CINEMA4D在类全息投影艺术中的应用研究

摘要：人工智能、5G技术的发展开创了三维影像时代，类全息投影三维技术在表演、展览等活动中越来越受到市场欢迎。CINEMA 4D作为目前被广泛使用的三维设计软件，其技术运用将为类全息投影技术的创新和发展带来新的思路。文章通过文献研究和案例分析法，研究目前三维全息投影的存在形式和应用范围，基于佩珀尔幻象的伪全息投影及360度幻影成像系統，探讨CINEMA 4D的特点以及它在类全息投影技术中的适用性，并通过具体实证应用，建立一种通过CINEMA 4D制作三维立体图像，并通过LED屏幕和制作特定的成像空间，形成全息三维影像的方法，旨在探讨CINEMA 4D在360度全息幻影成像展示系统的具体应用，为实践工作提供参考。

关键词：CINEMA 4D；全息投影；三维动画；伪全息；三维展示设计

中图分类号：TP391.9 文献标志码：A 文章编号：1674-8883（2022）06-0004-03

随着人工智能、5G等技术发展，互联网产业拥有更多的可能性，短视频、直播、虚拟偶像、潮玩等行业发展势头迅猛，虚拟场景、虚拟人物、虚拟道具的广泛应用，让我们迎来了一个超越真实的虚拟三维影像时代。科学与艺术深度融合，社会生活中随处可见虚拟空间与现实空间的融合，不仅仅是平面设计，影视包装、摄影工作也需要三维思维协助搭建场景，生活空间和艺术空间由平面转为立体。5G将开创新的全息影像时代，CINEMA 4D作为目前市场上被广泛应用的三维设计软件，在全息影像的应用领域具有极强的可开发和可研究性。

一、3D全息投影技术

（一）全息投影的概念

全息技术能够解决一般摄影技术中无法记录光波的深度信息的问题，通过激光照射物体，让参考激光束和物光束产生干涉，通过分析干涉条纹的反差和间隔，从光波中的强度信息反推出深度信息，就可以获得这个物体的全部光波信息。全息投影技术能获取物体的全息图，并通过衍射原理，多次曝光后，将全息图还原再现成完整的虚拟三维影像。

三维图像技术经过多年发展，已不仅仅是记录真实的图像并再现为三维图像，现在还可以看到很多实际并不存在的完全虚拟的三维影像，这些影像也不是静态的，而是以动态的活动的方式呈现，甚至可以在真实的场景中与观众进行互动。随着数字媒体技术、电影特效和虚拟现实技术的发展和普及，单纯的二维影像和场景已经不能适应大众审美价值和市场需求，特别是随着5G技术的推广，加载速度已经不会再成为限制因素，更多的传播场景将由二维转换为三维，由静态转向动态。使用全息投影技术，用户不需要佩戴3D眼镜，就可以在现实空间中看到三维的立体图像。

目前，人们在舞台表演、博物馆、体验馆、商业广告等看到的全息三维影像，实际上并没有获取含有物体全部光波信息的全息图，这并不是真正的全息技术，只能算是类全息或伪全息投影技术。这些技术大多利用佩珀尔幻象原理，创作者首先要制作好具有三维效果的真实图像或数字图像，然后通过投影仪投影在全息膜上，从而得到能悬挂在真实场景的半空中的三维图像。

（二）目前全息投影的存在形式和3D技术使用范围

真正的全息投影技术不需要借助任何的介质，观众直接在现实空间就能看到三维立体影像，而且观众不再需要待在特定的一个角度才能看见三维图像，而是从任何角度都能看见三维图像的相应细节。但这种不用任何介质的三维全息影像技术并未在市场上得到广泛应用，已实现的类全息投影技术主要为以下几种。

1.美国麻省理工学院研发的利用空气投影的方式。它成功实践了全息投影技术的一个新的想法，即先投影，再交互。这种技术以空气中的气流墙为介质幕，这种气流墙是由大量水蒸气液化后形成的小水珠组成的，通过投影技术，把图像投影到这种气流墙上，就可以看到立体的三维影像。缺点是成像面积小，影像晃动。

2.日本一家公司研发的用激光束进行投影的方式。这种技术利用特定技术向空气中喷射氮气和氧气，以这两种气体在空气中混合后的物质为介质幕，通过投影形成三维影像，但是这种影像很快就会消失，需要不断喷射氮气和氧气才能形成连续的立体影像。缺点是成像时间短，不稳定，不具象。

3.南加利福尼亚大学研发的新技术，将一个可以高速旋转的镜子作为投射的载体，将图像投射到这块镜子上，便可以获得三维的图像[1]。

（三）基于佩珀尔幻象的伪全息投影

全息和3D是两个既相互独立又有所关联的概念，利用全息技术可以实现3D效果，3D效果是全息技术的一种呈现状态，但是全息技术也被广泛应用在其他方面，如产品防伪标志等。

佩珀尔幻象是目前市面上最常用的类全息技术。这种技术来源于最早的舞台戏法，即德克斯幻觉效应，之后，佩珀尔创造了一种更简单的技术，只需要一块玻璃而不需要重建剧院，就能让观众在舞台上看见如同幽灵一般的幻象。目前市场上出现的这种类全息投影一般分为两种。

