全息投影技术的发展及在产品设计教学中的应用初探

杨振华 徐文杰 潘伟

摘 要：全息技术是指真实三维图像的记录和再现，最早于1948年由英国物理学家丹尼斯·伽伯（Dennis Gabor）提出，2003年首次成功应用于全息投影技术中。如今全息投影技术已经逐渐延伸至国内，并在一些领域进行了成功的尝试。本文探讨未来全息投影技术应用于产品设计教学的优势，并认为全息投影技术将给传统课堂教学带来新的推动力。

关键词：全息投影技术；产品设计教学

中图分类号：TP37文献标志码：A文章编号：2095-9214（2016）07-0107-02

一、引言

上世纪90年代中期，美国成功进行了某种武器的试验，在虚拟战场上借助科技手段制造出各种目标幻象，包括飞机、坦克、舰艇、整支战斗部队等。在索马里使用一种神秘武器进行了一次投影效应实验，将受难耶稣的巨幅头像投射到风沙迷漫的空中，使敌方人员产生了强烈的心理震慑。这种神秘的“幻觉武器”就是依靠3D全息技术而实现的。

如今，这种先进的光学技术在我们周围开始斩露头角，比如“初音未来”作为世界第一个应用全息技术的虚拟歌手出现在20l1年的东京演唱会上。它利用真实模特与数字全息投影技术交错展现服装，成为在世界服装史上第一次将高科技引入时尚秀场；2014年8月，全息技术再度惊艳亮相南京青奥会。同样，在教育领域中，全息投影技术的介入将有效解决目前二维多媒体演示的缺点，并实现“全角度、全方位、全交互”的理想功能。这些优势同样也会给产品设计教学方式、方法带来新的变革。

二、全息投影技术发展概述

全息技术是1948年英国物理学家丹尼斯·伽伯（Dennis Gabor）为改善电子显微镜成像质量提出的重现波前的理论，并于1971年获得诺贝尔物理学奖。受当时条件限制，没有纯净的可以进行相互干涉的光，科学家无法获得高质量的全息图像。20世纪60年代，随着激光器的出现，美国密执安大学的埃梅蒂·利斯与朱里斯·尤佩尼克拍成了第一张全息相片，全息技术才有了蓬勃快速的发展。一般说来，全息技术的大致分为以下四个阶段[1]。

第一阶段是全息技术的萌芽期，有人也称第一代全息。它是用汞灯作为光源的。这一阶段的全息技术存在着两大缺陷：首先，原始像与共轭像无法分开，另一个是光源的相干性较差，此时研究进展囿于技术原因进展极为缓慢。

第二阶段是利用激光记录，使激光再现而产生的离轴全息图，称为第二代全息。它由参考光与物光干涉而形成全息图，然后将离轴的参考光全息图进行照射，使其产生在空间上互相分离的三个衍射分量。这一代全息图仍然存在缺陷，它没有色调信息，但解决了上一代全息图再现像混叠的缺陷。

为了解决第二代全息图色调信息损失的问题，科学家设想将激光记录和白光再现，也就是所说的第三代全息图。这一阶段包括白光反射全息、像全息、彩虹全息、真彩色全息及合成全息等，全息图被赋予了各种鲜艳的色彩，其在显示领域优越性得以展现。

第四阶段是用白光记录、白光再现的全息图，只是还没有完全摆脱介质束缚。由于激光的高度相干性，导致全息拍摄时元件、光源和记录介质的相对位置要保持不变，致使全息技术在实际使用中限制较大，不过其前景已初现端倪。

数字全息投影技术，有人也称它为虚拟成像技术。其利用干涉和衍射原理记录并真实重现物体的三维图像，是全息术、电子成像技术和计算机图形技术相结合的产物。它突破了传统声、光、电的局限，空间成像色彩鲜艳，对比度、清晰度均非常高，并具有强烈的纵深感[2]。它的介质可以使用特殊的镜片或是气体，三维图像在这种介质上得以建立，人们可以360度不同角度进行观看。早在2005年，美国IO2科技就已经成功制造了世界第一台全息3D显示器。这款产品被称为“HelioDisplay”，可以在气流形成的“空气墙”上显示出具有交互功能的影像。

全息投影具有很高的商業价值，可以用全息技术将广告、展销品、动植物、人物肖像、历史文物等记录下来，通过立体再现，展现给观众，既可以提供观赏，又可以实现全息保存。此外，全息投影技术还能借助交互式多重触摸技术使影像与人物主体产生互动，这样能够极大地增强媒介交互能力，摆脱空间距离的限制。

三、传统课堂教学中的媒介

任何教学以及教学目的的实现都必须借助于一定形式的教学活动。一个完整的教学活动必包含教学主体双方为实现教学目的而采取或选用的教学工具或媒介，即教学物质资源这一因素。传统的课堂教学在某种意义上说是一种以教师为主体的教学演示过程[3]。

现在教学中使用的演示媒介很多，比如电脑、投影仪、白板、挂纸板等。无论是电子白板也好，投影也好，都离不开非移动固定载体，载体形式单一，互动手段受到一定程度的限制。传统媒介是基于二维空间的信息传达媒介，虽然交互式触屏实现了教师与教学内容的实时灵活交互，但其实现的载体也属二维空间。从形式上讲，能够实现教师在三维空间内任意交互的方式只有在虚拟演播室中能实现，但虚拟演播室是一种成本高昂的平台，教师使用起来有一定的门槛，且难以发挥教师自主性与灵活性的优势，一般通过后期制作才能充分发挥其功能，因此一定程度上制约了教师教学水平的发挥。

