原標題：基于樹莓派和宜家臺燈制作的VR投影燈（教程+源碼）

基于樹莓派和宜家臺燈制作VR投影燈：沉浸式光影之旅

想象一下，你坐在舒適的家中，墻壁上投射出變幻莫測的虛擬現實場景，仿佛置身于另一個世界。這種沉浸式的體驗并非遙不可及，通過巧妙結合樹莓派的強大計算能力與宜家臺燈的結構優勢，我們完全可以打造出一款獨一無二的VR投影燈。這個項目不僅趣味十足，還能讓你深入了解物聯網、編程以及電子制作的奧秘。

項目概述與核心理念

這款VR投影燈的核心思想是利用樹莓派作為控制器，驅動一個小型投影模塊，將預設的VR內容（例如360度全景視頻、動態壁紙、互動光影效果等）投射到墻壁或天花板上。宜家臺燈則作為絕佳的物理載體，其穩固的結構、靈活的燈頭以及通常內置的燈罩，能夠提供理想的安裝空間和光線擴散效果。通過調整臺燈的角度和位置，我們可以輕松改變投影的范圍和方向，實現沉浸式的VR光影體驗。

本項目旨在實現以下關鍵功能：

• VR內容播放： 能夠流暢播放預設的360度全景視頻或圖像。

• 互動控制： 可通過手機App或外部傳感器（如陀螺儀）進行基本控制，例如切換內容、調整亮度等。

• 模塊化設計： 盡可能采用模塊化組件，方便組裝和后期維護升級。

• 成本效益： 優先選擇性價比高的元器件，降低制作門檻。

核心元器件選擇與詳細解析

要成功搭建這款VR投影燈，選擇合適的元器件至關重要。下面將詳細介紹每種核心元器件的功能、選擇理由以及推薦型號。

1. 主控板：樹莓派 (Raspberry Pi)

作用： 作為整個投影燈的“大腦”，負責處理VR內容、驅動投影模塊、管理網絡連接以及處理用戶輸入。

為何選擇： 樹莓派是一款功能強大的微型電腦，擁有豐富的GPIO接口、優秀的圖形處理能力以及成熟的Linux操作系統生態。它體積小巧，功耗低，非常適合嵌入式項目。相比其他單片機，樹莓派在視頻解碼和圖形輸出方面具有明顯優勢，這對于VR投影項目至關重要。其龐大的社區支持也意味著可以輕松找到各種教程和資源。

推薦型號：

• 樹莓派4B (Raspberry Pi 4 Model B)： 這是目前性能最均衡、功能最強大的主流型號。它擁有四核處理器，最高8GB的RAM可選，支持雙路4K視頻輸出，并配備USB 3.0和千兆以太網接口。對于需要流暢播放高分辨率VR內容的本VR投影燈項目來說，4B是理想的選擇。即使是2GB或4GB內存的版本也足以應對大部分任務。

• 樹莓派Zero 2 W (Raspberry Pi Zero 2 W)： 如果對體積和功耗有極致要求，并且VR內容分辨率要求不高，Zero 2 W也是一個不錯的選擇。它集成Wi-Fi和藍牙，體積非常小巧，但性能相比4B有明顯差距，可能無法流暢播放高碼率的VR視頻。

功能詳解：

• CPU/GPU： 負責運行操作系統和應用程序，解碼VR視頻，渲染投影畫面。

• RAM： 存儲正在運行的程序和數據。

• GPIO： 可用于連接外部傳感器、按鈕或控制繼電器等。

• HDMI接口： 用于連接投影模塊。樹莓派4B有兩個Micro HDMI接口。

• USB接口： 用于連接外設，如鍵盤、鼠標、USB攝像頭或外部存儲。

• Wi-Fi/藍牙： 實現網絡連接和無線控制。

2. 投影模塊 (Mini Projector Module)

作用： 將樹莓派輸出的圖像信號轉換為光線，并通過鏡頭投射出去。

為何選擇： 市面上有許多微型投影模塊可供選擇。我們選擇它們是因為它們的體積小巧，易于集成到臺燈內部，并且通常內置了HDMI輸入，可以直接與樹莓派連接。

推薦型號：

• 基于DLP或LCD技術的微型投影模塊：

• DLP (Digital Light Processing) 投影模塊： 通常體積更小巧，對比度更高，畫面更銳利。例如，一些基于德州儀器DLP Pico芯片的模塊。它們的缺點是通常價格較高。在選擇時，請關注其亮度（流明）、分辨率（至少720p，1080p更佳）、對比度以及梯形校正功能。

• LCD (Liquid Crystal Display) 投影模塊： 價格通常更親民，色彩表現可能更鮮艷。但體積可能略大，且像素網格感可能比DLP明顯。

• 注意： 務必選擇帶有HDMI輸入接口的模塊。有些模塊可能只有USB或AV輸入，不適合直接連接樹莓派。亮度至少應達到50-100 ANSI流明，以確保在較暗環境下有較好的投影效果。

