桂 亮, 胡改玲, 奚延輝, 金 悅, 段玉崗

(西安交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，西安 710049)

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，在媒體傳播、展覽、展示等諸多領(lǐng)域，傳統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)不能滿足人們的需求[1]，三維立體投影技術(shù)由于可使觀眾在無需佩戴3D眼鏡的情況下就能觀看到立體圖像[2-4]，因而廣泛用于舞臺(tái)燈光設(shè)計(jì)和電影動(dòng)畫的制作，以及博物館和各種展會(huì)的現(xiàn)場(chǎng)展示。同樣，這項(xiàng)技術(shù)也慢慢走進(jìn)教室，廣泛應(yīng)用于教學(xué)的各個(gè)方面[5-6]，使教師所講授的物體更直觀、立體地呈現(xiàn)出來，打破了傳統(tǒng)教學(xué)手段的束縛。

全息投影技術(shù)也稱虛擬成像技術(shù)，是利用干涉和衍射原理記錄并再現(xiàn)物體的三維圖像技術(shù)，產(chǎn)生立體的空中幻象。大部分實(shí)現(xiàn)全息投影的方法技術(shù)要求高，實(shí)現(xiàn)成本昂貴且攜帶不方便[7-11]?；诖?，本文設(shè)計(jì)了一種基于偽全息技術(shù)的有別于傳統(tǒng)投影設(shè)備的立體影像展示機(jī),該展示機(jī)成像逼真、立體感強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單、成本低廉。

1 立體影像展示機(jī)總體方案

立體影像展示機(jī)包括光學(xué)成像系統(tǒng)、機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)和動(dòng)力控制系統(tǒng)三部分，具備立體成像、360°旋轉(zhuǎn)、上下升降，以及收合等功能，總體方案如圖1所示。旋轉(zhuǎn)模塊可讓處于不同方位的人觀察到4塊有機(jī)玻璃上的像；升降模塊可以保證不同大小物體和不同高度場(chǎng)合的展示；收合模塊則可將4塊有機(jī)玻璃板鋪平，從而節(jié)省設(shè)備放置空間。

(a) 結(jié)構(gòu)示意圖(b) 三維立體模型圖

1—旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī),2—收合電動(dòng)機(jī),3—導(dǎo)軌,4—底板,5—X型架,6—屏幕旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī),7—升降連桿,8—屏幕升降電動(dòng)機(jī),9—頂板,10—直線推桿,11—中心板,12—曲柄滑塊,13—有機(jī)玻璃板,14—液晶屏,15—底座頂板,16—底座底板

圖1 立體影像展示機(jī)

2 光學(xué)成像模塊設(shè)計(jì)方案

偽全息3D技術(shù)起源于佩珀?duì)柣孟窦夹g(shù)，其基本原理是采用投影機(jī)或其他顯示方法使光源折射45°成像在幻影成像膜的全息投影具有3D 的立體顯示效果[12]。完成這樣的投影過程需要兩個(gè)最基本的設(shè)備：投影源和投影成像設(shè)備[13]。

在本設(shè)計(jì)中，通過4塊具有特定角度的呈倒金字塔形的有機(jī)玻璃板將液晶顯示器上制作好的圖像向4個(gè)方向反射使之成像，反射的像位于有機(jī)玻璃組成的倒四棱臺(tái)的中間位置，如圖2所示。由此通過4塊有機(jī)玻璃板的成像便呈現(xiàn)出物體4個(gè)不同方位的形態(tài)。有機(jī)玻璃板上貼有幻影成像膜以減弱光的透射,從而增強(qiáng)光的反射，以達(dá)到更清晰的成像效果。

