基于全息投影的交互向?qū)到y(tǒng)探討

韓若冰 江松 郝以鳳 張尚書 劉杰 劉琳琳

概述

隨著科學技術的不斷發(fā)展，引導系統(tǒng)也在不斷地進行更新?lián)Q代。當人們進入到一個陌生的地點時，快速高效地了解周圍環(huán)境并找到自己的目的地一直都是亟待解決的問題。近年來，引導系統(tǒng)從人工向?qū)У阶詣踊驅(qū)У姆较虿粩喟l(fā)展，而自動化向?qū)б矎碾娮拥貓D向智能機器人等形式不斷演進，提高了人們的辦事效率。但是這些系統(tǒng)也存在不足之處，例如對于商場、展會等面積較大且布局復雜的場地來說，僅僅在入口處擺放場館地圖來指引路線是不夠的，而且實際路線與地圖的標識也有所區(qū)別，所以人們對準確率高、簡單易用且直觀性強的引導系統(tǒng)有著迫切的需求。

使用全息投影技術搭建一個集歡迎訪客、樓層指引、辦公引導和推送信息等功能為一體的新型交互性引導系統(tǒng)，成為一種新的發(fā)展趨勢。這樣的系統(tǒng)通過人體紅外線感受器感應用戶的靠近并喚醒各功能模塊，進而識別和分析用戶的操作，利用投影光源產(chǎn)生的干涉現(xiàn)象以及全息膜的光處理特性，將對應的視頻形式的反饋結(jié)果，以背投的成像方式，經(jīng)投影儀播放展示在平面玻璃表面的全息膜上。這種全新的技術將在一定程度上增強多媒體的表達效果，優(yōu)化用戶使用體驗，減少用戶不必要的操作且能用最直觀的方式顯示出反饋信息。

根據(jù)全息投影技術，可以為教學場所設計一種交互式“立知”專屬向?qū)到y(tǒng)，以實現(xiàn)學校教學樓場景的引導，包括樓層介紹、辦公引導、信息查詢和新聞推送等功能，師生可通過交互手段（語音控制或Leap Motion手勢等）查詢各樓層的具體結(jié)構及相關信息，以便對大樓的分工分區(qū)有一個直觀且清晰的認識。同時在這樣的系統(tǒng)中還能顯示辦公室辦公職能及其常駐教師的信息，師生可根據(jù)自己的需要直接查詢各辦公地點獲取指引，也可以得知辦公人員是否在崗，從而根據(jù)情況進行或調(diào)整自己的計劃。此外，該系統(tǒng)還具備學院介紹、教師個人介紹、天氣信息和教室信息查詢等功能，師生可通過語音互動來調(diào)用所需要的信息，而且通過實時監(jiān)控程序，還可以提供空教室的信息以及教室狀態(tài)查詢的功能，這樣人性化的功能系統(tǒng)將大大提高師生的辦公效率。最后，在無人使用引導系統(tǒng)的空閑時間，該系統(tǒng)可以自動推送本學院近期動態(tài)以及學校近期動態(tài)信息，幫助校園資訊的宣傳和推廣，也進一步提高了整個系統(tǒng)的利用效率。

全息投影技術的發(fā)展現(xiàn)狀

目前為止，全息投影技術的科技水平還不是很高，在現(xiàn)實生活中的應用不太普及，其應用領域也比較有限，大多數(shù)是商業(yè)方面的應用，如全息餐廳、全息舞臺、全息展柜、全息互動等。通俗來講，全息虛擬投影技術就是在人們的視線中營造出一個三維圖像，這種三維圖像與人們觀看3D電影時所佩戴的3D視覺有著本質(zhì)的區(qū)別，因為在觀看3D電影的時候往往需要佩戴紅藍光眼鏡，而紅藍光眼鏡的最主要功能就是過濾屏幕中的一些光線，從而營造出三維圖像。

