基于全息投影的交互向导系统探讨

韩若冰 江松 郝以凤 张尚书 刘杰 刘琳琳

概述

随着科学技术的不断发展，引导系统也在不断地进行更新换代。当人们进入到一个陌生的地点时，快速高效地了解周围环境并找到自己的目的地一直都是亟待解决的问题。近年来，引导系统从人工向导到自动化向导的方向不断发展，而自动化向导也从电子地图向智能机器人等形式不断演进，提高了人们的办事效率。但是这些系统也存在不足之处，例如对于商场、展会等面积较大且布局复杂的场地来说，仅仅在入口处摆放场馆地图来指引路线是不够的，而且实际路线与地图的标识也有所区别，所以人们对准确率高、简单易用且直观性强的引导系统有着迫切的需求。

使用全息投影技术搭建一个集欢迎访客、楼层指引、办公引导和推送信息等功能为一体的新型交互性引导系统，成为一种新的发展趋势。这样的系统通过人体红外线感受器感应用户的靠近并唤醒各功能模块，进而识别和分析用户的操作，利用投影光源产生的干涉现象以及全息膜的光处理特性，将对应的视频形式的反馈结果，以背投的成像方式，经投影仪播放展示在平面玻璃表面的全息膜上。这种全新的技术将在一定程度上增强多媒体的表达效果，优化用户使用体验，减少用户不必要的操作且能用最直观的方式显示出反馈信息。

根据全息投影技术，可以为教学场所设计一种交互式“立知”专属向导系统，以实现学校教学楼场景的引导，包括楼层介绍、办公引导、信息查询和新闻推送等功能，师生可通过交互手段（语音控制或Leap Motion手势等）查询各楼层的具体结构及相关信息，以便对大楼的分工分区有一个直观且清晰的认识。同时在这样的系统中还能显示办公室办公职能及其常驻教师的信息，师生可根据自己的需要直接查询各办公地点获取指引，也可以得知办公人员是否在岗，从而根据情况进行或调整自己的计划。此外，该系统还具备学院介绍、教师个人介绍、天气信息和教室信息查询等功能，师生可通过语音互动来调用所需要的信息，而且通过实时监控程序，还可以提供空教室的信息以及教室状态查询的功能，这样人性化的功能系统将大大提高师生的办公效率。最后，在无人使用引导系统的空闲时间，该系统可以自动推送本学院近期动态以及学校近期动态信息，帮助校园资讯的宣传和推广，也进一步提高了整个系统的利用效率。

全息投影技术的发展现状

目前为止，全息投影技术的科技水平还不是很高，在现实生活中的应用不太普及，其应用领域也比较有限，大多数是商业方面的应用，如全息餐厅、全息舞台、全息展柜、全息互动等。通俗来讲，全息虚拟投影技术就是在人们的视线中营造出一个三维图像，这种三维图像与人们观看3D电影时所佩戴的3D视觉有着本质的区别，因为在观看3D电影的时候往往需要佩戴红蓝光眼镜，而红蓝光眼镜的最主要功能就是过滤屏幕中的一些光线，从而营造出三维图像。

全息投影技术一般是利用相干性较好的激光完成的，它利用相干光干涉，记录光波的振幅信息和相位信息，因此可以得到物体包括形状、大小等在内的全部信息，而且不同于普通的照相技术，全息投影技术可以记录并再现物体的三维信息。全息投影的制作可分为两步：第一步是制作全息视频，比如在采用图1所示的锥形体来播放全息视频时，则需将视频中包含的物體的前后左右4个面的画面合并在一个视频里;第二步是通过一定的介质来使得光线发生反射和折射，进而形成一个三维立体图像。

对于全息投影技术来说面临的最大问题就是介质。若是没有介质，光就不会发生折射，这也就意味着类似科幻片中的效果不可能实现。针对上述问题，世界各国对于如何实现全息投影进行了大量的研究，目前除常规的利用全息投影膜成像的方式之外，更加先进的全息投影技术共有3种。

①空气投影和交互技术：美国麻省理工学院的研究生达因发明了一种空气投影和交互技术，这是显示技术上的一个里程碑，它可以在气流形成的墙上投影出具有交互功能的图像。此技术来源于海市蜃楼的原理，将图像投射在水蒸气上，由于分子震动不均衡，可以形成层次和立体感很强的图像。

②激光束投射实体的3D影像：这项技术是由一家日本公司发明的，它主要是利用氮气和氧气在空气中散开时，混合成的气体变成灼热的浆状物质，并在空气中形成一个短暂的3D图像。这种方法主要是不断在空气中进行小型爆破来    实现。

③360°全息显示屏：南加利福尼亚大学创新科技研究院成功研制出了一种360°全息显示屏，这种技术是利用一种高速旋转的镜子作为媒介，将图像投影在这面镜子上从而实现三维图像的形成。

总体来说，这些更加先进的全息投影技术依然没有摆脱对介质的依赖。目前最通用的投影方式仍然是使用全息投影膜作为媒介，但这种方式的最大弊端就是成本高昂。综上所述，全息投影技术还有待进一步开发与研究。

交互式引导系统的发展现状

如今的交互式引导系统以感知交互为发展重点，感知交互强调与近眼显示、渲染处理与网络传输等的技术协同，通过提高视觉、触觉、听觉等多感官通道的一致性体验，以及环境理解的准确程度，实现虚拟现实“感知”能力的持续进化。在感知领域中，由内向外追踪定位、手势交互有望在5年内成为虚拟现实主流技术。其中，追踪定位作为感知交互领域的基础能力，业界投入最大，且日趋成熟。手势交互在2016年处于期望高峰，而基于手柄的非裸手交互控制依然是目前的主流方向。

针对手势交互的研究主要分为两种，分别是基于视觉的非接触式手势交互和基于数据手套等设备的接触式手势交互。基于视觉的非接触式手势交互会因为物体之间的遮挡而出现无法识别的问题，并且对于使用者周围的环境因素要求较高;基于数据手套等设备的接触式手势交互在使用时必须佩戴交互设备并连接到计算机，这就对人身体的自由活动产生了一定程度的限制。

近年来，有人用Kinect体感控制器识别手势，但是Kinect识别的是身体的整体动作，在手势识别方面提供不了足够的细节信息。Leap Motion是一种专用于追踪手势的交互设备。它通过内部的多个红外相机实现亚毫米级的手势追踪，返回追踪到手的模型供开发者使用。但是通过Leap Motion返回的手势模型并不稳定，与现实中的手相比，存在抖动现象。