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title: Background & Reference｜背景重要性及重要參考文獻
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# 背景重要性及重要參考文獻

## 計畫背景

由於本計畫採用基於光學技術的全息投影成像技術作為研究，以下將聚焦在基於光學技術的成像上，將不會探討先前提及之以創造臨時介質的成像方式。

Holographic (全息投影，又稱為 3D 全像術、俗稱浮空投影) ，是以物理技術來再現三維光場，於指定位置重建出被投射影像，達到猶如物體真的就存在於那的技術。


> 圖 1｜光學全像術的成像過程概念圖｜Released with CC-BY-SA 3.0 by DrBob on WikiCommons

光學成像技術目前最大的阻礙在於：成像會因觀測角度與距離而有不同的呈現品質，在某些原理的光學鏡組下進行成像，由於焦距不同，觀測者的角度、距離、環境明暗等許多不可控的變因都會導致使用者產生不現實感。為了能達成最接近全齊投影技術中理想的「多人同時在不配戴任何外部輔助設備的狀況下，提供穩定的成像與觀看品質」的堅持，我們嘗試過幾項自行研發的光學成像設備：內置凹面鏡解決方案、旋轉鏡解決方案、與外置旋轉快門搭配凹面鏡的解決方案。

### 發展過程的困難與挑戰

首先我們想到的是旋轉鏡解決方案，此方案被南加州大學在 2009 以專題形式發表，成像方式為高速旋轉的平面鏡搭配 High FPS Projector，這是個能以 360° 全角度觀測、且能穩定成像的全息投影技術，但其的關鍵劣勢是該光學鏡組在高速旋轉時必須在嚴實的防護玻璃包圍下下進行（高速旋轉中的鏡組有很大飛出的可能），並且只能夠過使用遙控桿在防護牆外圍進行控制來互動，並呈現出來的影像大小與投入預算資源不如預期，因此不列入考慮。

> 圖 2-1｜左為旋轉鏡實驗原型機與研究人員合影，右為該實驗設備 3D 概覽圖｜Released with CC-BY 3.0 by juanjo om WikiCommons

> 圖 2-2｜旋轉鏡解決方案的概念架構圖｜Public Domain

我們參照了前述南加州大學的旋轉鏡解決方案後改良為內置凹面鏡旋轉方案與快門旋轉方案，此設計將旋轉鏡的部分由觀察者所在的同一平面下降至設備內部，並透過凹面鏡放大虛像的原理來進行成像。但我們發現理論不正確，如此狀況下搭配 60 FPS 的投影機根本無法在人眼成像（不滿足視覺暫留最低條件 0.17s），觀察者將會觀察到片段的殘光碎塊而不是完整的影像。

> 圖 3-1｜旋轉鏡馬達配置與預期成像 FPS 試算草圖

> 圖 3-2｜旋轉鏡架構概覽與配置圖

再來我們發現一家名為 Aska3D 的日本公司，其利用微米技術生產的的負折射面板可以簡單的實作基於虛像的 Holographic ，已具有現成使用之案例與模型；但我們再深入一部研究後發現此案例的缺點是其價格昂貴（寄信詢問得到官方報價 $300 USD，此報價以最便宜的系列 ASKA3D-200NT 為依據）、不完全之全息投影而且有效的成像範圍有限 (可視角為正前方 ±20°，且觀察者須於面板 45° ±20° 角內觀察）、影像大小偏小（依照 ASKA3D-200NT 呈現出之影像大小最大不超過 7"）；而我們觀看了許多在 YouTube 上實際採用該公司產品做測試的 Demo 影片後發現其效果看起來根本像是一般顯示器而已，沒有達到我們預期的「浮空」效果。

> 圖二｜ASKA3D-200NT 概覽與配置範例｜合理使用 © Asukanet Co., Ltd.

### 解決方案

最終我們思考利用雙面鏡的物理特性，透過光學成像技術，讓顯示器呈現的影像於所設計之鏡組內成現正立的 1:1 虛像。

我們追求的目標是利用最小額度的造價，呈現近乎完美的投影效果，並且透過實際搭載浮空手勢辨識功能作為操作體驗，提供使用者嶄新直覺的方式與裝置互動，盼能以此結合全息投影技術為具應用價值的可產品化解決方案，也希望能更進一步深入了解並達成促進相關技術在將來於各方面應用發展、增進未來科技進步可能性的目標。

### 其他問題

- Sensor 手勢感應偵測

在我們定案採用雙面鏡成像後，我們發現官方面所提供的 Leap Motion SDK 辨識穩定度不如預期，雖有支援 Linux 但穩定性有待加強；且需精準設定出如規劃預期的「虛擬觸控」手勢偵測範圍，因此造成在最初對焦與劃定虛擬觸控感應範圍時需花費較大的心力。

- Raspberry Pi 4 Model 4B 運算過熱問題

使用 BCM2835 作為 SoC 的 Raspberry Pi 4 Model B 開發版具有已知且未被解決的發熱問題。在專案開發測試過程中，大量的運算與圖形處理使得開發板 CPU 核心溫度常常飆升超過過熱保護的 85°C 而導致硬體啟動保護機制直接斷電。經考察後發現這是該 Raspberry Pi 開發版自第一代以來一直令人詬病的發熱問題，我們預期嘗試透過搭載被動式散熱片，甚至是使用主動式散熱器作為解決方案。

## References｜參考文獻
- Arthur T. Hubbard (1995) The Handbook of surface imaging and visualization CRC Press, 1995.
- The Universal Hologram http://www.universal-hologram.com
- 南加州大學 Spinning Mirror System｜南加州大學官方網站 https://web.archive.org/web/20100223102610/http://ict.usc.edu/projects/rendering_for_an_interactive_360_light_field_display/
- 南加州大學 Spinning Mirror System｜Wikipedia https://en.wikipedia.org/wiki/Spinning_mirror_system
- ASKA3D https://aska3d.com