三維虛擬投影系統(tǒng)

石 洋 韓 哲 姚蘇芳 潘曉博

（徐州工程學(xué)院信電工程學(xué)院，江蘇 徐州 221018）

0 引言

全息投影是近期非常流行的技術(shù)，它采用全息膜配合投影展示產(chǎn)品，提供了豐富的全息影像，可以在玻璃、亞克力等材質(zhì)上成像，將裝飾性、實(shí)用性融為一體，成為現(xiàn)在一種前沿的市場(chǎng)推廣手段。 2008年美國(guó)CNN電視臺(tái)首次在總統(tǒng)大選的報(bào)道中應(yīng)用了全息投影技術(shù)，動(dòng)用了35部高清攝像機(jī)，從各角度同時(shí)對(duì)主持人進(jìn)行拍攝，拍攝的圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)?0臺(tái)電腦中進(jìn)行合成處理，最終通過(guò)高清投影儀實(shí)現(xiàn)全息人像的真實(shí)再現(xiàn)。全息投影技術(shù)是通過(guò)在空氣或特殊鏡片上形成立體影像，是全息 攝影術(shù)的逆向展示，可以從任何角度觀看全息影像的不同側(cè)面。目前市場(chǎng)上可實(shí)現(xiàn)的全系投影從技術(shù)上分為四種：（1）空氣投影。美國(guó)麻省的一名29歲研究生發(fā)明了一種空氣投影技術(shù)，可以在氣流墻上投影圖像，并且使其具備交互功能。這一技術(shù)靈感來(lái)源于海市蜃樓原理，將圖像投射在大片的水蒸氣上，由于組成水蒸氣的水分子震動(dòng)不均衡，可以形成立體感很強(qiáng)的全息圖像。（2）激光束投影。日本公司研制了一種利用激光束來(lái)投射實(shí)體的全息影像投射方法。這一方法主要利用了氧氣和氮?dú)庠诳諝庵猩㈤_(kāi)時(shí)，兩者混合成的氣體變成灼熱的物質(zhì)，并在空氣中通過(guò)不斷的小爆炸形成全息圖像。（3）美國(guó)南加利福尼亞大學(xué)的研究人員研制了一種360度全息顯示屏，將圖像投影在高速旋轉(zhuǎn)的鏡子上，從而實(shí)現(xiàn)全息影像。（4）霧幕立體成像系統(tǒng)。霧幕立體成像，也被稱(chēng)為霧屏成像，通過(guò)鐳射光借助空氣中的微粒，在空氣中成像，使用霧化設(shè)備產(chǎn)生人工噴霧墻，利用這層水霧墻代替?zhèn)鹘y(tǒng)的投影屏，結(jié)合空氣動(dòng)力學(xué)制造出能產(chǎn)生平面霧氣的屏幕，再將投影儀投射噴霧墻上形成全息圖像。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

全息投影技術(shù)是全息攝影技術(shù)的逆向展示，本質(zhì)上是通過(guò)在空氣或者特殊的立體鏡片上形成立體的影像。不同于平面銀幕投影僅僅在二維表面通過(guò)透視、陰影等效果實(shí)現(xiàn)立體感，全息投影技術(shù)是真正呈現(xiàn)3D的影像，可以從360°的任何角度觀看影像的不同側(cè)面。產(chǎn)品系統(tǒng)是由三維顯示系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)多媒體系統(tǒng)、控制系統(tǒng)所組成。下圖1為系統(tǒng)流程框圖。

圖1 系統(tǒng)流程框圖

1.1 三維顯示系統(tǒng)

三維立體顯示系統(tǒng)提供了良好的沉浸式虛擬場(chǎng)景。在虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中用以顯示實(shí)時(shí)的虛擬現(xiàn)實(shí)仿真應(yīng)用程序，該系統(tǒng)通常主要包括專(zhuān)業(yè)投影顯示系統(tǒng)、懸掛系統(tǒng)、成像裝置等三部分，三維顯示系統(tǒng)在360度全息投影技術(shù)中完成活動(dòng)三維立體視頻的在場(chǎng)景造型上的再現(xiàn)，使立體影像與周?chē)娜嗽炀坝^背景有比較“真實(shí)”的結(jié)合。 下圖2為成像系統(tǒng)圖。