(a) 成像部分光路圖

(b) 成像部分實(shí)物圖

3 機(jī)械結(jié)構(gòu)模塊設(shè)計(jì)方案

3.1 收合功能

展示機(jī)梯形框支撐的4塊有機(jī)玻璃板成像時(shí)均與地面呈45°，收合功能是為了在不使用時(shí)使展示機(jī)得以升至天花板，從而大大提升教室空間利用率。收合功能利用了滑塊和曲柄連桿的復(fù)合機(jī)構(gòu)，直線電動(dòng)機(jī)通過伸縮帶動(dòng)與其相連接的2個(gè)滑塊進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，然后通過曲柄和連桿的旋轉(zhuǎn)使得4個(gè)滑塊可以同步收合，然后利用合頁的配合，實(shí)現(xiàn)了裝有有機(jī)玻璃板的框架同步開合，如圖3所示。此結(jié)構(gòu)僅用一個(gè)電動(dòng)機(jī)巧妙地讓4塊有機(jī)玻璃板同步開合，簡(jiǎn)化了機(jī)構(gòu)，同時(shí)使得裝置運(yùn)行的一致性與協(xié)調(diào)性得以保證。

(a) 機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖(仰視)

(b) 機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖(主視)

(c) 三維模型圖

圖3 收合機(jī)構(gòu)

3.2 旋轉(zhuǎn)功能

旋轉(zhuǎn)功能主要是為了讓在一個(gè)方位的學(xué)生能夠看清立體模型4個(gè)不同方位的情況。旋轉(zhuǎn)功能分為展示機(jī)和顯示器兩部分，展示機(jī)旋轉(zhuǎn)功能的實(shí)現(xiàn)是通過將電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子固定于天花板，定子與整個(gè)機(jī)構(gòu)相連，通過電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子和定子之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)。底座上顯示屏的旋轉(zhuǎn)則是依靠與底座相連接的步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)推力軸承，進(jìn)而帶動(dòng)顯示器X支架而實(shí)現(xiàn)的，如圖4所示。

3.3 升降功能

升降功能分為主體(展示機(jī))和底座升降臺(tái)，其中展示機(jī)部分的升降是利用直線推桿電動(dòng)機(jī)，通過控制直線推桿電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)距離來進(jìn)行高度的調(diào)節(jié)，將立體影像展示機(jī)降至合適的位置與液晶顯示器配合成像，從而保證學(xué)生可以平視有機(jī)玻璃板，清晰地看到所展示的影像，并且在不使用立體影像展示機(jī)時(shí)，將立體影像展示機(jī)升至天花板，從而節(jié)省教室空間。底座升降臺(tái)主要是為了在使用時(shí)調(diào)節(jié)顯示器的高度，以達(dá)到最清晰的成像效果，并且將顯示器與展示機(jī)分離的這種結(jié)構(gòu)設(shè)置能夠最大程度保證展示機(jī)所有功能穩(wěn)定有效實(shí)現(xiàn)，如圖5所示。

(a) 主體旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)模型圖(b) 顯示器旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)模型圖

圖4 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

(a) 主體升降部分模型圖(b) 底座升降機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖(c) 底座升降部分模型圖

圖5 升降部分

4 動(dòng)力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

4.1 控制模塊

控制部分使用推桿電動(dòng)機(jī)控制器和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制器。推桿電機(jī)控制器控制升降，含有上升、停止和下降3個(gè)按鈕。變壓器將220 V交流電轉(zhuǎn)化為24 V直流電傳送給驅(qū)動(dòng)器，進(jìn)而通過步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制器控制電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)速度，達(dá)到旋轉(zhuǎn)與開合功能。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制器通過編程實(shí)現(xiàn)了梯形框展開到所需角度、裝置整體正反轉(zhuǎn)和梯形框收至天花板。

4.2 動(dòng)力模塊

動(dòng)力模塊利用了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和直線推桿電動(dòng)機(jī)。升降功能通過直線推桿電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)完成開合與旋轉(zhuǎn)功能。直線推桿電動(dòng)機(jī)具有行程自鎖功能，可以將立體影像展示定于某一高度。設(shè)計(jì)制作出的立體影像展示機(jī)如圖6所示，圖7則分別顯示了汽車和閥門兩個(gè)物體由4幅平面圖像成像為立體圖像的展示效果。

圖6 立體影像展示機(jī)實(shí)物圖

5 結(jié) 語

該展示樣機(jī)為筆者指導(dǎo)本科生根據(jù)第六屆全國大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽主題提出并研制。該樣機(jī)具有較好的立體影像展示效果,獲得該屆大賽國賽一等獎(jiǎng)、陜西省一等獎(jiǎng)，并獲得授權(quán)國家發(fā)明專利。

(a) 汽車

(b) 閥門

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