水霧投影的互動性研究及設備制作＊

宋佳程，施浩，王朝凱，郁霖煒

（上海工程技術大學航空運輸學院，上海 201620）

投影技術在現代社會日益發展成熟，并隨著交互式投影系統的發展而進一步延伸與推廣，其顯示形式也變得多樣化，投影介質不再只局限在墻體，玻璃屏、水幕、紗幕、霧幕等都可以作為投影介質使用，這也使得投影在各個行業中大放光彩。在舞臺、劇場、多媒體博物館、大規模商場、主題公園等休閑場館中，在科學館、藝術博物館、城市規劃展覽館、最新的產品發布會、表演藝術場所、主題學校等領域都可以用作新的顯示媒體[1]。

希望水霧投影裝置可達到以下效果：水霧投影成像清晰且穩定，通過深度相機實現留影、畫畫等功能，在不同環境下能夠清晰投影。水霧投影可以提供很多娛樂功能，通過留影、畫畫等功能讓投影為使用者帶來更多快樂。而且制作的霧幕裝置體積不是很大，各個部位都可拆卸，便于攜帶。

1 霧幕的制作

1.1 原理設計圖

霧幕投影機是一款穩定的環境圖像裝置，可用一個很薄的水霧墻取代傳統的投影幕。該裝置能夠完整地展示物體、3D 模型、游戲等，并可制作成虛擬助手及控制面板等。該設備利用了海市蜃樓的環境圖像理論，利用在天空中產生的微粒，把光影畫面展示于人們面前。用幾乎不可見的水霧流作為畫面媒介，其層流技術能夠讓設備展現出更高分辨率的環境圖像。設備內使用了整體式超音波機芯，無機械啟動、平穩無噪聲、容腔效率高、產生了一定的負離子、故障率較低、保養簡便。而水霧投影則可用一個很薄的水霧墻取代原有的投影幕，讓人在畫面上隨意穿梭，產生猶如真人在視頻場景中的虛擬感覺。它還能夠把動漫、電影等的視頻和圖像利用投影機光速的風場投影在云幕上，從而產生各種動態、虛擬的畫面[2-3]。

圖1 為形成霧幕的設計圖，整體長度約60 cm，寬和高都為20 cm。通過注水口將水注入水箱，水箱中的霧化器以水為介質，利用超聲定向壓強將水噴成霧狀，接著通過下面兩側的渦輪風扇將霧吹起形成霧幕。同時利用變阻器還能夠調節渦輪風扇速度，不但可以實現水霧屏幕成像最好的效果，同時給水霧屏幕添加了更多功能。當光源投射至水霧屏幕上時，可以觀測到相當清晰的效果圖像。當光線投影到水霧屏幕時，也可觀察到比較清晰的圖像。此外，在裝置前添加了深度相機，增加了留影及畫畫功能，實現了人機交互[4-6]。

圖1 霧幕設計圖

1.2 各功能設備制作

1.2.1 電源部分

采用24 V 電源，可保證渦輪風扇正常運轉。將風扇和電源的線頭剪斷，然后將兩者的電線連接，連接的時候需要帶上絕緣手套防止觸電。還需要注意的是正負極不能接反，若連接后發現電源打開后風扇無法正常運作先嘗試重啟，如果不行，則電線正負極可能接反。霧化器需要插入插座，保證安全使用。

1.2.2 霧化器部分

霧化器長為236 mm，寬為85 mm，高為28 mm。變壓器參數如下：輸入電壓為AC220 V，輸出電壓為DC45 V，輸出功率為350 W，輸出電流為4.8 A。霧化器輸入電壓為DC45 V。

不能將變壓器放到水箱里，并且水箱深度要保持在8 cm 以上，這樣才能保證霧化器正常使用。需要先調節好水位高度后再通電，且通電時不能動霧化器。不能將防水接頭泡在水里，否則會導致電路短路，影響霧化器正常工作。

1.2.3 外殼的制作及設計圖

圖2 為設備的外殼。設備的外殼有1～2 個面可以打開放入裝置，并且通過螺絲安裝可保證裝置的封閉性。對于其中的孔，需用硅膠封邊，保證霧氣和水分不流失。材料用的是PC 透明塑料板，這樣可保證整體的封閉性。頭部采用的也是同樣的材料，用兩邊的卡扣來連接上下2 部分。在上下安裝有縫隙的地方用硅膠封閉保證封閉性。若要拆除只需將硅膠拆掉，將螺絲拆除，打開卡扣即可。