全息投影技術一般是利用相干性較好的激光完成的，它利用相干光干涉，記錄光波的振幅信息和相位信息，因此可以得到物體包括形狀、大小等在內(nèi)的全部信息，而且不同于普通的照相技術，全息投影技術可以記錄并再現(xiàn)物體的三維信息。全息投影的制作可分為兩步：第一步是制作全息視頻，比如在采用圖1所示的錐形體來播放全息視頻時，則需將視頻中包含的物體的前后左右4個面的畫面合并在一個視頻里;第二步是通過一定的介質(zhì)來使得光線發(fā)生反射和折射，進而形成一個三維立體圖像。

對于全息投影技術來說面臨的最大問題就是介質(zhì)。若是沒有介質(zhì)，光就不會發(fā)生折射，這也就意味著類似科幻片中的效果不可能實現(xiàn)。針對上述問題，世界各國對于如何實現(xiàn)全息投影進行了大量的研究，目前除常規(guī)的利用全息投影膜成像的方式之外，更加先進的全息投影技術共有3種。

①空氣投影和交互技術：美國麻省理工學院的研究生達因發(fā)明了一種空氣投影和交互技術，這是顯示技術上的一個里程碑，它可以在氣流形成的墻上投影出具有交互功能的圖像。此技術來源于海市蜃樓的原理，將圖像投射在水蒸氣上，由于分子震動不均衡，可以形成層次和立體感很強的圖像。

②激光束投射實體的3D影像：這項技術是由一家日本公司發(fā)明的，它主要是利用氮氣和氧氣在空氣中散開時，混合成的氣體變成灼熱的漿狀物質(zhì)，并在空氣中形成一個短暫的3D圖像。這種方法主要是不斷在空氣中進行小型爆破來? ? 實現(xiàn)。

③360°全息顯示屏：南加利福尼亞大學創(chuàng)新科技研究院成功研制出了一種360°全息顯示屏，這種技術是利用一種高速旋轉(zhuǎn)的鏡子作為媒介，將圖像投影在這面鏡子上從而實現(xiàn)三維圖像的形成。

總體來說，這些更加先進的全息投影技術依然沒有擺脫對介質(zhì)的依賴。目前最通用的投影方式仍然是使用全息投影膜作為媒介，但這種方式的最大弊端就是成本高昂。綜上所述，全息投影技術還有待進一步開發(fā)與研究。

交互式引導系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

如今的交互式引導系統(tǒng)以感知交互為發(fā)展重點，感知交互強調(diào)與近眼顯示、渲染處理與網(wǎng)絡傳輸?shù)鹊募夹g協(xié)同，通過提高視覺、觸覺、聽覺等多感官通道的一致性體驗，以及環(huán)境理解的準確程度，實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實“感知”能力的持續(xù)進化。在感知領域中，由內(nèi)向外追蹤定位、手勢交互有望在5年內(nèi)成為虛擬現(xiàn)實主流技術。其中，追蹤定位作為感知交互領域的基礎能力，業(yè)界投入最大，且日趨成熟。手勢交互在2016年處于期望高峰，而基于手柄的非裸手交互控制依然是目前的主流方向。

針對手勢交互的研究主要分為兩種，分別是基于視覺的非接觸式手勢交互和基于數(shù)據(jù)手套等設備的接觸式手勢交互。基于視覺的非接觸式手勢交互會因為物體之間的遮擋而出現(xiàn)無法識別的問題，并且對于使用者周圍的環(huán)境因素要求較高;基于數(shù)據(jù)手套等設備的接觸式手勢交互在使用時必須佩戴交互設備并連接到計算機，這就對人身體的自由活動產(chǎn)生了一定程度的限制。

近年來，有人用Kinect體感控制器識別手勢，但是Kinect識別的是身體的整體動作，在手勢識別方面提供不了足夠的細節(jié)信息。Leap Motion是一種專用于追蹤手勢的交互設備。它通過內(nèi)部的多個紅外相機實現(xiàn)亞毫米級的手勢追蹤，返回追蹤到手的模型供開發(fā)者使用。但是通過Leap Motion返回的手勢模型并不穩(wěn)定，與現(xiàn)實中的手相比，存在抖動現(xiàn)象。