應(yīng)用于大幅面自由表面的建筑投影系統(tǒng)

高雪+劉萬(wàn)奎+劉越+王涌天

摘 要：傳統(tǒng)投影系統(tǒng)的投影效果受顯示屏尺寸、形狀和設(shè)置位置等因素的影響，投影效果并不理想。鑒于此，設(shè)計(jì)了一種可直接在建筑表面投影的顯示系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用多投影機(jī)融合擴(kuò)大了投影顯示區(qū)域，利用自行開(kāi)發(fā)的屏幕拼接軟件完成了對(duì)畫面的幾何校正和顏色校正，同時(shí)，還通過(guò)人工手動(dòng)調(diào)整實(shí)現(xiàn)了虛擬畫面與真實(shí)場(chǎng)景的直觀匹配。試驗(yàn)結(jié)果表明，應(yīng)用于大幅面自由表面的建筑投影系統(tǒng)能呈現(xiàn)出高沉浸感的三維立體效果，可以生成超大尺寸的顯示畫面，使顯示效果更加新穎、更具感染力。

關(guān)鍵詞：自由表面；投影拼接；幾何校正；顏色校正

中圖分類號(hào)：TP391.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.05.012

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和光電技術(shù)的發(fā)展，新型顯示技術(shù)的應(yīng)用將徹底改變?nèi)藗兪褂糜?jì)算機(jī)的方式，讓人們重新思考信息技術(shù)與社會(huì)之間的關(guān)系。要想將建筑視頻投影技術(shù)應(yīng)用到建筑表面的投影中，就要根據(jù)其結(jié)構(gòu)、紋理制作特定的圖像或視頻內(nèi)容。這是傳播文化的有效方式之一。建筑投影具有規(guī)模龐大、形式新穎等特點(diǎn)。

隨著大幅面自由表面建筑投影系統(tǒng)在工程中的廣泛應(yīng)用，它受到各方的高度關(guān)注，而且緩解環(huán)境光對(duì)顯示效果的影響，在建筑結(jié)構(gòu)異常復(fù)雜的表面實(shí)現(xiàn)投影校正、減小建筑縱深對(duì)畫面亮度的影響等是研究人員在未來(lái)工作中首先要解決的問(wèn)題。

本文介紹的應(yīng)用于大幅面自由表面的建筑投影系統(tǒng)采用的是多投影拼接技術(shù)，它可以直接在表面結(jié)構(gòu)復(fù)雜的建筑樓體上展示多媒體內(nèi)容。針對(duì)建筑表面結(jié)構(gòu)復(fù)雜、前后縱深大等特點(diǎn)，研究人員特提出了一種多投影機(jī)拼接補(bǔ)償方法，以實(shí)現(xiàn)顯示圖像的正確對(duì)準(zhǔn)和亮度、顏色校正等。而屏幕拼接軟件的應(yīng)用大大縮短了投影系統(tǒng)搭建過(guò)程中的調(diào)整時(shí)間，有效提高了傳統(tǒng)手動(dòng)拼接調(diào)整方式的效率。

1 投影顯示系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的多投影機(jī)系統(tǒng)可以直接在建筑表面實(shí)現(xiàn)大幅面的投影顯示，它與目前大多數(shù)應(yīng)用于室內(nèi)的投影系統(tǒng)不同，需要考慮環(huán)境光對(duì)其的影響。目前，應(yīng)用范圍比較廣的室內(nèi)投影系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，不需要考慮系統(tǒng)的擺放位置和相關(guān)優(yōu)化等問(wèn)題。但是，在戶外應(yīng)用大幅面投影顯示系統(tǒng)時(shí)，要綜合考慮地理環(huán)境，建筑結(jié)構(gòu)、形態(tài)等多方面的因素，合理地優(yōu)化、設(shè)計(jì)系統(tǒng)，盡可能減少因?yàn)樵O(shè)計(jì)方案不完整而造成資源被浪費(fèi)和時(shí)間被浪費(fèi)的情況。

