水霧投影的互動(dòng)性研究及設(shè)備制作＊

宋佳程，施浩，王朝凱，郁霖?zé)?/p>

（上海工程技術(shù)大學(xué)航空運(yùn)輸學(xué)院，上海 201620）

投影技術(shù)在現(xiàn)代社會(huì)日益發(fā)展成熟，并隨著交互式投影系統(tǒng)的發(fā)展而進(jìn)一步延伸與推廣，其顯示形式也變得多樣化，投影介質(zhì)不再只局限在墻體，玻璃屏、水幕、紗幕、霧幕等都可以作為投影介質(zhì)使用，這也使得投影在各個(gè)行業(yè)中大放光彩。在舞臺(tái)、劇場(chǎng)、多媒體博物館、大規(guī)模商場(chǎng)、主題公園等休閑場(chǎng)館中，在科學(xué)館、藝術(shù)博物館、城市規(guī)劃展覽館、最新的產(chǎn)品發(fā)布會(huì)、表演藝術(shù)場(chǎng)所、主題學(xué)校等領(lǐng)域都可以用作新的顯示媒體[1]。

希望水霧投影裝置可達(dá)到以下效果：水霧投影成像清晰且穩(wěn)定，通過(guò)深度相機(jī)實(shí)現(xiàn)留影、畫(huà)畫(huà)等功能，在不同環(huán)境下能夠清晰投影。水霧投影可以提供很多娛樂(lè)功能，通過(guò)留影、畫(huà)畫(huà)等功能讓投影為使用者帶來(lái)更多快樂(lè)。而且制作的霧幕裝置體積不是很大，各個(gè)部位都可拆卸，便于攜帶。

1 霧幕的制作

1.1 原理設(shè)計(jì)圖

霧幕投影機(jī)是一款穩(wěn)定的環(huán)境圖像裝置，可用一個(gè)很薄的水霧墻取代傳統(tǒng)的投影幕。該裝置能夠完整地展示物體、3D 模型、游戲等，并可制作成虛擬助手及控制面板等。該設(shè)備利用了海市蜃樓的環(huán)境圖像理論，利用在天空中產(chǎn)生的微粒，把光影畫(huà)面展示于人們面前。用幾乎不可見(jiàn)的水霧流作為畫(huà)面媒介，其層流技術(shù)能夠讓設(shè)備展現(xiàn)出更高分辨率的環(huán)境圖像。設(shè)備內(nèi)使用了整體式超音波機(jī)芯，無(wú)機(jī)械啟動(dòng)、平穩(wěn)無(wú)噪聲、容腔效率高、產(chǎn)生了一定的負(fù)離子、故障率較低、保養(yǎng)簡(jiǎn)便。而水霧投影則可用一個(gè)很薄的水霧墻取代原有的投影幕，讓人在畫(huà)面上隨意穿梭，產(chǎn)生猶如真人在視頻場(chǎng)景中的虛擬感覺(jué)。它還能夠把動(dòng)漫、電影等的視頻和圖像利用投影機(jī)光速的風(fēng)場(chǎng)投影在云幕上，從而產(chǎn)生各種動(dòng)態(tài)、虛擬的畫(huà)面[2-3]。

圖1 為形成霧幕的設(shè)計(jì)圖，整體長(zhǎng)度約60 cm，寬和高都為20 cm。通過(guò)注水口將水注入水箱，水箱中的霧化器以水為介質(zhì)，利用超聲定向壓強(qiáng)將水噴成霧狀，接著通過(guò)下面兩側(cè)的渦輪風(fēng)扇將霧吹起形成霧幕。同時(shí)利用變阻器還能夠調(diào)節(jié)渦輪風(fēng)扇速度，不但可以實(shí)現(xiàn)水霧屏幕成像最好的效果，同時(shí)給水霧屏幕添加了更多功能。當(dāng)光源投射至水霧屏幕上時(shí)，可以觀測(cè)到相當(dāng)清晰的效果圖像。當(dāng)光線投影到水霧屏幕時(shí)，也可觀察到比較清晰的圖像。此外，在裝置前添加了深度相機(jī)，增加了留影及畫(huà)畫(huà)功能，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互[4-6]。

