应用于大幅面自由表面的建筑投影系统

1、    应用于大幅面自由表面的建筑投影系统    高雪+刘万奎+刘越+王涌天摘 要：传统投影系统的投影效果受显示屏尺寸、形状和设置位置等因素的影响，投影效果并不理想。鉴于此，设计了一种可直接在建筑表面投影的显示系统。该系统使用多投影机融合扩大了投影显示区域，利用自行开发的屏幕拼接软件完成了对画面的几何校正和颜色校正，同时，还通过人工手动调整实现了虚拟画面与真实场景的直观匹配。试验结果表明，应用于大幅面自由表面的建筑投影系统能呈现出高沉浸感的三维立体效果，可以生成超大尺寸的显示画面，使显示效果更加新颖、更具感染力。关键词：自由表面；投影拼接；几何校正；颜色

2、校正：tp391.7 ：a doi：10.15913/ki.kjycx.2016.05.012随着计算机技术和光电技术的发展，新型显示技术的应用将彻底改变人们使用计算机的方式，让人们重新思考信息技术与社会之间的关系。要想将建筑视频投影技术应用到建筑表面的投影中，就要根据其结构、纹理制作特定的图像或视频内容。这是传播文化的有效方式之一。建筑投影具有规模庞大、形式新颖等特点。随着大幅面自由表面建筑投影系统在工程中的广泛应用，它受到各方的高度关注，而且缓解环境光对显示效果的影响，在建筑结构异常复杂的表面实现投影校正、减小建筑纵深对画面亮度的影响等是研究人员在未来工作中首先要解决的问题。本文介绍的应用

3、于大幅面自由表面的建筑投影系统采用的是多投影拼接技术，它可以直接在表面结构复杂的建筑楼体上展示多媒体内容。针对建筑表面结构复杂、前后纵深大等特点，研究人员特提出了一种多投影机拼接补偿方法，以实现显示图像的正确对准和亮度、颜色校正等。而屏幕拼接软件的应用大大缩短了投影系统搭建过程中的调整时间，有效提高了传统手动拼接调整方式的效率。1 投影显示系统的方案设计本文设计的多投影机系统可以直接在建筑表面实现大幅面的投影显示，它与目前大多数应用于室内的投影系统不同，需要考虑环境光对其的影响。目前，应用范围比较广的室内投影系统结构相对简单，不需要考虑系统的摆放位置和相关优化等问题。但是，在户外应用大幅面投影

4、显示系统时，要综合考虑地理环境，建筑结构、形态等多方面的因素，合理地优化、设计系统，尽可能减少因为设计方案不完整而造成资源被浪费和时间被浪费的情况。1.1 影响建筑媒体整体效果的因素建筑投影与其他投影形式最大的不同就是要考虑投影的周边环境对画质的影响。投影建筑的地理位置，周边环境，建筑高度，建筑结构、形态等都会影响投影效果。在实际工作中，特将建筑投影系统应用于山西省汾西师家沟，投影的楼体建筑基本覆盖师家沟的全部建筑。该地楼体建筑依山而建，整体呈垂直分布，建筑的正面视图基本包含了全部的房屋。投影显示系统将正面视图中包含的这些房屋立面作为投影显示屏幕，如图1所示。经过现场实地考察和测量，为了确保能

5、够充分利用建筑表面，呈现良好的投影展示效果，特将投影机安放在该建筑群对面的半山腰上。与国内外已有的户外建筑投影系统相比，本文所述的建筑投影显示系统有以下几个特点：建筑结构异常复杂，投影范围内大约有40间房屋，约150个立面，而且建筑之间的位置关系也比较复杂，基本不存在大面积完整的规则投影表面，大大增加了投影拼接的难度。颜色、纹理差异大。该投影建筑群历史悠久，并未修缮过，房屋表面的颜色、纹理等因为环境等因素而有不同。另外，一些房屋的结构也不是很完整，大大增加了后续的校正难度。建筑群前后纵深大。该建筑群的独特之处就是依山建村，建筑之间互不遮挡，是利用纵向深度实现房屋的垂直分布。将投影系统安放在较高

