3D偽全息投影教輔設備的研制*

陳仲陽，徐 柯，李小艷，付艷華

（湖北汽車工業學院理學院，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“準全息”或“類全息”，起源于16世紀的“佩珀爾幻象”，是一種依靠折射率和反射率為50%、面向45°視線角度的玻璃，經特定光照照射后，在玻璃裝置中呈現虛像的技術。該技術將三維畫面懸浮在實景半空中成像，具有對比度高、清晰度高、空間感和透視感強的特點。空中幻象與實物相結合，更加增強了幻象的真實感，是數字化、信息化技術發展的新產物，被廣泛應用于商業展覽和影視特效中[1]。本文利用3D偽全息投影技術，研制了一款中小型的教學輔助投影儀，它能將教師在教學中難以表述的教學模型及三維實體進行具象展示。從而使學生在學習中，不僅僅局限于知識的概念描述，還可以接觸實物信息，激發學生的學習興趣，提高課堂的教學效果。

2 3D偽全息投影總體設計方案

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

圖1 45°平面鏡成像原理圖

3D偽全息投影教輔設備是由視頻投影源、LCD顯示屏、成像棱錐及設備支架組成。總體方案設計見圖2。

圖2 3D偽全息投影教輔設備設計圖

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，都會被這種似夢似幻的景象所吸引。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備能嚴絲合縫地匹配。因此，本文針對兩種不同的視頻源類型，總結出以下兩種制作方法。

2.1.1 靜態視頻源制作

1）拍攝底片。捕捉4個高度統一、彼此垂直的方位，在同一時間拍攝4張同樣大小且一一對應的照片，精修后作為最基礎的底片。

2）根據投影裝置的尺寸計算像的尺寸（以本次研發設備為例）。本次設計應用顯示器尺寸計算得到投影底面尺寸為332 mm×332 mm。計算的最終目的就是要在由4個全等的等腰直角三角形拼成的正方形上找到最適合又對稱的位置，然后一一對應地放置底片，放置方式見圖3。

設未知數（底片長為a，寬為b），由特殊三角形的性質可知：底片的底邊長為a+2b=332 mm，則底片的尺寸為200 mm×150 mm。當底片尺寸比例為4∶3時，則：a=132.80 mm,b=99.60 mm。當底片尺寸比例為1∶1時，則：a=b=110.67 mm。當底片尺寸比例為16∶9時，則：a=156.24 mm，b=87.88 mm。

根據計算出來的尺寸設置圖片信息進行拼圖，然后填入拼圖。這種方法可用于制作教學或專業領域中某些結構復雜，圖案精細的模型、裝置、器件，便于仔細觀察每一面的具體細節，仿佛實物就在眼前。該方法簡單易上手，但對拍攝圖片的精度和質量要求很高，且僅適用于靜態顯示，具有一定的局限性。

2.1.2 動態視頻源制作

1）模型制作。利用Maya軟件可以建立對象的基本模型。通過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、燈光渲染，然后通過給模型建立骨骼、控制器等來賦予其生命，這一過程叫做綁定。最后將模型進行權值調整，經過一系列操作得到了與實物非常接近的靜態模型。

2）設置動作場景。對于普通動畫模型，推薦使用Maya軟件，該軟件有很多添加動畫的方式。在初步測試階段選取最簡易的方法：制作完模型后，勾勒出物體運動的曲線，使用Create Animation Snapshot命令，在每一幀上復制創建一個模型，如果需要更加精細和逼真，可對每一幀進行編輯，這樣就得到一系列的動作，導出后即為一段視頻。

對于漫畫，可以使用MMD（MikuMikuDance）軟件。MMD軟件是通過導入3D模型，在里面手動調整骨骼擺出一系列動作，使模型能夠跳舞的一款軟件。由骨骼控制模型，通過移動和旋轉骨骼來做出動作。其中圓形的骨骼只可以旋轉，方形的骨骼既可以旋轉也可以移動。MMD軟件還可以加入音頻，使漫畫人物跳舞更加有節奏，富有活力。

3）視頻模式轉換。MMD軟件導出的視頻文件類型是AVI，Maya軟件導出的視頻格式有很多種，但它們導出的只是立體視頻，需要通過會聲會影軟件將視頻轉換成4個視角方向下的二維視頻，而會聲會影軟件對導入視頻格式有一定要求，所以首先要用視頻轉換軟件，例如貍窩轉換軟件等，將3D視頻的文件格式轉換成MP4或者其他更常用的格式，而后導入會聲會影軟件，才能獲得視頻源。這種方法多用于制作專業領域內一些動態展示模型，可觀察到所成像的連續變化，讓人有一種更加強烈震撼的視覺觀感和人工智能化體驗，科技感十足。

2.2 硬件設計

在本設計中，成像屏采用53.34 cm（21 in）的電腦顯示器投影三維素材動畫。結合實際應用屏幕的尺寸大小及所對應成像棱錐的尺寸，對設備支架結構進行設計，用于固定成像棱錐及投影顯示屏。

根據LCD顯示屏投影面大小計算正四棱錐的高和邊長。為實現素材動畫完整清晰顯示，成像棱錐與屏幕必須成45°角，且根據A=0.194H；B=1.230H；C=0.740H；D=0.910H的公式計算成像棱錐的大小，見圖4。

正四棱錐側面三角形各邊參數如下。

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）參數如下。

底邊長=33.21 cm

高=23.72 cm

棱長=29.17 cm

2.3 投影設備制作

根據上述設計方案搭建的3D偽全息投影教輔設備見第125頁圖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，棱長為29.17 cm，正四棱錐側面和水平面夾角為45°。固定成像空間和LCD顯示屏的支架長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偽全息投影教輔設備

3 3D偽全息投影在教育領域中的應用

黨的十九大提出了加快教育現代化和教育強國建設，推進新時代教育信息化發展的目標，預示著教育信息化從1.0時代進入2.0時代，越來越多的高科技技術應用于教學活動。偽全息3D顯示作為一種全新的信息展示技術，它可以立體、全方位地展示物體信息。如果將該技術運用到教學中，則可以將抽象難懂的知識用3D顯示技術具體地展現出來，有助于激發學生的學習興趣；偽全息技術涉及光學、圖像處理等相關知識，可供學生分析，且現象十分新奇有趣，在捕捉學生興趣的同時還可以引導學生探究其成像原理，在教學過程中培養學生自主學習、探索研究及合作交流的能力，發揮學生在課堂上的主觀能動性，實現師生之間的良好互動，是一種非常有潛力的教育信息化技術[3-5]。