管會(huì)超 徐宇杰 郭慶

摘 要：基于現(xiàn)有的幻影成像視頻源不可控的使用性限制，使得幻影成像只能以固定的方式進(jìn)行播放。因此，項(xiàng)目以3DVIA Studio為仿真平臺(tái)開(kāi)發(fā)一套可控3D動(dòng)畫(huà)系統(tǒng)，并且與幻影成像系統(tǒng)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)幻影成像視頻源的可控性，并應(yīng)用幻影成像系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)雜結(jié)構(gòu)原理進(jìn)行展示。以3DVIA Studio作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，運(yùn)用行為設(shè)計(jì)、流程圖編程開(kāi)發(fā)方式實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能，依靠Virtools Scripting Language （VSL）編程語(yǔ)言進(jìn)行畫(huà)面分屏處理，然后與幻影成像系統(tǒng)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)景物與虛幻3D動(dòng)畫(huà)融合和可控幻影成像視頻源的開(kāi)發(fā)，應(yīng)用于教學(xué)進(jìn)行生動(dòng)展示實(shí)現(xiàn)高效率教學(xué)。

關(guān)鍵詞：幻影成像；3DVIA Studio；融合；可控性

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：1673-8454（2016）09-0085-03

引言

3D動(dòng)畫(huà)結(jié)合幻影成像系統(tǒng)近年來(lái)發(fā)展頗為迅速[1]。上海世博會(huì)多個(gè)國(guó)家館中都對(duì)這一系統(tǒng)結(jié)合3D動(dòng)畫(huà)進(jìn)行了媒介融合的實(shí)踐與智能推介。兩者的融合實(shí)踐在表現(xiàn)方式上具有明顯的創(chuàng)新性與靈活性，其亦幻亦真的感覺(jué)，帶給了觀(guān)眾全新的視覺(jué)體驗(yàn)。目前國(guó)內(nèi)還停留在對(duì)幻影成像系統(tǒng)或是3D動(dòng)畫(huà)創(chuàng)作單項(xiàng)層面的研究，沒(méi)有對(duì)3D動(dòng)畫(huà)和幻影成像兩者之間進(jìn)行有效的資源整合，可以說(shuō)對(duì)國(guó)內(nèi)目前這一領(lǐng)域的理論與技術(shù)的研究還處于初級(jí)低層次的狀態(tài)。因此，本文以3DVIA Studio為平臺(tái)制作可控動(dòng)畫(huà)，實(shí)現(xiàn)幻影成像視頻源的可控性，與幻影成像設(shè)備相結(jié)合，以帶給觀(guān)眾亦真亦幻的視覺(jué)體驗(yàn)，并且與教學(xué)系統(tǒng)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)展示復(fù)雜發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的生動(dòng)教學(xué)，提高對(duì)于抽象結(jié)構(gòu)的高效率教學(xué)。

一、幻影成像的概念及成像原理

幻影成像也稱(chēng)三維立體虛擬成像[2]，是澳大利亞The Shirley Spectra公司的一項(xiàng)針對(duì)博物館、科技館、展覽館等進(jìn)行創(chuàng)意和制作的國(guó)際領(lǐng)先的全新展示技術(shù)，是基于“實(shí)景造型”和“幻影”的光學(xué)成像結(jié)合，將所拍攝的影像（人、物）投射到布景箱中的主體模型景觀(guān)中，構(gòu)成了動(dòng)靜結(jié)合的影視畫(huà)面，演示故事的發(fā)展過(guò)程使之獲得一種“立體幻影”與實(shí)物模型結(jié)合及相互作用的逼真的視覺(jué)效果，配上三維聲音、燈光、氣味、煙霧等，使其更加惟妙惟肖，非常適合博物館。

幻影成像是一種將三維畫(huà)面懸浮在實(shí)景的半空中成像，營(yíng)造了亦幻亦真的氛圍，效果奇特，具有強(qiáng)烈的縱深感，真假難辯。形成空中幻象中間可結(jié)合實(shí)物，實(shí)現(xiàn)影像與實(shí)物的結(jié)合。

二、制作過(guò)程

先是利用三維建模軟件對(duì)物體建模，然后利用3DVIA Studio中BB模塊編寫(xiě)流程控制圖，然后是幻影成像源開(kāi)發(fā)的核心部分，對(duì)屏幕使用VSL語(yǔ)言進(jìn)行分屏操作，最后則是與幻影成像設(shè)備結(jié)合，實(shí)現(xiàn)可的幻影成像源的開(kāi)發(fā)。

1.模型前期準(zhǔn)備

通過(guò)一般機(jī)械CAD軟件建立的三維模型基本都可以用SOLIDWORKS打開(kāi)，進(jìn)行添加材質(zhì)、貼圖、渲染等操作后，導(dǎo)出為3dxml格式即可導(dǎo)入到3DVIA Studio中，然后再3DVIA Studio進(jìn)行行為方式的編輯[3]。

