基于投影儀的定位技術(shù)

Johnny C. Lee在它的論文中介紹他使用基于投影儀進(jìn)行定位跟蹤的系統(tǒng)的原理。在投影儀投送的圖像中包含著不易覺察的灰度變化的編碼信息?？梢员煌队皡^(qū)內(nèi)的光電管檢測(cè)到這些編碼信息時(shí)間序列，從而確定這些光電管在投影區(qū)的具體方位。

下面是他們實(shí)驗(yàn)中演示所使用的剪貼板，在四周固定有光電管傳感器。當(dāng)這些傳感器獲得相應(yīng)的位置信息之后，發(fā)送到投影儀控制電腦。電腦根據(jù)四個(gè)點(diǎn)的方位結(jié)算出剪貼板的位置和方向，進(jìn)而調(diào)整投影內(nèi)容，使其恰好適應(yīng)在剪貼板上顯示，仿佛手中持有一個(gè)平板電腦顯示的效果。

如果在配合表面的電阻觸摸屏，在使用起來(lái)就真的和一個(gè)平板電腦非常相似了。

▲ 一個(gè)手持剪貼板四角安裝有光電傳感器可以實(shí)時(shí)在投影儀下進(jìn)行實(shí)時(shí)定位
定位信息可以傳回電腦將投影儀顯示內(nèi)容根據(jù)剪貼板方位調(diào)整顯示變形
最終達(dá)到像手持一個(gè)平板電腦進(jìn)行顯示的效果

Johnny并沒(méi)有在它的文章中給出投影手寫板的電路組成，但指出其中定位系統(tǒng)的原理與參考文獻(xiàn)Automatic Projector Calibration with Embedded Light Sensors[6] 中相同。下圖是該文獻(xiàn)中給出用于投影儀矯正板背后的光電傳感器和電路板的組成部分。

四根內(nèi)徑為1毫米的光纖將定位板四個(gè)角落的光強(qiáng)引入信號(hào)處理電路板上的四個(gè)光電傳感器。它們可以感知定位板四個(gè)角所在位置上，投影儀發(fā)送特定位置編碼圖像序列所對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)度變化。

▲ 校正板背面的電路板
四根內(nèi)徑1mm的光纖將四個(gè)角落光強(qiáng)引入電路板上光電傳感器

投影儀用于位置編碼的圖案序列是黑白相間的并逐步變得更加密集的水平和垂直條形圖案。這些圖片按照順序投影在平面內(nèi)，對(duì)于同一點(diǎn)光電管所檢測(cè)到的0（黑），1（白）序列 序列構(gòu)成了格雷編碼(Gray-Coded)，每個(gè)位置上的Gray-Code各不相同，因此可以根據(jù)所檢測(cè)到的變化序列反過(guò)來(lái)確定光電傳感器所在的位置。

格雷編碼的位數(shù)是編碼數(shù)量之間關(guān)系是。對(duì)于的XGA分辨率的圖片，則需要20張（水平和垂直各需要10位）編碼圖片便可以達(dá)到像素級(jí)別的定位分辨率了。

由于使用了格雷編碼(Gray-Coded)方式，光電傳感器在兩個(gè)相鄰分辨位置中間時(shí)，最多也只會(huì)引起±1個(gè)像素的偏差，這使得定位數(shù)值不會(huì)因?yàn)楣怆娍臻g位置的移動(dòng)，不在聚焦平面等因素產(chǎn)生巨大的變化。

用于定位一個(gè)平面的方位，使用四個(gè)光電管的位置數(shù)據(jù)點(diǎn)便可以完成相應(yīng)的計(jì)算。如果引入更多的光電管可以得到更加穩(wěn)定的數(shù)值，或者使用最小二乘擬合也能夠得到亞像素分辨的位置，冗余的光電管位置信息可以提供抑制在使用時(shí)光電管的損壞、被遮擋等因素影響。

四個(gè)光電傳感器定位電路板以及一個(gè)紅外傳感器無(wú)線通信板

如果使用普通的投影儀，圖像刷新速率大約為60Hz。如果播放20幀的定位圖像序列，刷新速度為3Hz，人眼會(huì)感到明顯的閃爍。這會(huì)對(duì)在投影區(qū)進(jìn)行相關(guān)的操作產(chǎn)生不舒適的 影響。

為了降低定位圖像序列所帶來(lái)的閃爍，他們采用了以下兩種方式：

使用刷新頻率更高的DLP（Digital Light Processing）技術(shù)的投影儀，它的圖像幀率可以達(dá)到9700Hz以上。這使得播放的定位序列頻率也提高到485Hz以上。人眼不易覺察到閃爍。

使用灰度值調(diào)制方式。在原來(lái)現(xiàn)實(shí)的圖像亮度基礎(chǔ)上，對(duì)顏色值進(jìn)行調(diào)頻編碼，可以在60Hz的顯示幀率上，發(fā)送位置編碼信號(hào)。相應(yīng)接收板上的光電處理電路也需要做相應(yīng)的處理。這種方式是將普通的圖像顯示信息與定位信息一起顯示。

▲ 使用修改后的DLP投影儀產(chǎn)生調(diào)頻鍵控（FSK）01編碼信號(hào)

如果已知剪貼板四角的視角位置，便可以計(jì)算出它的局部平面單應(yīng)性轉(zhuǎn)換矩陣（Homography Matrix）。

在使用過(guò)程中，由于人持守剪貼板，有可能會(huì)對(duì)四角光電管遮擋，使得一個(gè)，或者多個(gè)光電管位置信息丟失。這時(shí)，可以通過(guò)歷史定位信息來(lái)幫助恢復(fù)剪貼板的位置。

▲ 當(dāng)定位光電傳感器位置信息丟失的時(shí)候通過(guò)存儲(chǔ)過(guò)程序列來(lái)回復(fù)位置

在蟻群人機(jī)界面[1] 中，由于所有的小型機(jī)器人都是在同一平面運(yùn)行，而且姿態(tài)都是保持與桌面垂直，所以在小型機(jī)器人的頂部就只需要安裝兩個(gè)光電傳感器，通過(guò)這兩點(diǎn)的位置便可以確定移動(dòng)機(jī)器人的中心位置和運(yùn)動(dòng)方向了。

這鐘基于投影儀的定位技術(shù)也許在將來(lái)可以被設(shè)計(jì)應(yīng)用在智能車競(jìng)賽[7] 的導(dǎo)航系統(tǒng)中。

在Moveable Interfactive Projected Displays Using Projector Based Tracking[2]文中存在一個(gè)有趣的英語(yǔ)語(yǔ)法，居然存在著在表示目的的不定式短語(yǔ)中了（ to-do）中內(nèi)嵌有整個(gè)句子的副詞。比如在Abstracts中的：

We use light sensors embedded into the moveable surfaces and project low-perceptibility Gray-coded pattens tofirstdiscover the sensor locations, and then incrementally track them in interactive rates.

相類似的還有文章的Introduction:

Research such as [13,15, 16] provide visions of future work offices that use projectors to transform large surfaces in our environment todynamicallysuit the needs of our task.

... we can project a sequence of patterns to recursivelydivide the projection area allowing each sensor to discover its location in the projector’s screen space

以上兩個(gè)句子中的副詞（first, dynamically）都是放在表示目的的不定式短語(yǔ)中了。

原文標(biāo)題：基于投影儀定位技術(shù)

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