圖1 霧幕設(shè)計(jì)圖

1.2 各功能設(shè)備制作

1.2.1 電源部分

采用24 V 電源，可保證渦輪風(fēng)扇正常運(yùn)轉(zhuǎn)。將風(fēng)扇和電源的線頭剪斷，然后將兩者的電線連接，連接的時(shí)候需要帶上絕緣手套防止觸電。還需要注意的是正負(fù)極不能接反，若連接后發(fā)現(xiàn)電源打開(kāi)后風(fēng)扇無(wú)法正常運(yùn)作先嘗試重啟，如果不行，則電線正負(fù)極可能接反。霧化器需要插入插座，保證安全使用。

1.2.2 霧化器部分

霧化器長(zhǎng)為236 mm，寬為85 mm，高為28 mm。變壓器參數(shù)如下：輸入電壓為AC220 V，輸出電壓為DC45 V，輸出功率為350 W，輸出電流為4.8 A。霧化器輸入電壓為DC45 V。

不能將變壓器放到水箱里，并且水箱深度要保持在8 cm 以上，這樣才能保證霧化器正常使用。需要先調(diào)節(jié)好水位高度后再通電，且通電時(shí)不能動(dòng)霧化器。不能將防水接頭泡在水里，否則會(huì)導(dǎo)致電路短路，影響霧化器正常工作。

1.2.3 外殼的制作及設(shè)計(jì)圖

圖2 為設(shè)備的外殼。設(shè)備的外殼有1～2 個(gè)面可以打開(kāi)放入裝置，并且通過(guò)螺絲安裝可保證裝置的封閉性。對(duì)于其中的孔，需用硅膠封邊，保證霧氣和水分不流失。材料用的是PC 透明塑料板，這樣可保證整體的封閉性。頭部采用的也是同樣的材料，用兩邊的卡扣來(lái)連接上下2 部分。在上下安裝有縫隙的地方用硅膠封閉保證封閉性。若要拆除只需將硅膠拆掉，將螺絲拆除，打開(kāi)卡扣即可。

圖2 設(shè)備外殼

1.2.4 注水口及吸水海綿的安裝

注水口用易拉罐制作，簡(jiǎn)潔環(huán)保，同時(shí)也能保證水分保持在水箱內(nèi)，防止水分的流失，吸水海綿貼在內(nèi)壁也能夠防止水分流失。在水箱上插入注水口后利用硅膠封住縫隙，防止霧漏出導(dǎo)致霧幕不清晰。

1.3 設(shè)備總體組裝

圖3 為設(shè)備整體。設(shè)備的外殼分為2 部分，里側(cè)和外側(cè)都有2 面可打開(kāi)，保證所有裝置能夠順利裝入。將電源和變阻器連接后放入左側(cè)，然后將電線插入當(dāng)中的孔。接著將風(fēng)扇放入，連接后再放入水箱和霧化器，并將霧化器電線穿過(guò)右側(cè)2 個(gè)孔，然后將吸水海綿和注水口放入右側(cè)完成第一部分安裝。第二部分為水箱部分的頭部，將兩者通過(guò)硅膠縫合，保證霧氣不流失，將旋鈕和變阻器連接，完成安裝。最后將各個(gè)部分的面關(guān)上，利用螺絲擰緊，確保封閉性[7-8]。

圖3 設(shè)備整體

2 設(shè)備互動(dòng)性設(shè)計(jì)[9-10]

2.1 深度相機(jī)

深度相機(jī)可通過(guò)投射儀主動(dòng)發(fā)射肉眼不可見(jiàn)IR紅外光到被測(cè)物體表面，然后通過(guò)相機(jī)拍攝被測(cè)物體采集結(jié)構(gòu)光圖像，將數(shù)據(jù)發(fā)送到計(jì)算單元，通過(guò)三角測(cè)量原理計(jì)算獲取位置和深度信息，從而實(shí)現(xiàn)3D 重建。相機(jī)硬件要求低，成本也低。因?yàn)椴恍枰馮OF（Time Of Flight，飛行世間法）和結(jié)構(gòu)光那樣使用特殊的發(fā)射器和接收器，使用普通的消費(fèi)級(jí)RGB 相機(jī)即可。由于直接根據(jù)環(huán)境光采集圖像，所以在室內(nèi)、室外都能使用。相比之下，TOF 和結(jié)構(gòu)光基本只能在室內(nèi)使用。

