三維虛擬投影系統

石 洋 韓 哲 姚蘇芳 潘曉博

（徐州工程學院信電工程學院，江蘇 徐州 221018）

0 引言

全息投影是近期非常流行的技術，它采用全息膜配合投影展示產品，提供了豐富的全息影像，可以在玻璃、亞克力等材質上成像，將裝飾性、實用性融為一體，成為現在一種前沿的市場推廣手段。 2008年美國CNN電視臺首次在總統大選的報道中應用了全息投影技術，動用了35部高清攝像機，從各角度同時對主持人進行拍攝，拍攝的圖像數據傳輸到20臺電腦中進行合成處理，最終通過高清投影儀實現全息人像的真實再現。全息投影技術是通過在空氣或特殊鏡片上形成立體影像，是全息 攝影術的逆向展示，可以從任何角度觀看全息影像的不同側面。目前市場上可實現的全系投影從技術上分為四種：（1）空氣投影。美國麻省的一名29歲研究生發明了一種空氣投影技術，可以在氣流墻上投影圖像，并且使其具備交互功能。這一技術靈感來源于海市蜃樓原理，將圖像投射在大片的水蒸氣上，由于組成水蒸氣的水分子震動不均衡，可以形成立體感很強的全息圖像。（2）激光束投影。日本公司研制了一種利用激光束來投射實體的全息影像投射方法。這一方法主要利用了氧氣和氮氣在空氣中散開時，兩者混合成的氣體變成灼熱的物質，并在空氣中通過不斷的小爆炸形成全息圖像。（3）美國南加利福尼亞大學的研究人員研制了一種360度全息顯示屏，將圖像投影在高速旋轉的鏡子上，從而實現全息影像。（4）霧幕立體成像系統。霧幕立體成像，也被稱為霧屏成像，通過鐳射光借助空氣中的微粒，在空氣中成像，使用霧化設備產生人工噴霧墻，利用這層水霧墻代替傳統的投影屏，結合空氣動力學制造出能產生平面霧氣的屏幕，再將投影儀投射噴霧墻上形成全息圖像。

1 系統總體設計

全息投影技術是全息攝影技術的逆向展示，本質上是通過在空氣或者特殊的立體鏡片上形成立體的影像。不同于平面銀幕投影僅僅在二維表面通過透視、陰影等效果實現立體感，全息投影技術是真正呈現3D的影像，可以從360°的任何角度觀看影像的不同側面。產品系統是由三維顯示系統、計算機多媒體系統、控制系統所組成。下圖1為系統流程框圖。

圖1 系統流程框圖

1.1 三維顯示系統

三維立體顯示系統提供了良好的沉浸式虛擬場景。在虛擬現實應用中用以顯示實時的虛擬現實仿真應用程序，該系統通常主要包括專業投影顯示系統、懸掛系統、成像裝置等三部分，三維顯示系統在360度全息投影技術中完成活動三維立體視頻的在場景造型上的再現，使立體影像與周圍的人造景觀背景有比較“真實”的結合。 下圖2為成像系統圖。

圖2 成像系統圖

1.2 計算機多媒體系統

多媒體計算機系統是指能把視、聽和計算機交互式控制結合起來，對音頻信號、視頻信號的獲取、生成、存儲、處理、回收和傳輸綜合數字化所組成的一個完整的計算機系統。具有同步性，集成性，交互性，綜合性等特征。在360度全息投影技術中，計算機多媒體系統利用先進的多媒體技術和計算機控制技術，可以實現大的場景、復雜的生產流水線、大型產品等的逼真展示。

1.3 控制系統

控制系統意味著通過它可以按照所希望的方式保持和改變機器、機構或其他設備內任何感興趣或可變的量。控制系統同時是為了使被控制對象達到預定的理想狀態而實施的?？刂葡到y使被控制對象趨于某種需要的穩定狀態。在360度全息投影技術中，控制系統完成活動模型控制、電源控制、播放控制等。

2 視頻制作

本系統不可或缺的便是在視頻制作上，因此為了視頻的精彩呈現，選擇基于PC系統的三維動畫渲染和制作軟件3D Studio Max以及視頻處理軟件Adobe After Effects。

