全息投影技術(shù)在虛擬服裝展示中的應(yīng)用研究

張 惠 陳娟芬

江西服裝學(xué)院 江西省現(xiàn)代服裝工程技術(shù)研究中心(中國)

近年來，全息投影技術(shù)作為一種三維虛擬成像技術(shù)在各種領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。全息投影技術(shù)又稱虛擬成像技術(shù)，其成像原理屬于光學(xué)范疇，即利用光學(xué)原理，收集物體的全部光學(xué)信息，并使物體的這些光學(xué)信息在現(xiàn)實空間中以三維立體形式重現(xiàn)[1-2]。在服裝領(lǐng)域，隨著數(shù)字化服裝的發(fā)展，三維虛擬服裝展示以其方便快捷、節(jié)約成本、效果逼真等優(yōu)點(diǎn)，成為目前服裝展示的重要發(fā)展方向和研究熱點(diǎn)。三維虛擬服裝展示技術(shù)與全息投影技術(shù)的結(jié)合為虛擬服裝展示開辟了新的路徑。

1 全息投影技術(shù)的原理

目前，全息投影技術(shù)主要包括透射全息投影、360度全息投影和空氣投影3種技術(shù)[3]。

1.1 透射全息投影技術(shù)

透射全息投影技術(shù)屬于傳統(tǒng)的全息投影技術(shù)，經(jīng)歷了基于光的干涉原理的物體光學(xué)信息記錄和基于光的衍射原理的物體光波再現(xiàn)兩個階段[4-5]。

在光學(xué)信息記錄階段，由激光器發(fā)出的激光，經(jīng)分束鏡分成兩束，一束先后經(jīng)平面鏡反射和擴(kuò)束鏡分散，得到物光束，并照向全息干板；另一束經(jīng)平面鏡反射和擴(kuò)束鏡分散，得到參照光并與物光束在全息干板上干涉疊加形成全息圖。二者相互干渉的信息(如形狀、間距、位置)便是對物體光學(xué)信息的記錄[6]。在光波再現(xiàn)階段，全息圖猶如一個復(fù)雜的光柵，激光照射全息圖后，由于光的衍射，會形成原始光波和共軛光波。原始光波形成原始像，共軛波形成共軛像。透射全息投影技術(shù)對于攝像設(shè)備和顯像設(shè)備的穩(wěn)定性要求較高，且對全息干板的材料有一定要求，后期處理復(fù)雜[7]。基于此，360度全息投影技術(shù)和空氣投影技術(shù)得以發(fā)展。

1.2 360度全息投影技術(shù)

360度全息投影技術(shù)是以“佩波爾幻象”為原理的偽全息投影技術(shù)。如圖1所示，物體的正、側(cè)、背面等多個角度的投影源光波由豎直方向照向全息膜，經(jīng)全息膜反射成水平光波并呈現(xiàn)于全息膜后方，在現(xiàn)實空間中對接形成像點(diǎn)。人的視線從水平方向看向透明的全息膜時便可看到立體感很強(qiáng)的三維物象[8]。該技術(shù)中有兩個關(guān)鍵點(diǎn)，一是投影源由物體的正面、左面、背面、右面4個角度畫面發(fā)出的光波組成，因此符合要求的投影源是關(guān)鍵之一；二是優(yōu)質(zhì)的全息膜可達(dá)到更加清晰的視覺效果和極佳的感官體驗，因此全息膜的選擇至關(guān)重要。360度全息投影具有環(huán)境要求低、易實現(xiàn)、影像清晰、立體感強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但由于是在全息膜內(nèi)成像，故也存在交互性差、空間限制等亟需改進(jìn)的缺點(diǎn)。

圖1 “佩波爾幻象”原理

1.3 空氣投影技術(shù)

空氣投影技術(shù)亦屬于偽全息投影，該技術(shù)由空氣屏幕系統(tǒng)和投影系統(tǒng)兩部分組成?？諝馄聊幌到y(tǒng)吸入空氣，改變其密度、溫度等物理屬性，并將處理后的空氣排出形成現(xiàn)實空間中看不見的空氣墻。投影系統(tǒng)則將影像光波投射到空氣墻中，由于空氣墻的空氣分子振動不均，空氣折射率不同，光波在不同折射率的折射和反射作用下形成富有層次感和立體感的影像[9]。

相比其他全息投影技術(shù)，空氣投影技術(shù)可以將影像直接投射在空氣中，不需要任何界面設(shè)備，真正實現(xiàn)了影像與人的親密接觸，在各個行業(yè)領(lǐng)域均具有巨大發(fā)展?jié)摿Γ虼瞬簧傺芯空咴诓粩噙M(jìn)行技術(shù)上的突破。日本的研究團(tuán)隊Aerial Burton研發(fā)出了不需要借助空氣墻的激光投影儀。該技術(shù)直接通過一系列精準(zhǔn)調(diào)節(jié)的激光發(fā)射器，有選擇地電離空氣分子使之發(fā)出亮白的光線從而得到全息圖像[10]。