1.1 影響建筑媒體整體效果的因素

建筑投影與其他投影形式最大的不同就是要考慮投影的周邊環(huán)境對(duì)畫質(zhì)的影響。投影建筑的地理位置，周邊環(huán)境，建筑高度，建筑結(jié)構(gòu)、形態(tài)等都會(huì)影響投影效果。

在實(shí)際工作中，特將建筑投影系統(tǒng)應(yīng)用于山西省汾西師家溝，投影的樓體建筑基本覆蓋師家溝的全部建筑。該地樓體建筑依山而建，整體呈垂直分布，建筑的正面視圖基本包含了全部的房屋。投影顯示系統(tǒng)將正面視圖中包含的這些房屋立面作為投影顯示屏幕，如圖1所示。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地考察和測(cè)量，為了確保能夠充分利用建筑表面，呈現(xiàn)良好的投影展示效果，特將投影機(jī)安放在該建筑群對(duì)面的半山腰上。與國(guó)內(nèi)外已有的戶外建筑投影系統(tǒng)相比，本文所述的建筑投影顯示系統(tǒng)有以下幾個(gè)特點(diǎn)：①建筑結(jié)構(gòu)異常復(fù)雜，投影范圍內(nèi)大約有40間房屋，約150個(gè)立面，而且建筑之間的位置關(guān)系也比較復(fù)雜，基本不存在大面積完整的規(guī)則投影表面，大大增加了投影拼接的難度。②顏色、紋理差異大。該投影建筑群歷史悠久，并未修繕過(guò)，房屋表面的顏色、紋理等因?yàn)榄h(huán)境等因素而有不同。另外，一些房屋的結(jié)構(gòu)也不是很完整，大大增加了后續(xù)的校正難度。③建筑群前后縱深大。該建筑群的獨(dú)特之處就是依山建村，建筑之間互不遮擋，是利用縱向深度實(shí)現(xiàn)房屋的垂直分布。④將投影系統(tǒng)安放在較高的位置。為了更好地分配投影顯示空間，特將投影顯示系統(tǒng)安放在半山腰。這樣做，大大增加了系統(tǒng)的安裝難度，但是，也在一定程度上增強(qiáng)了畫面分配、布局的優(yōu)勢(shì)。⑤環(huán)境光對(duì)其的影響小。該投影建筑位于農(nóng)村，而且該地還未進(jìn)行城鎮(zhèn)化建設(shè)，人造光源的使用率比較低。因此，在工作的過(guò)程中，投影顯示系統(tǒng)基本不受環(huán)境光的影響，大大提高了投影顯示效果。⑥傳播優(yōu)秀文化。該投影顯示項(xiàng)目以“傳承歷史文化，打造城市名片”為主題，將投影建筑作為信息傳播的載體，充分利用了大幅面投影顯示的特點(diǎn)。

1.2 多投影機(jī)系統(tǒng)的校正

應(yīng)用于大幅面自由表面的建筑投影系統(tǒng)能夠在任意一個(gè)表面上投影，比如汽車表面、樓體外立面、山體表面等。但是，在此過(guò)程中，將所需的投影內(nèi)容與真實(shí)的投影物體對(duì)準(zhǔn)是至關(guān)重要的，將其形狀精確對(duì)齊并且適當(dāng)調(diào)整顏色是進(jìn)行投影拼接的根本目的。

