基于LED显示灯阵的三维互动软件设计

论文总字数：24890字

摘 要

随着LED显示技术的发展，LED灯凭借其低成本、低功耗、高性价比等诸多优点逐渐赢得了市场的青睐，诸多商城、餐厅等也广泛利用LED灯阵来进行视觉装饰、信息传播等活动。更有一些大型的室内外商业空间或景观空间，开始通过规模更宏大的三维LED灯阵呈现出更壮观、绚丽的视觉效果。但是目前的这些三维LED灯阵大部分都是由单片机控制，虽然已经可以成功地产生惊艳的3D视觉效果，但是造型比较单一，并且娱乐性与交互性欠佳。本文面向商业空间拓展需求，以增强LED灯阵的互动性、完善其艺术效果为目标，研究了基于Unity游戏引擎和Leap Motion手势识别装置的LED灯阵互动技术。本文的主要工作内容如下：

首先，分析了三维LED灯阵及相关产品的市场现状、前景和目前存在的问题，分析了三维灯阵互动软件设计工作的意义，介绍了本文涉及的手势识别与灯阵控制等相关技术，在此基础上阐明了本文的研究动机和先进性。

然后，以虚拟音乐喷泉为例介绍了三维灯阵互动软件的总体设计。该软件利用Unity开发，并通过Leap Motion对用户进行手势识别，使用户如同乐队指挥一样通过各种手势实现对音乐、喷泉、烟花等视听效果的控制，这样不仅可以让用户欣赏到效果震撼的喷泉，而且这种新型的交互方式可以很好地吸引用户，提高商业空间的档次。

接着，本文详细介绍了该软件的详细设计及其实现技术，包括该软件和灯阵硬件之间的通信模块的设计与实现。

最后，在一个实际搭建的LED灯阵上对本文工作成果进行了部署测试。测试结果表明，该软件手势跟踪稳定精准，游戏沉浸感强，解决了大型三维灯阵的交互问题，同时也为Leap Motion手势检测技术的应用探索提供了一定的借鉴。

关键词：LED灯阵, Unity，Leap Motion，手势控制

Research on and Implementation of Interactive Technology for 3D LED Cube Based on Unity and Leap Motion

Abstract

With the development of LED display technology, it is now used widely in public places like shopping centers and restaurants for decorations and promotions. Some LED display in certain huge outdoor plazas even began to use the large 3D LED Cube to achieve a better visual effect. However, the current LED cubes are mostly controlled by microcontrollers, which can present fabulous 3D animations indeed, but actually lack of interactions and some degree of entertainment. For business development needs and to improve the interaction of the LED cube, this paper conducted researches based on Unity and Leap Motion. It contains the following contents:

Firstly, it introduces the current marketing situation and its pain point, analyzes the significance and necessity of the development of the interactive software and elaborates the related technology used in the software like gesture recognition.

Then, it presents the whole design of a musical fountain game controlled by hand motion. Using Unity game engine and Leap Motion controller, it allows users to control over music, fountains, fireworks all by hand gestures. Users can not only enjoy the beautiful scene of the fountain, but also attract their attention and improve the whole level of the business place.

Next, it covers the detailed illustration of the whole design process and implementation. It also introduces the communication between the software and the LED cube.

Lastly, the software was deployed to a real LED cube to test. The results showed that the gesture detection is accurate and that the game immersion is strong. The software successfully solved the interaction problem on the LED cube and provided a reference for the further Leap Motion gesture detection technology.

Key Words: LED Cube, Unity, Leap Motion, Gesture Control

目 录

摘 要 1

Abstract 2

第一章 绪论 7

1.1 背景和研究意义 7

1.2 三维LED灯阵的研究现状 8

1.3 本文主要成果 9

1.4 本文主要内容安排 10

第二章 相关技术 11

2.1 Unity游戏引擎 11

2.1.1 Unity简介 11

2.1.2 Unity开发介绍 11

2.2 Leap Motion控制器 13

2.2.1 Leap Motion控制器简介 13

2.2.2 Leap Motion (Unity)开发介绍 13

2.3 Beat Detection（节拍检测）算法 15

2.4 本章小结 16

第三章 三维LED灯阵互动软件的设计 17

3.1 总体设计思路 17

3.2 手势识别的设计 17

3.2.1 Leap Motion控制器的实际能力评估 17

3.2.2 需求分析 19

3.2.3 手势设计 19

3.3 音乐喷泉场景设计 21

3.3.1 音乐设计 21

3.3.2 烟花系统设计 22

3.3.3 喷泉系统设计 22

3.3.4 摄像头的设计 23

3.4 本章小结 23

第四章 手势识别的实现 24

4.1 基本数据结构和算法 24

4.2 手势识别接口 26

4.3 本章小结 26

第五章 互动式模拟音乐喷泉的实现 27

5.1 喷泉系统的实现 27

5.1.1 单个喷泉的实现 27

5.1.2 喷泉组的实现 29

5.2 烟花系统的设计与实现 31

5.3 手势控制部分的实现 31

5.4 与三维LED灯阵的通信 32

5.5 本章小结 33

第六章 系统测试与评估 34

6.1 测试环境 34

6.1.1 软件模拟测试环境 34

6.1.2 实际灯阵测试环境 34

6.2 手势识别精度测试 34

6.3 功能与效果测试 35

6.4 异常测试 37

6.5 本章小结 37

第七章 总结与展望 38

7.1 总结 38

7.2 展望 38

致谢 39

参考文献 40

图表目录

图 1.2.1 8x8x8 光立方 8

图 1.2.2 彩立方公司的三维灯阵 8

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