幻影成像教学系统的开发与研究

管会超 徐宇杰 郭庆

摘 要：基于现有的幻影成像视频源不可控的使用性限制，使得幻影成像只能以固定的方式进行播放。因此，项目以3DVIA Studio为仿真平台开发一套可控3D动画系统，并且与幻影成像系统结合，实现幻影成像视频源的可控性，并应用幻影成像系统对发动机复杂结构原理进行展示。以3DVIA Studio作为实验平台，运用行为设计、流程图编程开发方式实现人机交互功能，依靠Virtools Scripting Language （VSL）编程语言进行画面分屏处理，然后与幻影成像系统结合，实现现实景物与虚幻3D动画融合和可控幻影成像视频源的开发，应用于教学进行生动展示实现高效率教学。

关键词：幻影成像；3DVIA Studio；融合；可控性

中图分类号：TP393 文献标志码：B 文章编号：1673-8454（2016）09-0085-03

引言

3D动画结合幻影成像系统近年来发展颇为迅速[1]。上海世博会多个国家馆中都对这一系统结合3D动画进行了媒介融合的实践与智能推介。两者的融合实践在表现方式上具有明显的创新性与灵活性，其亦幻亦真的感觉，带给了观众全新的视觉体验。目前国内还停留在对幻影成像系统或是3D动画创作单项层面的研究，没有对3D动画和幻影成像两者之间进行有效的资源整合，可以说对国内目前这一领域的理论与技术的研究还处于初级低层次的状态。因此，本文以3DVIA Studio为平台制作可控动画，实现幻影成像视频源的可控性，与幻影成像设备相结合，以带给观众亦真亦幻的视觉体验，并且与教学系统相结合实现动态展示复杂发动机结构的生动教学，提高对于抽象结构的高效率教学。

一、幻影成像的概念及成像原理

幻影成像也称三维立体虚拟成像[2]，是澳大利亚The Shirley Spectra公司的一项针对博物馆、科技馆、展览馆等进行创意和制作的国际领先的全新展示技术，是基于“实景造型”和“幻影”的光学成像结合，将所拍摄的影像（人、物）投射到布景箱中的主体模型景观中，构成了动静结合的影视画面，演示故事的发展过程使之获得一种“立体幻影”与实物模型结合及相互作用的逼真的视觉效果，配上三维声音、灯光、气味、烟雾等，使其更加惟妙惟肖，非常适合博物馆。

幻影成像是一种将三维画面悬浮在实景的半空中成像，营造了亦幻亦真的氛围，效果奇特，具有强烈的纵深感，真假难辩。形成空中幻象中间可结合实物，实现影像与实物的结合。

二、制作过程

先是利用三维建模软件对物体建模，然后利用3DVIA Studio中BB模块编写流程控制图，然后是幻影成像源开发的核心部分，对屏幕使用VSL语言进行分屏操作，最后则是与幻影成像设备结合，实现可的幻影成像源的开发。

1.模型前期准备

通过一般机械CAD软件建立的三维模型基本都可以用SOLIDWORKS打开，进行添加材质、贴图、渲染等操作后，导出为3dxml格式即可导入到3DVIA Studio中，然后再3DVIA Studio进行行为方式的编辑[3]。

大涵道比涡扇发动机，结构设计和强度振动技术要求较高，特别强调提高结构效率，结构在满足全部使用的条件下，重量最轻、结构可靠，成本最低。适度低展弦比的宽弦空心结构的风扇叶片不仅具有先进的气动性能和抗振能力，而且可以明显减轻结构重量和减少零件数量，增加级负荷，提供较大的失速裕度，较高的效率。宽弦空心风扇叶片是大涵道比涡扇发动机的一个技术方向[4]。由于宽弦空心风扇叶片叶型曲面的复杂结构，一般建模软件不易实现，所以我们选用了CATIA、UG曲面建模好的软件进行建模。通过UG进行曲面设计，最终的叶片实体模型（如图2所示）真实地反映了发动机宽弦空心风扇叶片的复杂结构。图3是在SOLIDWORKS中渲染得到的。

2.3DVIA Studio编写行为流程

3DVIA Studio中的Building Blocks功能是用逻辑图来实施所编写的behavior Tasks和Functions。一些常用的Building Blocks已经封装在3DVIA Studio中。用户还可以使用逻辑图或者VSL语言来编写所需要的Building Blocks。这些预封装的Building Blocks一部分来源于现有的API函数，另一部分则来源于编译后的VSL和C++源文件。

如图4，利用3DVIA Studio中的BB编写的动画控制逻辑图，我们根据自己的需要选择控制动画的方式，并通过逻辑关系来实现所需动画，每个BB都会有几个不同的连接借口，不同的逻辑思路和不同的连接方法做出的动画结果是千变万化的。图中连接方式所实现的效果是对模型物体进行大小变化的模块，Keep Active用于使后面的Building Blocks组件在整个程序运行的过程中始终保持激活状态，keyboard是用来监视键盘输入的模块，只要是键盘输入、输出的动作都需要用keyboard这个BB来对键盘进行激活控制。在这个逻辑图中，也就是使监控键盘的Is Key Press一直监控某一个具体按键的输入，经过流程后用Add和Subtract两个BB来控制物体大小。

