通过UNITY3D实现三维实时全息投影的技术方法

通过UNITY3D实现三维实时全息投影的技术方法

摘要：与传统二维投影显示相比，三维投影显示不仅可以使观察者看到更加生动形象的投影效果，并且可以提供丰富的三维信息，具有良好的应用前景。应用专业引擎Unity3D为工具，实现虚拟电力设备模型展示的设计流程以及各个环节，最终开发出基于网络的、数据精准、表现力强、交互性强的电力设备虚拟展示系统。系统具有良好的运行效果、维护方法，说明了Unity3D引擎对构建三维电力设备进行相关虚拟全息方向的研究具有实用与参考价值。

关键字：Unity3D 设备虚拟展示全息投影

1.引言

全息投影技术其实就是实现真实的三维图像的记录和再现。记录的难题早在1947年，英国匈牙利裔物理学家丹尼斯·盖伯发明了全息投影术，他因此项工作获得了1971年的诺贝尔物理学奖。一般的三维图只是在二维的平面上通过构图及色彩明暗变化实现人眼的三维感觉，而全息立体摄影产生的全息图则包含了被记录物体的尺寸、形状、亮度和对比度等信息，能提供“视差”。观察者可以通过前后、左右和上下移动来观察图像的不同形象——如同有个真实的物体在那里一样。全息投影技术是全息摄影技术的逆向展示，本质上是通过在空气或者特殊的立体镜片上形成立体的影像。不同于平面银幕投影仅仅在二维表面通过透视、阴影等效果实现立体感，全息投影技术是真正呈现3D的影像，可以从360°的任何角度观看影像的不同侧面。全息投影是一种无需配戴眼镜的3D技术。

三维全息投影是一种全新的立体显示技术，该技术可在三维空间中显示通透而细腻的立体影像，从各个角度全方位、立体化地展示设备形象。该技术具有超越传统的华丽而震撼的视觉冲击效果。用户无需任何辅助设备，即可观察设备的全方位形象。同时，该技术可以融入人机交互模块，实现用户与三维影像的实时互动，加深设备在用户心中的印象。

Unity3D是一个多平台的游戏开发工具，是一个全面整合的专业游戏引擎，具有更优秀的效果和更高的扩展空间。Unity3D对DirectX和OpenGL拥有高度优化的图形渲染管道。Unity3D支持所有主要文件格式，并能和大部分相关应用程序协调工作。低端硬件亦可流畅运行广阔复杂的场景。Unity3D内置的NVIDIA、PhysX物理引擎能够带来逼真的互动感觉，实时三维图形混合音频流、视频流。Unity3D提供了具有柔和阴影与烘焙lightmaps的高度完善的光影渲染系统。Unity3D引擎具有具备开发过程技术要求高，高级渲染效果和用户定制支持远远高于其它的优势，非常适合设备虚拟全息展示在交互访问和逼真表现的需求。

全息成像互动技术在电网中的应用研究目前在国内才刚刚起步，目前已知的技术运用有《三维数字沙盘技术综合平台辅助电网工程建设的应用研究》、《电网全息数字地图在工程初步设计评审的应用》、《继电保护全息动作技术》。虚拟全

息成像互动技术在电网中的应用研究的引入，可以使过去只能通过看图表、文字等抽象的信息的方式，转变为形象的三维全息互动展示方式，让使用者快速、直观的了解所要掌握的信息。

2.技术背景

三维全息投影系统由柜体、分光镜、射灯、视频播放设备组成，基于分光镜成像原理，通过对设备实拍构建三维模型的特殊处理，然后将拍摄的的设备影像或设备三维模型影像叠加进场景中，构成了动静结合的设备展示系统。不需要观众佩戴任何偏光眼镜，在完全没有束缚下就可以尽情观看三维立体显示特效，给人以视觉上的冲击，具有强烈的纵深感。

2.1模型创建

模型的创建可以使用3DS MAX也可以使用Maya等其他主流3D设计软件，也可以使用Pro/E，UGNX等专门的工业设计软件建模，然后转换为Unity3D展示模块可识别的文件。创建模型不是本文阐述的重点，在这里不再详述。其中自定义动作是通过体感来控制播放模型文件中的指定动作，比如一次设备拆分成零件等。这些动作是在制作3D模型过程中实现的，没有任何局限，这样就能够达到更好的交互效果，从而提升展示效果。

2.2全息场景搭建

通过Unity3D摄像机系统建立一个前后左右全方位360度的拍摄环境，根据全息投影设备的大小估算出观众的观看距离和观看高度。从而确定虚拟摄像机的具体位置形成合理的透视关系和比例大小。

该处设置的参数为高度1.5米距离6米。

导入模型形成基本的全息场景，调整模型到四个摄像机的中心位置，并注意模型大小比例及动画效果，同时还要注意背景保持全黑状态并添加灯光和特效等。

2.3合成全息输出画面

然后通过摄像机Target Texture目标纹理技术，把四个摄像机的画面转换成纹理贴图然后做成材质应用到由四个三角形平面组成的全息画面显示板上，再设置一个主摄像机完成全息画面输出。根据全息投影设备的输出形式，可以调整主摄像机以90度倾角或者45度倾角来适应全息投影设备。

3.三维实时全息互动技术在电网系统中的应用前景

全息互动展示技术技术，在于人们可以很直接地使用肢体动作，与全息投影装置互动，而无需使用任何复杂的控制设备来操作。便可让人们身历其境地与内

容做互动。随着机器智能领域的迅猛发展，三维实时全息展示，得到了越来越多的应用。因此，全息互动展示技术也理所应当的成为新一代信息化不可缺少的一项关键技术。而现在，随着电力系统的不断扩大，技术的不断地进步，为了迎合市场的需要，全息互动展示技术理所当然的被引入了电力系统中，在人员培训和企业形象展示中，提高变电运行人员的安全规程意识，支撑电网的安全稳定运行。通过智能虚拟全息投影技术的结合实现了信息立体显示与体感交互。实现对智能电网的真实体验，利用信息化手段促发展，提升沉浸感和操纵感的人机交互技术新概念，适应南网公司提出“电网发展向更加智能、高效、可靠、绿色方向转变，企业管理向精益化方向转变”的要求。

3.1全息互动展示技术在企业展示中的应用