全息投影

高超 杜曉紅 趙世超 康健

【摘要】 1947年由斯蓋伯（Dennis Gabor）提出全息技術(shù)，并于2003年首次成功應(yīng)用于全息投影技術(shù)中。全息投影技術(shù)（frontprojected holographic display）也稱虛擬成像技術(shù)是利用干涉和衍射原理記錄并再現(xiàn)物體真實(shí)的三維圖像的技術(shù)。本文致力于探索研究全息虛擬成像技術(shù)，并將它用于全息舞美演藝（全息舞美演藝是我中國(guó)科技部數(shù)字影視特效及舞美應(yīng)用示范課題組對(duì)全息技術(shù)結(jié)合舞臺(tái)演出的舞美演藝形式），課題組利用亞克力板制作金字塔全息投影模型，通過(guò)不斷的探索改進(jìn)加以大膽構(gòu)想與創(chuàng)新，進(jìn)行全息投影實(shí)驗(yàn)，并成功實(shí)現(xiàn)全息投影技術(shù)，且通過(guò)實(shí)踐，設(shè)計(jì)舞臺(tái)節(jié)目并在3DMAX中將需要制作的全息物品建模，制作出全息影像視頻，使人物與全息影像進(jìn)行切實(shí)互動(dòng)，在實(shí)際場(chǎng)地通過(guò)全息投影完成一場(chǎng)完整的舞臺(tái)秀，并加以延伸將全息投影應(yīng)用于商業(yè)展示中。

【關(guān)鍵詞】 全息投影 全息投影實(shí)驗(yàn) 全息投影應(yīng)用前景

全息影像是真正的三維立體影像，觀眾不需要佩戴帶立體眼鏡或其他任何的輔助設(shè)備，就可以在不同的角度裸眼觀看立體影像，由于全息再現(xiàn)象光波保留了原有物光波的全部振幅與相位的信息，故再現(xiàn)象與原物有著完全相同的三維特性，全息投影技術(shù)不僅可以產(chǎn)生立體的逼真的空中幻像，通過(guò)排練還可以使產(chǎn)生的幻像與表演者產(chǎn)生互動(dòng)，一起完成表演，產(chǎn)生令人震撼的演出效果。

一、全息投影的發(fā)展歷史

1947年，英國(guó)匈牙利裔物理學(xué)家丹尼斯·蓋伯發(fā)明了全息投影術(shù)獲得了1971年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，該項(xiàng)技術(shù)由該公司在1947年12月申請(qǐng)了專利（專利號(hào)GB685286）。第一張實(shí)際記錄了三維物體的光學(xué)全息投影照片是在1962年由蘇聯(lián)科學(xué)家尤里·丹尼蘇克拍攝的。1969年，本頓發(fā)明了彩虹全息術(shù)，20世紀(jì)60年代末期，古德曼和勞倫斯等人提出了新的全息概念——數(shù)字全息技術(shù)，開創(chuàng)了精確全息技術(shù)的時(shí)代。2001年德國(guó)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室首創(chuàng)研發(fā)了全息膜技術(shù)，而魔幻效果的技術(shù)則由丹麥公司ViZoo在2006年研發(fā)出來(lái)。2008年，美國(guó)亞利桑那州大學(xué)打造了展現(xiàn)大腦的可更新的3D全息顯示屏，這是世界上首批3D全息顯示屏之一。他們用全息膜搭建了一個(gè)倒金字塔形的幾何模型，利用四臺(tái)投影機(jī)投射的視頻圖像，在金字塔里經(jīng)過(guò)一系列的光學(xué)衍射后匯合成為全息圖像，看起來(lái)就像有實(shí)物漂浮在空中。

二、全息投影實(shí)驗(yàn)

全息投影在將來(lái)生活中必會(huì)占領(lǐng)很大的市場(chǎng)，也會(huì)對(duì)我們的日常生活帶來(lái)樂趣與方便， 因此我們進(jìn)行了多次全息投影試驗(yàn)，以將此技術(shù)應(yīng)用于全息舞美演藝和商業(yè)展示。

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模河煤?jiǎn)易工具檢測(cè)利用克力板是否可以實(shí)現(xiàn)全息效果。

實(shí)驗(yàn)構(gòu)想：將亞克力板做成四棱錐形狀，用IPAD將處理好的視頻投影在亞克力模型的各個(gè)面上，使其呈現(xiàn)全息效果，并且可以360度看到成像的前后左右面。

材料：角度為75°的等腰三角形的小塊亞克力板4片，厚度5mm，膠帶。

工具：熱熔膠膠槍

放映工具：Ipad 1臺(tái)

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：將亞克力板切割為頂角為75°底邊為10公分的等腰三角型，將四個(gè)三角形的內(nèi)部用膠帶固定貼成為金字塔狀，然后用熱熔膠將每個(gè)面固定，之后除掉之前固定用的膠帶，這樣一個(gè)簡(jiǎn)易的全息模型就制作完成了。然后找到事先 準(zhǔn)備好的全息視頻，按照前左后右的順序，并且將每個(gè)視頻的中線等距離交于最終視頻的中心點(diǎn)，將視頻中心點(diǎn)位置對(duì)準(zhǔn)全息模型的四棱錐定點(diǎn)，將投放設(shè)備垂直于全息模型，發(fā)現(xiàn)在金字塔內(nèi)形成一個(gè)360度的立體影像，即全息影像。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：克力板可以實(shí)現(xiàn)全息特效的展示。

實(shí)驗(yàn)總結(jié)：經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，初步確定亞克力板制作的小三角形頂角為75°，粘合以后每個(gè)面坡度為50度的全息模型可以實(shí)現(xiàn)全息效果。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題：投射設(shè)備的投影大小，和四個(gè)面的成像大小比例問(wèn)題。

