送給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化為每個像素只有一個采樣顏色的圖像，即灰度圖像；彩色圖像每個像素是由R（紅）、G（綠）、B（藍）三個分量的亮度構成，三個分量的亮度取值范圍為：0～255，三個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據的處理速度，方便后續圖像的處理。圖像灰度化一般有三種方法：加權平均法、最大值法和平均值法。本設計中采用加權平均法實現圖像的灰度處理。

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化為只有黑白兩種顏色的圖像。激光投影系統采用迭代法閾值分割實現，其基本思想是先選擇一個作為最初開始的閾值，然后按照某種策略不斷地改這個閾值，當計算出的這個閾值滿足最初設定要求，則停止計算，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，通過對圖像輪廓提取，我們可以方便、簡單地獲取圖像的大部分信息，從而完成對目標的識別或檢測。

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對圖像處理，一般獲取的圖像平滑性較好，而且檢測的效果也相對較好，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單，就是將一幅二值圖像的內部“挖空”：如果在原圖像中檢測到某一個點為黑色，然后對其周圍8個點判斷，如果8個點均為黑色，則刪除該點。

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，輪廓跟蹤一般根據一定的“查詢原則”找到目標輪廓上的第一個像素點，然后以這個像素點為起始點，按照一定的跟蹤原則找到輪廓其他像素點。

5　激光投影系統搭建及結果

結合該系統設計理論分析，搭建了一套基于掃描的激光投影系統，系統原理圖如圖4所示。

圖（a）為掃描振鏡實物圖，兩掃描振鏡分別負責行掃描和場掃描。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的激光投影系統設計實現了圖像以及文字的顯示。

圖4　實驗系統原理圖

圖5　實驗系統實物圖

實驗結果如圖6所示：

圖6　人物圖像投影顯示

圖7　文字圖像投影顯示

6　結語

本文設計了上位機軟件、DSP微處理器以及掃描振鏡為一體的激光投影系統；上位機完成了對投影圖像的輸入、處理及串口發送數據功能，DSP微處理器完成了對數據、命令的識別以及振鏡的控制，進而控制激光光斑位置的改變，實現對輸入圖像的投影。從整體來看，該系統有以下特點：

（1）利用激光的優勢初步實現了圖像投影，為后續激光投影的研究奠定了一定的基礎。

（2）設計了上位機軟件，利用PC操作方便靈活的特點完成對整個系統的控制。

系統目前還只能對矢量圖像處理，對于較為復雜的圖像，圖像處理效果較差，因此我們將對復雜圖像投影顯示、RGB混色實現彩色圖像投影進一步研究。

［1］張帆.激光掃描投影顯示的研究與擴展應用［D］.浙江大學，2008.

［2］郝麗，張岳，劉偉奇，馮睿，李霞，柳華.基于DPL投影方式的激光顯示系統［J］.液晶與顯示，2007.

［3］GeorgeN，jianA.Speckle Reduction Using Muitiple Tones of Illumination［J］.Appl.Opt，1973

［4］DingelB，minamiS.Speckle Reduction with Virtual Incoherent Laser Illumination Using a Modified Fiber Array［J］.Optic，1992.

［5］Zhe Cui，An-ting Wang，Zi Wang，Shu-lu Wang，Chun Gu，Hai Ming，Chang-qing Xu.Speckle Suppression by Controlling the Coherence in Laser Based Projection Systems.

［6］陳慶陸.振鏡式激光掃描運動目標模擬系統設計［D］.中北大學，2011.

［7］唐玉俊.基于DSP的激光打標控制器設計［D］.合肥工業大學，2010.

［8］何斌，馬天予，王運堅，朱紅蓮.Visual C++數字圖像處理［M］.人民郵電出版社，2003.

［9］陳興海.振鏡式激光打標機的研究［D］.曲阜師范大學，2003.

［10］趙春江.C#數字圖像處理算法典型實例［M］.人民郵電出版社，2009.

［11］童立靖，張艷，舒巍，占國亮，錢垚.幾種文本圖像二值化方法的對比分析［J］.北方工業大學學報，2011，23（1）.

［12］段瑞玲，李慶祥，李玉和.圖像邊緣檢測方法研究綜述［J］.光學技術，2005，31（3）.

［13］王文毅.激光跟蹤伺服控制系統研究［D］.北京信息科技大學，2012.

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，河南開封人，研究生

2015-11-10

2015-12-10

投影技術發展日新月異，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、能量集中等特點使其在激光投影等各個領域擁有廣闊的應用前景。所設計激光投影系統主要以DSP微處理器為控制核心，上位機軟件圖像處理數據為信號源，激光作為投影光源，實現對輸入圖像輪廓的投影顯示。系統主要分為三部分：上位機軟件、DSP微處理器以及掃描振鏡；上位機軟件采用C#編程實現輸入圖像的輪廓提取以及串口發送功能，DSP微處理器則通過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

大學生科技創新計劃項目支持、研究生科技創新計劃項目支持

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.