基于全息技術(shù)的3D顯像設(shè)備的設(shè)計(jì)

劉正芳 安熠 丁紳 房劍飛 吳世斌

【摘?要】全息投影與3D顯像技術(shù)領(lǐng)域一直以來(lái)都是現(xiàn)代研究的熱門(mén)領(lǐng)域，全息技術(shù)的3D顯像設(shè)備的設(shè)計(jì)也一直是人們研究熱門(mén)。全息技術(shù)結(jié)合3D顯像技術(shù)不僅能使人在空間中看到立體三維圖像還能再較低的成本下達(dá)到3D裸眼的效果。基于全息技術(shù)的3D顯像設(shè)備的設(shè)計(jì)包括全息技術(shù)、3D顯像、3D打印等相結(jié)合的投影特點(diǎn)，進(jìn)行整體的設(shè)計(jì)，同時(shí)還能將它運(yùn)用在教育、社會(huì)生活方面

【關(guān)鍵詞】全息技術(shù);3D顯像;3D打印;單片機(jī)嵌入

Abstract：holographic projection and 3D imaging technology has always been a hot field of modern research，holographic technology of 3D imaging equipment design has also been a hot field of research.Holographic technology combined with 3D imaging technology can not only enable people to see three-dimensional images in space，but also achieve the effect of 3D naked eye at a lower cost.The design of 3D imaging equipment based on holographic technology includes the projection features of holographic technology，3D imaging，3D printing，etc.，which can be used in education and social life as a whole

Keywords：holographic technology;3 d imaging;3 d printing;MCU embedded.

引言

全息技術(shù)主要是利用光干涉和衍射原理記錄并再現(xiàn)物體真實(shí)三維圖像的記錄和再現(xiàn)的技術(shù)，進(jìn)年來(lái)應(yīng)用于社會(huì)生活的方方面面。隨著時(shí)間的推移，越來(lái)越多全息技術(shù)的產(chǎn)品走向生活，但該技術(shù)的普及依然存在很多的問(wèn)題。結(jié)合全息3D顯像技術(shù)和3D打印技術(shù)的全息智能風(fēng)扇，利用干涉和衍射的原理，短時(shí)間造成人眼的視覺(jué)暫留，記錄并再現(xiàn)物體的三維圖像，既能解決傳統(tǒng)圖像模糊問(wèn)題，又能實(shí)現(xiàn)全方位多角度觀察物品的需要。該項(xiàng)目使用簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)打破時(shí)間、空間的限制，用動(dòng)態(tài)的立體影像將具有時(shí)間和有故事情節(jié)的事件豐富大展現(xiàn)出來(lái)。

1、基于全息成像技術(shù)的3D顯像設(shè)備的總體設(shè)計(jì)

基于全息技術(shù)的3D顯像設(shè)備的主要研究?jī)?nèi)容在于利用光在人眼中的視覺(jué)差，結(jié)合光的折射、反射原理達(dá)到呈現(xiàn)三維立體圖像的目的。

眼睛的視覺(jué)惰性就是光象一旦在視網(wǎng)膜上形成，視覺(jué)將會(huì)對(duì)這個(gè)光象的感覺(jué)維持一個(gè)有限的時(shí)間，該設(shè)計(jì)基于視覺(jué)暫留時(shí)間約為0.05至0.2秒確定LED頻閃時(shí)間，對(duì)人眼視網(wǎng)膜進(jìn)行仿生計(jì)算，通過(guò)對(duì)圓角速度的計(jì)算擬定設(shè)計(jì)思路。通過(guò)設(shè)計(jì)運(yùn)用LED顯示器單列或多列風(fēng)扇屏旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)人眼視覺(jué)的暫留因素（POV技術(shù)），即光對(duì)視網(wǎng)膜所產(chǎn)生的視覺(jué)效果在光停止作用后，仍會(huì)保留一段時(shí)間。利用此間隙完成圖像的顯示，同時(shí)嵌入單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)控。

使用單片機(jī)定時(shí)程序?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行控制，使頻閃達(dá)到預(yù)期效果，既對(duì)led規(guī)律閃爍的控制，利用干涉和衍射原理記錄并再現(xiàn)物體真實(shí)的三維圖像在一定程度上完成3D裸眼效果。之后由單片機(jī)程序控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，使電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到預(yù)定轉(zhuǎn)速后，配合人眼視覺(jué)0.05—0.2秒的暫留時(shí)長(zhǎng)和LED規(guī)律閃爍為扇葉的的運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力。通過(guò)單片機(jī)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)達(dá)到定時(shí)的功能，以單片機(jī)機(jī)器周期作為計(jì)數(shù)脈沖。