2 全息投影技術(shù)在虛擬服裝展示中的應(yīng)用現(xiàn)狀

全息投影技術(shù)將三維虛擬影像展現(xiàn)在觀者面前，給人較強(qiáng)的縱深感，在三維展示方面具有強(qiáng)大的優(yōu)勢[11]。在服裝領(lǐng)域，服裝展示主要包括傳統(tǒng)展示和三維虛擬展示兩種方式。傳統(tǒng)展示包括懸掛、平鋪、人臺展示及真人動態(tài)秀等，但存在成本高、效率低、受眾面低等弊端。三維虛擬展示則以虛擬的三維服裝為主體，通過采用多種軟硬件設(shè)備進(jìn)行展示，可多角度展現(xiàn)服裝色彩、款式和細(xì)節(jié)，具有效率高、受眾面廣、節(jié)約成本等優(yōu)勢。目前的虛擬服裝展示設(shè)備以計算機(jī)、手機(jī)等的顯示屏為主。觀者通過顯示屏觀看服裝時，會產(chǎn)生從平面中觀看三維服裝的視覺感，缺少縱深感；而在全息投影技術(shù)中，觀者可從一側(cè)看到另一側(cè)空間而不受設(shè)備限制。因此將三維虛擬服裝與全息投影技術(shù)相結(jié)合，可取長補(bǔ)短，為虛擬服裝展示探索出新的發(fā)展之路。

近幾年，隨著全息投影技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的研究者和研究機(jī)構(gòu)通過不斷探索，將全息投影技術(shù)與虛擬服裝展示相結(jié)合。北京服裝學(xué)院在“2019北服時裝周”中首次將180度全息投影技術(shù)搬上時裝周秀場。在模特走秀的同時，通過全息投影技術(shù)在T臺紗幕上呈現(xiàn)出模特所穿著的服裝的組合過程，將虛幻與現(xiàn)實融合在一起，進(jìn)行了一次時尚與科技結(jié)合的有益探索。如圖2所示為全息投影技術(shù)應(yīng)用的秀場圖。

圖2 “2019北服時裝周”全息投影技術(shù)的應(yīng)用

戴文翠[12]將全息投影技術(shù)用于服裝設(shè)計，利用全息投影技術(shù)將各種動態(tài)圖案等元素以全息成像的方式投射到服裝上，白色服裝即刻變換成充滿設(shè)計感的絢麗服裝。該服裝展示方式不需要提前制作所設(shè)計的服裝面料圖案，而是在展會或發(fā)布會中通過全息投影技術(shù)呈現(xiàn)面料的圖案元素，待客戶觀賞并評定后再進(jìn)行該圖案元素的批量生產(chǎn)及后續(xù)的成衣生產(chǎn)。因此該方法可以降低服裝初始材料的投入，具有提高生產(chǎn)效率，降低庫存的優(yōu)勢。

楊思等[13]將空氣全息投影技術(shù)和全息膜投影技術(shù)(即360度全息投影)分別與虛擬試衣系統(tǒng)結(jié)合。傳統(tǒng)的虛擬試衣系統(tǒng)中，用戶通過手勢控制試衣系統(tǒng)的顯示屏實現(xiàn)換衣等交互，試衣效果通過顯示屏呈現(xiàn)，缺少立體的視覺效果。將空氣投影和全息膜投影分別與虛擬試衣系統(tǒng)結(jié)合后，用戶在傳統(tǒng)試衣系統(tǒng)中的試衣效果可以投影到空氣屏幕或全息膜中，呈現(xiàn)逼真立體的試衣效果。楊思等從投影源、交互性、設(shè)備體積、成本、畫面穩(wěn)定性等方面，對空氣投影和全息膜投影與傳統(tǒng)試衣系統(tǒng)相結(jié)合的優(yōu)劣進(jìn)行了對比，得出了成本低、畫面穩(wěn)定性強(qiáng)的全息膜投影更適合與試衣系統(tǒng)大范圍結(jié)合的結(jié)論。

3 將三維虛擬服裝與360度全息投影技術(shù)相結(jié)合的服裝展示方法

戴文翠將全息投影技術(shù)用于實物服裝設(shè)計，將虛擬的全息投影和現(xiàn)實的服裝相結(jié)合，達(dá)到了較好的設(shè)計效果。然而分析目前服裝展示的發(fā)展趨勢可發(fā)現(xiàn)，基于三維虛擬服裝展示技術(shù)的服裝展示方法已經(jīng)成為服裝展示的主要發(fā)展方向，2019年北京服裝學(xué)院時裝周中全息投影的投影源即為三維虛擬服裝。在服裝企業(yè)，三維虛擬服裝展示技術(shù)可以用效果逼真的虛擬服裝代替實物樣衣向客戶展示，跳過了一次次的實物樣衣修改環(huán)節(jié)，提升了服裝開發(fā)效率，節(jié)約了成本[14]。然而，目前的虛擬服裝展示仍然以顯示器展示為主，缺乏視覺縱深感和空間立體感。參考楊思的研究可知，相對于其他全息投影技術(shù)，360度全息投影具有成本低、畫面穩(wěn)定性強(qiáng)的優(yōu)勢。