圖2 設備外殼

1.2.4 注水口及吸水海綿的安裝

注水口用易拉罐制作，簡潔環保，同時也能保證水分保持在水箱內，防止水分的流失，吸水海綿貼在內壁也能夠防止水分流失。在水箱上插入注水口后利用硅膠封住縫隙，防止霧漏出導致霧幕不清晰。

1.3 設備總體組裝

圖3 為設備整體。設備的外殼分為2 部分，里側和外側都有2 面可打開，保證所有裝置能夠順利裝入。將電源和變阻器連接后放入左側，然后將電線插入當中的孔。接著將風扇放入，連接后再放入水箱和霧化器，并將霧化器電線穿過右側2 個孔，然后將吸水海綿和注水口放入右側完成第一部分安裝。第二部分為水箱部分的頭部，將兩者通過硅膠縫合，保證霧氣不流失，將旋鈕和變阻器連接，完成安裝。最后將各個部分的面關上，利用螺絲擰緊，確保封閉性[7-8]。

圖3 設備整體

2 設備互動性設計[9-10]

2.1 深度相機

深度相機可通過投射儀主動發射肉眼不可見IR紅外光到被測物體表面，然后通過相機拍攝被測物體采集結構光圖像，將數據發送到計算單元，通過三角測量原理計算獲取位置和深度信息，從而實現3D 重建。相機硬件要求低，成本也低。因為不需要像TOF（Time Of Flight，飛行世間法）和結構光那樣使用特殊的發射器和接收器，使用普通的消費級RGB 相機即可。由于直接根據環境光采集圖像，所以在室內、室外都能使用。相比之下，TOF 和結構光基本只能在室內使用。

2.2 深度相機的使用

利用深度照相機收集到的數據，可以精確知道圖片中各個點離攝像機的距離，加上各點在2D 圖形中的（x，y）位置，就可以得到圖片中各個點的三維位置。利用三維坐標也可以復原現實情景、應用場景模型等，可在霧幕上留影、寫字。留影、寫字及投影的結合，可使投影更加生動有趣，做到人機互動。

3 設備的調試及應用

3.1 霧化器的調試

先將霧化器電線插入插座，讓霧化器能夠噴霧，然后打開電源，讓底下的渦輪風扇旋轉將霧吹起形成霧幕。接著在不同環境下測試霧幕的薄厚程度。溫度為30～40 ℃時，霧幕比較薄，將風扇的功率調到最大才能夠形成清晰的霧幕；溫度為20～30 ℃時，需要稍微調高風扇功率才能形成霧幕；溫度為10～20 ℃時，能形成較多的霧，只需渦輪風扇往上吹就能夠形成霧幕。

3.2 投影的調試

在不同質量濃度的霧幕下，分別進行了投影測試。在比較稀薄的霧幕下，投影比較淡，需要周圍的亮度更低一些才能夠看清投影；在正常霧幕下，投影正常，周圍無強光照射能夠清晰看清；在質量濃度較高的霧幕下，投影的顏色更深，但是在強光照射下可清楚看到投影。

3.3 設備的應用

將自制的航空貨運視頻投影到霧幕上，并且在不同亮度、溫度下觀看，溫度在10～20 ℃之間，正常光照下，投影是最清晰的，并且霧化器出霧正常無突發狀況。接著用飛機模型留影的功能在霧幕上留下飛機模型，然后利用畫畫的功能畫一個機場。并且能夠通過寫字畫畫和視頻互動，達到了生動有趣的人機互動效果。

4 結論

為探討水霧投影的互動性而研制了一種水霧投影設備，并完成了基本成像工作。該設備能夠在霧幕上清晰投影，調節風扇可控制出霧量。使用深度相機讓使用者能夠在霧幕上留影、畫畫。該設備的創新點在于外殼采用了塑料板，在保證封閉性的情況下也增加了便攜性；裝置的各個部分可分別拆卸；通過調節風扇功率來調整出霧量，使投影清晰；利用深度相機在霧幕上留影、畫畫，實現人機交互的效果，通過留影、畫畫功能讓投影不再枯燥乏味；設備不受空間、地點的限制；投影內容可自己定制；和其他投影方式比較，水霧投影的霧幕免維護，設備使用壽命更長。