一种基于数据库的投影机自动对焦方法

李峻

摘要：为实现投影机无感自动对焦及改善对焦准确度，提出了一种基于投影距离的专用对焦数据库进行自 动对焦的方法。触发自动对焦进程时，投影机读取数据库中相应投影距离的对焦数据后驱动步进电机完成 自动对焦，快速完成无感对焦；对应不同投影距离的专用对焦数据，支持了投影机个体的准确对焦；取消 摄像头，降低了对焦系统的成本。

关键词：投影机；自动对焦；测距传感器；数据库

中图分类号：TN247；TP391.41文献标识码：A

0 引言

为得到清晰的投影图像，在投影机使用中需要 对镜头焦距进行调节，投影机的调焦有 3 种方式： 手动调焦、电动调焦和自动调焦。其中，手动调焦 方式在投影机吊装或距离较远时受限严重；电动调 焦方式是通过用户主观判断调焦的最佳位置，使用 时受光线、判断误差等影响，对焦不易调整至最佳 位置。因此在投影领域有导入条件的投影产品，均 采用了自动对焦方式。投影机自动对焦方式分为： 摄像头自动对焦 [1]、传感器测距法自动对焦 [2]、传 感器测距 + 摄像头自动对焦。摄像头自动对焦方式 是通过摄像头抓取不同焦距的图像进行对比度或频 谱的反复比较，用逼近法找到投影图像最清晰的位 置，该方式过程复杂、计算量大、对焦时间长；传 感器测距法自动对焦方式是相同投影距离的整机调 用同一个焦距值，导致部分投影机存在对焦不准确 的现象；传感器测距 + 摄像头自动对焦方式是先通 过测距将镜头粗调到大致聚焦位置，再使用摄像头 确认投影图像最清晰位置，但这种方式存在图像的 反复对比和对焦时间长的问题，同时采用摄像头也 增加了使用成本。

针对传统自动对焦方式存在对焦速度慢、对焦 不准确的问题，本文提出了一种基于自动对焦数据 库的投影机自动对焦方法，使用该方法可使对焦更 准确且极大缩短了对焦时间。

1 系统组成及工作原理

投影机自动对焦系统由主控制器、存储器、步 进电机 [3]、光机变焦镜头、测距传感器、姿态传感 器和遥控器等组成，如图 1 所示。

其中，测距传感器检测投影距离；姿态传感器 监测投影机的移动；遥控器发送自动对焦等遥控码； 存储器存储操作系统、软件程序、数据及自动对焦 的各数据子库；步进电机正向或反向转动改变镜头焦距；主控制器运行软件系统、查询各功能模块状 态及数据、接收输入并输出控制信号。

在开机过程、监测到投影机移动或者收到遥控 器自动对焦指令时，触发主控制器的自动对焦进 程。同时主控制器接收传感器检测到的距离数据， 并查询存储器中该距离的步进电机相对于零点的步 数值（电机绝对步数值）数据，然后主控制器驱动 步进电机反向转动到零位，再驱动步进电机按查询 到的步数值正向转动，步进电机的旋转驱动光机的 变焦镜头移动，最后变焦镜头通过移动调整焦距获 得清晰的投影图像，完成自动对焦。

2 测距传感器

测距传感器使用飞行时间（time of light，ToF） 传感器。ToF 传感器可发射和接收红外激光，通 过计算光线发射和反射之间的时间差或相位差， 计算投影机和投影面之间的距离，其计算公式 如下：

L=tc/2。 （1）

其中，L 为投影机到投影面的距离，t 为激光往返 空间距离的时间间隔，c 为光速。

ToF 传感器采用 ST 公司的 VL53L3CX，该传 感器具有体积小、集成微控制器（microcontroller unit，MCU）和存储器、精度高、配备标准集成电 路总线（inter-integrated circuit，IIC）接口、完整的 视场角（field of view，FoV）等特点。

如果机壳上装配有透镜，需要按设计指导手册 控制透镜的厚度、洁净度和 ToF 传感器到透镜的距 离，并且红外激光的发射和接收端需加泡沫垫进行 有效隔离，避免测距不准。

3 姿态传感器

姿态传感器是基于微机电系统（micro electro mechanical system，MEMS）技术的高性能三维运 动姿态测量系统，可以侦测设备的倾斜、运动、静 止和震动。本文采用博世有限公司的 3 轴传感器 BMA253，其具有集成度高、体积小、宽电源、配 备串行外设接口（serial peripheral interface，SPI） 和低功耗等特点。

软件需要调整传感器来侦测移动及旋转后的动 作阈值，减弱音量较大引起的整机小幅震动，避免 误触发投影机的自动对焦进程，影响用户体验。

4 自动对焦数据库各数据子库的建立

本文介紹的自动对焦方法，关键在于该对焦方 法所依托的数据库。该数据库包含 4 个数据子库： 投影距离基础数据子库、步进电机步数通用数据子 库、步进电机步数专用数据子库和步进电机步数用 户数据子库。建立数据子库需要专用调试设备，自 动对焦调试设备系统如图 2 所示。

专用调试设备包含计算机系统、摄像机、投影 机及投影屏。计算机系统控制投影机移动获得需要 的投影距离，并通过串口通信从投影机询问不同投 影距离对应的测距传感器的测距值；接收摄像机 摄取的投影图像并判断图像是否清晰和对焦是否 准确。

4.1 建立投影距离基础数据子库

投影距离基础数据子库包含了特定机型的实际 投影距离和传感器测距值之间的对应关系。如图 2 所示，将 x 台样品投影机分别放置在 n 个不同投影距离，传感器获得对应位置的测量值 a1 ～ xn，如表 1 所示。

