在空間增強現實領域，研究人員通過將光線投射到周圍物體上來改變其外觀。這一概念並不新鮮，但日本一支研究團隊近期將這項技術推向了新高度——他們開發出一套沉浸式增強現實系統，不僅能有效減少模糊，幾乎消除陰影，還大幅提升了用戶對投影內容真實感的感知。
相關研究成果發表於《IEEE可視化與電腦圖形學彙刊》5月刊。
投影映射是空間增強現實的一種形式，它通過投影儀將數字圖像直接疊加到物理表面或物體上，使用戶無需佩戴頭戴式顯示設備即可感知經過改變的現實環境。這項技術除了在娛樂領域廣受歡迎，目前還被積極探索應用於遠程協作、醫療保健、工業設計、城市規劃、藝術創作和辦公場景等多個方向。
大阪大學基礎工學研究科教授岩井大輔參與了這項研究。他指出："在很多應用場景中，目標不僅僅是顯示一張圖像，而是改變物理對象的外觀——例如其顏色、紋理或材質屬性。"
然而，投影映射長期面臨一項關鍵挑戰：當用戶在增強現實空間中移動時，例如走過投影儀前方或觸碰被增強的物體時，會產生明顯的陰影。為解決這一問題，部分研究團隊嘗試從不同角度布置多台投影儀。當手遮住部分投影儀的光線時，其餘投影儀仍能將光線投射到目標表面，從而減少陰影。
然而，多台投影儀的方案又引發了新的問題。岩井大輔解釋道："每台投影儀從不同方向照射表面，因此投影像素在表面上呈現出略微不同的形狀。多張圖像疊加後，最終結果可能顯得模糊。"
為解決這一問題，研究團隊首先測量了投影圖像在目標表面上的實際模糊情況，然後對輸入圖像進行預處理，使最終疊加投影呈現出更清晰的效果。
岩井大輔介紹，該系統會估算多台投影儀組合投影產生的模糊程度，並生成一張經過預補償的內容圖像，在完成幾何對齊後由所有投影儀共享使用。"這使方法保持簡潔且易於擴展，同時保證了投影結果的清晰度。"
在平面桌面上進行的實驗中，當手靠近表面時，新型投影映射系統未產生明顯的陰影；即便指尖觸碰桌面，顯示亮度也僅有輕微下降。當系統在非平面物體——人體模型頭部——上進行測試時，用戶與物體交互過程中確實出現了陰影，但程度較輕。
在圖像質量方面，新系統與同期評估的傳統投影映射系統表現相當，但新型模糊補償技術在計算速度上取得了顯著提升：傳統系統需要約2500秒，而新系統僅需約100秒。
研究人員還通過17名參與者的用戶研究對該系統進行了評估。在其中一項測試中，系統將文字投影到桌面上，緊鄰實體列印文字。結果顯示，參與者在識別投影文字時明顯更慢、準確率更低，這表明投影內容已難以與真實列印內容區分開來。
岩井大輔指出，目前該系統需要對每台投影儀單獨進行校準，因此團隊未來希望開發分布式渲染系統，由小型邊緣計算設備獨立控制每台投影儀。
"此外，我們希望在真實應用場景中對系統進行測試，例如工業設計輔助領域。在該場景下，精準改變物理對象的感知材質屬性將具有重要價值。"他說。
Q&A
Q1：這套無陰影投影映射系統是如何消除陰影的？
A：該系統採用多台不同角度的投影儀協同工作，當用戶的手遮擋部分投影儀時，其餘投影儀仍能將光線投射至目標表面，從而大幅減少陰影。在平面桌面測試中，手靠近表面時幾乎無可見陰影，指尖觸碰時亮度也僅略微下降。在非平面物體（人體模型頭部）上測試時，陰影依然存在，但程度較輕。
Q2：多台投影儀疊加投影為什麼會造成模糊，研究團隊是如何解決的？
A：由於每台投影儀照射角度不同，投影像素在物體表面形狀略有差異，多張圖像疊加後便產生模糊。研究團隊通過預先測量實際模糊程度，對輸入圖像進行預補償處理，生成一張所有投影儀共享的預處理圖像。新方法計算速度約為100秒，遠快於傳統方法的2500秒，同時保持了圖像清晰度。
Q3：用戶研究結果如何證明該系統提升了投影內容的真實感？
A：研究人員讓17名參與者區分桌面上的投影文字與真實列印文字。結果顯示，參與者在識別投影文字時明顯更慢且準確率更低，說明系統投影出的內容已非常接近真實列印效果，難以用肉眼輕易區分，有力證明了該系統在提升視覺真實感方面的顯著效果。
