基于偽全息原理的立體影像展示機設(shè)計

桂 亮, 胡改玲, 奚延輝, 金 悅, 段玉崗

(西安交通大學(xué) 機械工程學(xué)院，西安 710049)

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，在媒體傳播、展覽、展示等諸多領(lǐng)域，傳統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)不能滿足人們的需求[1]，三維立體投影技術(shù)由于可使觀眾在無需佩戴3D眼鏡的情況下就能觀看到立體圖像[2-4]，因而廣泛用于舞臺燈光設(shè)計和電影動畫的制作，以及博物館和各種展會的現(xiàn)場展示。同樣，這項技術(shù)也慢慢走進教室，廣泛應(yīng)用于教學(xué)的各個方面[5-6]，使教師所講授的物體更直觀、立體地呈現(xiàn)出來，打破了傳統(tǒng)教學(xué)手段的束縛。

全息投影技術(shù)也稱虛擬成像技術(shù)，是利用干涉和衍射原理記錄并再現(xiàn)物體的三維圖像技術(shù)，產(chǎn)生立體的空中幻象。大部分實現(xiàn)全息投影的方法技術(shù)要求高，實現(xiàn)成本昂貴且攜帶不方便[7-11]。基于此，本文設(shè)計了一種基于偽全息技術(shù)的有別于傳統(tǒng)投影設(shè)備的立體影像展示機,該展示機成像逼真、立體感強、操作簡單、成本低廉。

1 立體影像展示機總體方案

立體影像展示機包括光學(xué)成像系統(tǒng)、機械運動系統(tǒng)和動力控制系統(tǒng)三部分，具備立體成像、360°旋轉(zhuǎn)、上下升降，以及收合等功能，總體方案如圖1所示。旋轉(zhuǎn)模塊可讓處于不同方位的人觀察到4塊有機玻璃上的像；升降模塊可以保證不同大小物體和不同高度場合的展示；收合模塊則可將4塊有機玻璃板鋪平，從而節(jié)省設(shè)備放置空間。

(a) 結(jié)構(gòu)示意圖(b) 三維立體模型圖

1—旋轉(zhuǎn)電動機,2—收合電動機,3—導(dǎo)軌,4—底板,5—X型架,6—屏幕旋轉(zhuǎn)電動機,7—升降連桿,8—屏幕升降電動機,9—頂板,10—直線推桿,11—中心板,12—曲柄滑塊,13—有機玻璃板,14—液晶屏,15—底座頂板,16—底座底板

圖1 立體影像展示機

2 光學(xué)成像模塊設(shè)計方案

偽全息3D技術(shù)起源于佩珀爾幻像技術(shù)，其基本原理是采用投影機或其他顯示方法使光源折射45°成像在幻影成像膜的全息投影具有3D 的立體顯示效果[12]。完成這樣的投影過程需要兩個最基本的設(shè)備：投影源和投影成像設(shè)備[13]。

在本設(shè)計中，通過4塊具有特定角度的呈倒金字塔形的有機玻璃板將液晶顯示器上制作好的圖像向4個方向反射使之成像，反射的像位于有機玻璃組成的倒四棱臺的中間位置，如圖2所示。由此通過4塊有機玻璃板的成像便呈現(xiàn)出物體4個不同方位的形態(tài)。有機玻璃板上貼有幻影成像膜以減弱光的透射,從而增強光的反射，以達到更清晰的成像效果。

(a) 成像部分光路圖

(b) 成像部分實物圖

3 機械結(jié)構(gòu)模塊設(shè)計方案

3.1 收合功能

展示機梯形框支撐的4塊有機玻璃板成像時均與地面呈45°，收合功能是為了在不使用時使展示機得以升至天花板，從而大大提升教室空間利用率。收合功能利用了滑塊和曲柄連桿的復(fù)合機構(gòu)，直線電動機通過伸縮帶動與其相連接的2個滑塊進行運動，然后通過曲柄和連桿的旋轉(zhuǎn)使得4個滑塊可以同步收合，然后利用合頁的配合，實現(xiàn)了裝有有機玻璃板的框架同步開合，如圖3所示。此結(jié)構(gòu)僅用一個電動機巧妙地讓4塊有機玻璃板同步開合，簡化了機構(gòu)，同時使得裝置運行的一致性與協(xié)調(diào)性得以保證。

(a) 機構(gòu)簡圖(仰視)

(b) 機構(gòu)簡圖(主視)

(c) 三維模型圖

圖3 收合機構(gòu)

3.2 旋轉(zhuǎn)功能

旋轉(zhuǎn)功能主要是為了讓在一個方位的學(xué)生能夠看清立體模型4個不同方位的情況。旋轉(zhuǎn)功能分為展示機和顯示器兩部分，展示機旋轉(zhuǎn)功能的實現(xiàn)是通過將電動機的轉(zhuǎn)子固定于天花板，定子與整個機構(gòu)相連，通過電動機的轉(zhuǎn)子和定子之間的相對運動實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)。底座上顯示屏的旋轉(zhuǎn)則是依靠與底座相連接的步進電機帶動推力軸承，進而帶動顯示器X支架而實現(xiàn)的，如圖4所示。

