3D偽全息投影教輔設(shè)備的研制*

陳仲陽，徐 柯，李小艷，付艷華

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院理學(xué)院，湖北 十堰442002）

1 3D偽全息投影的定義與研究意義

偽全息投影又稱“準(zhǔn)全息”或“類全息”，起源于16世紀(jì)的“佩珀?duì)柣孟蟆?，是一種依靠折射率和反射率為50%、面向45°視線角度的玻璃，經(jīng)特定光照照射后，在玻璃裝置中呈現(xiàn)虛像的技術(shù)。該技術(shù)將三維畫面懸浮在實(shí)景半空中成像，具有對(duì)比度高、清晰度高、空間感和透視感強(qiáng)的特點(diǎn)?？罩谢孟笈c實(shí)物相結(jié)合，更加增強(qiáng)了幻象的真實(shí)感，是數(shù)字化、信息化技術(shù)發(fā)展的新產(chǎn)物，被廣泛應(yīng)用于商業(yè)展覽和影視特效中[1]。本文利用3D偽全息投影技術(shù)，研制了一款中小型的教學(xué)輔助投影儀，它能將教師在教學(xué)中難以表述的教學(xué)模型及三維實(shí)體進(jìn)行具象展示。從而使學(xué)生在學(xué)習(xí)中，不僅僅局限于知識(shí)的概念描述，還可以接觸實(shí)物信息，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高課堂的教學(xué)效果。

2 3D偽全息投影總體設(shè)計(jì)方案

3D偽全息投影不同于真正意義上的光學(xué)全息技術(shù)，其利用佩伯爾幻像技術(shù)，使投影動(dòng)畫與成像棱錐各側(cè)面的玻璃成45°角，光線在玻璃表面發(fā)生折射和反射，根據(jù)平面鏡成像原理，平面鏡所成的虛像與源影像相對(duì)于玻璃表面對(duì)稱，在實(shí)際展示中，由于看不見反射玻璃和投影光源，加上成像棱錐中產(chǎn)生的像的大小和位置又恰好符合透視原理，便讓大腦自動(dòng)將屏幕上的虛像與真實(shí)背景相融合，達(dá)到一種物體或人物憑空出現(xiàn)在背景中的現(xiàn)象，其工作原理見圖1[2]。

圖1 45°平面鏡成像原理圖

3D偽全息投影教輔設(shè)備是由視頻投影源、LCD顯示屏、成像棱錐及設(shè)備支架組成?？傮w方案設(shè)計(jì)見圖2。

圖2 3D偽全息投影教輔設(shè)備設(shè)計(jì)圖

2.1 3D偽全息投影視頻源制作

幾乎所有人在看到3D偽全息投影成像的那一刻，都會(huì)被這種似夢(mèng)似幻的景象所吸引。但是，想要得到這樣的成像效果必須要求制作的視頻圖像與投影設(shè)備能嚴(yán)絲合縫地匹配。因此，本文針對(duì)兩種不同的視頻源類型，總結(jié)出以下兩種制作方法。

2.1.1 靜態(tài)視頻源制作

1）拍攝底片。捕捉4個(gè)高度統(tǒng)一、彼此垂直的方位，在同一時(shí)間拍攝4張同樣大小且一一對(duì)應(yīng)的照片，精修后作為最基礎(chǔ)的底片。

2）根據(jù)投影裝置的尺寸計(jì)算像的尺寸（以本次研發(fā)設(shè)備為例）。本次設(shè)計(jì)應(yīng)用顯示器尺寸計(jì)算得到投影底面尺寸為332 mm×332 mm。計(jì)算的最終目的就是要在由4個(gè)全等的等腰直角三角形拼成的正方形上找到最適合又對(duì)稱的位置，然后一一對(duì)應(yīng)地放置底片，放置方式見圖3。

設(shè)未知數(shù)（底片長(zhǎng)為a，寬為b），由特殊三角形的性質(zhì)可知：底片的底邊長(zhǎng)為a+2b=332 mm，則底片的尺寸為200 mm×150 mm。當(dāng)?shù)灼叽绫壤秊?∶3時(shí)，則：a=132.80 mm,b=99.60 mm。當(dāng)?shù)灼叽绫壤秊?∶1時(shí)，則：a=b=110.67 mm。當(dāng)?shù)灼叽绫壤秊?6∶9時(shí)，則：a=156.24 mm，b=87.88 mm。

根據(jù)計(jì)算出來的尺寸設(shè)置圖片信息進(jìn)行拼圖，然后填入拼圖。這種方法可用于制作教學(xué)或?qū)I(yè)領(lǐng)域中某些結(jié)構(gòu)復(fù)雜，圖案精細(xì)的模型、裝置、器件，便于仔細(xì)觀察每一面的具體細(xì)節(jié)，仿佛實(shí)物就在眼前。該方法簡(jiǎn)單易上手，但對(duì)拍攝圖片的精度和質(zhì)量要求很高，且僅適用于靜態(tài)顯示，具有一定的局限性。

2.1.2 動(dòng)態(tài)視頻源制作

1）模型制作。利用Maya軟件可以建立對(duì)象的基本模型。通過Maya軟件的非均勻有理B樣條曲線（Non-Uniform Rational B-Splines，NURBS）模型制作功能，添加特效、材質(zhì)、燈光渲染，然后通過給模型建立骨骼、控制器等來賦予其生命，這一過程叫做綁定。最后將模型進(jìn)行權(quán)值調(diào)整，經(jīng)過一系列操作得到了與實(shí)物非常接近的靜態(tài)模型。

