多角度投影三維顯示技術的研究

孫天嬌，耿佳琪，龐天赫，萬玉紅

(北京工業大學 應用數理學院，北京 100124)

多角度投影三維顯示技術的研究

孫天嬌，耿佳琪，龐天赫，萬玉紅

(北京工業大學 應用數理學院，北京 100124)

摘要：設計和制作了多角度投影三維顯示系統，用4個網絡攝像頭對一個動態的物體的4個面進行拍攝，利用視頻處理軟件處理視頻，通過單屏投影設備將視頻投影到用透明膜制作的四棱錐投影裝置上，顯示出三維立體的動態影像.

關鍵詞：投影;三維顯示；網絡攝像頭

多角度投影可再現物體真實的三維動態影像. 目前多角度三維投影技術發展前景非常可觀，三維投影除了應用于家庭娛樂和學校教學外，還可以應用于地理信息管理、地圖管理、模擬仿真、機械設計、醫療、生物解剖等領域. 三維投影技術應用于舞臺，不僅可以產生立體的空中幻像，還可以使幻像與表演者產生互動，一起完成表演，產生令人震撼的演出效果. 目前很多T臺時尚領域利用全息投影技術，美輪美奐地全息投影畫面伴隨模特的走步把觀眾帶到虛幻世界中，使觀眾體驗到虛擬與現實的雙重世界[1-3].

本文介紹的多角度投影三維顯示技術更加簡單、實用，可近距離觀看三維立體的動態影像，并且操作簡單、成本較低、實用性較強.

1實驗原理

4個網絡攝像頭分別從動態物體的四面同時進行拍攝，動態物體的前后左右4個面同時被捕捉. 利用視頻處理軟件“會聲會影”將4個視頻進行處理，形成如圖1所示的視頻源.

投影裝置由透明膜制作而成的側棱與底面所成的角為45°的正四棱錐，透明膜一般采用手機或者ipad貼膜，有較高的透過率和反射率，在保持清晰顯像的同時，能透過透明膜看見背后的景物，使影像產生立體縱深感. 畫質清晰亮麗，材料簡單纖薄，對空間要求低，不受場地和設計限制，較好地傳播視覺信息，不會阻礙物體的展示[4].

圖1　視頻源示意圖

如圖2所示，錐體上方的動態物體某一面的視頻圖像投影到呈45°角的全息膜上，根據反射原理，光線傳播方向發生90°的改變，以平行于地面的方向傳播，人眼沿著光線傳播方向逆過去看到垂直的虛擬圖像，同理，動態物體的其他3個面投影時也遵循同樣的反射原理，均能在四棱錐體中投射出虛擬的像，4個不同方向的虛擬圖像剛好重合，形成三維立體的動態圖像，從不同角度看，都是動態物體[5].

圖2　成像原理示意圖

2實驗裝置設計

多角度三維投影系統包括單屏投影設備、投影裝置、透明支撐罩、視頻拍攝系統、視頻處理系統.

2.1單屏投影設備

單屏投影設備可使用手機、ipad等，在本裝置中，為觀看效果，使用ipad作為單屏投影設備.

2.2投影裝置

量出ipad的屏幕寬度，將此寬度作為正四棱錐的底邊邊長，根據正四棱錐側棱與底面的夾角為45°，可以計算出四棱錐的4個等腰三角形的腰長，用圓規以等腰三角形的腰長為半徑在紙上畫圓，然后以ipad的屏幕寬度作為點距在圓周上畫4個點，最后用線把4個點和圓心連起來，就畫好了4個等腰三角形，按照畫好的圖形在事先準備好的貼膜上刻出4個等腰三角形，用透明膠帶，把4個等腰三角形的腰腰相連粘在一起，做成正四棱錐體，如圖3所示.

圖3　投影裝置示意圖

2.3透明支撐罩

外殼部分制作尺寸與投影顯示部分契合的亞克力材質的透明支撐罩，如圖4所示，該透明支撐罩使制作出的成品更具觀賞性，同時也便于觀賞與移動. 透明支撐罩可以做成簡單的盒狀起到支撐作用，還可進一步改造，將支撐罩內做成一些場景，或者將支撐罩的內壁做成背景，如圖4中的黑色區域做背景，動態影像融合到場景中，觀賞性、真實性更強.