3.3 升降功能

升降功能分為主體(展示機)和底座升降臺，其中展示機部分的升降是利用直線推桿電動機，通過控制直線推桿電動機的運動距離來進行高度的調(diào)節(jié)，將立體影像展示機降至合適的位置與液晶顯示器配合成像，從而保證學(xué)生可以平視有機玻璃板，清晰地看到所展示的影像，并且在不使用立體影像展示機時，將立體影像展示機升至天花板，從而節(jié)省教室空間。底座升降臺主要是為了在使用時調(diào)節(jié)顯示器的高度，以達到最清晰的成像效果，并且將顯示器與展示機分離的這種結(jié)構(gòu)設(shè)置能夠最大程度保證展示機所有功能穩(wěn)定有效實現(xiàn)，如圖5所示。

(a) 主體旋轉(zhuǎn)機構(gòu)模型圖(b) 顯示器旋轉(zhuǎn)機構(gòu)模型圖

圖4 旋轉(zhuǎn)機構(gòu)

(a) 主體升降部分模型圖(b) 底座升降機構(gòu)簡圖(c) 底座升降部分模型圖

圖5 升降部分

4 動力控制系統(tǒng)設(shè)計方案

4.1 控制模塊

控制部分使用推桿電動機控制器和步進電動機控制器。推桿電機控制器控制升降，含有上升、停止和下降3個按鈕。變壓器將220 V交流電轉(zhuǎn)化為24 V直流電傳送給驅(qū)動器，進而通過步進電動機控制器控制電動機旋轉(zhuǎn)速度，達到旋轉(zhuǎn)與開合功能。步進電動機控制器通過編程實現(xiàn)了梯形框展開到所需角度、裝置整體正反轉(zhuǎn)和梯形框收至天花板。

4.2 動力模塊

動力模塊利用了步進電動機和直線推桿電動機。升降功能通過直線推桿電動機實現(xiàn)，步進電動機完成開合與旋轉(zhuǎn)功能。直線推桿電動機具有行程自鎖功能，可以將立體影像展示定于某一高度。設(shè)計制作出的立體影像展示機如圖6所示，圖7則分別顯示了汽車和閥門兩個物體由4幅平面圖像成像為立體圖像的展示效果。

圖6 立體影像展示機實物圖

5 結(jié) 語

該展示樣機為筆者指導(dǎo)本科生根據(jù)第六屆全國大學(xué)生機械創(chuàng)新設(shè)計大賽主題提出并研制。該樣機具有較好的立體影像展示效果,獲得該屆大賽國賽一等獎、陜西省一等獎，并獲得授權(quán)國家發(fā)明專利。

(a) 汽車

(b) 閥門

參考文獻(References)：

[1] 陳羅輝.新興多媒體投影技術(shù)在現(xiàn)代展示中的應(yīng)用探析—以上海世博會為例[J].藝術(shù)與設(shè)計(理論)，2011(5): 82-84．

[2] 谷 俊，陶宇虹，王瓊?cè)A，等.基于雙狹縫光柵的裸眼三維立體投影機[J].激光與光電子學(xué)進展，2009(8): 31-33．

[3] 王振濱，王 穎，童 剛，等.三維立體投影技術(shù)及其在裝備工業(yè)中的應(yīng)用[J].裝備機械，2008(4): 8-11．

[4] 潘 燕.讓3D全息投影技術(shù)走進課堂[J].亞太教育, 2016(11):273.

[5] 方國彬,祝欽清,沈雅慧,等.3D投影技術(shù)的研究和實驗[J].無線互聯(lián)科技，2015(16):140-141.

[6] 王緒言.全息投影技術(shù)研究[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2011(8): 59．

[7] 于 麗，楊 宇，于 佳，等．一種三維全息投影屏的制作方法[J].激光與光電子學(xué)進展，2013，50(2) :115-118．

[8] 代 偉.全息照相實驗技巧探討[J].實驗技術(shù)與管理，2007，24(8):35-38．

[9] 孔 彬.全息立體顯示技術(shù)助推裸眼3D發(fā)展[J].中國數(shù)字電視，2012(6):37-40．

[10] 房若宇.激光全息照相實驗技術(shù)的改進[J].大學(xué)物理實驗，2013，26(5): 57-59．

[11] 韓 岳.全息照相實驗探索與提高[J].山東師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2010(3):145-147．

[12] 鐘澤華，劉 浩，施汪洋，等.可操控偽全息數(shù)字模型影像研究及設(shè)計[J].設(shè)計與應(yīng)用，2016(4)：184-185.

[13] 姜曉鵬，馬純永，陳 璐.360°全息幻影系統(tǒng)的開發(fā)與實現(xiàn)[J].計算機工程與設(shè)計，2014,35(12):4268-4272.