功能詳解：

• HDMI輸入： 接收來自樹莓派的數字視頻信號。

• 光源： 通常是LED燈，壽命長，功耗低。

• 光路系統： 包含DMD芯片或LCD面板，以及一系列透鏡，用于成像和聚焦。

• 內置揚聲器（可選）： 某些模塊可能內置揚聲器，但通常音質一般，建議外接音箱以獲得更好的沉浸感。

3. 電源適配器 (Power Adapter)

作用： 為樹莓派和投影模塊提供穩定的直流電源。

為何選擇： 樹莓派和投影模塊都需要穩定且足夠電流的電源。選擇一個可靠的電源適配器是確保系統穩定運行的關鍵，避免因供電不足導致設備重啟或損壞。

推薦型號：

• 樹莓派電源： 建議使用樹莓派官方推薦的USB-C電源，或同規格的第三方電源。對于樹莓派4B，建議選擇5V/3A的USB-C電源。

• 投影模塊電源： 根據您選擇的投影模塊規格來選擇。大多數微型投影儀使用12V或19V的DC電源。請務必核對投影模塊的輸入電壓和電流要求。

• 注意： 如果投影模塊和樹莓派供電電壓不同，您可能需要兩個獨立的電源適配器，或者使用一個多路輸出的電源，并配合降壓模塊（如LM2596或XL4015模塊）為樹莓派降壓。為了簡化接線和提高安全性，推薦使用兩個獨立的適配器。

功能詳解：

• 穩壓輸出： 提供穩定的電壓，防止電壓波動對設備造成損害。

• 電流輸出： 提供足夠的電流，確保設備正常工作，避免欠壓重啟。

4. 宜家臺燈 (IKEA Table Lamp)

作用： 作為VR投影燈的物理外殼和支撐結構。

為何選擇： 宜家臺燈因其簡約的設計、多樣的款式、以及通常易于拆卸和改造的特點而備受DIY愛好者青睞。許多型號的臺燈都具備以下優點，使其非常適合本項目：

• 穩固的底座： 能夠穩定支撐投影模塊。

• 可調節的燈頭： 方便調整投影方向和角度。

• 寬敞的燈罩或內部空間： 提供足夠的空間來安裝樹莓派、投影模塊和布線。

• 美觀： 成品具有工業設計感，可融入家居環境。

推薦型號：

• 宜家TEARU/特亞魯： 這款落地燈或臺燈通常具有一個可以旋轉和傾斜的燈頭，非常適合作為投影方向的調節機構。其燈罩內部空間也相對寬敞。

• 宜家FORS?/福薩： 這款工作燈也具有可調節的關節臂和燈頭，方便定位投影。

• 其他類似結構的臺燈： 任何帶有可調節關節、內部空間足夠、且結構穩固的臺燈都可以考慮。

功能詳解：

• 物理支撐： 固定所有電子元器件。

• 散熱： 如果臺燈的金屬部分足夠，可以輔助散熱。

• 光線擴散/遮擋： 燈罩可以用于調整投影效果，或在不投影時遮擋內部光線。

5. 其他輔助元器件

• Micro HDMI轉HDMI線纜： 連接樹莓派和投影模塊。

• Micro SD卡 (Class 10或UHS-1)： 用于安裝樹莓派操作系統和存儲VR內容。建議選擇32GB或64GB。

• 散熱片/風扇： 如果長時間運行高負載VR內容，樹莓派可能會發熱。散熱片或小風扇可以有效降低溫度，提高穩定性。

• 杜邦線/排針排母： 用于連接樹莓派GPIO和其他傳感器（如果需要）。

• 熱熔膠槍/螺絲刀/扎帶： 用于固定元器件和整理線纜。

• 開關 (Optional)： 用于控制整個投影燈的電源通斷。

• USB Wi-Fi適配器 (Optional, 如果樹莓派Zero或舊型號未內置)： 用于網絡連接。

• 小型揚聲器/功放模塊 (Optional)： 如果對音質有要求，可以外接音箱。

• 外殼/支架材料： 用于將投影模塊和樹莓派固定在臺燈內部。這可能需要3D打印部件或使用亞克力板、螺絲等。

軟件環境搭建與編程

軟件部分是VR投影燈實現功能的關鍵。我們將主要使用Linux操作系統和Python編程語言。

1. 樹莓派操作系統安裝

• 下載鏡像： 從樹莓派官網下載最新的Raspberry Pi OS (原Raspbian) 鏡像文件。建議選擇帶桌面的完整版，方便調試。

• 燒錄系統： 使用Balena Etcher等工具將系統鏡像燒錄到Micro SD卡中。

• 首次啟動： 將Micro SD卡插入樹莓派，連接顯示器、鍵盤、鼠標和電源。首次啟動會進行一些初始化設置。

2. 必要軟件安裝與配置

• 更新系統： 終端中運行 sudo apt update && sudo apt upgrade。

• 安裝視頻播放器：

• 對于360度全景視頻，我們需要一個支持全景投影的播放器。omxplayer 是樹莓派上一個輕量級的命令行視頻播放器，對硬件加速支持良好，但可能需要額外的腳本來處理全景畸變。