2）設(shè)置動(dòng)作場(chǎng)景。對(duì)于普通動(dòng)畫模型，推薦使用Maya軟件，該軟件有很多添加動(dòng)畫的方式。在初步測(cè)試階段選取最簡(jiǎn)易的方法：制作完模型后，勾勒出物體運(yùn)動(dòng)的曲線，使用Create Animation Snapshot命令，在每一幀上復(fù)制創(chuàng)建一個(gè)模型，如果需要更加精細(xì)和逼真，可對(duì)每一幀進(jìn)行編輯，這樣就得到一系列的動(dòng)作，導(dǎo)出后即為一段視頻。

對(duì)于漫畫，可以使用MMD（MikuMikuDance）軟件。MMD軟件是通過導(dǎo)入3D模型，在里面手動(dòng)調(diào)整骨骼擺出一系列動(dòng)作，使模型能夠跳舞的一款軟件。由骨骼控制模型，通過移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)骨骼來做出動(dòng)作。其中圓形的骨骼只可以旋轉(zhuǎn)，方形的骨骼既可以旋轉(zhuǎn)也可以移動(dòng)。MMD軟件還可以加入音頻，使漫畫人物跳舞更加有節(jié)奏，富有活力。

3）視頻模式轉(zhuǎn)換。MMD軟件導(dǎo)出的視頻文件類型是AVI，Maya軟件導(dǎo)出的視頻格式有很多種，但它們導(dǎo)出的只是立體視頻，需要通過會(huì)聲會(huì)影軟件將視頻轉(zhuǎn)換成4個(gè)視角方向下的二維視頻，而會(huì)聲會(huì)影軟件對(duì)導(dǎo)入視頻格式有一定要求，所以首先要用視頻轉(zhuǎn)換軟件，例如貍窩轉(zhuǎn)換軟件等，將3D視頻的文件格式轉(zhuǎn)換成MP4或者其他更常用的格式，而后導(dǎo)入會(huì)聲會(huì)影軟件，才能獲得視頻源。這種方法多用于制作專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)一些動(dòng)態(tài)展示模型，可觀察到所成像的連續(xù)變化，讓人有一種更加強(qiáng)烈震撼的視覺觀感和人工智能化體驗(yàn)，科技感十足。

2.2 硬件設(shè)計(jì)

在本設(shè)計(jì)中，成像屏采用53.34 cm（21 in）的電腦顯示器投影三維素材動(dòng)畫。結(jié)合實(shí)際應(yīng)用屏幕的尺寸大小及所對(duì)應(yīng)成像棱錐的尺寸，對(duì)設(shè)備支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，用于固定成像棱錐及投影顯示屏。

根據(jù)LCD顯示屏投影面大小計(jì)算正四棱錐的高和邊長(zhǎng)。為實(shí)現(xiàn)素材動(dòng)畫完整清晰顯示，成像棱錐與屏幕必須成45°角，且根據(jù)A=0.194H；B=1.230H；C=0.740H；D=0.910H的公式計(jì)算成像棱錐的大小，見圖4。

正四棱錐側(cè)面三角形各邊參數(shù)如下。

A=0.194×27 cm=5.238 cm

B=1.230×27 cm=33.210 cm

C=0.740×27 cm=19.980 cm

D=0.910×27 cm=24.570 cm

成像棱錐（含頂角棱錐）參數(shù)如下。

底邊長(zhǎng)=33.21 cm

高=23.72 cm

棱長(zhǎng)=29.17 cm

2.3 投影設(shè)備制作

根據(jù)上述設(shè)計(jì)方案搭建的3D偽全息投影教輔設(shè)備見第125頁圖5。成像棱錐為2 mm厚的透明亞克力板膠接而成的正四棱錐體，底邊的長(zhǎng)為33.21 cm。53.34 cm（21 in）投影屏的高為27 cm，正四棱錐高為23.72 cm，棱長(zhǎng)為29.17 cm，正四棱錐側(cè)面和水平面夾角為45°。固定成像空間和LCD顯示屏的支架長(zhǎng)55 cm，寬36 cm，高35 cm，可使投影幻象位于正四棱錐的正中心。

圖5 3D偽全息投影教輔設(shè)備

3 3D偽全息投影在教育領(lǐng)域中的應(yīng)用

黨的十九大提出了加快教育現(xiàn)代化和教育強(qiáng)國建設(shè)，推進(jìn)新時(shí)代教育信息化發(fā)展的目標(biāo)，預(yù)示著教育信息化從1.0時(shí)代進(jìn)入2.0時(shí)代，越來越多的高科技技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)活動(dòng)。偽全息3D顯示作為一種全新的信息展示技術(shù)，它可以立體、全方位地展示物體信息。如果將該技術(shù)運(yùn)用到教學(xué)中，則可以將抽象難懂的知識(shí)用3D顯示技術(shù)具體地展現(xiàn)出來，有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；偽全息技術(shù)涉及光學(xué)、圖像處理等相關(guān)知識(shí)，可供學(xué)生分析，且現(xiàn)象十分新奇有趣，在捕捉學(xué)生興趣的同時(shí)還可以引導(dǎo)學(xué)生探究其成像原理，在教學(xué)過程中培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、探索研究及合作交流的能力，發(fā)揮學(xué)生在課堂上的主觀能動(dòng)性，實(shí)現(xiàn)師生之間的良好互動(dòng)，是一種非常有潛力的教育信息化技術(shù)[3-5]。