6、的位置。为了更好地分配投影显示空间，特将投影显示系统安放在半山腰。这样做，大大增加了系统的安装难度，但是，也在一定程度上增强了画面分配、布局的优势。环境光对其的影响小。该投影建筑位于农村，而且该地还未进行城镇化建设，人造光源的使用率比较低。因此，在工作的过程中，投影显示系统基本不受环境光的影响，大大提高了投影显示效果。传播优秀文化。该投影显示项目以“传承历史文化，打造城市名片”为主题，将投影建筑作为信息传播的载体，充分利用了大幅面投影显示的特点。1.2 多投影机系统的校正应用于大幅面自由表面的建筑投影系统能够在任意一个表面上投影，比如汽车表面、楼体外立面、山体表面等。但是，在此过程中，将所需的

7、投影内容与真实的投影物体对准是至关重要的，将其形状精确对齐并且适当调整颜色是进行投影拼接的根本目的。几何校正表明了画面的几何连续性。按照投影屏幕的几何形状分类，可将其分为平面投影、曲面投影和自由表面投影，而几何校正方法也因为投影屏幕形状的不同而有所不同。因为自由表面的屏幕形状很难参数化，所以，只能使用三维模型等表示。在拼接校正自由表面时，经常会使用基于结构光扫描的拼接方法或者基于三维重建的拼接方法。其中，基于结构光扫描是依次向被测物投影编码图案，利用相机拍摄获取编码图像，并利用提取到的编码信息计算投影机图像空间与相机图像空间坐标之间的对应关系。基于三维重建的方法是采用三维测量方法重建每台投影机

8、覆盖范围内的投影表面模型，然后最终生成投影初始图像。颜色校正表明了颜色的连续性。为了减小投影表面对投影画面分辨率和亮度的影响，需要建立多投影机系统。每台投影机投影显示分开的图像都有重叠的区域，以实现无缝拼接的效果。应用该系统的投影建筑立面多，并且建筑结构异常复杂、投影面积大、投影环境不稳定、投影表面信息不易获取，因此，可采用传统的手动方法调整投影画面，实现对其的几何校正。在该系统中，由于投影表面的面积比较大，所以，对允许误差和几何校正准确度的要求并不严格。这在一定程度上简化了操作人员的工作，使手动调整成为了最佳的操作方法。1.3 三维建筑投影系统的工作步骤三维建筑投影系统的工作步骤如图2所示。

9、 三维建筑投影系统的工作步骤是：确定投影表面和观看位置。根据当地建筑的地理位置、周围环境、建筑高度和建筑面积等确定投影表面。因为该民居整体垂直分布，建筑之间基本不存在遮挡关系，站在建筑面前能够看到完整的房屋分布情况，所以，选定与该建筑群正对的半山腰作为观看地点，并将整个建筑群的正面作为投影表面。收集投影表面信息。确定好观察位置后，用相机拍摄投影表面，并记录此时相机的位置、角度和焦距等信息。确定有效的投影区域，并制作视频媒体。在具体工作中，媒体制作人员要根据有效投影区域的照片和记录的相机位置、角度等信息，结合投影表面自身的特点和艺术创作需求完成视频媒体。图3为制作完成的视频媒体截图和根据截图描画

10、出的重点建筑轮廓。确定投影机的数量和投影方案。根据投射试验投影机的投影面积确定能够完全覆盖投影区域的投影机数量。当投影亮度低时，可叠加投影。如图4所示，为了确定投影区域，黄色线条描画出的为投影拼接区域，这一区域为最大的投影区域，红色线条描画出的为亮度叠加区域，不需要增大投影面积，只要增加投影亮度。在现场安装、架设投影机，调整各台投影机的位置，让其充满整个投影表面。图5为搭建系统的组织结构。调整投影拼接。利用屏幕拼接软件完成对图像的校正。播放调试。播放制作好的视频媒体，并根据实际投影拼接效果调整媒体内容，确定投影校正质量。在此过程中，主要考虑的是颜色差异、拼接对比度、视频动画效果和三维模型视角等