大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度振動(dòng)技術(shù)要求較高，特別強(qiáng)調(diào)提高結(jié)構(gòu)效率，結(jié)構(gòu)在滿(mǎn)足全部使用的條件下，重量最輕、結(jié)構(gòu)可靠，成本最低。適度低展弦比的寬弦空心結(jié)構(gòu)的風(fēng)扇葉片不僅具有先進(jìn)的氣動(dòng)性能和抗振能力，而且可以明顯減輕結(jié)構(gòu)重量和減少零件數(shù)量，增加級(jí)負(fù)荷，提供較大的失速裕度，較高的效率。寬弦空心風(fēng)扇葉片是大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)技術(shù)方向[4]。由于寬弦空心風(fēng)扇葉片葉型曲面的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，一般建模軟件不易實(shí)現(xiàn)，所以我們選用了CATIA、UG曲面建模好的軟件進(jìn)行建模。通過(guò)UG進(jìn)行曲面設(shè)計(jì)，最終的葉片實(shí)體模型（如圖2所示）真實(shí)地反映了發(fā)動(dòng)機(jī)寬弦空心風(fēng)扇葉片的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。圖3是在SOLIDWORKS中渲染得到的。

2.3DVIA Studio編寫(xiě)行為流程

3DVIA Studio中的Building Blocks功能是用邏輯圖來(lái)實(shí)施所編寫(xiě)的behavior Tasks和Functions。一些常用的Building Blocks已經(jīng)封裝在3DVIA Studio中。用戶(hù)還可以使用邏輯圖或者VSL語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)所需要的Building Blocks。這些預(yù)封裝的Building Blocks一部分來(lái)源于現(xiàn)有的API函數(shù)，另一部分則來(lái)源于編譯后的VSL和C++源文件。

如圖4，利用3DVIA Studio中的BB編寫(xiě)的動(dòng)畫(huà)控制邏輯圖，我們根據(jù)自己的需要選擇控制動(dòng)畫(huà)的方式，并通過(guò)邏輯關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)所需動(dòng)畫(huà)，每個(gè)BB都會(huì)有幾個(gè)不同的連接借口，不同的邏輯思路和不同的連接方法做出的動(dòng)畫(huà)結(jié)果是千變?nèi)f化的。圖中連接方式所實(shí)現(xiàn)的效果是對(duì)模型物體進(jìn)行大小變化的模塊，Keep Active用于使后面的Building Blocks組件在整個(gè)程序運(yùn)行的過(guò)程中始終保持激活狀態(tài)，keyboard是用來(lái)監(jiān)視鍵盤(pán)輸入的模塊，只要是鍵盤(pán)輸入、輸出的動(dòng)作都需要用keyboard這個(gè)BB來(lái)對(duì)鍵盤(pán)進(jìn)行激活控制。在這個(gè)邏輯圖中，也就是使監(jiān)控鍵盤(pán)的Is Key Press一直監(jiān)控某一個(gè)具體按鍵的輸入，經(jīng)過(guò)流程后用Add和Subtract兩個(gè)BB來(lái)控制物體大小。

3.VSL編寫(xiě)分屏代碼

在搭建可控幻影成像視頻源的過(guò)程核心技術(shù)就是要實(shí)現(xiàn)視頻源的四個(gè)攝像機(jī)所錄制的視頻實(shí)時(shí)可控性，四個(gè)攝像機(jī)要?jiǎng)幼鲄f(xié)調(diào)一致，攝像機(jī)的位置也要經(jīng)過(guò)嚴(yán)密的計(jì)算使得距離物體的距離是一致的。下面是利用VSL腳本語(yǔ)言編寫(xiě)的分屏程序的部分核心代碼：

