應用于大幅面自由表面的建筑投影系統

高雪+劉萬奎+劉越+王涌天

摘 要：傳統投影系統的投影效果受顯示屏尺寸、形狀和設置位置等因素的影響，投影效果并不理想。鑒于此，設計了一種可直接在建筑表面投影的顯示系統。該系統使用多投影機融合擴大了投影顯示區域，利用自行開發的屏幕拼接軟件完成了對畫面的幾何校正和顏色校正，同時，還通過人工手動調整實現了虛擬畫面與真實場景的直觀匹配。試驗結果表明，應用于大幅面自由表面的建筑投影系統能呈現出高沉浸感的三維立體效果，可以生成超大尺寸的顯示畫面，使顯示效果更加新穎、更具感染力。

關鍵詞：自由表面；投影拼接；幾何校正；顏色校正

中圖分類號：TP391.7 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.05.012

隨著計算機技術和光電技術的發展，新型顯示技術的應用將徹底改變人們使用計算機的方式，讓人們重新思考信息技術與社會之間的關系。要想將建筑視頻投影技術應用到建筑表面的投影中，就要根據其結構、紋理制作特定的圖像或視頻內容。這是傳播文化的有效方式之一。建筑投影具有規模龐大、形式新穎等特點。

隨著大幅面自由表面建筑投影系統在工程中的廣泛應用，它受到各方的高度關注，而且緩解環境光對顯示效果的影響，在建筑結構異常復雜的表面實現投影校正、減小建筑縱深對畫面亮度的影響等是研究人員在未來工作中首先要解決的問題。

本文介紹的應用于大幅面自由表面的建筑投影系統采用的是多投影拼接技術，它可以直接在表面結構復雜的建筑樓體上展示多媒體內容。針對建筑表面結構復雜、前后縱深大等特點，研究人員特提出了一種多投影機拼接補償方法，以實現顯示圖像的正確對準和亮度、顏色校正等。而屏幕拼接軟件的應用大大縮短了投影系統搭建過程中的調整時間，有效提高了傳統手動拼接調整方式的效率。

1 投影顯示系統的方案設計

本文設計的多投影機系統可以直接在建筑表面實現大幅面的投影顯示，它與目前大多數應用于室內的投影系統不同，需要考慮環境光對其的影響。目前，應用范圍比較廣的室內投影系統結構相對簡單，不需要考慮系統的擺放位置和相關優化等問題。但是，在戶外應用大幅面投影顯示系統時，要綜合考慮地理環境，建筑結構、形態等多方面的因素，合理地優化、設計系統，盡可能減少因為設計方案不完整而造成資源被浪費和時間被浪費的情況。

1.1 影響建筑媒體整體效果的因素

建筑投影與其他投影形式最大的不同就是要考慮投影的周邊環境對畫質的影響。投影建筑的地理位置，周邊環境，建筑高度，建筑結構、形態等都會影響投影效果。

在實際工作中，特將建筑投影系統應用于山西省汾西師家溝，投影的樓體建筑基本覆蓋師家溝的全部建筑。該地樓體建筑依山而建，整體呈垂直分布，建筑的正面視圖基本包含了全部的房屋。投影顯示系統將正面視圖中包含的這些房屋立面作為投影顯示屏幕，如圖1所示。經過現場實地考察和測量，為了確保能夠充分利用建筑表面，呈現良好的投影展示效果，特將投影機安放在該建筑群對面的半山腰上。與國內外已有的戶外建筑投影系統相比，本文所述的建筑投影顯示系統有以下幾個特點：①建筑結構異常復雜，投影范圍內大約有40間房屋，約150個立面，而且建筑之間的位置關系也比較復雜，基本不存在大面積完整的規則投影表面，大大增加了投影拼接的難度。②顏色、紋理差異大。該投影建筑群歷史悠久，并未修繕過，房屋表面的顏色、紋理等因為環境等因素而有不同。另外，一些房屋的結構也不是很完整，大大增加了后續的校正難度。③建筑群前后縱深大。該建筑群的獨特之處就是依山建村，建筑之間互不遮擋，是利用縱向深度實現房屋的垂直分布。④將投影系統安放在較高的位置。為了更好地分配投影顯示空間，特將投影顯示系統安放在半山腰。這樣做，大大增加了系統的安裝難度，但是，也在一定程度上增強了畫面分配、布局的優勢。⑤環境光對其的影響小。該投影建筑位于農村，而且該地還未進行城鎮化建設，人造光源的使用率比較低。因此，在工作的過程中，投影顯示系統基本不受環境光的影響，大大提高了投影顯示效果。⑥傳播優秀文化。該投影顯示項目以“傳承歷史文化，打造城市名片”為主題，將投影建筑作為信息傳播的載體，充分利用了大幅面投影顯示的特點。