• 更高級的方案是使用 Kodi (原XBMC)。Kodi是一個開源媒體中心軟件，支持豐富的插件，可以作為VR內容播放器。安裝Kodi：sudo apt install kodi。安裝后，您需要在Kodi中尋找VR視頻播放插件或設置相關視頻輸出模式。

• 另一種方案是利用 pygame 或 openGL 庫，通過Python編寫自定義的360度視頻渲染器。這需要較高的編程技能。

• Python環境： Raspberry Pi OS通常預裝了Python。確保Python3可用。

• Git (可選)： 如果需要從GitHub克隆代碼。sudo apt install git。

3. VR內容處理與播放

• VR視頻格式： 360度VR視頻通常采用等距柱狀投影（Equirectangular Projection）格式。這意味著原始視頻是一個矩形，但內容是360度全景的。

• 投影畸變校正： 當我們將等距柱狀投影的視頻直接投射到平面上時，會發生嚴重的畸變。為了模擬VR眼鏡中的效果，我們需要對視頻進行實時渲染和校正。

• Kodi方案： 某些Kodi插件或內置設置可能支持360度視頻播放模式，可以自動進行畸變校正。

• 自定義Python/OpenGL方案： 這是最靈活但技術難度最高的方案。通過OpenGL或Pygame等庫，我們可以加載360度視頻紋理，然后使用著色器（Shaders）在3D球體上渲染視頻，再將其投影到2D平面。這涉及到計算機圖形學知識，例如透視投影矩陣、模型視圖矩陣等。具體實現需要創建一個球體模型，將視頻幀作為紋理貼到球體內部，然后使用一個虛擬攝像機來模擬觀看者視角，最后將攝像機視角下的畫面渲染到屏幕。

4. Python編程實現 (示例框架)

以下是一個概念性的Python代碼框架，用于說明如何控制視頻播放和可能的交互。

Python

import os
import time
import subprocess
# 假設我們使用omxplayer來播放視頻，并且需要外部腳本來處理VR投影

# VR視頻文件路徑
VR_VIDEO_PATH = "/home/pi/videos/my_360_video.mp4"
# 假設有一個外部腳本來啟動帶VR模式的omxplayer
VR_PLAYER_SCRIPT = "/home/pi/scripts/play_vr_video.sh" 

def play_vr_video(video_path):
    """
    播放指定的VR視頻。
    這里假設VR_PLAYER_SCRIPT會處理視頻的360度投影。
    """
    print(f"正在播放VR視頻: {video_path}")
    try:
        # 運行外部腳本來播放視頻
        # 在實際項目中，這個腳本會包含更復雜的omxplayer參數或調用Kodi
        subprocess.run([VR_PLAYER_SCRIPT, video_path], check=True)
    except subprocess.CalledProcessError as e:
        print(f"播放視頻失敗: {e}")

def stop_video():
    """
    停止當前播放的視頻。
    """
    print("停止視頻播放...")
    # 強制殺死omxplayer進程（如果正在運行）
    subprocess.run(["killall", "omxplayer.bin"], check=False)

def main():
    print("VR投影燈控制程序啟動...")
    
    # 示例：啟動時自動播放一個VR視頻
    play_vr_video(VR_VIDEO_PATH)
    
    # 這里可以添加更多邏輯，例如：
    # - 監聽GPIO輸入（按鈕）來切換視頻
    # - 監聽網絡請求（例如來自手機App）來控制播放
    # - 循環播放或播放列表管理
    
    # 簡單示例：等待一段時間后停止
    time.sleep(600) # 播放10分鐘
    stop_video()
    
    print("VR投影燈控制程序結束。")

if __name__ == "__main__":
    main()

關于play_vr_video.sh腳本的設想：

這個腳本可能包含類似以下命令：

Bash

#!/bin/bash

VIDEO_FILE=$1

# 這是一個高度簡化的示例，omxplayer本身不支持360度投影，
# 但可以結合其他工具或通過OpenGL渲染來模擬。
# 實際項目中，你可能需要一個更復雜的播放器或渲染器。
# 如果使用Kodi，則直接啟動Kodi并播放：
# kodi --standalone -p --args "--player=videodecoder --args='$VIDEO_FILE'" 

