水雾投影的互动性研究及设备制作＊

宋佳程，施浩，王朝凯，郁霖炜

（上海工程技术大学航空运输学院，上海 201620）

投影技术在现代社会日益发展成熟，并随着交互式投影系统的发展而进一步延伸与推广，其显示形式也变得多样化，投影介质不再只局限在墙体，玻璃屏、水幕、纱幕、雾幕等都可以作为投影介质使用，这也使得投影在各个行业中大放光彩。在舞台、剧场、多媒体博物馆、大规模商场、主题公园等休闲场馆中，在科学馆、艺术博物馆、城市规划展览馆、最新的产品发布会、表演艺术场所、主题学校等领域都可以用作新的显示媒体[1]。

希望水雾投影装置可达到以下效果：水雾投影成像清晰且稳定，通过深度相机实现留影、画画等功能，在不同环境下能够清晰投影。水雾投影可以提供很多娱乐功能，通过留影、画画等功能让投影为使用者带来更多快乐。而且制作的雾幕装置体积不是很大，各个部位都可拆卸，便于携带。

1 雾幕的制作

1.1 原理设计图

雾幕投影机是一款稳定的环境图像装置，可用一个很薄的水雾墙取代传统的投影幕。该装置能够完整地展示物体、3D 模型、游戏等，并可制作成虚拟助手及控制面板等。该设备利用了海市蜃楼的环境图像理论，利用在天空中产生的微粒，把光影画面展示于人们面前。用几乎不可见的水雾流作为画面媒介，其层流技术能够让设备展现出更高分辨率的环境图像。设备内使用了整体式超音波机芯，无机械启动、平稳无噪声、容腔效率高、产生了一定的负离子、故障率较低、保养简便。而水雾投影则可用一个很薄的水雾墙取代原有的投影幕，让人在画面上随意穿梭，产生犹如真人在视频场景中的虚拟感觉。它还能够把动漫、电影等的视频和图像利用投影机光速的风场投影在云幕上，从而产生各种动态、虚拟的画面[2-3]。

图1 为形成雾幕的设计图，整体长度约60 cm，宽和高都为20 cm。通过注水口将水注入水箱，水箱中的雾化器以水为介质，利用超声定向压强将水喷成雾状，接着通过下面两侧的涡轮风扇将雾吹起形成雾幕。同时利用变阻器还能够调节涡轮风扇速度，不但可以实现水雾屏幕成像最好的效果，同时给水雾屏幕添加了更多功能。当光源投射至水雾屏幕上时，可以观测到相当清晰的效果图像。当光线投影到水雾屏幕时，也可观察到比较清晰的图像。此外，在装置前添加了深度相机，增加了留影及画画功能，实现了人机交互[4-6]。

图1 雾幕设计图

1.2 各功能设备制作

1.2.1 电源部分

采用24 V 电源，可保证涡轮风扇正常运转。将风扇和电源的线头剪断，然后将两者的电线连接，连接的时候需要带上绝缘手套防止触电。还需要注意的是正负极不能接反，若连接后发现电源打开后风扇无法正常运作先尝试重启，如果不行，则电线正负极可能接反。雾化器需要插入插座，保证安全使用。

1.2.2 雾化器部分

雾化器长为236 mm，宽为85 mm，高为28 mm。变压器参数如下：输入电压为AC220 V，输出电压为DC45 V，输出功率为350 W，输出电流为4.8 A。雾化器输入电压为DC45 V。

不能将变压器放到水箱里，并且水箱深度要保持在8 cm 以上，这样才能保证雾化器正常使用。需要先调节好水位高度后再通电，且通电时不能动雾化器。不能将防水接头泡在水里，否则会导致电路短路，影响雾化器正常工作。

1.2.3 外壳的制作及设计图

图2 为设备的外壳。设备的外壳有1～2 个面可以打开放入装置，并且通过螺丝安装可保证装置的封闭性。对于其中的孔，需用硅胶封边，保证雾气和水分不流失。材料用的是PC 透明塑料板，这样可保证整体的封闭性。头部采用的也是同样的材料，用两边的卡扣来连接上下2 部分。在上下安装有缝隙的地方用硅胶封闭保证封闭性。若要拆除只需将硅胶拆掉，将螺丝拆除，打开卡扣即可。

