高雪+劉萬奎+劉越+王涌天

摘 要：傳統(tǒng)投影系統(tǒng)的投影效果受顯示屏尺寸、形狀和設(shè)置位置等因素的影響，投影效果并不理想。鑒于此，設(shè)計了一種可直接在建筑表面投影的顯示系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用多投影機(jī)融合擴(kuò)大了投影顯示區(qū)域，利用自行開發(fā)的屏幕拼接軟件完成了對畫面的幾何校正和顏色校正，同時，還通過人工手動調(diào)整實現(xiàn)了虛擬畫面與真實場景的直觀匹配。試驗結(jié)果表明，應(yīng)用于大幅面自由表面的建筑投影系統(tǒng)能呈現(xiàn)出高沉浸感的三維立體效果，可以生成超大尺寸的顯示畫面，使顯示效果更加新穎、更具感染力。

關(guān)鍵詞：自由表面；投影拼接；幾何校正；顏色校正

中圖分類號：TP391.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.05.012

隨著計算機(jī)技術(shù)和光電技術(shù)的發(fā)展，新型顯示技術(shù)的應(yīng)用將徹底改變?nèi)藗兪褂糜嬎銠C(jī)的方式，讓人們重新思考信息技術(shù)與社會之間的關(guān)系。要想將建筑視頻投影技術(shù)應(yīng)用到建筑表面的投影中，就要根據(jù)其結(jié)構(gòu)、紋理制作特定的圖像或視頻內(nèi)容。這是傳播文化的有效方式之一。建筑投影具有規(guī)模龐大、形式新穎等特點。

隨著大幅面自由表面建筑投影系統(tǒng)在工程中的廣泛應(yīng)用，它受到各方的高度關(guān)注，而且緩解環(huán)境光對顯示效果的影響，在建筑結(jié)構(gòu)異常復(fù)雜的表面實現(xiàn)投影校正、減小建筑縱深對畫面亮度的影響等是研究人員在未來工作中首先要解決的問題。

本文介紹的應(yīng)用于大幅面自由表面的建筑投影系統(tǒng)采用的是多投影拼接技術(shù)，它可以直接在表面結(jié)構(gòu)復(fù)雜的建筑樓體上展示多媒體內(nèi)容。針對建筑表面結(jié)構(gòu)復(fù)雜、前后縱深大等特點，研究人員特提出了一種多投影機(jī)拼接補(bǔ)償方法，以實現(xiàn)顯示圖像的正確對準(zhǔn)和亮度、顏色校正等。而屏幕拼接軟件的應(yīng)用大大縮短了投影系統(tǒng)搭建過程中的調(diào)整時間，有效提高了傳統(tǒng)手動拼接調(diào)整方式的效率。

1 投影顯示系統(tǒng)的方案設(shè)計

本文設(shè)計的多投影機(jī)系統(tǒng)可以直接在建筑表面實現(xiàn)大幅面的投影顯示，它與目前大多數(shù)應(yīng)用于室內(nèi)的投影系統(tǒng)不同，需要考慮環(huán)境光對其的影響。目前，應(yīng)用范圍比較廣的室內(nèi)投影系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對簡單，不需要考慮系統(tǒng)的擺放位置和相關(guān)優(yōu)化等問題。但是，在戶外應(yīng)用大幅面投影顯示系統(tǒng)時，要綜合考慮地理環(huán)境，建筑結(jié)構(gòu)、形態(tài)等多方面的因素，合理地優(yōu)化、設(shè)計系統(tǒng)，盡可能減少因為設(shè)計方案不完整而造成資源被浪費(fèi)和時間被浪費(fèi)的情況。

1.1 影響建筑媒體整體效果的因素

建筑投影與其他投影形式最大的不同就是要考慮投影的周邊環(huán)境對畫質(zhì)的影響。投影建筑的地理位置，周邊環(huán)境，建筑高度，建筑結(jié)構(gòu)、形態(tài)等都會影響投影效果。