圖2 成像系統(tǒng)圖

1.2 計(jì)算機(jī)多媒體系統(tǒng)

多媒體計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是指能把視、聽(tīng)和計(jì)算機(jī)交互式控制結(jié)合起來(lái)，對(duì)音頻信號(hào)、視頻信號(hào)的獲取、生成、存儲(chǔ)、處理、回收和傳輸綜合數(shù)字化所組成的一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。具有同步性，集成性，交互性，綜合性等特征。在360度全息投影技術(shù)中，計(jì)算機(jī)多媒體系統(tǒng)利用先進(jìn)的多媒體技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)大的場(chǎng)景、復(fù)雜的生產(chǎn)流水線(xiàn)、大型產(chǎn)品等的逼真展示。

1.3 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)意味著通過(guò)它可以按照所希望的方式保持和改變機(jī)器、機(jī)構(gòu)或其他設(shè)備內(nèi)任何感興趣或可變的量。控制系統(tǒng)同時(shí)是為了使被控制對(duì)象達(dá)到預(yù)定的理想狀態(tài)而實(shí)施的?？刂葡到y(tǒng)使被控制對(duì)象趨于某種需要的穩(wěn)定狀態(tài)。在360度全息投影技術(shù)中，控制系統(tǒng)完成活動(dòng)模型控制、電源控制、播放控制等。

2 視頻制作

本系統(tǒng)不可或缺的便是在視頻制作上，因此為了視頻的精彩呈現(xiàn)，選擇基于PC系統(tǒng)的三維動(dòng)畫(huà)渲染和制作軟件3D Studio Max以及視頻處理軟件Adobe After Effects。

3DSMax在應(yīng)用范圍方面，廣泛應(yīng)用于廣告、影視、建筑設(shè)計(jì)、三維動(dòng)畫(huà)、多媒體制作、游戲以及輔助教學(xué)等領(lǐng)域。該軟件的突出特點(diǎn)：1）基于PC系統(tǒng)的低配置要求；2）安裝插件（plugins）可提供3DSMax所沒(méi)有的功能（以及增強(qiáng)原本的功能；3）強(qiáng)大的角色(Character)動(dòng)畫(huà)制作能力；4）可堆疊的建模步驟，使制作模型有非常大的彈性。

AE的全稱(chēng)是After Effects，一個(gè)影視后期特效合成及設(shè)計(jì)軟件。AE軟件可以幫助您高效且精確地創(chuàng)建無(wú)數(shù)種引人注目的動(dòng)態(tài)圖形和震撼人心的視覺(jué)效果。利用與其他Adobe軟件無(wú)與倫比的緊密集成和高度靈活的2D和3D合成，以及數(shù)百種預(yù)設(shè)的效果和動(dòng)畫(huà)，增添令人耳目一新的效果。

3 電路模塊控制設(shè)計(jì)

3.1 單片機(jī)STC15W408AS

STC15W408AS是STC生產(chǎn)的一款高速、可靠、抗強(qiáng)干擾的新一代單片機(jī)，內(nèi)置晶振及復(fù)位電路，減少最小系統(tǒng)的外圍電路、PCB板面積及設(shè)計(jì)成本。另外此芯片資源豐富，功能強(qiáng)大，符合本設(shè)計(jì)要求。本設(shè)計(jì)使用三路PWM為L(zhǎng)ED驅(qū)動(dòng)電路提供PWM輸入信號(hào)，通過(guò)SPI控制ESP8266無(wú)線(xiàn)通信模塊的數(shù)據(jù)收發(fā)。

3.2 ESP8266無(wú)線(xiàn)WIFI模塊

本設(shè)計(jì)采用ESP8266無(wú)線(xiàn)WIFI模塊控制視頻的播放、暫停、停止。

3.2.1 ESP8266簡(jiǎn)介

ESP8266是一款超低功耗的UART-WiFi透?jìng)髂K，擁有業(yè)內(nèi)極富競(jìng)爭(zhēng)力的封裝尺寸和超低能耗技術(shù)，專(zhuān)為移動(dòng)設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計(jì)，可將用戶(hù)的物理設(shè)備連接到Wi-Fi無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上，進(jìn)行互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)通信，實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能。