幾何校正表明了畫面的幾何連續(xù)性。按照投影屏幕的幾何形狀分類，可將其分為平面投影、曲面投影和自由表面投影，而幾何校正方法也因?yàn)橥队捌聊恍螤畹牟煌兴煌Ｒ驗(yàn)樽杂杀砻娴钠聊恍螤詈茈y參數(shù)化，所以，只能使用三維模型等表示。在拼接校正自由表面時(shí)，經(jīng)常會(huì)使用基于結(jié)構(gòu)光掃描的拼接方法或者基于三維重建的拼接方法。其中，基于結(jié)構(gòu)光掃描是依次向被測(cè)物投影編碼圖案，利用相機(jī)拍攝獲取編碼圖像，并利用提取到的編碼信息計(jì)算投影機(jī)圖像空間與相機(jī)圖像空間坐標(biāo)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系?；谌S重建的方法是采用三維測(cè)量方法重建每臺(tái)投影機(jī)覆蓋范圍內(nèi)的投影表面模型，然后最終生成投影初始圖像。

顏色校正表明了顏色的連續(xù)性。為了減小投影表面對(duì)投影畫面分辨率和亮度的影響，需要建立多投影機(jī)系統(tǒng)。每臺(tái)投影機(jī)投影顯示分開(kāi)的圖像都有重疊的區(qū)域，以實(shí)現(xiàn)無(wú)縫拼接的效果。

應(yīng)用該系統(tǒng)的投影建筑立面多，并且建筑結(jié)構(gòu)異常復(fù)雜、投影面積大、投影環(huán)境不穩(wěn)定、投影表面信息不易獲取，因此，可采用傳統(tǒng)的手動(dòng)方法調(diào)整投影畫面，實(shí)現(xiàn)對(duì)其的幾何校正。在該系統(tǒng)中，由于投影表面的面積比較大，所以，對(duì)允許誤差和幾何校正準(zhǔn)確度的要求并不嚴(yán)格。這在一定程度上簡(jiǎn)化了操作人員的工作，使手動(dòng)調(diào)整成為了最佳的操作方法。

1.3 三維建筑投影系統(tǒng)的工作步驟

三維建筑投影系統(tǒng)的工作步驟如圖2所示。

三維建筑投影系統(tǒng)的工作步驟是：①確定投影表面和觀看位置。根據(jù)當(dāng)?shù)亟ㄖ牡乩砦恢谩⒅車h(huán)境、建筑高度和建筑面積等確定投影表面。因?yàn)樵撁窬诱w垂直分布，建筑之間基本不存在遮擋關(guān)系，站在建筑面前能夠看到完整的房屋分布情況，所以，選定與該建筑群正對(duì)的半山腰作為觀看地點(diǎn)，并將整個(gè)建筑群的正面作為投影表面。②收集投影表面信息。確定好觀察位置后，用相機(jī)拍攝投影表面，并記錄此時(shí)相機(jī)的位置、角度和焦距等信息。③確定有效的投影區(qū)域，并制作視頻媒體。在具體工作中，媒體制作人員要根據(jù)有效投影區(qū)域的照片和記錄的相機(jī)位置、角度等信息，結(jié)合投影表面自身的特點(diǎn)和藝術(shù)創(chuàng)作需求完成視頻媒體。圖3為制作完成的視頻媒體截圖和根據(jù)截圖描畫出的重點(diǎn)建筑輪廓。④確定投影機(jī)的數(shù)量和投影方案。根據(jù)投射試驗(yàn)投影機(jī)的投影面積確定能夠完全覆蓋投影區(qū)域的投影機(jī)數(shù)量。當(dāng)投影亮度低時(shí)，可疊加投影。如圖4所示，為了確定投影區(qū)域，黃色線條描畫出的為投影拼接區(qū)域，這一區(qū)域?yàn)樽畲蟮耐队皡^(qū)域，紅色線條描畫出的為亮度疊加區(qū)域，不需要增大投影面積，只要增加投影亮度。⑤在現(xiàn)場(chǎng)安裝、架設(shè)投影機(jī)，調(diào)整各臺(tái)投影機(jī)的位置，讓其充滿整個(gè)投影表面。圖5為搭建系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)。⑥調(diào)整投影拼接。利用屏幕拼接軟件完成對(duì)圖像的校正。⑦播放調(diào)試。播放制作好的視頻媒體，并根據(jù)實(shí)際投影拼接效果調(diào)整媒體內(nèi)容，確定投影校正質(zhì)量。在此過(guò)程中，主要考慮的是顏色差異、拼接對(duì)比度、視頻動(dòng)畫效果和三維模型視角等內(nèi)容。⑧將最終調(diào)整好的圖像2 系統(tǒng)搭建與試驗(yàn)