在實際工作中，特將建筑投影系統(tǒng)應(yīng)用于山西省汾西師家溝，投影的樓體建筑基本覆蓋師家溝的全部建筑。該地樓體建筑依山而建，整體呈垂直分布，建筑的正面視圖基本包含了全部的房屋。投影顯示系統(tǒng)將正面視圖中包含的這些房屋立面作為投影顯示屏幕，如圖1所示。經(jīng)過現(xiàn)場實地考察和測量，為了確保能夠充分利用建筑表面，呈現(xiàn)良好的投影展示效果，特將投影機(jī)安放在該建筑群對面的半山腰上。與國內(nèi)外已有的戶外建筑投影系統(tǒng)相比，本文所述的建筑投影顯示系統(tǒng)有以下幾個特點：①建筑結(jié)構(gòu)異常復(fù)雜，投影范圍內(nèi)大約有40間房屋，約150個立面，而且建筑之間的位置關(guān)系也比較復(fù)雜，基本不存在大面積完整的規(guī)則投影表面，大大增加了投影拼接的難度。②顏色、紋理差異大。該投影建筑群歷史悠久，并未修繕過，房屋表面的顏色、紋理等因為環(huán)境等因素而有不同。另外，一些房屋的結(jié)構(gòu)也不是很完整，大大增加了后續(xù)的校正難度。③建筑群前后縱深大。該建筑群的獨(dú)特之處就是依山建村，建筑之間互不遮擋，是利用縱向深度實現(xiàn)房屋的垂直分布。④將投影系統(tǒng)安放在較高的位置。為了更好地分配投影顯示空間，特將投影顯示系統(tǒng)安放在半山腰。這樣做，大大增加了系統(tǒng)的安裝難度，但是，也在一定程度上增強(qiáng)了畫面分配、布局的優(yōu)勢。⑤環(huán)境光對其的影響小。該投影建筑位于農(nóng)村，而且該地還未進(jìn)行城鎮(zhèn)化建設(shè)，人造光源的使用率比較低。因此，在工作的過程中，投影顯示系統(tǒng)基本不受環(huán)境光的影響，大大提高了投影顯示效果。⑥傳播優(yōu)秀文化。該投影顯示項目以“傳承歷史文化，打造城市名片”為主題，將投影建筑作為信息傳播的載體，充分利用了大幅面投影顯示的特點。

1.2 多投影機(jī)系統(tǒng)的校正

應(yīng)用于大幅面自由表面的建筑投影系統(tǒng)能夠在任意一個表面上投影，比如汽車表面、樓體外立面、山體表面等。但是，在此過程中，將所需的投影內(nèi)容與真實的投影物體對準(zhǔn)是至關(guān)重要的，將其形狀精確對齊并且適當(dāng)調(diào)整顏色是進(jìn)行投影拼接的根本目的。

幾何校正表明了畫面的幾何連續(xù)性。按照投影屏幕的幾何形狀分類，可將其分為平面投影、曲面投影和自由表面投影，而幾何校正方法也因為投影屏幕形狀的不同而有所不同。因為自由表面的屏幕形狀很難參數(shù)化，所以，只能使用三維模型等表示。在拼接校正自由表面時，經(jīng)常會使用基于結(jié)構(gòu)光掃描的拼接方法或者基于三維重建的拼接方法。其中，基于結(jié)構(gòu)光掃描是依次向被測物投影編碼圖案，利用相機(jī)拍攝獲取編碼圖像，并利用提取到的編碼信息計算投影機(jī)圖像空間與相機(jī)圖像空間坐標(biāo)之間的對應(yīng)關(guān)系。基于三維重建的方法是采用三維測量方法重建每臺投影機(jī)覆蓋范圍內(nèi)的投影表面模型，然后最終生成投影初始圖像。

顏色校正表明了顏色的連續(xù)性。為了減小投影表面對投影畫面分辨率和亮度的影響，需要建立多投影機(jī)系統(tǒng)。每臺投影機(jī)投影顯示分開的圖像都有重疊的區(qū)域，以實現(xiàn)無縫拼接的效果。

應(yīng)用該系統(tǒng)的投影建筑立面多，并且建筑結(jié)構(gòu)異常復(fù)雜、投影面積大、投影環(huán)境不穩(wěn)定、投影表面信息不易獲取，因此，可采用傳統(tǒng)的手動方法調(diào)整投影畫面，實現(xiàn)對其的幾何校正。在該系統(tǒng)中，由于投影表面的面積比較大，所以，對允許誤差和幾何校正準(zhǔn)確度的要求并不嚴(yán)格。這在一定程度上簡化了操作人員的工作，使手動調(diào)整成為了最佳的操作方法。

