三维虚拟投影系统

石 洋 韩 哲 姚苏芳 潘晓博

（徐州工程学院信电工程学院，江苏 徐州 221018）

0 引言

全息投影是近期非常流行的技术，它采用全息膜配合投影展示产品，提供了丰富的全息影像，可以在玻璃、亚克力等材质上成像，将装饰性、实用性融为一体，成为现在一种前沿的市场推广手段。 2008年美国CNN电视台首次在总统大选的报道中应用了全息投影技术，动用了35部高清摄像机，从各角度同时对主持人进行拍摄，拍摄的图像数据传输到20台电脑中进行合成处理，最终通过高清投影仪实现全息人像的真实再现。全息投影技术是通过在空气或特殊镜片上形成立体影像，是全息 摄影术的逆向展示，可以从任何角度观看全息影像的不同侧面。目前市场上可实现的全系投影从技术上分为四种：（1）空气投影。美国麻省的一名29岁研究生发明了一种空气投影技术，可以在气流墙上投影图像，并且使其具备交互功能。这一技术灵感来源于海市蜃楼原理，将图像投射在大片的水蒸气上，由于组成水蒸气的水分子震动不均衡，可以形成立体感很强的全息图像。（2）激光束投影。日本公司研制了一种利用激光束来投射实体的全息影像投射方法。这一方法主要利用了氧气和氮气在空气中散开时，两者混合成的气体变成灼热的物质，并在空气中通过不断的小爆炸形成全息图像。（3）美国南加利福尼亚大学的研究人员研制了一种360度全息显示屏，将图像投影在高速旋转的镜子上，从而实现全息影像。（4）雾幕立体成像系统。雾幕立体成像，也被称为雾屏成像，通过镭射光借助空气中的微粒，在空气中成像，使用雾化设备产生人工喷雾墙，利用这层水雾墙代替传统的投影屏，结合空气动力学制造出能产生平面雾气的屏幕，再将投影仪投射喷雾墙上形成全息图像。

1 系统总体设计

全息投影技术是全息摄影技术的逆向展示，本质上是通过在空气或者特殊的立体镜片上形成立体的影像。不同于平面银幕投影仅仅在二维表面通过透视、阴影等效果实现立体感，全息投影技术是真正呈现3D的影像，可以从360°的任何角度观看影像的不同侧面。产品系统是由三维显示系统、计算机多媒体系统、控制系统所组成。下图1为系统流程框图。

图1 系统流程框图

1.1 三维显示系统

三维立体显示系统提供了良好的沉浸式虚拟场景。在虚拟现实应用中用以显示实时的虚拟现实仿真应用程序，该系统通常主要包括专业投影显示系统、悬挂系统、成像装置等三部分，三维显示系统在360度全息投影技术中完成活动三维立体视频的在场景造型上的再现，使立体影像与周围的人造景观背景有比较“真实”的结合。 下图2为成像系统图。

图2 成像系统图

1.2 计算机多媒体系统

多媒体计算机系统是指能把视、听和计算机交互式控制结合起来，对音频信号、视频信号的获取、生成、存储、处理、回收和传输综合数字化所组成的一个完整的计算机系统。具有同步性，集成性，交互性，综合性等特征。在360度全息投影技术中，计算机多媒体系统利用先进的多媒体技术和计算机控制技术，可以实现大的场景、复杂的生产流水线、大型产品等的逼真展示。

1.3 控制系统

控制系统意味着通过它可以按照所希望的方式保持和改变机器、机构或其他设备内任何感兴趣或可变的量。控制系统同时是为了使被控制对象达到预定的理想状态而实施的。控制系统使被控制对象趋于某种需要的稳定状态。在360度全息投影技术中，控制系统完成活动模型控制、电源控制、播放控制等。

2 视频制作

本系统不可或缺的便是在视频制作上，因此为了视频的精彩呈现，选择基于PC系统的三维动画渲染和制作软件3D Studio Max以及视频处理软件Adobe After Effects。

3DSMax在应用范围方面，广泛应用于广告、影视、建筑设计、三维动画、多媒体制作、游戏以及辅助教学等领域。该软件的突出特点：1）基于PC系统的低配置要求；2）安装插件（plugins）可提供3DSMax所没有的功能（以及增强原本的功能；3）强大的角色(Character)动画制作能力；4）可堆叠的建模步骤，使制作模型有非常大的弹性。

AE的全称是After Effects，一个影视后期特效合成及设计软件。AE软件可以帮助您高效且精确地创建无数种引人注目的动态图形和震撼人心的视觉效果。利用与其他Adobe软件无与伦比的紧密集成和高度灵活的2D和3D合成，以及数百种预设的效果和动画，增添令人耳目一新的效果。

3 电路模块控制设计

3.1 单片机STC15W408AS

STC15W408AS是STC生产的一款高速、可靠、抗强干扰的新一代单片机，内置晶振及复位电路，减少最小系统的外围电路、PCB板面积及设计成本。另外此芯片资源丰富，功能强大，符合本设计要求。本设计使用三路PWM为LED驱动电路提供PWM输入信号，通过SPI控制ESP8266无线通信模块的数据收发。

3.2 ESP8266无线WIFI模块

本设计采用ESP8266无线WIFI模块控制视频的播放、暂停、停止。

3.2.1 ESP8266简介

ESP8266是一款超低功耗的UART-WiFi透传模块，拥有业内极富竞争力的封装尺寸和超低能耗技术，专为移动设备和物联网应用设计，可将用户的物理设备连接到Wi-Fi无线网络上，进行互联网或局域网通信，实现联网功能。

ESP8266封装方式多样，天线可支持板载PCB天线，IPEX接口和邮票孔接口三种形式；

ESP8266可广泛应用于智能电网、智能交通、智能家具、手持设备、工业控制等领域。

3.2.2 ESP8266主要功能

ESP8266可以实现的主要功能包括：串口透传，PWM调控，GPIO控制。

3.2.3 ESP8266内部结构

ESP8266高度片内集成，包括天线开关balun、电源管理转换器，因此仅需极少的外部电路，且包括前端模块在内的整个解决方案在设计时将所占PCB空间降到最低。下图3为ESP8266结构图。

图3 ESP8266结构图

3.3 人机界面软件程序设计

三维虚拟投影系统的控制程序设计流程图如下图4所示，其主要包括：

3.3.1 系统初始化

在系统初始化程序中，主要完成对各模块的启动处理，其中包括：显示屏进入播放界面、无线模块ESP8266启动。

3.3.2 检测系统状态

系统初始化以后，开始检测wifi模块，并且检测视频播放状态，一切正常后，等待进入系统启动状态。

3.3.3 启动任务

检测系统状态正常后，开始检测触摸屏是否有事件发生，即用户是否对触摸屏操作，如果有那么系统开始发送相应的指令到视频控制，从而实现智能播放停止的功能，如果没有系统保持待机功能。

图4 控制程序设计流程图

4 结论

通过把物理学光学技术、三维动画技术、物联网技术和嵌入式技术融合，应用于投影技术中，不仅突破了传统声、光、电局限，将美轮美奂的画面带到观众面前，给人一种虚拟与现实并存的双重世界感觉，给人们带来新的视觉享受。而且还克服以大屏幕为主的传统展示方式的缺点，体现了融合展示及互动展示。本设计尺寸灵活、成像清晰度高、安装便捷、形式新颖、内容多样，适用于虚拟样机、生物医学以及建筑视景与城市规划、地震及消防演练仿真、军事模拟战场、电子对抗、航空航天模拟等领域，具有较高的推广与应用价值。

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