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

2.1.1 硬件系統(tǒng)

用2臺(tái)愛(ài)普生10 000 lm工程投影機(jī)、3臺(tái)三洋XF4700 15 000 lm工程投影機(jī)完成對(duì)中心投影區(qū)域亮點(diǎn)的疊加補(bǔ)償。另外，系統(tǒng)的圖形工作站配置Intel酷睿i5四核CPU、8 GB內(nèi)存、Windows 7操作系統(tǒng)和NVIDIA GeForce GTX760顯示適配器。

2.1.2 軟件系統(tǒng)

在該系統(tǒng)中，使用的是自行開(kāi)發(fā)的影融屏幕拼接軟件。它是用Microsoft XNA Game Studio 3.1編寫的。該軟件支持的功能如表1所示。

2.2 投影拼接調(diào)整

在投影拼接調(diào)整階段，具體的步驟是：①觀察2臺(tái)投影機(jī)投影區(qū)域重疊面積所占的比例（融合率），打開(kāi)軟件系統(tǒng)，在向?qū)гO(shè)置中設(shè)置融合率。當(dāng)投影機(jī)數(shù)目設(shè)置為4×1，分辨率為2 048×768，窗口位置為X=0，Y=0時(shí)，即完成了對(duì)融合帶的設(shè)置。②設(shè)置融合系統(tǒng)參數(shù)的高級(jí)選項(xiàng)，添加4個(gè)新的融合分區(qū)，分別調(diào)整這4個(gè)融合分區(qū)的尺寸和位置，從而完成對(duì)初始融合率的設(shè)置。4個(gè)融合分區(qū)的尺寸和位置如圖6所示。③將投影區(qū)網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)設(shè)置為2×2，即將特征點(diǎn)選為投影區(qū)域的4個(gè)端點(diǎn)。將投影調(diào)整到這個(gè)區(qū)域內(nèi)可以顯示1張字母圖片。這時(shí)，投影區(qū)域與事先確定好的區(qū)域要保持一致，可將重疊區(qū)域的字母表兩端對(duì)齊。如果將投影區(qū)網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)增加為4×4，就要調(diào)整重疊區(qū)域的細(xì)節(jié)部分，讓字母盡量重合；如果重疊區(qū)域仍有不能完全重合的地方，則繼續(xù)增加網(wǎng)格點(diǎn)，即為7×7，調(diào)整重疊區(qū)域兩投影機(jī)顯示出的字母，直至其完全重合。④更換一張媒體制作好的視頻截圖，將圖片中的建筑輪廓與真實(shí)的建筑輪廓完全重合。在調(diào)整的過(guò)程中，可以適當(dāng)調(diào)整網(wǎng)格點(diǎn)的數(shù)量，直到將（包括投影重合的區(qū)域）投影區(qū)域內(nèi)的所有建筑輪廓對(duì)齊。⑤顯示融合帶，調(diào)節(jié)融合帶的亮度，使融合帶亮度和兩邊的投影亮度相近。在調(diào)整的過(guò)程中，可以多換幾張圖片完成顏色校正工作。⑥更換播放制作完成的視頻文件，根據(jù)看到的內(nèi)容繼續(xù)調(diào)整細(xì)節(jié)部分，直至確保視頻播放效果良好。