圖4　簡單透明支撐罩示意圖

2.4視頻拍攝系統

為了避免周圍光線及人為活動的干擾，并保證所采集視頻信息的完整性，利用上端開口的黑箱和4個完全相同的網絡攝像頭進行拍攝，4個網絡攝像頭分別在黑箱的4個面上獲取被拍攝物體不同角度的信息. 如圖5所示，在黑箱中放置動態物體，黑箱的4面各開1個圓孔，大小剛好和攝像頭的大小吻合，以便在黑箱4面放置攝像頭，攝像頭與電腦相連，可從4個面同時攝像.

圖5　視頻拍攝

2.5視頻處理系統

利用會聲會影X5軟件，對采集到的4個面的視頻進行處理，調整動態物體4個面的位置，處理后的視頻如圖6所示.

圖6　視頻處理示意圖

3實驗成果及意義

將視頻傳輸到單屏投影設備中，投影設備置于透明支撐罩上，進行視頻放映，最終在投影裝置中可以看到三維立體的動態影像，如圖7所示.

圖7　三維投影展示

本文中介紹的該顯示技術的實用性和適應性很強，這樣的三維顯示系統體積小、成本低，而且操作方便，可以應用于商業上的展示、教學使用等. 在商業領域，該技術在玩具行業有很大的發展前景，少兒喜愛的卡通或動漫形象都可以通過此技術“動”起來，三維畫面懸浮在實景的半空中成像，亦真亦幻，效果奇特具有強烈的立體縱深感，真假難辯可以讓觀眾感受到互動，體驗虛擬與現實的雙重世界.

多角度投影三維顯示投影技術與普通的3D投影機的最大區別就在于這項技術并不需要配戴眼鏡就能觀看到3D影像，真實感更強，也不同于裸眼3D，觀看時沒有任何眩暈感，重要的是可以實現3D演出. 我們在投影裝置上做了改進，克服了三維顯示技術的一些問題如拍攝時易受場地和光線的影響，拍攝物體信息不全面等缺陷，同時不論被拍攝物體靜態、動態或其他何種姿態，裝置都可以獲取360°全息投影所需要的各角度位置信息，適應性強[6].

本裝置與其他類似裝置的區別在于：1)使用了透明支撐罩，該支撐罩不僅可以起到支撐作用，還可以做成場景，使動態影像融入場景，觀賞性更強. 2)進行真實動態物體的拍攝，目前有利用特殊軟件制作虛擬動態人物作為視頻源，但是受限很大，風格單一，而本裝置做的是實物真實拍攝，風格多樣化，且不限于普通的小型的動態物體，場地允許還可以進行動態人物甚至大型動態物體的拍攝，可以應用于舞臺表演，效果更加炫酷.

參考文獻：

[1]楊毅. 論全息投影技術中虛擬角色制作與設計[J]. 科教文匯(上旬刊),2013(28):94-98.

[2]李棟. 全息投影技術在演藝活動中的應用[J]. 中國傳媒科技,2013(6):129-130.

[3]王緒言. 全息投影技術研究[J]. 數字技術與應用,2011(8):59-61.

[4]魏金玲,李凌晨,張菁菁. 手機、電腦等電子產品的屏幕貼膜[J]. 環球市場信息導報,2014(29):222.

[5]費潔瑩,張之江,畢家瑜. 多視點三維投影顯示系統[J]. 電子器件,2008,31(1):280-284.

[6]黃建. 3D全息投影技術發展應用[J]. 演藝科技,2015(1):45-47.

[責任編輯：郭偉]

Research on multi-angle projection three-dimensional display system

SUN Tian-jiao, GENG Jia-qi, PANG Tian-he, WAN Yu-hong

(College of Applied Sciences, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China)

Abstract:A multi-angle projection three-dimensional display system was designed and made by using four webcams shooting on the four side of a dynamic object, and taking advantage of the video processing software. A special projector was applied to project on a pyramid-form device, showing a dynamic three-dimensional video.

Key words:projection; three-dimensional display; webcam

收稿日期：2015-12-28；修改日期：2016-03-09

作者簡介：孫天嬌(1994-)，女，江蘇泰州人，北京工業大學應用數理學院2012級本科生． 通信作者：萬玉紅(1976-)，女，河北衡水人，北京工業大學應用數理學院副教授，博士，從事全息與光信息處理研究工作．

中圖分類號：O435.1

文獻標識碼：A

文章編號：1005-4642(2016)06-0027-03

資助項目：北京工業大學國家大學生創新性實驗計劃項目(No.GJDC-2015-22)