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        3D偽全息投影教輔設(shè)備的研制*

        2021-10-23 03:57:20陳仲陽(yáng)李小艷付艷華
        關(guān)鍵詞:模型

        陳仲陽(yáng),徐 柯,李小艷,付艷華

        (湖北汽車工業(yè)學(xué)院理學(xué)院,湖北 十堰442002)

        1 3D偽全息投影的定義與研究意義

        偽全息投影又稱“準(zhǔn)全息”或“類全息”,起源于16世紀(jì)的“佩珀?duì)柣孟蟆保且环N依靠折射率和反射率為50%、面向45°視線角度的玻璃,經(jīng)特定光照照射后,在玻璃裝置中呈現(xiàn)虛像的技術(shù)。該技術(shù)將三維畫面懸浮在實(shí)景半空中成像,具有對(duì)比度高、清晰度高、空間感和透視感強(qiáng)的特點(diǎn)??罩谢孟笈c實(shí)物相結(jié)合,更加增強(qiáng)了幻象的真實(shí)感,是數(shù)字化、信息化技術(shù)發(fā)展的新產(chǎn)物,被廣泛應(yīng)用于商業(yè)展覽和影視特效中[1]。本文利用3D偽全息投影技術(shù),研制了一款中小型的教學(xué)輔助投影儀,它能將教師在教學(xué)中難以表述的教學(xué)模型及三維實(shí)體進(jìn)行具象展示。從而使學(xué)生在學(xué)習(xí)中,不僅僅局限于知識(shí)的概念描述,還可以接觸實(shí)物信息,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,提高課堂的教學(xué)效果。

        2 3D偽全息投影總體設(shè)計(jì)方案

        3D偽全息投影不同于真正意義上的光學(xué)全息技術(shù),其利用佩伯爾幻像技術(shù),使投影動(dòng)畫與成像棱錐各側(cè)面的玻璃成45°角,光線在玻璃表面發(fā)生折射和反射,根據(jù)平面鏡成像原理,平面鏡所成的虛像與源影像相對(duì)于玻璃表面對(duì)稱,在實(shí)際展示中,由于看不見(jiàn)反射玻璃和投影光源,加上成像棱錐中產(chǎn)生的像的大小和位置又恰好符合透視原理,便讓大腦自動(dòng)將屏幕上的虛像與真實(shí)背景相融合,達(dá)到一種物體或人物憑空出現(xiàn)在背景中的現(xiàn)象,其工作原理見(jiàn)圖1[2]。

        圖1 45°平面鏡成像原理圖

        3D偽全息投影教輔設(shè)備是由視頻投影源、LCD顯示屏、成像棱錐及設(shè)備支架組成??傮w方案設(shè)計(jì)見(jiàn)圖2。

        圖2 3D偽全息投影教輔設(shè)備設(shè)計(jì)圖

        2.1 3D偽全息投影視頻源制作

        幾乎所有人在看到3D偽全息投影成像的那一刻,都會(huì)被這種似夢(mèng)似幻的景象所吸引。但是,想要得到這樣的成像效果必須要求制作的視頻圖像與投影設(shè)備能嚴(yán)絲合縫地匹配。因此,本文針對(duì)兩種不同的視頻源類型,總結(jié)出以下兩種制作方法。

        2.1.1 靜態(tài)視頻源制作

        1)拍攝底片。捕捉4個(gè)高度統(tǒng)一、彼此垂直的方位,在同一時(shí)間拍攝4張同樣大小且一一對(duì)應(yīng)的照片,精修后作為最基礎(chǔ)的底片。

        2)根據(jù)投影裝置的尺寸計(jì)算像的尺寸(以本次研發(fā)設(shè)備為例)。本次設(shè)計(jì)應(yīng)用顯示器尺寸計(jì)算得到投影底面尺寸為332 mm×332 mm。計(jì)算的最終目的就是要在由4個(gè)全等的等腰直角三角形拼成的正方形上找到最適合又對(duì)稱的位置,然后一一對(duì)應(yīng)地放置底片,放置方式見(jiàn)圖3。

        設(shè)未知數(shù)(底片長(zhǎng)為a,寬為b),由特殊三角形的性質(zhì)可知:底片的底邊長(zhǎng)為a+2b=332 mm,則底片的尺寸為200 mm×150 mm。當(dāng)?shù)灼叽绫壤秊?∶3時(shí),則:a=132.80 mm,b=99.60 mm。當(dāng)?shù)灼叽绫壤秊?∶1時(shí),則:a=b=110.67 mm。當(dāng)?shù)灼叽绫壤秊?6∶9時(shí),則:a=156.24 mm,b=87.88 mm。

        根據(jù)計(jì)算出來(lái)的尺寸設(shè)置圖片信息進(jìn)行拼圖,然后填入拼圖。這種方法可用于制作教學(xué)或?qū)I(yè)領(lǐng)域中某些結(jié)構(gòu)復(fù)雜,圖案精細(xì)的模型、裝置、器件,便于仔細(xì)觀察每一面的具體細(xì)節(jié),仿佛實(shí)物就在眼前。該方法簡(jiǎn)單易上手,但對(duì)拍攝圖片的精度和質(zhì)量要求很高,且僅適用于靜態(tài)顯示,具有一定的局限性。

        2.1.2 動(dòng)態(tài)視頻源制作

        1)模型制作。利用Maya軟件可以建立對(duì)象的基本模型。通過(guò)Maya軟件的非均勻有理B樣條曲線(Non-Uniform Rational B-Splines,NURBS)模型制作功能,添加特效、材質(zhì)、燈光渲染,然后通過(guò)給模型建立骨骼、控制器等來(lái)賦予其生命,這一過(guò)程叫做綁定。最后將模型進(jìn)行權(quán)值調(diào)整,經(jīng)過(guò)一系列操作得到了與實(shí)物非常接近的靜態(tài)模型。