因此結(jié)合上次試驗(yàn)，我們進(jìn)行再次測(cè)試。

試驗(yàn)?zāi)康模航Y(jié)合上次實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行大型模型的搭建和投影試驗(yàn)，利用一個(gè)投影儀投射出全息效果。

試驗(yàn)材料：普通投影儀、5mm亞克力板模型。

試驗(yàn)準(zhǔn)備：5mm厚的亞克力板，確定頂角為75°，底邊1m，進(jìn)行切割并且進(jìn)行粘貼。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：用投影儀將視頻投射到墻壁上對(duì)模型反射。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：實(shí)現(xiàn)了全息投影，但是出現(xiàn)了以下問(wèn)題：

2.1受環(huán)境光影響，模型上成像亮度變?nèi)酢?/p>

2.2收板材厚度影響，模型成像出現(xiàn)重影。

2.3受投影儀光入射角度影響，在模型上會(huì)出現(xiàn)光斑。

2.4投影儀借助其他反射的材質(zhì)問(wèn)題仍需解決。

試驗(yàn)總結(jié)：需要對(duì)大型模型的投影角度和投射方式進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn)，以實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)與討論我們又產(chǎn)生新的想法：

2.5全息3D霧幕投影，將水通過(guò)高壓霧化器進(jìn)行霧化，自上向下進(jìn)行噴霧，并且通過(guò)擋板與風(fēng)機(jī)確定噴霧方向、速度、霧化程度、霧幕厚度、霧幕的形成與迅速消失。

當(dāng)然，目前這只是一種設(shè)想，實(shí)驗(yàn)結(jié)果還有待考證。

三、全息投影技術(shù)的應(yīng)用前景

1、全息投影舞臺(tái)。通過(guò)多次試驗(yàn)，課題組已基本掌握全息投影技術(shù)，并真正將其應(yīng)用到全息舞美演藝中，并且在3DMAX中將需要制作的全息產(chǎn)品建模，然后在同一水平高度和與產(chǎn)品相對(duì)距離的前后左右各假設(shè)一臺(tái)攝像機(jī)，用來(lái)模仿投影中人眼看到產(chǎn)品的前后左右四個(gè)位置。然后將4臺(tái)攝像機(jī)分別渲染，根據(jù)投影位置進(jìn)行渲染合成全息視頻，加上人物表演，人物與影像互動(dòng)，營(yíng)造了亦真亦幻的神秘氛圍，效果奇特，時(shí)尚美觀，具有科技感、空間感、透視感，形成空中幻象真假難辯，產(chǎn)生令人震撼的神奇效果。隨著全息技術(shù)的不斷發(fā)展與逐步完善，其在演藝活動(dòng)，舞臺(tái)美術(shù)中的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣泛。比如，滿足觀眾多樣化的觀賞需求、在觀眾席設(shè)立一些互動(dòng)效果，將美輪美奐的畫面帶到觀眾面前，給人一種虛擬與現(xiàn)實(shí)并存的雙重世界，帶給人們夢(mèng)幻的立體的感受。

2、全息投影應(yīng)用于商業(yè)展示。在服務(wù)和銷售行業(yè)中，盡可能的吸引消費(fèi)者的目光才是最重要的。全息展示柜，是我中國(guó)科技部數(shù)字影視特效及舞美應(yīng)用示范課題組依據(jù)全息虛擬成像研究成果結(jié)合商業(yè)展示需求制作的能夠?qū)崿F(xiàn)180°、270°、360°虛擬現(xiàn)實(shí)效果的展示柜，可以使人們發(fā)揮想象力描述想要的場(chǎng)景而不必?fù)?dān)心實(shí)物場(chǎng)景的局限，對(duì)于創(chuàng)造者來(lái)說(shuō)全息投影系統(tǒng)也會(huì)帶來(lái)更大的創(chuàng)作發(fā)揮空間。

3、全息投影照片。我們的生活被無(wú)數(shù)的數(shù)字影像所包圍，數(shù)字形式的照片、影像己經(jīng)基本代替了膠卷相機(jī)和紙制照片，數(shù)字照片、影像可放在電腦、手機(jī)等設(shè)備上來(lái)觀看，即便于存儲(chǔ)，也避免了大部分損壞，消費(fèi)者可將各種全息投影照片放置在全息投影相框中，相對(duì)于電子照片，全息投影照片的視覺效果和感官體驗(yàn)是全新的、震撼的。

四、結(jié)語(yǔ)

全息投影技術(shù)在藝術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用，必將會(huì)促進(jìn)全息科技的不斷提高；進(jìn)而全息投影技術(shù)也會(huì)應(yīng)時(shí)代而來(lái)，被廣泛的應(yīng)用于社會(huì)的各個(gè)方面。全息投影這一新技術(shù)將會(huì)在藝術(shù)、工業(yè)、商業(yè)、醫(yī)學(xué)、國(guó)防、公共安全、現(xiàn)代測(cè)試等各個(gè)領(lǐng)域全面展開，產(chǎn)生顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。無(wú)疑，未來(lái)全息投影技術(shù)市場(chǎng)發(fā)展?jié)摿⑹遣豢晒懒康摹?/p>

參 考 文 獻(xiàn)

[1]羅鵬，呂曉旭和鐘麗.數(shù)字全息技術(shù)研究進(jìn)展及應(yīng)用[J].激光雜志，2006.

[2]全息技術(shù)在我國(guó)視覺藝術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用研究 劉紹龍 李中豪 槐 雪 （北京師范大學(xué)2010（11）

[3]王典民 激光全息照相技術(shù)[M] 吉林科學(xué)技術(shù)出版社 1993 2-8