会展业中互动投影系统的研究与应用*

张华书，李晓猛，刘连哲，施松新

（1.华中科技大学机械科学与工程学院，湖北武汉 430074；2.东莞华中科技大学制造工程研究院广东省制造装备数字化重点实验室，广东东莞 523808）

会展业中互动投影系统的研究与应用*

张华书1，2，李晓猛1，刘连哲1，施松新1，2

（1.华中科技大学机械科学与工程学院，湖北武汉 430074；2.东莞华中科技大学制造工程研究院广东省制造装备数字化重点实验室，广东东莞 523808）

受益于科技的进步，会展行业正向着多元化、智能化的方向发展，基于人机交互技术的多媒体互动投影系统在会展行业得到广泛应用。互动投影系统以人机交互技术为基础，结合计算机视觉技术和多媒体投影显示技术，在虚拟的环境中创造一种奇幻的动态交互体验，带来一种身临其境的感觉，给人们的生活和工作带来极大便利。

人机交互技术；互动投影系统；动态交互体验

0 引言

随着科技的进步和社会的发展，功能愈发强大的计算机对人们生活和工作的重要性愈加明显，对于日渐多元化和智能化的展览展示行业也不例外。如今的展览展示行业突破了以图片和文字为表现形式的传统二维层面，向着与人互动、更丰富的表现形式的方向发展。会展业中的多媒体互动投影系统结合最新发展的人机交互技术，通过构建逼真的虚拟环境，既能全面展示产品信息，也能带给人们独特的交互体验。

1 互动投影技术

在2009年以前，互动投影还不为人所熟知，随着近年来互动投影技术的快速发展，以及智能化的人机交互平台的构建，人与计算机之间能够进行更自然的沟通和交流。互动投影技术是计算机视觉技术和多媒体投影显示技术的结合，在人机交互技术的基础下，使人们与虚拟的场景进行互动，投影系统营造的场景虚实结合，让人们感觉进入了一个亦真亦幻的世界中。互动投影在投影上采用了大屏幕投影画面显示技术，在显示上结合了先进遥感技术和处理技术，其目的在于通过系统在屏幕投影画面中与人的行为进行互动，使画面仿佛真正的被人的实体动作所影响。在互动系统中，系统就会根据人的动作采集相应的视频和图像数据并做出实时反应，以往的人机交互中，机器要通过人下达指定，然后再做出相应的动作，人和机器是主动方和被动方的关系。而在互动投影系统中，人不需要对机器下达指令，系统会根据人的实时动作来做出相应的反应，机器承担主动的一方。

互动投影的运作原理如下：首先是通过采集设备（主要通过红外图像采集技术进行采集）对目标（互动过程的参与者）进行捕捉拍摄，接着影像系统对采集到的视频和数据进行优化和分析处理，得到互动参与者的动作信息，该动作信息以数据的形式被影像互动系统识别后，系统做出实时的反馈动作，使参与者与投影屏幕之间产生互动。

2 互动投影系统

互动投影系统主要由四个部分组成：第一，信号采集，系统会依据互动流程对目标进行视频或者图像采集，采集的设备多种多样，包括红外线感应器和视频录像机等；第二，信号处理，该部分主要功能是分析实时采集到的数据，并将分析的结果与虚拟场景系统吻合；第三，成像部分，利用相应的设备将影像投放在指定的位置，除了投影机、液晶显示器、等离子显示器等液晶器件也可以作为显像设备；第四，辅助设备，包括安装部件、传输装置和音响设备等。

互动系统构成图如图1所示。

图1 互动投影系统构成图

3 基于人机交互技术的互动投影系统

基于人机交互技术的互动投影系统，其核心是红外线图像采集与图像定位的智能识别和精确控制，通过红外线摄像机对实时数据进行捕捉，然后将图像传送到图像处理单元当中，利用相应的算法进行动态背景建模，将目标从背景中分离，进一步确定目标的位置信息，最后将目标的位置信息通过转换器转换成电脑的输入信号，最后通过无线蓝牙传输设备，实现对多媒体互动投影系统的控制。互动投影数据处理流程为：红外图像采集——目标与背景分离——滤波和形态学处理——目标识别与跟踪——控制信号编码与发送。如图2所示。

3.1 红外图像标定

在捕捉设备进行图像和数据采集的过程中，相机镜头由于制造工艺会存在一定的变形，影响视频和图像数据的采集。为了得到更精确的分析数据，采用基于自由网格的红外相机标定技术对相机镜头进行标定。将标记点区域设为正方形，标定步骤如下：（1）按照P行Q列的方式，在投影区内将标记点均匀分布，如图3（a）所示；（2）按照同样的方式，在相机的拍摄画面中，生成正方形的网格，拖动网格定点，使网格定点与原始投影域中的标记点重合；（3）通过线性插值法，将相机画面中的对应的区域内容映射到标定的结果画面中，完成相机镜头的标定，如图3（b）、图3（c）所示。