基于每个距离的多台测量值 a1 ～ x1，……，an ～ xn 分别计算平均值得到该投影距离 20 cm，……，Ln cm 的测距传感器测距值；相邻两个投影距离之间各距 离所对应的测距值由插值法生成填充；不同投影距 离的传感器测距对应值及两者的插值构成投影距离 基础数据子库。

4.2 建立步进电机步数通用数据子库

步进电机步数通用数据子库包含了特定机型的 实际投影距离和准确对焦的电机绝对步数值之间的 对应关系。如图 2 所示，计算机系统控制投影机移 动，并从投影机查询不同投影距离传感器的测距值 及通过摄像机图像判断正确对焦的电机绝对步数 值；将 X 台样品投影机分别放置在 n 个不同投影距 离，调节步进电机获得对应位置准确对焦的步数值 A1 ～ Xn，如表 2 所示。

基于每个距离的多台对焦步数值 A1 ～ X1，……， An ～ Xn 分别计算平均值得到该投影距离 20 cm，……， Ln cm 的步进电机步数值；相邻投影距离之间不同 距离的步进电机步数值由插值法生成填充；不同投 影距离的步进电机步数值及两者的插值构成步进电 机步数通用数据子库。此数据子库适用于该投影机 型号的所有整机，是专用数据子库的构成基础，该 子库在研发试制阶段完成并存储在每台整机中，用 户无法删除。

4.3 建立步进电机步数专用数据子库

步进电机步数专用数据子库包含生产调试阶段 后的投影机个体、实际投影距离和准确对焦的步进 电机绝对步数值之间的对应关系。如图 2 所示，在 生产阶段被调试的投影机进入自动聚焦调试，计算 机系统控制投影机移动至设定的投影距离，并从投 影机查询该投影距离传感器的测距值，通过摄像机 回传图像判断正确对焦时的电机绝对步数值；使用 专有算法，求与 4.2 节中步进电机步数通用数据子 库中该位置的电机步数差值并依此修正通用数据子 库的其他所有数据，完成数据修正后存储到本机从 而构成步进电机步数专用数据子库。专有算法中的 数学表达式如下：

其中，Xn 为修正后的调节量，Xn为通用数据库中 n 位置对应的调节量，an 为校正因子，Xm 为调试时 投影机在 m 位置的调节量，Xm 为通用数据库中 m 位置对应的调节量。

此数据子库适用于本投影机的自动对焦，在批 量生产的调试阶段完成，用户不能删除。在不存在 步进电机步数用户数据子库时，投影机可调用该子 库数据进行自动对焦。

4.4 建立步进电机步数用户数据子库

步进电机步数用户数据子库包含经过用户自动 对焦校准的投影机个体、实际投影距离和准确对 焦的步进电机步数值之间的对应关系。在长期使用后，为弥补因对焦系统长期运转带来的自动对焦参 数漂移，用户可以自行校准自动对焦参数。被调试 的投影机放置在规定的投影位置，调节投影图像准 确对焦后，投影机记录当前绝对电机步数值；使用 4.3 节中的专有算法修正通用数据子库的其他所有 数据，存储为本机的步进电机步数用户数据子库。 投影机恢复出厂设置后，会清除该用户数据子库。 以上 4 个数据子库构成本文的基于测距传感器 的自动对焦数据库。

5 基于测距数据库的自动对焦方法

基于该数据库的投影机自动对焦方法分别为开 机过程中的自动对焦和正常使用过程中的自动对焦。 当存在用户数据子库时，调用用户数据子库步进电 机步数值进行自动对焦；当不存在用户数据子库时， 调用专用数据子库步进电机步数值进行自动对焦。

5.1 開机过程中的自动对焦

由于系统掉电无法侦测是否存在投影机移动的 情况，所以每次开机均默认启动自动对焦。在操作 系统引导、运行内核及完成硬件系统的初始化和配 置后，从用户态第一个进程开始的开机对焦流程如 下：①显示对焦辅助图像；②启动测距模组，读取 其寄存器当前投影距离测量值；③调用专用数据库 中对应当前投影距离的步进电机绝对步数值；④步 进电机反向转动到镜头位置归零，发送复位信号给 主控制器；⑤主控按步数值 A 控制步进电机正向转 动，驱动镜头到相应位置；⑥取消显示对焦辅助图 像，完成开机自动对焦，显示系统主页界面。

5.2 正常使用过程中的自动对焦

正常使用过程中的自动对焦是投影机在工作中 由姿态传感器监测到投影机产生移动或者接收到遥 控自动对焦命令触发。触发自动对焦进程后，自动 对焦程序加载并在原投影画面上叠加显示对焦辅助 图像，后续步骤同开机过程中的对焦流程。

6 结论

基于数据库的自动对焦方法应用于投影机的整 个生命周期，且投影机已投入批量生产。该对焦方 法节约了摄像头成本，并将普通摄像头 12 s 的对焦 时间降低到了 2 s，真正实现了无感对焦，对焦准 确度可以充分满足用户的需求，特别适合于中长焦 的投影机。

参考文献

[1] 高赞，姜威，朱孔凤 . 基于最大梯度和阈值的自动聚 焦算法 [J]. 电子测量与仪器学报，2007，21（5）： 49-54.

[2] 张黎明，张毅，赵欣 . 基于 TDC 的激光测距传感器 飞行时间测量研究 [J]. 传感器与微系统，2011，30 （12）：71-74.

[3] 周黎，杨世洪，高晓东 . 步进电机控制系统建模及运 行曲线仿真 [J]. 电机与控制学报，2011，15（1）： 20-25.