图2 设备外壳

1.2.4 注水口及吸水海绵的安装

注水口用易拉罐制作，简洁环保，同时也能保证水分保持在水箱内，防止水分的流失，吸水海绵贴在内壁也能够防止水分流失。在水箱上插入注水口后利用硅胶封住缝隙，防止雾漏出导致雾幕不清晰。

1.3 设备总体组装

图3 为设备整体。设备的外壳分为2 部分，里侧和外侧都有2 面可打开，保证所有装置能够顺利装入。将电源和变阻器连接后放入左侧，然后将电线插入当中的孔。接着将风扇放入，连接后再放入水箱和雾化器，并将雾化器电线穿过右侧2 个孔，然后将吸水海绵和注水口放入右侧完成第一部分安装。第二部分为水箱部分的头部，将两者通过硅胶缝合，保证雾气不流失，将旋钮和变阻器连接，完成安装。最后将各个部分的面关上，利用螺丝拧紧，确保封闭性[7-8]。

图3 设备整体

2 设备互动性设计[9-10]

2.1 深度相机

深度相机可通过投射仪主动发射肉眼不可见IR红外光到被测物体表面，然后通过相机拍摄被测物体采集结构光图像，将数据发送到计算单元，通过三角测量原理计算获取位置和深度信息，从而实现3D 重建。相机硬件要求低，成本也低。因为不需要像TOF（Time Of Flight，飞行世间法）和结构光那样使用特殊的发射器和接收器，使用普通的消费级RGB 相机即可。由于直接根据环境光采集图像，所以在室内、室外都能使用。相比之下，TOF 和结构光基本只能在室内使用。

2.2 深度相机的使用

利用深度照相机收集到的数据，可以精确知道图片中各个点离摄像机的距离，加上各点在2D 图形中的（x，y）位置，就可以得到图片中各个点的三维位置。利用三维坐标也可以复原现实情景、应用场景模型等，可在雾幕上留影、写字。留影、写字及投影的结合，可使投影更加生动有趣，做到人机互动。

3 设备的调试及应用

3.1 雾化器的调试

先将雾化器电线插入插座，让雾化器能够喷雾，然后打开电源，让底下的涡轮风扇旋转将雾吹起形成雾幕。接着在不同环境下测试雾幕的薄厚程度。温度为30～40 ℃时，雾幕比较薄，将风扇的功率调到最大才能够形成清晰的雾幕；温度为20～30 ℃时，需要稍微调高风扇功率才能形成雾幕；温度为10～20 ℃时，能形成较多的雾，只需涡轮风扇往上吹就能够形成雾幕。

3.2 投影的调试

在不同质量浓度的雾幕下，分别进行了投影测试。在比较稀薄的雾幕下，投影比较淡，需要周围的亮度更低一些才能够看清投影；在正常雾幕下，投影正常，周围无强光照射能够清晰看清；在质量浓度较高的雾幕下，投影的颜色更深，但是在强光照射下可清楚看到投影。

3.3 设备的应用

将自制的航空货运视频投影到雾幕上，并且在不同亮度、温度下观看，温度在10～20 ℃之间，正常光照下，投影是最清晰的，并且雾化器出雾正常无突发状况。接着用飞机模型留影的功能在雾幕上留下飞机模型，然后利用画画的功能画一个机场。并且能够通过写字画画和视频互动，达到了生动有趣的人机互动效果。

4 结论

为探讨水雾投影的互动性而研制了一种水雾投影设备，并完成了基本成像工作。该设备能够在雾幕上清晰投影，调节风扇可控制出雾量。使用深度相机让使用者能够在雾幕上留影、画画。该设备的创新点在于外壳采用了塑料板，在保证封闭性的情况下也增加了便携性；装置的各个部分可分别拆卸；通过调节风扇功率来调整出雾量，使投影清晰；利用深度相机在雾幕上留影、画画，实现人机交互的效果，通过留影、画画功能让投影不再枯燥乏味；设备不受空间、地点的限制；投影内容可自己定制；和其他投影方式比较，水雾投影的雾幕免维护，设备使用寿命更长。