// Match a specific existing camera

if（CameraToMatch）{

stereoCam.SetWorldTransform（CameraToMatch.GetWorldTransform（））；

stereoCam.SetFov（CameraToMatch.GetFov（））；

stereoCam.SetNearClip（CameraToMatch.GetNearClip（））；

stereoCam.SetFarClip（CameraToMatch.GetFarClip（））；

}

//active stereo

if（ StereoType == StereoSubType：：ActiveStereo ）

{

vkRenderOptions& ropt = vkRenderOptions：：Instance（）；

ropt.stereo = true；

}

else if（ StereoType == StereoSubType：：SideBySide ）

{

// Split main viewport into left and right viewport

viewport.SetSubViewportCount（9）；

// Set left and right camera to corresponding viewports

viewport.GetSubViewport（0）.SetCamera（A）；

viewport.GetSubViewport（1）.SetCamera（B）；

viewport.GetSubViewport（2）.SetCamera（C）；

viewport.GetSubViewport（3）.SetCamera（D）；

viewport.GetSubViewport（4）.SetCamera（E）；

viewport.GetSubViewport（5）.SetCamera（F）；

viewport.GetSubViewport（6）.SetCamera（G）；

viewport.GetSubViewport（7）.SetCamera（H）；

viewport.GetSubViewport（8）.SetCamera（I）；

4.原理與分屏效果

在3DVIA Studio 中采用VSL腳本語(yǔ)言編程將屏幕分割成九個(gè)大小相同的區(qū)域，如圖5，在模型前后左右四個(gè)面調(diào)整設(shè)置相應(yīng)的攝像機(jī)進(jìn)行圖像的錄制與輸出，然后再利用幻影成像膜做出金字塔形狀的成像金字塔。成像金字塔的四面均與視線(xiàn)成45度角，將視頻或者是3D動(dòng)畫(huà)程序在屏幕上進(jìn)行播放，光線(xiàn)直接投射在傾斜的成像金字塔側(cè)面，通過(guò)幻影成像膜的反射使光的路線(xiàn)發(fā)生轉(zhuǎn)折并進(jìn)入人的眼睛里，視網(wǎng)膜感光后會(huì)沿著光的路線(xiàn)去看，通過(guò)透明的幻影成像膜的將屏幕中的四個(gè)面的圖像融合成一個(gè)整體投影在成像金字塔內(nèi)部，在成像金字塔內(nèi)部呈現(xiàn)出立體的3D模型。系統(tǒng)采用3DVIA Studio實(shí)時(shí)可控動(dòng)畫(huà)編程，使用四個(gè)位置的攝像機(jī)分別進(jìn)行前后左右面的實(shí)時(shí)情況，使用者可以自己任意控制轉(zhuǎn)動(dòng)模型，變換模型角度進(jìn)行觀(guān)察，實(shí)現(xiàn)了可控的3D動(dòng)畫(huà)系統(tǒng)。

目前采用幻影成像膜的是因?yàn)槟さ暮穸容^小，透光性和折射性好，而且采用膜比較容易成型，但是膜的強(qiáng)度不夠容易產(chǎn)生變形而導(dǎo)致形成的幻影也就會(huì)發(fā)生畸變；若是采用硬度較強(qiáng)的玻璃作為介質(zhì)的話(huà)，一來(lái)玻璃不容易加工，二來(lái)由于玻璃有一定的厚度，光路在玻璃中會(huì)產(chǎn)生一次折射和兩次反射，從而會(huì)導(dǎo)致有重影的現(xiàn)象產(chǎn)生。

如圖6，播放器放置在幻影成像金字塔上方，則會(huì)有人物、物體懸在半空中的亦真亦幻的感覺(jué)?？梢耘c實(shí)際景物相結(jié)合，如圖8中可以看出渲染后的葉片仿佛是放置在圓柱體凸臺(tái)上，圓柱體凸臺(tái)為實(shí)物，是用來(lái)放置葉片當(dāng)作葉片支撐的，而且可以與后面的背景融合，實(shí)現(xiàn)了實(shí)景與虛物的融合。采用幻影成像膜是為了避免了重影問(wèn)題，當(dāng)然，現(xiàn)在也已經(jīng)研制出了專(zhuān)門(mén)用來(lái)制作幻影成像設(shè)備的玻璃，但由于其價(jià)格昂貴，項(xiàng)目則仍然采用幻影成像膜。

三、可交互幻影成像系統(tǒng)的應(yīng)用

應(yīng)用可控幻影成像系統(tǒng)可以揭示復(fù)雜的現(xiàn)象規(guī)律、解釋一個(gè)科學(xué)原理、展示發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)、講解發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理、介紹新科技產(chǎn)品，適合表現(xiàn)細(xì)節(jié)或內(nèi)部結(jié)構(gòu)較豐富的個(gè)體物品等。尤其可以進(jìn)行虛擬發(fā)動(dòng)機(jī)的教學(xué)，以直接的裸眼3D模型講述發(fā)動(dòng)機(jī)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，運(yùn)用3DVIA Studio中的動(dòng)態(tài)物理模擬系統(tǒng)可以生動(dòng)的展示發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理和發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)各個(gè)系統(tǒng)的作用，以三維影像展示給學(xué)生立體的感覺(jué)，提高教學(xué)效率，加深學(xué)習(xí)印象。

參考文獻(xiàn)：

[1]余春娜.新媒體語(yǔ)境下3D動(dòng)畫(huà)結(jié)合幻影成像系統(tǒng)的媒介融合實(shí)踐與智能推介研究（一）[J].影像技術(shù)， 2012，24（6）：59-60.

[2]田岸婷.幻影成像在博物館陳列設(shè)計(jì)中的運(yùn)用[J].美術(shù)科技， 2014（10）：55-55.

[3]鄒鵬程，朱文華，陳九龍.基于3DVIA Studio的生產(chǎn)線(xiàn)仿真研究[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2013（8）：38-39.

[4]郝勇，李志強(qiáng)，杜發(fā)榮.大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的寬弦空心風(fēng)扇葉片技術(shù)研究[R].中國(guó)航空學(xué)會(huì)2007年學(xué)術(shù)年會(huì)-動(dòng)力專(zhuān)題.