# 或者，如果使用自定義的Python/OpenGL渲染器：
# python /home/pi/scripts/vr_renderer.py $VIDEO_FILE

# 如果僅僅是測試，omxplayer可以播放普通視頻：
omxplayer -o hdmi "$VIDEO_FILE"

• Web界面控制： 使用Flask或Django等Python Web框架，在樹莓派上搭建一個Web服務器。用戶可以通過手機瀏覽器訪問Web頁面，控制投影內容、亮度、音量等。

• GPIO按鈕控制： 連接物理按鈕到樹莓派的GPIO引腳，通過Python腳本監聽按鈕狀態，實現切換視頻或開關機功能。

• 手機App控制： 開發一個簡單的Android或iOS App，通過Wi-Fi或藍牙與樹莓派通信，發送控制指令。

硬件組裝與改造宜家臺燈

這一步需要一些動手能力和耐心。

1. 規劃與設計

在開始組裝前，仔細規劃各個組件在臺燈內部的位置，確保散熱良好、走線整齊，并且不會影響臺燈的正常功能。

• 投影模塊定位： 投影模塊的鏡頭需要正對投影方向，并且要確保其前方沒有遮擋。通常，將其固定在臺燈燈頭內部或燈泡位置是最佳選擇。

• 樹莓派定位： 樹莓派可以固定在臺燈底座內部或燈桿的合適位置。確保其端口（如HDMI、USB）易于連接。

• 散熱考慮： 如果空間有限，確保為樹莓派和投影模塊留出足夠的散熱空間。可以考慮在臺燈外殼上開孔，增加空氣流通，或安裝小風扇。

2. 臺燈拆解與改造

• 拆解燈頭： 小心拆下宜家臺燈的燈頭部分，移除原有的燈泡和燈座。

• 制作安裝支架： 根據投影模塊和樹莓派的尺寸，制作或3D打印定制的支架，將它們牢固地固定在燈頭內部。可以使用螺絲、熱熔膠、扎帶等。確保投影模塊的鏡頭與燈頭開口對齊。

• 布線： 將樹莓派的HDMI線連接到投影模塊，電源線連接到相應的電源適配器。根據需要，布設其他控制線纜。確保線纜整齊，不影響臺燈的活動部件。

3. 元器件安裝

• 固定投影模塊： 將投影模塊通過支架固定在燈頭內，確保鏡頭方向正確，且光線無遮擋。

• 固定樹莓派： 將樹莓派固定在預定位置。

• 連接電源： 連接樹莓派和投影模塊的電源適配器。如果需要，安裝獨立的電源開關。

• 安裝散熱： 為樹莓派安裝散熱片或風扇。

• 檢查： 在完全封閉臺燈前，進行一次完整的連接檢查，確保所有線路連接正確、牢固。

4. 測試與調試

• 通電測試： 首次通電前，仔細檢查所有連接。然后插入電源，觀察樹莓派和投影模塊是否正常啟動。

• 投影測試： 檢查是否有圖像輸出到墻壁上。

• 軟件調試： 運行Python程序，測試VR內容是否正常播放，功能是否正常。調整投影模塊的焦距和梯形校正，使畫面清晰。

• 優化： 根據測試結果，對元器件位置、散熱、線纜布局等進行調整和優化。

未來展望與功能擴展

這款基于樹莓派和宜家臺燈的VR投影燈具有巨大的擴展潛力：

• 更多VR內容集成： 除了預設視頻，可以探索集成在線VR內容流媒體服務，或者通過外部存儲（USB硬盤）加載更多內容。

• 手勢控制/語音控制： 引入紅外傳感器、姿態傳感器或麥克風陣列，實現手勢或語音控制，提高互動性。

• 環境光感應： 集成光線傳感器，根據環境亮度自動調節投影亮度。

• 智能家居集成： 將其接入Home Assistant、Matter等智能家居平臺，實現與其他智能設備的聯動。例如，當檢測到用戶進入房間時自動開啟投影。

• AR增強現實： 結合攝像頭和計算機視覺技術，實現簡單的AR效果，例如在真實環境中疊加虛擬信息。

• 游戲模式： 探索與小型VR游戲或互動應用結合，提供更具沉浸感的游戲體驗。

• 多投影聯動： 制作多個投影燈，并通過網絡協同工作，在更大空間內實現更宏大的VR場景。

總結

通過這個項目，你不僅能夠制作出一個獨具特色的VR投影燈，還能深入理解樹莓派的強大功能、嵌入式系統開發流程、以及軟硬件結合的魅力。從元器件的選擇、軟件環境的搭建到硬件的組裝調試，每一步都充滿了挑戰與樂趣。希望這份詳細的教程能為您提供清晰的指引，幫助您開啟這段激動人心的DIY之旅，將虛擬世界的精彩帶入您的現實生活。