11、内容。将最终调整好的图像2 系统搭建与试验2.1 系统构成2.1.1 硬件系统用2台爱普生10 000 lm工程投影机、3台三洋xf4700 15 000 lm工程投影机完成对中心投影区域亮点的叠加补偿。另外，系统的图形工作站配置intel酷睿i5四核cpu、8 gb内存、windows 7操作系统和nvidia geforce gtx760显示适配器。2.1.2 软件系统在该系统中，使用的是自行开发的影融屏幕拼接软件。它是用microsoft xna game studio 3.1编写的。该软件支持的功能如表1所示。2.2 投影拼接调整在投影拼接调整阶段，具体的步骤是：观察2台投影机投影区域

12、重叠面积所占的比例（融合率），打开软件系统，在向导设置中设置融合率。当投影机数目设置为4×1，分辨率为2 048×768，窗口位置为x=0，y=0时，即完成了对融合带的设置。设置融合系统参数的高级选项，添加4个新的融合分区，分别调整这4个融合分区的尺寸和位置，从而完成对初始融合率的设置。4个融合分区的尺寸和位置如图6所示。将投影区网格点数设置为2×2，即将特征点选为投影区域的4个端点。将投影调整到这个区域内可以显示1张字母图片。这时，投影区域与事先确定好的区域要保持一致，可将重叠区域的字母表两端对齐。如果将投影区网格点数增加为4×4，就要调整重叠区域的细

13、节部分，让字母尽量重合；如果重叠区域仍有不能完全重合的地方，则继续增加网格点，即为7×7，调整重叠区域两投影机显示出的字母，直至其完全重合。更换一张媒体制作好的视频截图，将图片中的建筑轮廓与真实的建筑轮廓完全重合。在调整的过程中，可以适当调整网格点的数量，直到将（包括投影重合的区域）投影区域内的所有建筑轮廓对齐。显示融合带，调节融合带的亮度，使融合带亮度和两边的投影亮度相近。在调整的过程中，可以多换几张图片完成颜色校正工作。更换播放制作完成的视频文件，根据看到的内容继续调整细节部分，直至确保视频播放效果良好。3 结论本文简要介绍了利用多投影机技术发明的应用于大幅面自由表面的投影系统。

14、该系统使用自行开发的屏幕拼接软件直接完成了对图像的几何校正和颜色校正。多投影机系统通过对投影画面的拼接融合和亮度叠加呈现出了高沉浸感的投影显示效果。试验结果表明，应用于自由表面的建筑投影系统能够将画面与真实建筑对准，进一步提高了显示画面的真实感。在现有系统的基础上，要从不同的视角分析显示图像误差，以改进系统的成像质量。同时，预处理显示画面有效简化了几何校正过程。随着信息可视技术的发展，大幅面投影拼接技术被广泛的应用，而建筑投影也被广泛应用于活动庆典、文化演出中。这种技术是将建筑作为信息的载体，将建筑表面作为显示屏幕，它不需要单独建立巨型的投影幕布，不仅节省了展示成本和前期仪器设备的准备时间，也

15、增加了信息显示的沉浸感和真实感。将三维模型与真实的建筑轮廓对齐后，借助人眼的错觉和心理暗示就可以呈现出有三维立体感的投影。这一技术得到了社会各界的一致好评。相信，随着社会经济的不断发展和国家综合实力的增强，计算机技术和新型显示技术的应用必将会成为未来构建城市名片、传播城市文化的有利工具之一。参考文献1funkhouser t，li k.guest editorsintroduction：large-format displaysj.ieee computer graphics and applications，2000（4）.2rossi d.smart architectural model

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