教育部《教育信息化十年规划》中明确提出了“重点推进信息技术与高等教育的深度融合”。何克抗教授指出关键在于实现教育系统的结构性变革，而课堂教学结构的根本性变革正是实现这一变革的最核心的内涵[4]。传统的以教师为中心的教学模式向“导与学相结合”的教学模式转变，不仅发挥教师主导能动作用，又尊重学生作为学习者的主体地位。“教学工具”同样被认为是最为活跃和革命性的因素，而信息化时代提供给教育的一大“利器”莫过于能够将“信息”自身与受众群体进行有机、无缝融合的教学工具。

显示技术伴随着教学过程发展到今天，大致经历了由静止到运动，由黑白到彩色，由模拟到数字，由低清晰度到高清的发展过程。人是立体世界的天然感受者，视觉三维立体显示逐渐取代平板二维显示，真实空间的三维立体显示是人们追求的理想目标。随着全息技术的日臻完善，“全息”投影将成为真实空间三维显示的先锋与代表。

四、“全息”投影技术在产品设计教学领域中的优势

全息投影技术可以说是一项包含了未来科技的技术，伴随超导技术和激光制造技术的不断成熟以及3S DIGITAL数字技术的发展，全息投影技术已由上世纪60年代的巨大化，复杂化渐渐转变为小型化、精密化和智能化。美国一家公司研制的全息投影芯片只有药片大小，可以精确控制每一个光束的亮度、颜色，以及角度，只需要一个芯片，就可以投射出一个可以接收的三维全息图像，只要增加芯片数量，就可以投射出形状更加复杂的三维物体，细节更加详实。

2014年7月，全球首部全息手机Takee问世，由于只能适用于一个人观看，所以称为“个人全息”（也称“智能全息”），这也意味着个人全息显示技术已经在产业化中得到成功应用。之前的裸眼3D只有一个最佳观赏角度，错过这个角度，就无法看到立体的影像，而全息投影技术则是从全方位的视角进行立体的展现，移动视角不会由此引发影像的变化。随着技术的成熟，小型化的相应设备的出现使之应用于课堂教学成为可能。

产品设计课程离不开三维，如教师在课堂上介绍某款产品内部构造时，影像投射到学生面前，随着教师手势的交互，产品也产生透视变化，结构细节在受众面前完全呈现出来。此外学生也可参与到这个过程中，全息影像实际上成为“移动的电子白板”，能够投射到教室空间任意位置上，师生在进行交互问答时，可以不受空间距离干扰，集成了交互式多重触摸技术的全息投影，学生轻轻滑动手指便可使自己面前的全息影像执行选项的操作。由此看来，它可以极大地增强课堂演示的流畅性，由于它不依赖固定的背投，因而也具备很好的经济效益。

全息投影技术在课堂教学中的应用，对于克服传统教学的局限性、提升教师能力和发展学生思维也将具有潛在的优势。它的引入能够有效促进学生课堂主观能动性的发挥，降低教师课堂劳动强度。教师可以利用信息技术领域的先进媒介形式创设出启发性强的教学情境，学生则享有思考的自由和学习的主动性。学生的个体差异得到了关注，师生之间实现了良好的互动。教与学和谐的双边活动，亦是其彰显人文情感的一个重要体现。

五、结论

信息技术的升级换代有助于突破传统教学的种种限制，不断催生新型教学用具，对教学质量的提升起到积极的推动作用。方便、快捷、高效一直是教学媒体利用的首要原则。科学技术的发展推动着教学手段的变革，可以说全息投影技术第一次将文字、图形、声音、动作与交互行为统一到了一个无距离、空间限制的平台中。随着手机高清全息投影芯片的投入使用，大规模利用全息影像技术进行日常社交活动也将成为可能，以往科幻片中才有的“全息桌面”也将不再是奢侈的幻想。

全息投影技术在教育领域中的应用，为教学手段与方法创新乃至提供了广阔的发展空间，可以预见，像所有新事物一样，全息投影技术介入到教学中也会有一个循序渐进的过程，我们完全有理由相信，全息投影技术将在信息技术与教育教学的深度融合方面起到积极的推动作用。

（作者单位：1.解放军理工大学；2.南京大桥机器有限公司；3.南京航空航天大学金城学院）

基金项目：本文为2015-2016年度解放军理工大学军事理论、人文社科研究基金项目“学员旅体制下的学员创新能力培养新探索”、江苏省现代教育技术研究课题“应用型本科院校产品设计专业数字化学习资源的设计与开发利用研究”（项目编号：2015-R-45345）项目的阶段性研究成果。

参考文献：

[1]杨桂娟，梅妍，白亚乡.全息术及其应用[J].应用光学，2006，27（2）：96.

[2]姚婉欣.全息投影数字技术在舞台设计中的应用研究[J].中国包装，2014，（2）：28.

[3]孙昌达.多媒体演示教学的理论与方法[J].中国远程教育，2002，（2）：63-64.

[4]何克抗.如何实现信息技术与教育的“深度融合”[J].课程.教材.教法，2014，（2）：58-61.