3.VSL编写分屏代码

在搭建可控幻影成像视频源的过程核心技术就是要实现视频源的四个摄像机所录制的视频实时可控性，四个摄像机要动作协调一致，摄像机的位置也要经过严密的计算使得距离物体的距离是一致的。下面是利用VSL脚本语言编写的分屏程序的部分核心代码：

// Match a specific existing camera

if（CameraToMatch）{

stereoCam.SetWorldTransform（CameraToMatch.GetWorldTransform（））；

stereoCam.SetFov（CameraToMatch.GetFov（））；

stereoCam.SetNearClip（CameraToMatch.GetNearClip（））；

stereoCam.SetFarClip（CameraToMatch.GetFarClip（））；

}

//active stereo

if（ StereoType == StereoSubType：：ActiveStereo ）

{

vkRenderOptions& ropt = vkRenderOptions：：Instance（）；

ropt.stereo = true；

}

else if（ StereoType == StereoSubType：：SideBySide ）

{

// Split main viewport into left and right viewport

viewport.SetSubViewportCount（9）；

// Set left and right camera to corresponding viewports

viewport.GetSubViewport（0）.SetCamera（A）；

viewport.GetSubViewport（1）.SetCamera（B）；

viewport.GetSubViewport（2）.SetCamera（C）；

viewport.GetSubViewport（3）.SetCamera（D）；

viewport.GetSubViewport（4）.SetCamera（E）；

viewport.GetSubViewport（5）.SetCamera（F）；

viewport.GetSubViewport（6）.SetCamera（G）；

viewport.GetSubViewport（7）.SetCamera（H）；

viewport.GetSubViewport（8）.SetCamera（I）；

4.原理与分屏效果

在3DVIA Studio 中采用VSL脚本语言编程将屏幕分割成九个大小相同的区域，如图5，在模型前后左右四个面调整设置相应的摄像机进行图像的录制与输出，然后再利用幻影成像膜做出金字塔形状的成像金字塔。成像金字塔的四面均与视线成45度角，将视频或者是3D动画程序在屏幕上进行播放，光线直接投射在倾斜的成像金字塔侧面，通过幻影成像膜的反射使光的路线发生转折并进入人的眼睛里，视网膜感光后会沿着光的路线去看，通过透明的幻影成像膜的将屏幕中的四个面的图像融合成一个整体投影在成像金字塔内部，在成像金字塔内部呈现出立体的3D模型。系统采用3DVIA Studio实时可控动画编程，使用四个位置的摄像机分别进行前后左右面的实时情况，使用者可以自己任意控制转动模型，变换模型角度进行观察，实现了可控的3D动画系统。

目前采用幻影成像膜的是因为膜的厚度较小，透光性和折射性好，而且采用膜比较容易成型，但是膜的强度不够容易产生变形而导致形成的幻影也就会发生畸变；若是采用硬度较强的玻璃作为介质的话，一来玻璃不容易加工，二来由于玻璃有一定的厚度，光路在玻璃中会产生一次折射和两次反射，从而会导致有重影的现象产生。

如图6，播放器放置在幻影成像金字塔上方，则会有人物、物体悬在半空中的亦真亦幻的感觉。可以与实际景物相结合，如图8中可以看出渲染后的叶片仿佛是放置在圆柱体凸台上，圆柱体凸台为实物，是用来放置叶片当作叶片支撑的，而且可以与后面的背景融合，实现了实景与虚物的融合。采用幻影成像膜是为了避免了重影问题，当然，现在也已经研制出了专门用来制作幻影成像设备的玻璃，但由于其价格昂贵，项目则仍然采用幻影成像膜。

三、可交互幻影成像系统的应用

应用可控幻影成像系统可以揭示复杂的现象规律、解释一个科学原理、展示发动机复杂的结构、讲解发动机工作原理、介绍新科技产品，适合表现细节或内部结构较丰富的个体物品等。尤其可以进行虚拟发动机的教学，以直接的裸眼3D模型讲述发动机的复杂结构，运用3DVIA Studio中的动态物理模拟系统可以生动的展示发动机工作原理和发动机工作时各个系统的作用，以三维影像展示给学生立体的感觉，提高教学效率，加深学习印象。

参考文献：

[1]余春娜.新媒体语境下3D动画结合幻影成像系统的媒介融合实践与智能推介研究（一）[J].影像技术， 2012，24（6）：59-60.

[2]田岸婷.幻影成像在博物馆陈列设计中的运用[J].美术科技， 2014（10）：55-55.

[3]邹鹏程，朱文华，陈九龙.基于3DVIA Studio的生产线仿真研究[J].工业控制计算机，2013（8）：38-39.

[4]郝勇，李志强，杜发荣.大涵道比涡扇发动机的宽弦空心风扇叶片技术研究[R].中国航空学会2007年学术年会-动力专题.