1.2 多投影機系統的校正

應用于大幅面自由表面的建筑投影系統能夠在任意一個表面上投影，比如汽車表面、樓體外立面、山體表面等。但是，在此過程中，將所需的投影內容與真實的投影物體對準是至關重要的，將其形狀精確對齊并且適當調整顏色是進行投影拼接的根本目的。

幾何校正表明了畫面的幾何連續性。按照投影屏幕的幾何形狀分類，可將其分為平面投影、曲面投影和自由表面投影，而幾何校正方法也因為投影屏幕形狀的不同而有所不同。因為自由表面的屏幕形狀很難參數化，所以，只能使用三維模型等表示。在拼接校正自由表面時，經常會使用基于結構光掃描的拼接方法或者基于三維重建的拼接方法。其中，基于結構光掃描是依次向被測物投影編碼圖案，利用相機拍攝獲取編碼圖像，并利用提取到的編碼信息計算投影機圖像空間與相機圖像空間坐標之間的對應關系?；谌S重建的方法是采用三維測量方法重建每臺投影機覆蓋范圍內的投影表面模型，然后最終生成投影初始圖像。

顏色校正表明了顏色的連續性。為了減小投影表面對投影畫面分辨率和亮度的影響，需要建立多投影機系統。每臺投影機投影顯示分開的圖像都有重疊的區域，以實現無縫拼接的效果。

應用該系統的投影建筑立面多，并且建筑結構異常復雜、投影面積大、投影環境不穩定、投影表面信息不易獲取，因此，可采用傳統的手動方法調整投影畫面，實現對其的幾何校正。在該系統中，由于投影表面的面積比較大，所以，對允許誤差和幾何校正準確度的要求并不嚴格。這在一定程度上簡化了操作人員的工作，使手動調整成為了最佳的操作方法。

1.3 三維建筑投影系統的工作步驟

三維建筑投影系統的工作步驟如圖2所示。

三維建筑投影系統的工作步驟是：①確定投影表面和觀看位置。根據當地建筑的地理位置、周圍環境、建筑高度和建筑面積等確定投影表面。因為該民居整體垂直分布，建筑之間基本不存在遮擋關系，站在建筑面前能夠看到完整的房屋分布情況，所以，選定與該建筑群正對的半山腰作為觀看地點，并將整個建筑群的正面作為投影表面。②收集投影表面信息。確定好觀察位置后，用相機拍攝投影表面，并記錄此時相機的位置、角度和焦距等信息。③確定有效的投影區域，并制作視頻媒體。在具體工作中，媒體制作人員要根據有效投影區域的照片和記錄的相機位置、角度等信息，結合投影表面自身的特點和藝術創作需求完成視頻媒體。圖3為制作完成的視頻媒體截圖和根據截圖描畫出的重點建筑輪廓。④確定投影機的數量和投影方案。根據投射試驗投影機的投影面積確定能夠完全覆蓋投影區域的投影機數量。當投影亮度低時，可疊加投影。如圖4所示，為了確定投影區域，黃色線條描畫出的為投影拼接區域，這一區域為最大的投影區域，紅色線條描畫出的為亮度疊加區域，不需要增大投影面積，只要增加投影亮度。⑤在現場安裝、架設投影機，調整各臺投影機的位置，讓其充滿整個投影表面。圖5為搭建系統的組織結構。⑥調整投影拼接。利用屏幕拼接軟件完成對圖像的校正。⑦播放調試。播放制作好的視頻媒體，并根據實際投影拼接效果調整媒體內容，確定投影校正質量。在此過程中，主要考慮的是顏色差異、拼接對比度、視頻動畫效果和三維模型視角等內容。⑧將最終調整好的圖像2 系統搭建與試驗

2.1 系統構成

2.1.1 硬件系統

用2臺愛普生10 000 lm工程投影機、3臺三洋XF4700 15 000 lm工程投影機完成對中心投影區域亮點的疊加補償。另外，系統的圖形工作站配置Intel酷睿i5四核CPU、8 GB內存、Windows 7操作系統和NVIDIA GeForce GTX760顯示適配器。