ESP8266封裝方式多樣，天線(xiàn)可支持板載PCB天線(xiàn)，IPEX接口和郵票孔接口三種形式；

ESP8266可廣泛應(yīng)用于智能電網(wǎng)、智能交通、智能家具、手持設(shè)備、工業(yè)控制等領(lǐng)域。

3.2.2 ESP8266主要功能

ESP8266可以實(shí)現(xiàn)的主要功能包括：串口透?jìng)?，PWM調(diào)控，GPIO控制。

3.2.3 ESP8266內(nèi)部結(jié)構(gòu)

ESP8266高度片內(nèi)集成，包括天線(xiàn)開(kāi)關(guān)balun、電源管理轉(zhuǎn)換器，因此僅需極少的外部電路，且包括前端模塊在內(nèi)的整個(gè)解決方案在設(shè)計(jì)時(shí)將所占PCB空間降到最低。下圖3為ESP8266結(jié)構(gòu)圖。

圖3 ESP8266結(jié)構(gòu)圖

3.3 人機(jī)界面軟件程序設(shè)計(jì)

三維虛擬投影系統(tǒng)的控制程序設(shè)計(jì)流程圖如下圖4所示，其主要包括：

3.3.1 系統(tǒng)初始化

在系統(tǒng)初始化程序中，主要完成對(duì)各模塊的啟動(dòng)處理，其中包括：顯示屏進(jìn)入播放界面、無(wú)線(xiàn)模塊ESP8266啟動(dòng)。

3.3.2 檢測(cè)系統(tǒng)狀態(tài)

系統(tǒng)初始化以后，開(kāi)始檢測(cè)wifi模塊，并且檢測(cè)視頻播放狀態(tài)，一切正常后，等待進(jìn)入系統(tǒng)啟動(dòng)狀態(tài)。

3.3.3 啟動(dòng)任務(wù)

檢測(cè)系統(tǒng)狀態(tài)正常后，開(kāi)始檢測(cè)觸摸屏是否有事件發(fā)生，即用戶(hù)是否對(duì)觸摸屏操作，如果有那么系統(tǒng)開(kāi)始發(fā)送相應(yīng)的指令到視頻控制，從而實(shí)現(xiàn)智能播放停止的功能，如果沒(méi)有系統(tǒng)保持待機(jī)功能。

圖4 控制程序設(shè)計(jì)流程圖

4 結(jié)論

通過(guò)把物理學(xué)光學(xué)技術(shù)、三維動(dòng)畫(huà)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和嵌入式技術(shù)融合，應(yīng)用于投影技術(shù)中，不僅突破了傳統(tǒng)聲、光、電局限，將美輪美奐的畫(huà)面帶到觀眾面前，給人一種虛擬與現(xiàn)實(shí)并存的雙重世界感覺(jué)，給人們帶來(lái)新的視覺(jué)享受。而且還克服以大屏幕為主的傳統(tǒng)展示方式的缺點(diǎn)，體現(xiàn)了融合展示及互動(dòng)展示。本設(shè)計(jì)尺寸靈活、成像清晰度高、安裝便捷、形式新穎、內(nèi)容多樣，適用于虛擬樣機(jī)、生物醫(yī)學(xué)以及建筑視景與城市規(guī)劃、地震及消防演練仿真、軍事模擬戰(zhàn)場(chǎng)、電子對(duì)抗、航空航天模擬等領(lǐng)域，具有較高的推廣與應(yīng)用價(jià)值。

［1］高玉芹.單片機(jī)原理與應(yīng)用及C51編程技術(shù)[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2011.

［2］向華.三維動(dòng)畫(huà)制作[M].高等教育出版社,2011.

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［4］石東海.單片機(jī)數(shù)據(jù)通信技術(shù)融入門(mén)道精通[M].西安電子科技大學(xué)出版社,2002.

［5］余錫存.單片機(jī)原理與接口技術(shù)[M].西安電子科技大學(xué)出版社,2002.

［6］盧曉麗.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2012.