Auto-focus-assistant-lite

This is an lite version of the original auto-focus-assistant. In this project, we're trying to build the AF-assistant with a microcomputer and a 2D lidar instead of using the X86 computer and the depth camera

研究背景/background

• 近年来，随着个人Vlog和短视频的兴起，视频拍摄的门槛越来越低，用户对于摄影机性能的要求也越来越高
  对于个人用户或小团队用户而言，摄影机性能主要体现在两个方向: 画质和易用性
  前者在此处不作详细展开，后者主要包括：体积重量、人体工学、对焦性能和防抖性能等。
  其中， 自动对焦系统 是极为重要的一部分，而各厂家由于技术路线或专利的限制，对焦性能参差不齐
  在当下的市场上，有很多画质优秀的影像设备由于易用性不佳，而导致了大量用户的流失
  例如，来自Panasonic和blackmagic design的摄影机，他们有着出色的画质但缺乏可靠的自动对焦系统
  

• 本项目旨在改善摄影机的自动对焦性能，实现自动或半自动对焦

工作原理/principle

本项目是基于单片机和2D激光雷达构建的主动式对焦系统

• 基础部分
  

先通过2D激光雷达使用TOF方式获取一定范围的2D深度图，同时获取该范围内最近物体的距离
再通过单片机处理信号和发送信号，通过映射函数，将电机驱动至指定的位置，实现对焦动作
每隔一定时间（如100ms）执行一次上述循环，实现连续对焦功能

• 衍生部分
  

正如很多有经验的司机不愿意使用自动挡
很多有经验的摄影师也不愿意完全依赖自动对焦
因此，我们通过逆向工程，读取铁头公司推出的电机控制手柄的通信协议
将其滚轮和按钮用于自动对焦系统的控制和模式切换
同时,利用单片机驱动触摸屏，将雷达信号以俯视图的形式，和实时电机位置混合后投射在屏幕上
为摄影师或跟焦员提供直观易懂的雷达视图以辅助对焦
从而实现“手自一体”的对焦方式

硬件结构/hardware structure

本项目的硬件结构主要由以下四个部件组成:

传感器/sensor

• 传感器用于感知目标距离相机的距离，给控制器提供信息用于驱动电机
  
• 此处选用的传感器是2D激光雷达，选型理由如下:
  相较于单点式激光雷达，2D激光雷达可以覆盖更大的范围，当目标物体偏离中心时依然可以正常对焦
  相较于深度相机和面阵激光雷达，2D激光雷达所需要的算力和功耗都较小，适合搭配单片机使用
  同时，2D激光雷达成本相对低廉，为未来的商业化保留了可能性
  
• 最终，我们选择了来自乐动机器人的LD19激光雷达
  它拥有最远达12m的探测距离，采用905nm波长可以规避阳光干扰，扫描性能足够满足本项目的需求
  

控制器/controller

• 控制器用于实现“手自一体”的自动对焦模式选择和功能切换
  
• Tilta铁头公司是一家专业制作相机配件的器材供应商，他们于2018年底推出了原力N(NucleusN)电动跟焦系统
  这套系统在这几年间不断更新壮大，提供了跟焦马达、跟焦手柄和蓝牙跟焦手轮等一系列解决方案
  本项目也采用了铁头公司的原力N系统，主要针对其跟焦马达和跟焦手柄进行研发
  
• 在本项目中，通过逆向功能还原其通信协议，原力N系统的跟焦手柄被改造为控制手柄
  我们对按键和滚轮等功能进行了重映射，具体的使用方法见后文“使用方法”部分
  除此之外，该手柄还承担给执行器电机供电的功能
  

处理器/processor

• 处理器用于处理传感器获取的距离信息，同时读取来自控制器的信号
  
• 经过处理后，处理器将信号发送给执行器(电机)
  同时，处理器也用于协调系统各部分工作，与用户进行交互，并完成雷达俯视图的绘制(在触摸屏上)
  
• 此处选用的处理器是STM32单片机
  因为本项目是STM32单片机课程设计，同时STM32兼顾了低价和高性能的需求
  
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执行器/operator

• 执行器是执行对焦动作的器件，一般为电机
  
• 在本项目中，执行器是Tilta铁头原力N跟焦电机
  原力N作为民用影视行业广泛使用的跟焦电机之一，有着低廉的售价、良好的群众基础和优秀的性能
  同样的，我们通过逆向还原铁头原力N的通信协议，完成了基于位置闭环的电机控制
  

团队分工/team division

• 赖建宇 : 负责逆向铁头原力N系统的通信协议和整体逻辑框架搭建
• 黄桦 : 负责stm32选型和调试触摸屏，与雷达整合显示波形图
• 李其銮 : 负责雷达数据的读取与处理

软件结构/software structure

• 本项目软件架构较为简单，主要分为motor马达模块，serial串口模块，screen触摸屏模块

• motor模块对此前Auto Focus Assistant项目中的多个函数进行了移植和重构

  • 包括拉格朗日插值函数、dis2pose距离转电机位置函数、ASCII与HEX格式的转换函数等等
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  • 提供了三种运行模式：自动对焦模式、手动辅助对焦模式、电机行程校准模式

• serial串口模块包括UASRT1、USART2和USART3

  • USART1用于接入串口助手实现离线调试，波特率设置为115200

  • USART2接激光雷达实现距离检测，波特率设置为230400

  • USART2接线示意图如下:

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  • USART3用于和原力N通信，其中RX接控制手柄的TX，TX接电机的RX，波特率设置为115200

  • 逆向得到的USART3接线示意图如下：

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  • 逆向得到的电机控制协议如下：

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• screen模块用于驱动触摸屏，绘制触摸屏UI

  • 前期的UI构思如下：

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  • 后期成品实际UI如下

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  • UI说明：显示屏从上到下一次为状态显示栏、对焦波形图和相应文字说明。

  • 状态显示栏部分，左侧ON/OFF启动时字体颜色为绿色，关闭时为红色，右侧Auto和Manual可以通过按键切换，Auto为自动对焦模式（由单片机接管电机控制），Manual为手动对焦模式（通过滚轮编码器进行电机控制）。

  • 波形图部分，蓝色的曲线代表当前摄影机前方的测距数据，共由40个点构成，理论刷新率为10hz；绿色直线则代表当前手柄滚轮所指示的位置，会按照滚轮位置的变化而上下移动。波形图横坐标为-40°~40°，即最大对焦视场角为80°；波形图纵坐标为0-10m，即最远测距有效值为10m；波形图精度为10cm。

物料清单/BOM

• 铁头原力N跟焦电机及手柄套装 * 1
• 乐动机器人LD19激光雷达 * 1
• 15mm 碳纤维管固定支架 * 1
• STM32F103ZET6带320x240显示屏 * 1
• micro USB 转 杜邦线 * 2
• zh1.5 公口 转 2.54杜邦线 * 1
• 杜邦线若干
• (3D打印固定件若干)

使用方法/user instruction

• 按照接线示意图，连接单片机、控制手柄、雷达和跟焦电机
• 先开启手柄电源，此时手柄为跟焦电机提供8V供电，电机启动
• 再启动单片机，默认进行上电行程自动校准，随后进入自动对焦或手动辅助对焦状态
• 此时你可以在雷达示波器上看到雷达波形图和当前电机位置指示，并可以通过按键切换工作模式（见软件架构部分）