房若宇

(浙江大學，浙江 杭州 310027)

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創(chuàng)新三維立體投影裝置的設計和制作

房若宇

(浙江大學，浙江 杭州 310027)

受四棱錐立體投影模型的啟發(fā)，本文探索了圓錐式和前后平行板式立體投影裝置的針對性設計和具體制作方法，在此基礎上實現(xiàn)了良好的三維立體投影效果。這兩種立體投影裝置是最多和最少面多棱錐設計的極限，是大學物理實驗大膽創(chuàng)新的一個嘗試。

圓錐式；平行板式；立體投影；多棱錐

全息投影技術也稱虛擬成像技術，是利用干涉和衍射原理記錄并再現(xiàn)物體真實的三維圖像的技術，可以產(chǎn)生立體的空中幻象[1-5]。大部分實現(xiàn)全息投影的方法技術要求高，實現(xiàn)成本昂貴且攜帶不方便[6-13]。而在《多棱錐三維立體投影裝置制作》一文所介紹的四棱錐式立體投影裝置不僅制作方便，而且得到了很好的三維立體效果[14]。受其啟發(fā)，將多棱錐的棱數(shù)向兩個方向取極限，分別設計和制作出了圓錐式投影裝置和前后平行板式投影裝置。圓錐式投影裝置的最大特點是實現(xiàn)了三百六十度可觀測視角；前后平行板式投影裝置能實現(xiàn)良好的舞臺效果。

1 圓錐式投影裝置的制作

本實驗立體投影裝置用透明的筆記本電腦膜制作。圓錐的頂角為254.6°，所構成的圓錐母線與水平面的夾角為45°。反射面具體尺寸根據(jù)所使用電子播放設備屏幕大小而定。視頻源是魚眼全景圖。經(jīng)實驗發(fā)現(xiàn)，反射圓錐能對魚眼全景圖有良好的三維立體效果。另外，為了避免成像在頂角處產(chǎn)生扭曲，將圓錐的頂角剪去制成圓臺，成像效果有很大提高。裝置示意圖如圖1所示。

圖1 圓錐投影裝置示意圖

成像原理主要是光的反射，但由于圓錐是曲面，成像比棱鏡復雜得多，反射圓錐并不能將全景圖片重新無失真地重現(xiàn)在眼前，只有在正對視線的圓錐軸的母線附近，圖像才接近真實，而越靠近兩側，其反射的圖片區(qū)域范圍越大，成像也就越擁擠，產(chǎn)生一定的變形。弱化這種變形的方法，可以將圖片與反射圓錐底面都增大，這樣看到的較為真實的中間區(qū)域就變大，而變形的區(qū)域所占比例減小，能夠大大改善了成像的質量，能夠360度清楚得觀察到立體魚眼全景圖。三維立體效果如圖2所示。

圖2 圓錐投影裝置三維立體效果圖

2 前后平行板式投影裝置

在演唱會上，歌手站在舞臺上的效果是通過光照在歌手身上，從而在后方的屏幕上產(chǎn)生陰影。如果使用編程技術做出將前面的人物的陰影投影到后面的背景之中，這樣從前面觀察，可以看到立體效果的話，臺下的觀眾可以看到非常真實的舞臺效果?；谶@樣的設想，設計出了前后平行板式投影裝置。選用市售聚甲基丙烯酸甲酯(亞克力)板材(規(guī)格300×300×1 mm)制作反射面，該材料板性質穩(wěn)定，可塑性強，透明度高(透光率90%以上)，密度低并且強度高，尤其是其良好的絕緣性能使得該材料適合電器設備的使用。該裝置是一個盒子再加上兩個亞克力板，每塊亞克力板的傾角為45°。在裝置上方放置視頻源，前景(F)和背景(B)被亞克力板反射過后兩個圖像重疊，形成人物視頻和背景視頻相結合的效果。裝置示意圖如圖3所示。

圖3 前后平行板式裝置示意圖

相應視頻制作需要解決兩個問題。首先是需要調(diào)整人物的動作視頻與背景視頻的大小相同，并將兩個視頻上下拼接。其次是要將人物的背影投到屏幕上。編程部分采用了開源的openCV來解決問題。以下將引用程序的一小部分來進行說明。

視頻大小及位置解決方法：

CvSize dstSize=cvSize(frame_0->width/2,frame_0->height/2);

IplImage* dst = cvCreateImage(dstSize,frame_1->depth,frame_1->nChannels);

IplImage* frame = cvCreateImage(dstSize,frame_0->depth,frame_0->nChannels);

本程序段中dstSize記錄了兩段視頻要調(diào)整的大小，在此規(guī)定每個視頻的尺寸大小為人物視頻的四分之一(寬高均為原視頻的二分之一)。接著運用openCV中的分割視頻區(qū)域的函數(shù)，將兩個視頻分別放到上下區(qū)域內(nèi)，從而達到效果。另外為了實現(xiàn)陰影效果，還需要對人物視頻中的像素進行分析，然后再相應地對背景做處理。在實驗中，人物視頻的選取都是背景為黑，即除了動作的人物之外其余都是黑的，因此只要對視頻每一幀中每一個像素做判斷，每遇到一個非黑像素，就在背景的相應位置像素變成黑色。判斷功能使用的是自定義函數(shù)int difference(int r,int g,int b)。并且最后再將黑色區(qū)域稍微放大，這樣彌補了前后景距離上的差距所帶來的圖像的不真實感。經(jīng)過這些處理，該裝置得到了良好的視頻效果，如圖4所示。

圖4 前后平行板式裝置效果圖

3 結 論

本文利用筆記本電腦膜和亞克力板兩種材料分別作出了圓錐式投影裝置和前后平行板式投影裝置，并實現(xiàn)了良好的三維立體投影效果。這兩種裝置的設計思路來源于對四棱錐式投影裝置優(yōu)點的繼承以及對如何改良其限制的思考，是物理實驗課堂上大膽創(chuàng)新的成果。

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Design and Manufacture of Innovative Three-Dimensional Stereoscopic Projection Devices

FANG Ruo-yu

(Zhejiang University,Zhejiang Hangzhou 310027)

Based on the rectangular pyramid model of stereoscopic projection device,in the current work,the specific design and particular manufacture of cone-mode and front-and-back parallel plane-mode stereoscopic projections were explored；and successively by both systems,excellent three-dimensional stereoscopic projection imaging was achieved.These two kinds of devices present the ultimate limits of three-dimensional stereoscopic projections that fabricated on the basic of polygonal pyramids with maximum and minimum panels.The present work is an audacious innovation for the college physical experiments.

cone-mode；parallel plane-mode；stereoscopic projection；polygonal pyramid

2016-04-20

1007-2934(2016)05-0050-03

O 438.1

A DOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.005.014