基于全息投影三维模型的成像研究

2020-05-21黄启东姚锦江黄海燕蔡梓伦陈金辉

科技传播 2020年8期

黄启东，姚锦江，黄海燕，蔡梓伦，张润，肖锐，陈金辉

全息投影技术属于3D 技术的一种，指利用干涉原理记录并再现物体真实的三维图像的技术。随着全息投影等相关技术的不断发展，一些原本只在科幻电影里面才出现的情景已经慢慢地走进了我们的生活。

全息投影最大的特点是观众在无需佩戴任何辅助设备的情况下便可看到物体的三维图像，从而提高视觉感，使得全息投影在任何需要展示图像的情景下都有着较为广阔的发展空间，包括教育、商品展出、视觉艺术等。

1 全息成像原理

全息投影技术是利用照明物体的反射光波承载着物体形态的信息传播。用记录介质把携带信息的光波记录下来，再通过反射与衍射等原理实现光波的再现，本质上是通过空气或者特殊的立体镜片上形成的影像。平面银幕的投影仅仅是一个二维表面的物体，而全息投影技术是真正以裸眼的方式实现360°的观看，其成像原理如图1 所示。

图1 全息投影成像原理图

2 全息投影成像方式对比

目前全息投影有3 种常见的成像方式，分别是空气成像、投幕式全息投影、全息投影展示柜。空气成像的灵感是海市屋楼的成像原理，需要一套投影系统包括一台投影机(例如空气成像摄影机)和一个空气屏幕系统，成像需要尽量较暗或者背景具有强烈黑白对比度的环境。缺点是仅有正面180°成像，成本昂贵，真实实现效果未知。投幕式全息投影采用光源折射45°成像在幻影全息膜上，进而形成全息影像。目前广泛运用于机场等大型地点。它所需的环境光线尽量较暗，避免强光。与空气成像的缺点相似，但所需的空间更大。全息投影展示柜是由透明材料制成的等腰梯形，通过4 个视频源在其上边或者下边投射到其中的特殊棱镜上。根据光学原理，汇集到一起后形成具有真实维度空间的立体影像。根据对比，全息投影展示柜的成像更符合日常需求且制作较为方便，所以本次实验研究成像方式选择了全息投影展示柜。

3 全息膜规格对比

全息膜是将一层全息薄膜覆盖在所需的材料上，它只对从35°背投的光线有作用，其他光线如太阳光和其他周围光线被忽略，看见的只有投射出来的像，因此会感觉看见的像孤立的漂浮在空中。

为了研究不同膜对物体成像的影响，我们购买了4 种膜在不同的角度进行成像效果的测试，测试结果如表1 所示。

经过多次实验数据的对比，我们采用浅灰膜的全息投影膜。

4 全息金字塔成像材料对比

全息膜的搭载需要全息膜载体。我们实验的载体有方形的塑料板、亚克力板和PVC 透明硬片。这几种材料成像的原理基本相同，投射到这个大约45°的金字塔类型的物体上，呈现出漂浮在空中的图像。为了研究不同材料对成像的影响，我们分别用3 种材料所构建的金字塔装置进行成像比较，研究结果见表2 所示。

表1 不同全息膜的特性

表2 3种材料成像比较

经过多组实验，我们选择黑茶色的PVC 硬片来制作简易全息投影的展示柜的金字塔材料，在白天或光照下显像相对于其他两种材料较为清晰。

5 360°全息投影展示柜装置制作流程

根据以上综合数据和现有的材料，我们选择制作简易的全息投影的展示柜，360°展柜式全息投影装置的制作材料及流程如下：

1）任意尺寸的显示屏。我们在分析多种实验数据结果之后，将现有尺寸的显示屏作为依据，以确定最合适的全息金字塔的尺寸。根据数据对比，显示屏越大，分辨率越高，则需要制作的全息金字塔的尺寸越大，进而全息成像越大且清晰。本次研究采用的是15 寸的显示屏。

2）根据显示屏的尺寸决定全息金字塔的尺寸。全息金字塔由4 块尺寸相同的上底52mm、下底337mm 高202mm、腰边247mm 所构成的等腰梯形的透明硬片为组成部分。

3）选择PVC透明硬片。根据对比试验数据所示，亚克力板+全息投影膜所显示的成像只有在黑暗的环境下成像比较清晰，而在白天甚至是相对强光的情况下成像模糊甚至不成像。当选择黑茶色PVC 透明硬片，实际厚度为9.3mm，在不覆盖全息膜的情况下也可以显像，覆盖之后成像更为立体更易观察。

4）将PVC 透明硬片用玻璃胶和无痕的细胶带将边缝粘贴住，放置一段时间后使得更加坚固稳定。

5）360°展柜式全息投影装置组合，将显示屏拆掉底座水平向上放置在桌子上，通过寻找显示屏的重心确定这个金字塔底座的四边形的重心进行重合从而确定金字塔的摆放位置，这个装置的优点是固定性好且易观看各个角度的成像。

6 与实际情况相结合应用

本次成像研究在Windows XP，32 位操作系统下，在其他电脑上采用3DsMax 实现校名石的建模，镜像出四个像并添加旋转动画，在同一时间内同时旋转并渲染视频，视频使用QQ 影音进行循环播放。图2 为校名石的全息成像效果图。可以很明显的看到的是在白天的情况下校名石可以清晰呈现在空中，相比于市场上大部分需要在黑暗的环境进行显像较为方便，而且成本较低。