基于全息技術的3D顯像設備的設計

劉正芳 安熠 丁紳 房劍飛 吳世斌

【摘?要】全息投影與3D顯像技術領域一直以來都是現代研究的熱門領域，全息技術的3D顯像設備的設計也一直是人們研究熱門。全息技術結合3D顯像技術不僅能使人在空間中看到立體三維圖像還能再較低的成本下達到3D裸眼的效果?；谌⒓夹g的3D顯像設備的設計包括全息技術、3D顯像、3D打印等相結合的投影特點，進行整體的設計，同時還能將它運用在教育、社會生活方面

【關鍵詞】全息技術;3D顯像;3D打印;單片機嵌入

Abstract：holographic projection and 3D imaging technology has always been a hot field of modern research，holographic technology of 3D imaging equipment design has also been a hot field of research.Holographic technology combined with 3D imaging technology can not only enable people to see three-dimensional images in space，but also achieve the effect of 3D naked eye at a lower cost.The design of 3D imaging equipment based on holographic technology includes the projection features of holographic technology，3D imaging，3D printing，etc.，which can be used in education and social life as a whole

Keywords：holographic technology;3 d imaging;3 d printing;MCU embedded.

引言

全息技術主要是利用光干涉和衍射原理記錄并再現物體真實三維圖像的記錄和再現的技術，進年來應用于社會生活的方方面面。隨著時間的推移，越來越多全息技術的產品走向生活，但該技術的普及依然存在很多的問題。結合全息3D顯像技術和3D打印技術的全息智能風扇，利用干涉和衍射的原理，短時間造成人眼的視覺暫留，記錄并再現物體的三維圖像，既能解決傳統圖像模糊問題，又能實現全方位多角度觀察物品的需要。該項目使用簡單的結構打破時間、空間的限制，用動態的立體影像將具有時間和有故事情節的事件豐富大展現出來。

1、基于全息成像技術的3D顯像設備的總體設計

基于全息技術的3D顯像設備的主要研究內容在于利用光在人眼中的視覺差，結合光的折射、反射原理達到呈現三維立體圖像的目的。

眼睛的視覺惰性就是光象一旦在視網膜上形成，視覺將會對這個光象的感覺維持一個有限的時間，該設計基于視覺暫留時間約為0.05至0.2秒確定LED頻閃時間，對人眼視網膜進行仿生計算，通過對圓角速度的計算擬定設計思路。通過設計運用LED顯示器單列或多列風扇屏旋轉實現人眼視覺的暫留因素（POV技術），即光對視網膜所產生的視覺效果在光停止作用后，仍會保留一段時間。利用此間隙完成圖像的顯示，同時嵌入單片機系統進行調控。

使用單片機定時程序對系統進行控制，使頻閃達到預期效果，既對led規律閃爍的控制，利用干涉和衍射原理記錄并再現物體真實的三維圖像在一定程度上完成3D裸眼效果。之后由單片機程序控制電機轉速，使電機轉速達到預定轉速后，配合人眼視覺0.05—0.2秒的暫留時長和LED規律閃爍為扇葉的的運動提供動力。通過單片機計數器的計數達到定時的功能，以單片機機器周期作為計數脈沖。

2.3D顯像設備的系統設計

裝置的設計包括動力源模塊和LED閃爍模塊?，F階段，將LED燈嵌入扇葉中。通過扇葉旋轉帶動LED燈轉動，依據人眼視覺停留時間為0.05～0.2秒進行LED燈規律閃爍的計算，最終形成3D效果。整個系統以重力勢能進行轉換，為風扇提供轉動的能量。重物經過傳送帶的運輸落在下方的傳感器上。在傳感器作用下將機械信號轉換為電信號，為馬達提供最初的工作能量。

2.1 設備的控制系統

整體設計包括動力傳輸、能量轉換、系統成像三個部分。

動力傳輸部分主要利用齒輪外嚙合帶動馬達產生電流的方式，為扇葉及LED燈提供電能。

能量轉換主要包括齒輪、傳感器、電機馬達三部分。齒輪嚙合轉動將機械能轉化為電信號，電信號驅動電機馬達轉動，馬達直接與扇葉連接實現扇葉的旋轉。

系統成像部分主要由單片機控制，使用c語言對單片機進行編程。通過編程實現LED燈規律閃爍。利用人眼視覺暫留的效應，使LED燈在規定時間內閃爍的次數大于24秒/幀，最終在人眼中呈現圖像效果。

2.2 3D顯現設備的模型設計

模型初始能量由齒輪嚙合帶動電機獲得能量，電流經放大器放大得到足夠強的電流信號。利用該電流信號驅動電機進行轉動，產生的電流經過電流放大器的放大作用后一部分為風扇內的電機馬達提供能量，馬達轉動輸出轉矩帶動風扇旋轉。另一部分為扇葉上的LED燈提供能量，使LED發光。利用光在人眼中的視覺暫留效應，設備中的LED經過單片機的編程控制它的亮暗規律，使其在空間中留下視覺效果。

2.2.1傳動裝置的CAD模型設計

采用CAD繪圖軟件AutoCAD 2014對傳送裝置進行概念模型設計，設計的裝置如圖3所示

2.3整體設計效果圖及各零件效果圖

采用三維繪圖軟件SOKIDWORKS 2019對裝置的扇葉進行概念模型設計，設計出的扇葉如圖1、2所示

3、總結

本文提出了一種基于全息投影技術的3D顯像設備的設計方法。該方法通過對單片機進行編程，達到控制LED規律閃爍的結果，最終在人眼中留下三維視覺效果。不僅能使人在空間中看到立體三維圖像還能再較低的成本下達到3D裸眼的效果，解決了傳統全息投影技術復雜及對投影設備要求苛刻的問題。此外，本次設計還結合了3D裸眼的設計，能在較為簡單的設備下達到立體三維圖像的效果。

參考文獻：

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[5]張瓏薈.基于3D打印技術在文創產品設計中的應用研究[D].湖北工業大學，2018.

作者簡介：

劉正芳（1996—），女，彝族，學生，學士;

安熠（1999—），男，漢族，學生，學士;

丁紳（1998—），男，漢族，學生，學士;

房劍飛（1991-），男，漢族，江蘇南京，教師，講師，碩士，研究方向機電一體化;

吳世斌（1993—），男，漢族，江蘇南京，助教。

基金項目：

江蘇省高等學校大學生創新訓練計劃項目<基于全息技術的3D顯像設備的設計>項目編號：201913905005Y。

（作者單位：1，2，3，4南京工業大學浦江學院）