3DSMax在應用范圍方面，廣泛應用于廣告、影視、建筑設計、三維動畫、多媒體制作、游戲以及輔助教學等領域。該軟件的突出特點：1）基于PC系統的低配置要求；2）安裝插件（plugins）可提供3DSMax所沒有的功能（以及增強原本的功能；3）強大的角色(Character)動畫制作能力；4）可堆疊的建模步驟，使制作模型有非常大的彈性。

AE的全稱是After Effects，一個影視后期特效合成及設計軟件。AE軟件可以幫助您高效且精確地創建無數種引人注目的動態圖形和震撼人心的視覺效果。利用與其他Adobe軟件無與倫比的緊密集成和高度靈活的2D和3D合成，以及數百種預設的效果和動畫，增添令人耳目一新的效果。

3 電路模塊控制設計

3.1 單片機STC15W408AS

STC15W408AS是STC生產的一款高速、可靠、抗強干擾的新一代單片機，內置晶振及復位電路，減少最小系統的外圍電路、PCB板面積及設計成本。另外此芯片資源豐富，功能強大，符合本設計要求。本設計使用三路PWM為LED驅動電路提供PWM輸入信號，通過SPI控制ESP8266無線通信模塊的數據收發。

3.2 ESP8266無線WIFI模塊

本設計采用ESP8266無線WIFI模塊控制視頻的播放、暫停、停止。

3.2.1 ESP8266簡介

ESP8266是一款超低功耗的UART-WiFi透傳模塊，擁有業內極富競爭力的封裝尺寸和超低能耗技術，專為移動設備和物聯網應用設計，可將用戶的物理設備連接到Wi-Fi無線網絡上，進行互聯網或局域網通信，實現聯網功能。

ESP8266封裝方式多樣，天線可支持板載PCB天線，IPEX接口和郵票孔接口三種形式；

ESP8266可廣泛應用于智能電網、智能交通、智能家具、手持設備、工業控制等領域。

3.2.2 ESP8266主要功能

ESP8266可以實現的主要功能包括：串口透傳，PWM調控，GPIO控制。

3.2.3 ESP8266內部結構

ESP8266高度片內集成，包括天線開關balun、電源管理轉換器，因此僅需極少的外部電路，且包括前端模塊在內的整個解決方案在設計時將所占PCB空間降到最低。下圖3為ESP8266結構圖。

圖3 ESP8266結構圖

3.3 人機界面軟件程序設計

三維虛擬投影系統的控制程序設計流程圖如下圖4所示，其主要包括：

3.3.1 系統初始化

在系統初始化程序中，主要完成對各模塊的啟動處理，其中包括：顯示屏進入播放界面、無線模塊ESP8266啟動。

3.3.2 檢測系統狀態

系統初始化以后，開始檢測wifi模塊，并且檢測視頻播放狀態，一切正常后，等待進入系統啟動狀態。

3.3.3 啟動任務

檢測系統狀態正常后，開始檢測觸摸屏是否有事件發生，即用戶是否對觸摸屏操作，如果有那么系統開始發送相應的指令到視頻控制，從而實現智能播放停止的功能，如果沒有系統保持待機功能。

圖4 控制程序設計流程圖

4 結論

通過把物理學光學技術、三維動畫技術、物聯網技術和嵌入式技術融合，應用于投影技術中，不僅突破了傳統聲、光、電局限，將美輪美奐的畫面帶到觀眾面前，給人一種虛擬與現實并存的雙重世界感覺，給人們帶來新的視覺享受。而且還克服以大屏幕為主的傳統展示方式的缺點，體現了融合展示及互動展示。本設計尺寸靈活、成像清晰度高、安裝便捷、形式新穎、內容多樣，適用于虛擬樣機、生物醫學以及建筑視景與城市規劃、地震及消防演練仿真、軍事模擬戰場、電子對抗、航空航天模擬等領域，具有較高的推廣與應用價值。

［1］高玉芹.單片機原理與應用及C51編程技術[M].機械工業出版社,2011.

［2］向華.三維動畫制作[M].高等教育出版社,2011.

［3］[加]卡琴.科學鬼才[M].人民郵電出版社,2012.

［4］石東海.單片機數據通信技術融入門道精通[M].西安電子科技大學出版社,2002.

［5］余錫存.單片機原理與接口技術[M].西安電子科技大學出版社,2002.

［6］盧曉麗.計算機網絡技術[M].機械工業出版社,2012.