結(jié)合上述研究現(xiàn)狀及虛擬服裝展示的缺陷，本文提出將三維虛擬服裝與360度全息投影技術(shù)結(jié)合的虛擬服裝展示方法，以期在提高展示效率和降低成本的同時提升視覺縱深感和空間立體感，并設(shè)計制作基于手機(jī)顯示屏的簡易展示裝置進(jìn)行可行性驗證。試驗過程主要包括三維虛擬服裝模型的建立、投影源的制作、展示裝置設(shè)計與制作3個過程。

3.1 三維虛擬服裝模型的建立

三維虛擬服裝模型的建立過程簡稱為服裝建模，是指將二維板片轉(zhuǎn)化為三維立體服裝并進(jìn)行面料褶皺、面料垂感、面料紋理及輔料等方面處理的過程。服裝建模所需軟件眾多，在二維板片到三維服裝的過程中較常用的軟件有韓國的試衣軟件CLO 3D、德國的Vidya等[15]。服裝建模得到的靜態(tài)服裝，通過綁定人體骨骼可以驅(qū)動服裝的運(yùn)動[16]。本文使用CLO 3D建立了女西服外套、連衣裙、牛仔褲3種服裝模型，效果如圖3所示。其中將連衣裙綁定人體骨骼，產(chǎn)生動態(tài)走秀效果。

圖3 3款服裝建模效果

3.2 投影源的制作

投影源以視頻形式播放，3款服裝分別制作投影源視頻。牛仔褲和女西服采用360o旋轉(zhuǎn)的方式進(jìn)行全息投影展示，連衣裙采用動態(tài)走秀的展示方式。3款服裝經(jīng)CLO 3D建模后，采用3DS Max軟件進(jìn)行動畫渲染，并導(dǎo)出為AVI視頻。使用Adobe Premiere視頻編輯軟件將3DS Max軟件處理后的視頻編輯為正、左、背、右4個角度的投影源視頻[17]。試驗中經(jīng)過多次嘗試，總結(jié)出制作投影源視頻的注意事項如下：

——投影源的每一幀中的正、左、背、右4個角度的畫面需大小一致，且保持實時同步；

——投影源視頻需以黑色為背景，從而使得金字塔全息膜中服裝的周邊環(huán)境為透明狀態(tài)；

——最終的投影源視頻要經(jīng)過Adobe Premiere視頻編輯軟件處理成水平翻轉(zhuǎn)狀態(tài)，以確保投影后金字塔全息膜中的虛擬服裝的左右方向為實際中的左右方向。

最終的投影源單幀圖片如圖4所示。

圖4 投影源單幀圖片

3.3 展示裝置設(shè)計與制作

本文設(shè)計制作的展示裝置為簡易裝置，包括金字塔和手機(jī)支撐架兩部分。金字塔由4片等腰三角形的全息膜拼接而成，全息膜可采用半透半反的亞克力板或聚氯乙烯(PVC)塑料板。根據(jù)佩伯爾幻象原理，各全息膜與水平面的夾角以45°最佳[18]，經(jīng)過分析計算得出全息膜為腰長7 cm、底邊長8 cm的等腰三角形。該裝置使用長、寬分別為15.0和7.5 cm的智能手機(jī)作為投影設(shè)備，手機(jī)支撐架的長、寬、高分別采用15.0、6.0和7.5 cm為宜，支撐架材質(zhì)為黑色磨砂塑料。圖5所示為支撐架與金字塔的組合形式。

圖5 支撐架與金字塔的組合形式

3.4 360度全息投影的可行性驗證

金字塔和支撐架拼接完成后與手機(jī)顯示屏并用，將制作好的投影源視頻導(dǎo)入手機(jī)并在黑暗環(huán)境中播放，從而將手機(jī)顯示屏中的虛擬服裝投影到金字塔全息膜上，實現(xiàn)虛擬服裝的展示，如圖6所示。虛擬服裝展示視頻可通過手機(jī)掃描圖7的二維碼進(jìn)行觀看。受拍攝設(shè)備、光線等因素的影響，畫面存在服裝色差、噪點(diǎn)、曝光問題，實際觀看時具有更加清晰、立體的視覺效果。經(jīng)過簡易360度全息投影裝置的試驗驗證，最終確定360度全息投影技術(shù)可以實現(xiàn)虛擬服裝的全方位展示，并達(dá)到較強(qiáng)的視覺縱深感和空間立體感。

圖6 基于手機(jī)顯示屏的360度全息投影簡易裝置

圖7 虛擬服裝展示視頻二維碼

4 結(jié)語

相對于其他服裝展示方式，將各類全息投影技術(shù)應(yīng)用于虛擬服裝展示中，具有展示手段新穎、展示效果逼真、服裝空間立體感強(qiáng)等優(yōu)勢，但不同的全息投影技術(shù)也存在設(shè)備成本高、占用空間大、畫面穩(wěn)定性差等弊端。相信隨著全息投影技術(shù)的不斷發(fā)展，這些問題會被逐一攻破，全息投影技術(shù)在虛擬服裝展示中的應(yīng)用也會得以逐步推廣。