        2)設(shè)置動(dòng)作場(chǎng)景。對(duì)于普通動(dòng)畫模型,推薦使用Maya軟件,該軟件有很多添加動(dòng)畫的方式。在初步測(cè)試階段選取最簡(jiǎn)易的方法:制作完模型后,勾勒出物體運(yùn)動(dòng)的曲線,使用Create Animation Snapshot命令,在每一幀上復(fù)制創(chuàng)建一個(gè)模型,如果需要更加精細(xì)和逼真,可對(duì)每一幀進(jìn)行編輯,這樣就得到一系列的動(dòng)作,導(dǎo)出后即為一段視頻。

        對(duì)于漫畫,可以使用MMD(MikuMikuDance)軟件。MMD軟件是通過(guò)導(dǎo)入3D模型,在里面手動(dòng)調(diào)整骨骼擺出一系列動(dòng)作,使模型能夠跳舞的一款軟件。由骨骼控制模型,通過(guò)移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)骨骼來(lái)做出動(dòng)作。其中圓形的骨骼只可以旋轉(zhuǎn),方形的骨骼既可以旋轉(zhuǎn)也可以移動(dòng)。MMD軟件還可以加入音頻,使漫畫人物跳舞更加有節(jié)奏,富有活力。

        3)視頻模式轉(zhuǎn)換。MMD軟件導(dǎo)出的視頻文件類型是AVI,Maya軟件導(dǎo)出的視頻格式有很多種,但它們導(dǎo)出的只是立體視頻,需要通過(guò)會(huì)聲會(huì)影軟件將視頻轉(zhuǎn)換成4個(gè)視角方向下的二維視頻,而會(huì)聲會(huì)影軟件對(duì)導(dǎo)入視頻格式有一定要求,所以首先要用視頻轉(zhuǎn)換軟件,例如貍窩轉(zhuǎn)換軟件等,將3D視頻的文件格式轉(zhuǎn)換成MP4或者其他更常用的格式,而后導(dǎo)入會(huì)聲會(huì)影軟件,才能獲得視頻源。這種方法多用于制作專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)一些動(dòng)態(tài)展示模型,可觀察到所成像的連續(xù)變化,讓人有一種更加強(qiáng)烈震撼的視覺(jué)觀感和人工智能化體驗(yàn),科技感十足。

        2.2 硬件設(shè)計(jì)

        在本設(shè)計(jì)中,成像屏采用53.34 cm(21 in)的電腦顯示器投影三維素材動(dòng)畫。結(jié)合實(shí)際應(yīng)用屏幕的尺寸大小及所對(duì)應(yīng)成像棱錐的尺寸,對(duì)設(shè)備支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì),用于固定成像棱錐及投影顯示屏。

        根據(jù)LCD顯示屏投影面大小計(jì)算正四棱錐的高和邊長(zhǎng)。為實(shí)現(xiàn)素材動(dòng)畫完整清晰顯示,成像棱錐與屏幕必須成45°角,且根據(jù)A=0.194H;B=1.230H;C=0.740H;D=0.910H的公式計(jì)算成像棱錐的大小,見(jiàn)圖4。

        正四棱錐側(cè)面三角形各邊參數(shù)如下。

        A=0.194×27 cm=5.238 cm

        B=1.230×27 cm=33.210 cm

        C=0.740×27 cm=19.980 cm

        D=0.910×27 cm=24.570 cm

        成像棱錐(含頂角棱錐)參數(shù)如下。

        底邊長(zhǎng)=33.21 cm

        高=23.72 cm

        棱長(zhǎng)=29.17 cm

        2.3 投影設(shè)備制作

        根據(jù)上述設(shè)計(jì)方案搭建的3D偽全息投影教輔設(shè)備見(jiàn)第125頁(yè)圖5。成像棱錐為2 mm厚的透明亞克力板膠接而成的正四棱錐體,底邊的長(zhǎng)為33.21 cm。53.34 cm(21 in)投影屏的高為27 cm,正四棱錐高為23.72 cm,棱長(zhǎng)為29.17 cm,正四棱錐側(cè)面和水平面夾角為45°。固定成像空間和LCD顯示屏的支架長(zhǎng)55 cm,寬36 cm,高35 cm,可使投影幻象位于正四棱錐的正中心。

        圖5 3D偽全息投影教輔設(shè)備

        3 3D偽全息投影在教育領(lǐng)域中的應(yīng)用

        黨的十九大提出了加快教育現(xiàn)代化和教育強(qiáng)國(guó)建設(shè),推進(jìn)新時(shí)代教育信息化發(fā)展的目標(biāo),預(yù)示著教育信息化從1.0時(shí)代進(jìn)入2.0時(shí)代,越來(lái)越多的高科技技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)活動(dòng)。偽全息3D顯示作為一種全新的信息展示技術(shù),它可以立體、全方位地展示物體信息。如果將該技術(shù)運(yùn)用到教學(xué)中,則可以將抽象難懂的知識(shí)用3D顯示技術(shù)具體地展現(xiàn)出來(lái),有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣;偽全息技術(shù)涉及光學(xué)、圖像處理等相關(guān)知識(shí),可供學(xué)生分析,且現(xiàn)象十分新奇有趣,在捕捉學(xué)生興趣的同時(shí)還可以引導(dǎo)學(xué)生探究其成像原理,在教學(xué)過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、探索研究及合作交流的能力,發(fā)揮學(xué)生在課堂上的主觀能動(dòng)性,實(shí)現(xiàn)師生之間的良好互動(dòng),是一種非常有潛力的教育信息化技術(shù)[3-5]。

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