會展業中互動投影系統的研究與應用*

張華書，李曉猛，劉連哲，施松新

（1.華中科技大學機械科學與工程學院，湖北武漢 430074；2.東莞華中科技大學制造工程研究院廣東省制造裝備數字化重點實驗室，廣東東莞 523808）

會展業中互動投影系統的研究與應用*

張華書1，2，李曉猛1，劉連哲1，施松新1，2

（1.華中科技大學機械科學與工程學院，湖北武漢 430074；2.東莞華中科技大學制造工程研究院廣東省制造裝備數字化重點實驗室，廣東東莞 523808）

受益于科技的進步，會展行業正向著多元化、智能化的方向發展，基于人機交互技術的多媒體互動投影系統在會展行業得到廣泛應用。互動投影系統以人機交互技術為基礎，結合計算機視覺技術和多媒體投影顯示技術，在虛擬的環境中創造一種奇幻的動態交互體驗，帶來一種身臨其境的感覺，給人們的生活和工作帶來極大便利。

人機交互技術；互動投影系統；動態交互體驗

0 引言

隨著科技的進步和社會的發展，功能愈發強大的計算機對人們生活和工作的重要性愈加明顯，對于日漸多元化和智能化的展覽展示行業也不例外。如今的展覽展示行業突破了以圖片和文字為表現形式的傳統二維層面，向著與人互動、更豐富的表現形式的方向發展。會展業中的多媒體互動投影系統結合最新發展的人機交互技術，通過構建逼真的虛擬環境，既能全面展示產品信息，也能帶給人們獨特的交互體驗。

1 互動投影技術

在2009年以前，互動投影還不為人所熟知，隨著近年來互動投影技術的快速發展，以及智能化的人機交互平臺的構建，人與計算機之間能夠進行更自然的溝通和交流。互動投影技術是計算機視覺技術和多媒體投影顯示技術的結合，在人機交互技術的基礎下，使人們與虛擬的場景進行互動，投影系統營造的場景虛實結合，讓人們感覺進入了一個亦真亦幻的世界中。互動投影在投影上采用了大屏幕投影畫面顯示技術，在顯示上結合了先進遙感技術和處理技術，其目的在于通過系統在屏幕投影畫面中與人的行為進行互動，使畫面仿佛真正的被人的實體動作所影響。在互動系統中，系統就會根據人的動作采集相應的視頻和圖像數據并做出實時反應，以往的人機交互中，機器要通過人下達指定，然后再做出相應的動作，人和機器是主動方和被動方的關系。而在互動投影系統中，人不需要對機器下達指令，系統會根據人的實時動作來做出相應的反應，機器承擔主動的一方。

互動投影的運作原理如下：首先是通過采集設備（主要通過紅外圖像采集技術進行采集）對目標（互動過程的參與者）進行捕捉拍攝，接著影像系統對采集到的視頻和數據進行優化和分析處理，得到互動參與者的動作信息，該動作信息以數據的形式被影像互動系統識別后，系統做出實時的反饋動作，使參與者與投影屏幕之間產生互動。

2 互動投影系統

互動投影系統主要由四個部分組成：第一，信號采集，系統會依據互動流程對目標進行視頻或者圖像采集，采集的設備多種多樣，包括紅外線感應器和視頻錄像機等；第二，信號處理，該部分主要功能是分析實時采集到的數據，并將分析的結果與虛擬場景系統吻合；第三，成像部分，利用相應的設備將影像投放在指定的位置，除了投影機、液晶顯示器、等離子顯示器等液晶器件也可以作為顯像設備；第四，輔助設備，包括安裝部件、傳輸裝置和音響設備等。

互動系統構成圖如圖1所示。

圖1 互動投影系統構成圖

3 基于人機交互技術的互動投影系統

基于人機交互技術的互動投影系統，其核心是紅外線圖像采集與圖像定位的智能識別和精確控制，通過紅外線攝像機對實時數據進行捕捉，然后將圖像傳送到圖像處理單元當中，利用相應的算法進行動態背景建模，將目標從背景中分離，進一步確定目標的位置信息，最后將目標的位置信息通過轉換器轉換成電腦的輸入信號，最后通過無線藍牙傳輸設備，實現對多媒體互動投影系統的控制。互動投影數據處理流程為：紅外圖像采集——目標與背景分離——濾波和形態學處理——目標識別與跟蹤——控制信號編碼與發送。如圖2所示。

3.1 紅外圖像標定

在捕捉設備進行圖像和數據采集的過程中，相機鏡頭由于制造工藝會存在一定的變形，影響視頻和圖像數據的采集。為了得到更精確的分析數據，采用基于自由網格的紅外相機標定技術對相機鏡頭進行標定。將標記點區域設為正方形，標定步驟如下：（1）按照P行Q列的方式，在投影區內將標記點均勻分布，如圖3（a）所示；（2）按照同樣的方式，在相機的拍攝畫面中，生成正方形的網格，拖動網格定點，使網格定點與原始投影域中的標記點重合；（3）通過線性插值法，將相機畫面中的對應的區域內容映射到標定的結果畫面中，完成相機鏡頭的標定，如圖3（b）、圖3（c）所示。