2.1.2 軟件系統

在該系統中，使用的是自行開發的影融屏幕拼接軟件。它是用Microsoft XNA Game Studio 3.1編寫的。該軟件支持的功能如表1所示。

2.2 投影拼接調整

在投影拼接調整階段，具體的步驟是：①觀察2臺投影機投影區域重疊面積所占的比例（融合率），打開軟件系統，在向導設置中設置融合率。當投影機數目設置為4×1，分辨率為2 048×768，窗口位置為X=0，Y=0時，即完成了對融合帶的設置。②設置融合系統參數的高級選項，添加4個新的融合分區，分別調整這4個融合分區的尺寸和位置，從而完成對初始融合率的設置。4個融合分區的尺寸和位置如圖6所示。③將投影區網格點數設置為2×2，即將特征點選為投影區域的4個端點。將投影調整到這個區域內可以顯示1張字母圖片。這時，投影區域與事先確定好的區域要保持一致，可將重疊區域的字母表兩端對齊。如果將投影區網格點數增加為4×4，就要調整重疊區域的細節部分，讓字母盡量重合；如果重疊區域仍有不能完全重合的地方，則繼續增加網格點，即為7×7，調整重疊區域兩投影機顯示出的字母，直至其完全重合。④更換一張媒體制作好的視頻截圖，將圖片中的建筑輪廓與真實的建筑輪廓完全重合。在調整的過程中，可以適當調整網格點的數量，直到將（包括投影重合的區域）投影區域內的所有建筑輪廓對齊。⑤顯示融合帶，調節融合帶的亮度，使融合帶亮度和兩邊的投影亮度相近。在調整的過程中，可以多換幾張圖片完成顏色校正工作。⑥更換播放制作完成的視頻文件，根據看到的內容繼續調整細節部分，直至確保視頻播放效果良好。

3 結論

本文簡要介紹了利用多投影機技術發明的應用于大幅面自由表面的投影系統。該系統使用自行開發的屏幕拼接軟件直接完成了對圖像的幾何校正和顏色校正。多投影機系統通過對投影畫面的拼接融合和亮度疊加呈現出了高沉浸感的投影顯示效果。

試驗結果表明，應用于自由表面的建筑投影系統能夠將畫面與真實建筑對準，進一步提高了顯示畫面的真實感。在現有系統的基礎上，要從不同的視角分析顯示圖像誤差，以改進系統的成像質量。同時，預處理顯示畫面有效簡化了幾何校正過程。

隨著信息可視技術的發展，大幅面投影拼接技術被廣泛的應用，而建筑投影也被廣泛應用于活動慶典、文化演出中。這種技術是將建筑作為信息的載體，將建筑表面作為顯示屏幕，它不需要單獨建立巨型的投影幕布，不僅節省了展示成本和前期儀器設備的準備時間，也增加了信息顯示的沉浸感和真實感。將三維模型與真實的建筑輪廓對齊后，借助人眼的錯覺和心理暗示就可以呈現出有三維立體感的投影。這一技術得到了社會各界的一致好評。相信，隨著社會經濟的不斷發展和國家綜合實力的增強，計算機技術和新型顯示技術的應用必將會成為未來構建城市名片、傳播城市文化的有利工具之一。

參考文獻

[1]Funkhouser T，Li K.Guest EditorsIntroduction：Large-Format Displays[J].IEEE Computer Graphics and Applications，2000（4）.

[2]Rossi D.Smart architectural models：Spatial projection-based augmented mock-up[J].Digital Heritage International Congress（DigitalHeritage），2013（2）.

[3]Raskar R，Welch G，Low K L，et al.Shader lamps：Animating real objects with image-based illumination[M]. NewYork：Springer Vienna，2001.

[4]Salvi J，García R，Matabosch C.Overview of coded light projection techniques for automatic 3D profiling[G]//Proceedings of IEEE International Conference on Robotics and Automation.Taipei：Insitute of Electrical and Electronics Engineers Inc，2003.

[5]Chen H，Sukthankar R，Wallace G，et al.Scalable alignment of large-format multi-projector displays using camera homography trees[G]//Proceedings of the conference on Visualization02.Washington：IEEE Computer Society，2002.

[6]Li D，Xie J，Zhao L，et al.Multi-projector auto-calibration and placement optimization for non-planar surfaces[J].Optical Review，2015，22（5）.

[7] Moriya T，Beniyama F，Utsugi K，et al.Multi-camera and multi-projector based seamless live image display system[G]//.Proceedings of the 10th International Multimedia Modelling Conference.Washington：IEEE Computer Society，2004.

[8]王綱.建筑投影的理論與實踐探析[D].武漢：華中科技大學，2013.

[9]Teubl F，Kurashima C，Cabral M，et al.Fastfusion：A scalable multi-projector system[G]//Proceedings of the 14th Symposium on Virtual and Augmented Reality（SVR）.Washington：IEEE Computer Society，2012.

[10]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.

[11]Mine M，Rose D，Yang B，et al.Projection-based augmented reality in disney theme parks[J].Computer，2012（7）.