基于全息技術(shù)的3D顯像設(shè)備的設(shè)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(shù)領(lǐng)域一直以來都是現(xiàn)代研究的熱門領(lǐng)域，全息技術(shù)的3D顯像設(shè)備的設(shè)計也一直是人們研究熱門。全息技術(shù)結(jié)合3D顯像技術(shù)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。基于全息技術(shù)的3D顯像設(shè)備的設(shè)計包括全息技術(shù)、3D顯像、3D打印等相結(jié)合的投影特點，進行整體的設(shè)計，同時還能將它運用在教育、社會生活方面

【關(guān)鍵詞】全息技術(shù);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(shù)主要是利用光干涉和衍射原理記錄并再現(xiàn)物體真實三維圖像的記錄和再現(xiàn)的技術(shù)，進年來應(yīng)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(shù)的產(chǎn)品走向生活，但該技術(shù)的普及依然存在很多的問題。結(jié)合全息3D顯像技術(shù)和3D打印技術(shù)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(xiàn)物體的三維圖像，既能解決傳統(tǒng)圖像模糊問題，又能實現(xiàn)全方位多角度觀察物品的需要。該項目使用簡單的結(jié)構(gòu)打破時間、空間的限制，用動態(tài)的立體影像將具有時間和有故事情節(jié)的事件豐富大展現(xiàn)出來。

1、基于全息成像技術(shù)的3D顯像設(shè)備的總體設(shè)計

基于全息技術(shù)的3D顯像設(shè)備的主要研究內(nèi)容在于利用光在人眼中的視覺差，結(jié)合光的折射、反射原理達到呈現(xiàn)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(wǎng)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(shè)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(wǎng)膜進行仿生計算，通過對圓角速度的計算擬定設(shè)計思路。通過設(shè)計運用LED顯示器單列或多列風扇屏旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)人眼視覺的暫留因素（POV技術(shù)），即光對視網(wǎng)膜所產(chǎn)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(tǒng)進行調(diào)控。

使用單片機定時程序?qū)ο到y(tǒng)進行控制，使頻閃達到預(yù)期效果，既對led規(guī)律閃爍的控制，利用干涉和衍射原理記錄并再現(xiàn)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(zhuǎn)速，使電機轉(zhuǎn)速達到預(yù)定轉(zhuǎn)速后，配合人眼視覺0.05—0.2秒的暫留時長和LED規(guī)律閃爍為扇葉的的運動提供動力。通過單片機計數(shù)器的計數(shù)達到定時的功能，以單片機機器周期作為計數(shù)脈沖。

2.3D顯像設(shè)備的系統(tǒng)設(shè)計

裝置的設(shè)計包括動力源模塊和LED閃爍模塊?，F(xiàn)階段，將LED燈嵌入扇葉中。通過扇葉旋轉(zhuǎn)帶動LED燈轉(zhuǎn)動，依據(jù)人眼視覺停留時間為0.05～0.2秒進行LED燈規(guī)律閃爍的計算，最終形成3D效果。整個系統(tǒng)以重力勢能進行轉(zhuǎn)換，為風扇提供轉(zhuǎn)動的能量。重物經(jīng)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(zhuǎn)換為電信號，為馬達提供最初的工作能量。

2.1 設(shè)備的控制系統(tǒng)

整體設(shè)計包括動力傳輸、能量轉(zhuǎn)換、系統(tǒng)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(chǎn)生電流的方式，為扇葉及LED燈提供電能。

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

系統(tǒng)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(xiàn)LED燈規(guī)律閃爍。利用人眼視覺暫留的效應(yīng)，使LED燈在規(guī)定時間內(nèi)閃爍的次數(shù)大于24秒/幀，最終在人眼中呈現(xiàn)圖像效果。

2.2 3D顯現(xiàn)設(shè)備的模型設(shè)計

模型初始能量由齒輪嚙合帶動電機獲得能量，電流經(jīng)放大器放大得到足夠強的電流信號。利用該電流信號驅(qū)動電機進行轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生的電流經(jīng)過電流放大器的放大作用后一部分為風扇內(nèi)的電機馬達提供能量，馬達轉(zhuǎn)動輸出轉(zhuǎn)矩帶動風扇旋轉(zhuǎn)。另一部分為扇葉上的LED燈提供能量，使LED發(fā)光。利用光在人眼中的視覺暫留效應(yīng)，設(shè)備中的LED經(jīng)過單片機的編程控制它的亮暗規(guī)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(shè)計

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

2.3整體設(shè)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(shè)計，設(shè)計出的扇葉如圖1、2所示

3、總結(jié)

本文提出了一種基于全息投影技術(shù)的3D顯像設(shè)備的設(shè)計方法。該方法通過對單片機進行編程，達到控制LED規(guī)律閃爍的結(jié)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(tǒng)全息投影技術(shù)復(fù)雜及對投影設(shè)備要求苛刻的問題。此外，本次設(shè)計還結(jié)合了3D裸眼的設(shè)計，能在較為簡單的設(shè)備下達到立體三維圖像的效果。

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作者簡介：

劉正芳（1996—），女，彝族，學(xué)生，學(xué)士;

安熠（1999—），男，漢族，學(xué)生，學(xué)士;

丁紳（1998—），男，漢族，學(xué)生，學(xué)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(xué)校大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計劃項目<基于全息技術(shù)的3D顯像設(shè)備的設(shè)計>項目編號：201913905005Y。

（作者單位：1，2，3，4南京工業(yè)大學(xué)浦江學(xué)院）