圖2 數據處理流程圖

圖3 鏡頭標定

3.2 背景與目標分離

圖像和視頻數據采集之后，需要將圖像數據中的目標與背景分離開來，以便提取人的動作信息。在互動投影系統中，利用紅外檢測系統可將人體運動目標從背景中分離，其原理是利用不同物體對紅外光反射的程度，由于分離的目標是人體運動，整個人體結構對紅外光線的反射差異很小，這樣就能夠根據反射紅外光線的程度進行目標與背景分離。一般來說，人體結構對紅外光的反射率在0.34左右，人體衣服的反射率也在0.5以下，只要虛擬場景的背景材料的反射率與人體反射率相差較大，就能很好地分離出人體的運動信息。

3.3 濾波與圖像增強

由于視頻圖像在獲取時受到外界的影響大，很容易導致圖像的質量降低，不利于后期的圖像識別和追蹤。互動投影系統在獲得圖像數據之后，利用同態濾波算法提高圖像質量，使要提取的信息更加突出。同態濾波算法主要根據周圍光線對圖像的影響特性來實現，周圍光線強度不均勻，就會影響圖像的對比度增強過程，這樣就得到同態濾波的照度——反射模型，正如上述模型給出的一樣，一幅圖像可以看成照度和反射的綜合體，受照度和反射兩個因素的影響：

將該模型應用到圖像的頻域中，首先將依次進行對數運算和傅里葉變換，得：

再通過濾波函數H（u，v）對Z（u，v）進行處理，有：

對S依次進行反傅里葉變換和指數運算，便得到符合要求的增強圖像g（x，y）：

圖4給出了利用同態濾波器將圖像增強的流程，其中，f（x，y）為原始圖像，g（x，y）為增強后的圖像。

4 互動投影系統的應用

展覽業中互動投影逐漸成為主流的展覽方式，它新奇的互動效果不僅能夠吸引人們的眼球，好的設計和藝術效果也可以增強展覽的互動氛圍。如今，互動投影的方式日新月異，獨特新穎，既有地面互動、立面互動，也有臺面互動。歷史博物館中互動展區的綠色水幕博人眼球，參觀者站在水幕面前，手指輕輕劃動水幕，水幕就會緩緩打開展現展示內容；世博會上加拿大館展示了立面互動投影技術，屏幕前設有固定自行車，參觀者在踩動踏板的過程中，屏幕上會呈現不同的美景；西藏館采用超大屏幕的地面互動投影系統，在交互過程中給人帶來無限的樂趣和藝術美。

圖4 圖像增強流程圖

5 結語

多媒體互動投影吸收和融合先進的科學技術和藝術，不斷以新穎的表現形式吸引著人們，創造虛擬的現實，能夠為展覽展示行業和其他應用領域創造更多的社會價值和經濟價值，推動社會的發展。

［1］王娜娜.交互式虛擬展品展示系統開發平臺關鍵技術的研發［D］.青島：青島大學，2007.

［2］孟祥旭，李學慶.人機交互技術：原理與應用［M］.北京：清華大學出版社，2004.

［3］袁慶曙.數字化互動陳展技術與系統研究.［D］.杭州：浙江大學，2009.

［4］薛玉梁.交互式大屏幕投影顯示系統設計［D］.杭州：浙江大學，2006.

［5］胡小強.虛擬現實技術［M］.北京：北京郵電大學出版社，2005.

［6］王猛，白洪亮.同態濾波器在水下圖像增強中的應用［J］.應用科技，2003，30（7）：15-17.

Research and Application of Interaction Projection Systerm in the Convention and Exhibition Industry

ZHANG Hua-shu1，2，LI Xiao-meng1，LIU Lian-zhe1，SHI Song-xin1，2
（1.School of Mechanical Science&Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan430074，China；2.DG-HUST Mechanical Engineering Institute，Dongguan523808，China）

Benefiting from the achievements brought by science and technology，the convention and exhibition industry steps into the period of diversification and intelligence，the interactive projection systems based on human-computer interaction technology are widely used in many kinds of exhibitions.Applied with computer vision technology and multi-media projection display technology， the interactive projection system is able to create a kind of fantasy and dynamic interaction experience，and brings the feeling of intimacy. The system has greatly facilitated people’s daily life and work.

human-computer interaction technology；interactive projection system；dynamic interaction experience

TS951.76

：A

：1009－9492(2014)12－0176－03

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.12.045

張華書，男，1955年生，重慶人，教授。研究領域：機電一體化產品、裝備以及自動線。

(編輯：王智圣)

*廣東省科技計劃項目（編號：2011B040300017）

2014－07－09