幻影成像教學系統(tǒng)的開發(fā)與研究

管會超 徐宇杰 郭慶

摘 要：基于現(xiàn)有的幻影成像視頻源不可控的使用性限制，使得幻影成像只能以固定的方式進行播放。因此，項目以3DVIA Studio為仿真平臺開發(fā)一套可控3D動畫系統(tǒng)，并且與幻影成像系統(tǒng)結合，實現(xiàn)幻影成像視頻源的可控性，并應用幻影成像系統(tǒng)對發(fā)動機復雜結構原理進行展示。以3DVIA Studio作為實驗平臺，運用行為設計、流程圖編程開發(fā)方式實現(xiàn)人機交互功能，依靠Virtools Scripting Language （VSL）編程語言進行畫面分屏處理，然后與幻影成像系統(tǒng)結合，實現(xiàn)現(xiàn)實景物與虛幻3D動畫融合和可控幻影成像視頻源的開發(fā)，應用于教學進行生動展示實現(xiàn)高效率教學。

關鍵詞：幻影成像；3DVIA Studio；融合；可控性

中圖分類號：TP393 文獻標志碼：B 文章編號：1673-8454（2016）09-0085-03

引言

3D動畫結合幻影成像系統(tǒng)近年來發(fā)展頗為迅速[1]。上海世博會多個國家館中都對這一系統(tǒng)結合3D動畫進行了媒介融合的實踐與智能推介。兩者的融合實踐在表現(xiàn)方式上具有明顯的創(chuàng)新性與靈活性，其亦幻亦真的感覺，帶給了觀眾全新的視覺體驗。目前國內還停留在對幻影成像系統(tǒng)或是3D動畫創(chuàng)作單項層面的研究，沒有對3D動畫和幻影成像兩者之間進行有效的資源整合，可以說對國內目前這一領域的理論與技術的研究還處于初級低層次的狀態(tài)。因此，本文以3DVIA Studio為平臺制作可控動畫，實現(xiàn)幻影成像視頻源的可控性，與幻影成像設備相結合，以帶給觀眾亦真亦幻的視覺體驗，并且與教學系統(tǒng)相結合實現(xiàn)動態(tài)展示復雜發(fā)動機結構的生動教學，提高對于抽象結構的高效率教學。

一、幻影成像的概念及成像原理

幻影成像也稱三維立體虛擬成像[2]，是澳大利亞The Shirley Spectra公司的一項針對博物館、科技館、展覽館等進行創(chuàng)意和制作的國際領先的全新展示技術，是基于“實景造型”和“幻影”的光學成像結合，將所拍攝的影像（人、物）投射到布景箱中的主體模型景觀中，構成了動靜結合的影視畫面，演示故事的發(fā)展過程使之獲得一種“立體幻影”與實物模型結合及相互作用的逼真的視覺效果，配上三維聲音、燈光、氣味、煙霧等，使其更加惟妙惟肖，非常適合博物館。

幻影成像是一種將三維畫面懸浮在實景的半空中成像，營造了亦幻亦真的氛圍，效果奇特，具有強烈的縱深感，真假難辯。形成空中幻象中間可結合實物，實現(xiàn)影像與實物的結合。

二、制作過程

先是利用三維建模軟件對物體建模，然后利用3DVIA Studio中BB模塊編寫流程控制圖，然后是幻影成像源開發(fā)的核心部分，對屏幕使用VSL語言進行分屏操作，最后則是與幻影成像設備結合，實現(xiàn)可的幻影成像源的開發(fā)。

1.模型前期準備

通過一般機械CAD軟件建立的三維模型基本都可以用SOLIDWORKS打開，進行添加材質、貼圖、渲染等操作后，導出為3dxml格式即可導入到3DVIA Studio中，然后再3DVIA Studio進行行為方式的編輯[3]。

大涵道比渦扇發(fā)動機，結構設計和強度振動技術要求較高，特別強調提高結構效率，結構在滿足全部使用的條件下，重量最輕、結構可靠，成本最低。適度低展弦比的寬弦空心結構的風扇葉片不僅具有先進的氣動性能和抗振能力，而且可以明顯減輕結構重量和減少零件數(shù)量，增加級負荷，提供較大的失速裕度，較高的效率。寬弦空心風扇葉片是大涵道比渦扇發(fā)動機的一個技術方向[4]。由于寬弦空心風扇葉片葉型曲面的復雜結構，一般建模軟件不易實現(xiàn)，所以我們選用了CATIA、UG曲面建模好的軟件進行建模。通過UG進行曲面設計，最終的葉片實體模型（如圖2所示）真實地反映了發(fā)動機寬弦空心風扇葉片的復雜結構。圖3是在SOLIDWORKS中渲染得到的。

2.3DVIA Studio編寫行為流程

3DVIA Studio中的Building Blocks功能是用邏輯圖來實施所編寫的behavior Tasks和Functions。一些常用的Building Blocks已經封裝在3DVIA Studio中。用戶還可以使用邏輯圖或者VSL語言來編寫所需要的Building Blocks。這些預封裝的Building Blocks一部分來源于現(xiàn)有的API函數(shù)，另一部分則來源于編譯后的VSL和C++源文件。

如圖4，利用3DVIA Studio中的BB編寫的動畫控制邏輯圖，我們根據(jù)自己的需要選擇控制動畫的方式，并通過邏輯關系來實現(xiàn)所需動畫，每個BB都會有幾個不同的連接借口，不同的邏輯思路和不同的連接方法做出的動畫結果是千變萬化的。圖中連接方式所實現(xiàn)的效果是對模型物體進行大小變化的模塊，Keep Active用于使后面的Building Blocks組件在整個程序運行的過程中始終保持激活狀態(tài)，keyboard是用來監(jiān)視鍵盤輸入的模塊，只要是鍵盤輸入、輸出的動作都需要用keyboard這個BB來對鍵盤進行激活控制。在這個邏輯圖中，也就是使監(jiān)控鍵盤的Is Key Press一直監(jiān)控某一個具體按鍵的輸入，經過流程后用Add和Subtract兩個BB來控制物體大小。