图2 数据处理流程图

图3 镜头标定

3.2 背景与目标分离

图像和视频数据采集之后，需要将图像数据中的目标与背景分离开来，以便提取人的动作信息。在互动投影系统中，利用红外检测系统可将人体运动目标从背景中分离，其原理是利用不同物体对红外光反射的程度，由于分离的目标是人体运动，整个人体结构对红外光线的反射差异很小，这样就能够根据反射红外光线的程度进行目标与背景分离。一般来说，人体结构对红外光的反射率在0.34左右，人体衣服的反射率也在0.5以下，只要虚拟场景的背景材料的反射率与人体反射率相差较大，就能很好地分离出人体的运动信息。

3.3 滤波与图像增强

由于视频图像在获取时受到外界的影响大，很容易导致图像的质量降低，不利于后期的图像识别和追踪。互动投影系统在获得图像数据之后，利用同态滤波算法提高图像质量，使要提取的信息更加突出。同态滤波算法主要根据周围光线对图像的影响特性来实现，周围光线强度不均匀，就会影响图像的对比度增强过程，这样就得到同态滤波的照度——反射模型，正如上述模型给出的一样，一幅图像可以看成照度和反射的综合体，受照度和反射两个因素的影响：

将该模型应用到图像的频域中，首先将依次进行对数运算和傅里叶变换，得：

再通过滤波函数H（u，v）对Z（u，v）进行处理，有：

对S依次进行反傅里叶变换和指数运算，便得到符合要求的增强图像g（x，y）：

图4给出了利用同态滤波器将图像增强的流程，其中，f（x，y）为原始图像，g（x，y）为增强后的图像。

4 互动投影系统的应用

展览业中互动投影逐渐成为主流的展览方式，它新奇的互动效果不仅能够吸引人们的眼球，好的设计和艺术效果也可以增强展览的互动氛围。如今，互动投影的方式日新月异，独特新颖，既有地面互动、立面互动，也有台面互动。历史博物馆中互动展区的绿色水幕博人眼球，参观者站在水幕面前，手指轻轻划动水幕，水幕就会缓缓打开展现展示内容；世博会上加拿大馆展示了立面互动投影技术，屏幕前设有固定自行车，参观者在踩动踏板的过程中，屏幕上会呈现不同的美景；西藏馆采用超大屏幕的地面互动投影系统，在交互过程中给人带来无限的乐趣和艺术美。

图4 图像增强流程图

5 结语

多媒体互动投影吸收和融合先进的科学技术和艺术，不断以新颖的表现形式吸引着人们，创造虚拟的现实，能够为展览展示行业和其他应用领域创造更多的社会价值和经济价值，推动社会的发展。

［1］王娜娜.交互式虚拟展品展示系统开发平台关键技术的研发［D］.青岛：青岛大学，2007.

［2］孟祥旭，李学庆.人机交互技术：原理与应用［M］.北京：清华大学出版社，2004.

［3］袁庆曙.数字化互动陈展技术与系统研究.［D］.杭州：浙江大学，2009.

［4］薛玉梁.交互式大屏幕投影显示系统设计［D］.杭州：浙江大学，2006.

［5］胡小强.虚拟现实技术［M］.北京：北京邮电大学出版社，2005.

［6］王猛，白洪亮.同态滤波器在水下图像增强中的应用［J］.应用科技，2003，30（7）：15-17.

Research and Application of Interaction Projection Systerm in the Convention and Exhibition Industry

ZHANG Hua-shu1，2，LI Xiao-meng1，LIU Lian-zhe1，SHI Song-xin1，2
（1.School of Mechanical Science&Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan430074，China；2.DG-HUST Mechanical Engineering Institute，Dongguan523808，China）

Benefiting from the achievements brought by science and technology，the convention and exhibition industry steps into the period of diversification and intelligence，the interactive projection systems based on human-computer interaction technology are widely used in many kinds of exhibitions.Applied with computer vision technology and multi-media projection display technology， the interactive projection system is able to create a kind of fantasy and dynamic interaction experience，and brings the feeling of intimacy. The system has greatly facilitated people’s daily life and work.

human-computer interaction technology；interactive projection system；dynamic interaction experience

TS951.76

：A

：1009－9492(2014)12－0176－03

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.12.045

张华书，男，1955年生，重庆人，教授。研究领域：机电一体化产品、装备以及自动线。

(编辑：王智圣)

*广东省科技计划项目（编号：2011B040300017）

2014－07－09