3 結(jié)論

本文簡(jiǎn)要介紹了利用多投影機(jī)技術(shù)發(fā)明的應(yīng)用于大幅面自由表面的投影系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用自行開(kāi)發(fā)的屏幕拼接軟件直接完成了對(duì)圖像的幾何校正和顏色校正。多投影機(jī)系統(tǒng)通過(guò)對(duì)投影畫面的拼接融合和亮度疊加呈現(xiàn)出了高沉浸感的投影顯示效果。

試驗(yàn)結(jié)果表明，應(yīng)用于自由表面的建筑投影系統(tǒng)能夠?qū)嬅媾c真實(shí)建筑對(duì)準(zhǔn)，進(jìn)一步提高了顯示畫面的真實(shí)感。在現(xiàn)有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，要從不同的視角分析顯示圖像誤差，以改進(jìn)系統(tǒng)的成像質(zhì)量。同時(shí)，預(yù)處理顯示畫面有效簡(jiǎn)化了幾何校正過(guò)程。

隨著信息可視技術(shù)的發(fā)展，大幅面投影拼接技術(shù)被廣泛的應(yīng)用，而建筑投影也被廣泛應(yīng)用于活動(dòng)慶典、文化演出中。這種技術(shù)是將建筑作為信息的載體，將建筑表面作為顯示屏幕，它不需要單獨(dú)建立巨型的投影幕布，不僅節(jié)省了展示成本和前期儀器設(shè)備的準(zhǔn)備時(shí)間，也增加了信息顯示的沉浸感和真實(shí)感。將三維模型與真實(shí)的建筑輪廓對(duì)齊后，借助人眼的錯(cuò)覺(jué)和心理暗示就可以呈現(xiàn)出有三維立體感的投影。這一技術(shù)得到了社會(huì)各界的一致好評(píng)。相信，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和國(guó)家綜合實(shí)力的增強(qiáng)，計(jì)算機(jī)技術(shù)和新型顯示技術(shù)的應(yīng)用必將會(huì)成為未來(lái)構(gòu)建城市名片、傳播城市文化的有利工具之一。

參考文獻(xiàn)

[1]Funkhouser T，Li K.Guest EditorsIntroduction：Large-Format Displays[J].IEEE Computer Graphics and Applications，2000（4）.

[2]Rossi D.Smart architectural models：Spatial projection-based augmented mock-up[J].Digital Heritage International Congress（DigitalHeritage），2013（2）.

[3]Raskar R，Welch G，Low K L，et al.Shader lamps：Animating real objects with image-based illumination[M]. NewYork：Springer Vienna，2001.

[4]Salvi J，García R，Matabosch C.Overview of coded light projection techniques for automatic 3D profiling[G]//Proceedings of IEEE International Conference on Robotics and Automation.Taipei：Insitute of Electrical and Electronics Engineers Inc，2003.

[5]Chen H，Sukthankar R，Wallace G，et al.Scalable alignment of large-format multi-projector displays using camera homography trees[G]//Proceedings of the conference on Visualization02.Washington：IEEE Computer Society，2002.

[6]Li D，Xie J，Zhao L，et al.Multi-projector auto-calibration and placement optimization for non-planar surfaces[J].Optical Review，2015，22（5）.

[7] Moriya T，Beniyama F，Utsugi K，et al.Multi-camera and multi-projector based seamless live image display system[G]//.Proceedings of the 10th International Multimedia Modelling Conference.Washington：IEEE Computer Society，2004.

[8]王綱.建筑投影的理論與實(shí)踐探析[D].武漢：華中科技大學(xué)，2013.

[9]Teubl F，Kurashima C，Cabral M，et al.Fastfusion：A scalable multi-projector system[G]//Proceedings of the 14th Symposium on Virtual and Augmented Reality（SVR）.Washington：IEEE Computer Society，2012.

[10]袁慶曙.數(shù)字化互動(dòng)陳展技術(shù)與系統(tǒng)研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2009.

[11]Mine M，Rose D，Yang B，et al.Projection-based augmented reality in disney theme parks[J].Computer，2012（7）.