3.VSL編寫分屏代碼

在搭建可控幻影成像視頻源的過程核心技術就是要實現(xiàn)視頻源的四個攝像機所錄制的視頻實時可控性，四個攝像機要動作協(xié)調一致，攝像機的位置也要經過嚴密的計算使得距離物體的距離是一致的。下面是利用VSL腳本語言編寫的分屏程序的部分核心代碼：

// Match a specific existing camera

if（CameraToMatch）{

stereoCam.SetWorldTransform（CameraToMatch.GetWorldTransform（））；

stereoCam.SetFov（CameraToMatch.GetFov（））；

stereoCam.SetNearClip（CameraToMatch.GetNearClip（））；

stereoCam.SetFarClip（CameraToMatch.GetFarClip（））；

}

//active stereo

if（ StereoType == StereoSubType：：ActiveStereo ）

{

vkRenderOptions& ropt = vkRenderOptions：：Instance（）；

ropt.stereo = true；

}

else if（ StereoType == StereoSubType：：SideBySide ）

{

// Split main viewport into left and right viewport

viewport.SetSubViewportCount（9）；

// Set left and right camera to corresponding viewports

viewport.GetSubViewport（0）.SetCamera（A）；

viewport.GetSubViewport（1）.SetCamera（B）；

viewport.GetSubViewport（2）.SetCamera（C）；

viewport.GetSubViewport（3）.SetCamera（D）；

viewport.GetSubViewport（4）.SetCamera（E）；

viewport.GetSubViewport（5）.SetCamera（F）；

viewport.GetSubViewport（6）.SetCamera（G）；

viewport.GetSubViewport（7）.SetCamera（H）；

viewport.GetSubViewport（8）.SetCamera（I）；

4.原理與分屏效果

在3DVIA Studio 中采用VSL腳本語言編程將屏幕分割成九個大小相同的區(qū)域，如圖5，在模型前后左右四個面調整設置相應的攝像機進行圖像的錄制與輸出，然后再利用幻影成像膜做出金字塔形狀的成像金字塔。成像金字塔的四面均與視線成45度角，將視頻或者是3D動畫程序在屏幕上進行播放，光線直接投射在傾斜的成像金字塔側面，通過幻影成像膜的反射使光的路線發(fā)生轉折并進入人的眼睛里，視網膜感光后會沿著光的路線去看，通過透明的幻影成像膜的將屏幕中的四個面的圖像融合成一個整體投影在成像金字塔內部，在成像金字塔內部呈現(xiàn)出立體的3D模型。系統(tǒng)采用3DVIA Studio實時可控動畫編程，使用四個位置的攝像機分別進行前后左右面的實時情況，使用者可以自己任意控制轉動模型，變換模型角度進行觀察，實現(xiàn)了可控的3D動畫系統(tǒng)。

目前采用幻影成像膜的是因為膜的厚度較小，透光性和折射性好，而且采用膜比較容易成型，但是膜的強度不夠容易產生變形而導致形成的幻影也就會發(fā)生畸變；若是采用硬度較強的玻璃作為介質的話，一來玻璃不容易加工，二來由于玻璃有一定的厚度，光路在玻璃中會產生一次折射和兩次反射，從而會導致有重影的現(xiàn)象產生。

如圖6，播放器放置在幻影成像金字塔上方，則會有人物、物體懸在半空中的亦真亦幻的感覺。可以與實際景物相結合，如圖8中可以看出渲染后的葉片仿佛是放置在圓柱體凸臺上，圓柱體凸臺為實物，是用來放置葉片當作葉片支撐的，而且可以與后面的背景融合，實現(xiàn)了實景與虛物的融合。采用幻影成像膜是為了避免了重影問題，當然，現(xiàn)在也已經研制出了專門用來制作幻影成像設備的玻璃，但由于其價格昂貴，項目則仍然采用幻影成像膜。

三、可交互幻影成像系統(tǒng)的應用

應用可控幻影成像系統(tǒng)可以揭示復雜的現(xiàn)象規(guī)律、解釋一個科學原理、展示發(fā)動機復雜的結構、講解發(fā)動機工作原理、介紹新科技產品，適合表現(xiàn)細節(jié)或內部結構較豐富的個體物品等。尤其可以進行虛擬發(fā)動機的教學，以直接的裸眼3D模型講述發(fā)動機的復雜結構，運用3DVIA Studio中的動態(tài)物理模擬系統(tǒng)可以生動的展示發(fā)動機工作原理和發(fā)動機工作時各個系統(tǒng)的作用，以三維影像展示給學生立體的感覺，提高教學效率，加深學習印象。

參考文獻：

[1]余春娜.新媒體語境下3D動畫結合幻影成像系統(tǒng)的媒介融合實踐與智能推介研究（一）[J].影像技術， 2012，24（6）：59-60.

[2]田岸婷.幻影成像在博物館陳列設計中的運用[J].美術科技， 2014（10）：55-55.

[3]鄒鵬程，朱文華，陳九龍.基于3DVIA Studio的生產線仿真研究[J].工業(yè)控制計算機，2013（8）：38-39.

[4]郝勇，李志強，杜發(fā)榮.大涵道比渦扇發(fā)動機的寬弦空心風扇葉片技術研究[R].中國航空學會2007年學術年會-動力專題.