1.3 三維建筑投影系統(tǒng)的工作步驟

三維建筑投影系統(tǒng)的工作步驟如圖2所示。

三維建筑投影系統(tǒng)的工作步驟是：①確定投影表面和觀看位置。根據(jù)當(dāng)?shù)亟ㄖ牡乩砦恢?、周圍環(huán)境、建筑高度和建筑面積等確定投影表面。因為該民居整體垂直分布，建筑之間基本不存在遮擋關(guān)系，站在建筑面前能夠看到完整的房屋分布情況，所以，選定與該建筑群正對的半山腰作為觀看地點，并將整個建筑群的正面作為投影表面。②收集投影表面信息。確定好觀察位置后，用相機(jī)拍攝投影表面，并記錄此時相機(jī)的位置、角度和焦距等信息。③確定有效的投影區(qū)域，并制作視頻媒體。在具體工作中，媒體制作人員要根據(jù)有效投影區(qū)域的照片和記錄的相機(jī)位置、角度等信息，結(jié)合投影表面自身的特點和藝術(shù)創(chuàng)作需求完成視頻媒體。圖3為制作完成的視頻媒體截圖和根據(jù)截圖描畫出的重點建筑輪廓。④確定投影機(jī)的數(shù)量和投影方案。根據(jù)投射試驗投影機(jī)的投影面積確定能夠完全覆蓋投影區(qū)域的投影機(jī)數(shù)量。當(dāng)投影亮度低時，可疊加投影。如圖4所示，為了確定投影區(qū)域，黃色線條描畫出的為投影拼接區(qū)域，這一區(qū)域為最大的投影區(qū)域，紅色線條描畫出的為亮度疊加區(qū)域，不需要增大投影面積，只要增加投影亮度。⑤在現(xiàn)場安裝、架設(shè)投影機(jī)，調(diào)整各臺投影機(jī)的位置，讓其充滿整個投影表面。圖5為搭建系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)。⑥調(diào)整投影拼接。利用屏幕拼接軟件完成對圖像的校正。⑦播放調(diào)試。播放制作好的視頻媒體，并根據(jù)實際投影拼接效果調(diào)整媒體內(nèi)容，確定投影校正質(zhì)量。在此過程中，主要考慮的是顏色差異、拼接對比度、視頻動畫效果和三維模型視角等內(nèi)容。⑧將最終調(diào)整好的圖像2 系統(tǒng)搭建與試驗

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

2.1.1 硬件系統(tǒng)

用2臺愛普生10 000 lm工程投影機(jī)、3臺三洋XF4700 15 000 lm工程投影機(jī)完成對中心投影區(qū)域亮點的疊加補(bǔ)償。另外，系統(tǒng)的圖形工作站配置Intel酷睿i5四核CPU、8 GB內(nèi)存、Windows 7操作系統(tǒng)和NVIDIA GeForce GTX760顯示適配器。

2.1.2 軟件系統(tǒng)

在該系統(tǒng)中，使用的是自行開發(fā)的影融屏幕拼接軟件。它是用Microsoft XNA Game Studio 3.1編寫的。該軟件支持的功能如表1所示。

2.2 投影拼接調(diào)整

在投影拼接調(diào)整階段，具體的步驟是：①觀察2臺投影機(jī)投影區(qū)域重疊面積所占的比例（融合率），打開軟件系統(tǒng)，在向?qū)гO(shè)置中設(shè)置融合率。當(dāng)投影機(jī)數(shù)目設(shè)置為4×1，分辨率為2 048×768，窗口位置為X=0，Y=0時，即完成了對融合帶的設(shè)置。②設(shè)置融合系統(tǒng)參數(shù)的高級選項，添加4個新的融合分區(qū)，分別調(diào)整這4個融合分區(qū)的尺寸和位置，從而完成對初始融合率的設(shè)置。4個融合分區(qū)的尺寸和位置如圖6所示。③將投影區(qū)網(wǎng)格點數(shù)設(shè)置為2×2，即將特征點選為投影區(qū)域的4個端點。將投影調(diào)整到這個區(qū)域內(nèi)可以顯示1張字母圖片。這時，投影區(qū)域與事先確定好的區(qū)域要保持一致，可將重疊區(qū)域的字母表兩端對齊。如果將投影區(qū)網(wǎng)格點數(shù)增加為4×4，就要調(diào)整重疊區(qū)域的細(xì)節(jié)部分，讓字母盡量重合；如果重疊區(qū)域仍有不能完全重合的地方，則繼續(xù)增加網(wǎng)格點，即為7×7，調(diào)整重疊區(qū)域兩投影機(jī)顯示出的字母，直至其完全重合。④更換一張媒體制作好的視頻截圖，將圖片中的建筑輪廓與真實的建筑輪廓完全重合。在調(diào)整的過程中，可以適當(dāng)調(diào)整網(wǎng)格點的數(shù)量，直到將（包括投影重合的區(qū)域）投影區(qū)域內(nèi)的所有建筑輪廓對齊。⑤顯示融合帶，調(diào)節(jié)融合帶的亮度，使融合帶亮度和兩邊的投影亮度相近。在調(diào)整的過程中，可以多換幾張圖片完成顏色校正工作。⑥更換播放制作完成的視頻文件，根據(jù)看到的內(nèi)容繼續(xù)調(diào)整細(xì)節(jié)部分，直至確保視頻播放效果良好。