2.2 深度相機(jī)的使用

利用深度照相機(jī)收集到的數(shù)據(jù)，可以精確知道圖片中各個(gè)點(diǎn)離攝像機(jī)的距離，加上各點(diǎn)在2D 圖形中的（x，y）位置，就可以得到圖片中各個(gè)點(diǎn)的三維位置。利用三維坐標(biāo)也可以復(fù)原現(xiàn)實(shí)情景、應(yīng)用場(chǎng)景模型等，可在霧幕上留影、寫(xiě)字。留影、寫(xiě)字及投影的結(jié)合，可使投影更加生動(dòng)有趣，做到人機(jī)互動(dòng)。

3 設(shè)備的調(diào)試及應(yīng)用

3.1 霧化器的調(diào)試

先將霧化器電線插入插座，讓霧化器能夠噴霧，然后打開(kāi)電源，讓底下的渦輪風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)將霧吹起形成霧幕。接著在不同環(huán)境下測(cè)試霧幕的薄厚程度。溫度為30～40 ℃時(shí)，霧幕比較薄，將風(fēng)扇的功率調(diào)到最大才能夠形成清晰的霧幕；溫度為20～30 ℃時(shí)，需要稍微調(diào)高風(fēng)扇功率才能形成霧幕；溫度為10～20 ℃時(shí)，能形成較多的霧，只需渦輪風(fēng)扇往上吹就能夠形成霧幕。

3.2 投影的調(diào)試

在不同質(zhì)量濃度的霧幕下，分別進(jìn)行了投影測(cè)試。在比較稀薄的霧幕下，投影比較淡，需要周圍的亮度更低一些才能夠看清投影；在正常霧幕下，投影正常，周圍無(wú)強(qiáng)光照射能夠清晰看清；在質(zhì)量濃度較高的霧幕下，投影的顏色更深，但是在強(qiáng)光照射下可清楚看到投影。

3.3 設(shè)備的應(yīng)用

將自制的航空貨運(yùn)視頻投影到霧幕上，并且在不同亮度、溫度下觀看，溫度在10～20 ℃之間，正常光照下，投影是最清晰的，并且霧化器出霧正常無(wú)突發(fā)狀況。接著用飛機(jī)模型留影的功能在霧幕上留下飛機(jī)模型，然后利用畫(huà)畫(huà)的功能畫(huà)一個(gè)機(jī)場(chǎng)。并且能夠通過(guò)寫(xiě)字畫(huà)畫(huà)和視頻互動(dòng)，達(dá)到了生動(dòng)有趣的人機(jī)互動(dòng)效果。

4 結(jié)論

為探討水霧投影的互動(dòng)性而研制了一種水霧投影設(shè)備，并完成了基本成像工作。該設(shè)備能夠在霧幕上清晰投影，調(diào)節(jié)風(fēng)扇可控制出霧量。使用深度相機(jī)讓使用者能夠在霧幕上留影、畫(huà)畫(huà)。該設(shè)備的創(chuàng)新點(diǎn)在于外殼采用了塑料板，在保證封閉性的情況下也增加了便攜性；裝置的各個(gè)部分可分別拆卸；通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)扇功率來(lái)調(diào)整出霧量，使投影清晰；利用深度相機(jī)在霧幕上留影、畫(huà)畫(huà)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的效果，通過(guò)留影、畫(huà)畫(huà)功能讓投影不再枯燥乏味；設(shè)備不受空間、地點(diǎn)的限制；投影內(nèi)容可自己定制；和其他投影方式比較，水霧投影的霧幕免維護(hù)，設(shè)備使用壽命更長(zhǎng)。