2.3D顯像設(shè)備的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

裝置的設(shè)計(jì)包括動(dòng)力源模塊和LED閃爍模塊。現(xiàn)階段，將LED燈嵌入扇葉中。通過(guò)扇葉旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)LED燈轉(zhuǎn)動(dòng)，依據(jù)人眼視覺(jué)停留時(shí)間為0.05～0.2秒進(jìn)行LED燈規(guī)律閃爍的計(jì)算，最終形成3D效果。整個(gè)系統(tǒng)以重力勢(shì)能進(jìn)行轉(zhuǎn)換，為風(fēng)扇提供轉(zhuǎn)動(dòng)的能量。重物經(jīng)過(guò)傳送帶的運(yùn)輸落在下方的傳感器上。在傳感器作用下將機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，為馬達(dá)提供最初的工作能量。

2.1 設(shè)備的控制系統(tǒng)

整體設(shè)計(jì)包括動(dòng)力傳輸、能量轉(zhuǎn)換、系統(tǒng)成像三個(gè)部分。

動(dòng)力傳輸部分主要利用齒輪外嚙合帶動(dòng)馬達(dá)產(chǎn)生電流的方式，為扇葉及LED燈提供電能。

能量轉(zhuǎn)換主要包括齒輪、傳感器、電機(jī)馬達(dá)三部分。齒輪嚙合轉(zhuǎn)動(dòng)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，電信號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)，馬達(dá)直接與扇葉連接實(shí)現(xiàn)扇葉的旋轉(zhuǎn)。

系統(tǒng)成像部分主要由單片機(jī)控制，使用c語(yǔ)言對(duì)單片機(jī)進(jìn)行編程。通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)LED燈規(guī)律閃爍。利用人眼視覺(jué)暫留的效應(yīng)，使LED燈在規(guī)定時(shí)間內(nèi)閃爍的次數(shù)大于24秒/幀，最終在人眼中呈現(xiàn)圖像效果。

2.2 3D顯現(xiàn)設(shè)備的模型設(shè)計(jì)

模型初始能量由齒輪嚙合帶動(dòng)電機(jī)獲得能量，電流經(jīng)放大器放大得到足夠強(qiáng)的電流信號(hào)。利用該電流信號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生的電流經(jīng)過(guò)電流放大器的放大作用后一部分為風(fēng)扇內(nèi)的電機(jī)馬達(dá)提供能量，馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)輸出轉(zhuǎn)矩帶動(dòng)風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)。另一部分為扇葉上的LED燈提供能量，使LED發(fā)光。利用光在人眼中的視覺(jué)暫留效應(yīng)，設(shè)備中的LED經(jīng)過(guò)單片機(jī)的編程控制它的亮暗規(guī)律，使其在空間中留下視覺(jué)效果。

2.2.1傳動(dòng)裝置的CAD模型設(shè)計(jì)

采用CAD繪圖軟件AutoCAD 2014對(duì)傳送裝置進(jìn)行概念模型設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的裝置如圖3所示

2.3整體設(shè)計(jì)效果圖及各零件效果圖

采用三維繪圖軟件SOKIDWORKS 2019對(duì)裝置的扇葉進(jìn)行概念模型設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出的扇葉如圖1、2所示

3、總結(jié)

本文提出了一種基于全息投影技術(shù)的3D顯像設(shè)備的設(shè)計(jì)方法。該方法通過(guò)對(duì)單片機(jī)進(jìn)行編程，達(dá)到控制LED規(guī)律閃爍的結(jié)果，最終在人眼中留下三維視覺(jué)效果。不僅能使人在空間中看到立體三維圖像還能再較低的成本下達(dá)到3D裸眼的效果，解決了傳統(tǒng)全息投影技術(shù)復(fù)雜及對(duì)投影設(shè)備要求苛刻的問(wèn)題。此外，本次設(shè)計(jì)還結(jié)合了3D裸眼的設(shè)計(jì)，能在較為簡(jiǎn)單的設(shè)備下達(dá)到立體三維圖像的效果。

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作者簡(jiǎn)介：

劉正芳（1996—），女，彝族，學(xué)生，學(xué)士;

安熠（1999—），男，漢族，學(xué)生，學(xué)士;

丁紳（1998—），男，漢族，學(xué)生，學(xué)士;

房劍飛（1991-），男，漢族，江蘇南京，教師，講師，碩士，研究方向機(jī)電一體化;

吳世斌（1993—），男，漢族，江蘇南京，助教。

基金項(xiàng)目：

江蘇省高等學(xué)校大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目<基于全息技術(shù)的3D顯像設(shè)備的設(shè)計(jì)>項(xiàng)目編號(hào)：201913905005Y。

（作者單位：1，2，3，4南京工業(yè)大學(xué)浦江學(xué)院）