3 結(jié)論

本文簡要介紹了利用多投影機(jī)技術(shù)發(fā)明的應(yīng)用于大幅面自由表面的投影系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用自行開發(fā)的屏幕拼接軟件直接完成了對圖像的幾何校正和顏色校正。多投影機(jī)系統(tǒng)通過對投影畫面的拼接融合和亮度疊加呈現(xiàn)出了高沉浸感的投影顯示效果。

試驗結(jié)果表明，應(yīng)用于自由表面的建筑投影系統(tǒng)能夠?qū)嬅媾c真實建筑對準(zhǔn)，進(jìn)一步提高了顯示畫面的真實感。在現(xiàn)有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，要從不同的視角分析顯示圖像誤差，以改進(jìn)系統(tǒng)的成像質(zhì)量。同時，預(yù)處理顯示畫面有效簡化了幾何校正過程。

隨著信息可視技術(shù)的發(fā)展，大幅面投影拼接技術(shù)被廣泛的應(yīng)用，而建筑投影也被廣泛應(yīng)用于活動慶典、文化演出中。這種技術(shù)是將建筑作為信息的載體，將建筑表面作為顯示屏幕，它不需要單獨(dú)建立巨型的投影幕布，不僅節(jié)省了展示成本和前期儀器設(shè)備的準(zhǔn)備時間，也增加了信息顯示的沉浸感和真實感。將三維模型與真實的建筑輪廓對齊后，借助人眼的錯覺和心理暗示就可以呈現(xiàn)出有三維立體感的投影。這一技術(shù)得到了社會各界的一致好評。相信，隨著社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和國家綜合實力的增強(qiáng)，計算機(jī)技術(shù)和新型顯示技術(shù)的應(yīng)用必將會成為未來構(gòu)建城市名片、傳播城市文化的有利工具之一。

參考文獻(xiàn)

[1]Funkhouser T，Li K.Guest EditorsIntroduction：Large-Format Displays[J].IEEE Computer Graphics and Applications，2000（4）.

[2]Rossi D.Smart architectural models：Spatial projection-based augmented mock-up[J].Digital Heritage International Congress（DigitalHeritage），2013（2）.

[3]Raskar R，Welch G，Low K L，et al.Shader lamps：Animating real objects with image-based illumination[M]. NewYork：Springer Vienna，2001.

[4]Salvi J，García R，Matabosch C.Overview of coded light projection techniques for automatic 3D profiling[G]//Proceedings of IEEE International Conference on Robotics and Automation.Taipei：Insitute of Electrical and Electronics Engineers Inc，2003.

[5]Chen H，Sukthankar R，Wallace G，et al.Scalable alignment of large-format multi-projector displays using camera homography trees[G]//Proceedings of the conference on Visualization02.Washington：IEEE Computer Society，2002.

[6]Li D，Xie J，Zhao L，et al.Multi-projector auto-calibration and placement optimization for non-planar surfaces[J].Optical Review，2015，22（5）.

[7] Moriya T，Beniyama F，Utsugi K，et al.Multi-camera and multi-projector based seamless live image display system[G]//.Proceedings of the 10th International Multimedia Modelling Conference.Washington：IEEE Computer Society，2004.

[8]王綱.建筑投影的理論與實踐探析[D].武漢：華中科技大學(xué)，2013.

[9]Teubl F，Kurashima C，Cabral M，et al.Fastfusion：A scalable multi-projector system[G]//Proceedings of the 14th Symposium on Virtual and Augmented Reality（SVR）.Washington：IEEE Computer Society，2012.

[10]袁慶曙.數(shù)字化互動陳展技術(shù)與系統(tǒng)研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2009.

[11]Mine M，Rose D，Yang B，et al.Projection-based augmented reality in disney theme parks[J].Computer，2012（7）.