采用180度平面透明介质幕。投影机通过直投或者背投的方式，投影在全息膜上。例如，在初音的演唱会上就使用过这种全息投影技术。

采用45度斜面透明介质幕。一般在舞台的前方中央地面上安装一块LED屏幕，覆盖全息膜的介质幕与舞台成45度角组装，在LED屏幕上播放的视频便可以通过45度的介质膜，经过光的折射，在舞台上形成虚幻的三维立体影像，这种效果更好。

在2013年周杰伦的演唱会上曾使用过这种技术，让观众看见了邓丽君的虚拟形象。特效团队通过收集大量邓丽君生前的细节画面并进行分析，然后通过模型重建构建了虚拟人，通过动作捕捉让虚拟人以邓丽君的神态动起来，最后将虚拟人形象导入虚拟现实软件进行调试、渲染、导出，经过上百次修改最终完成了邓丽君的虚拟三维形象，而后通过高清投影将已经制作好的邓丽君虚拟形象表演视频影片在舞台的屏幕上播放[2]。

表演舞台上出现的虚拟人物形象大多使用了这种技术，演员在舞台下方进行表演，在舞台前方设置一块透明玻璃或者介质膜，它与舞台成45度角，灯光照在演员身上，再通过玻璃或者介质膜，经过折射，就可以在舞台上看见虚拟的演员形象。现在舞台照明灯光技术日趋完善，这种表演已经真假难辨。比如2018年春晚周杰伦演唱《告白气球》，表演过程中使用高流明亮度的激光工程投影机，以如纱般的薄幕为介质，表现虚拟场景。

（四）360度幻影成像系统

全息幻影成像根据角度不同有几种不同类型。其中，180度幻影成像，一方面对真实的产品进行实拍，另一方面利用凹面镜和半透反光镜，构建三维形象并进行平面展示，这种成像方式较多应用于大型的舞台表演、发布会等。360度幻影成像，相对于180度的幻影成像，这种成像不是出现在舞台上，而是悬浮在半空中，并和周围的实景融合在一起，具有更强的立体感，观众如同置身于真实和虛拟融合的世界中，这种技术主要应用在展览馆、博物馆等场景。

360度幻影成像系统是全息膜和背投显影技术的融合。这种系统可以把柜体的四个面做成窗口，360度展示产品；可以在柜体的四面安装上触摸屏，观众通过操作触摸屏，实现对三维模型的旋转、移动等，实现三维影像和观众的交互；也可搭建舞台，让虚拟的三维影像或动画角色和真实的演员同台表演。

二、CINEMA 4D在全息影像中的适用性

CINEMA 4D软件是一款综合性的高级三维绘制软件，运行速度和渲染速度都很快，功能强大却使用便捷，在众多领域中都有出色的表现。

（一）CINEMA 4D的特点

第一，界面简洁且功能强大。CINEMA 4D的界面简洁，内置功能丰富，可以轻易实现三维设计相对复杂的贴图绘制、雕刻等。层级关系清晰，用图标化设计代替繁杂的操作步骤，参数更少，大部分功能可以一键完成，容易上手。

第二，强大的渲染器及插件。CINEMA 4D拥有强大的内置渲染器，渲染速度快且质量高，只要调节好默认渲染器的材质，就可以快速呈现效果。

第三，兼容性高。CINEMA 4D可以与 Adobe Photoshop、Adobe Illustrator、Adobe After Effects（简称AE）等软件无缝衔接，CINEMA 4D可以将三维数据导出给AE，与AE完美进行衔接[3]。

第四，强大的预设库。在CINEMA 4D软件中预置了很多在三维设计中需要用到的素材，如模型、贴图、材质、照明、环境等，用户不需要逐个进行参数设置才能得到相应效果，能够缩短工作时间，提升工作效率。

第五，方便的手绘功能和特色功能运动图形模块。

（二）CINEMA 4D与其他三维软件的比较

CINEMA 4D在国外流行已久，但在中国起步较晚。在游戏和建筑行业中多使用3ds Max建模，与它配合的插件也很丰富。Maya多用在影视特效方面，但必须学会mel语言，上手难度大，受众群体小。

CINEMA 4D具备三维设计软件的完善功能，但更注重软件的合理操作和高效，丰富的工具包比其他软件操作更简便、效率更高，新用户也容易上手。

（三）CINEMA 4D适用范围

1.影视特效制作。《毁灭战士》《阿凡达》《黄金罗盘》里的动作特效及场景都曾使用CINEMA 4D参与制作。

2.电视栏目包装和视频设计。CINEMA 4D在全球被包括MTV、FOX、TBS、ABC、BBC等广播公司认为是最佳应用于三维图像的软件。

3.建筑设计。用CINEMA 4D制作家装效果图，进行产品和静帧产品渲染也开始兴起。

4.产品设计。多应用在产品包装，广告制作，特别是高端的电子产品模型。

5.平面设计。使用实景合成做创意类场景或者效果图，海报中立体字的设计。

三、CINEMA 4D在全息影像中的技术应用

目前，360度幻影成像展示系统所使用的三维图像或者视频来源，大部分是先通过三维设计软件进行建模、制作虚拟动画，然后分别录制和导出虚拟形象正面、背面、左面、右面四个角度视频，再通过视频剪辑软件进行合成，完成的视频就可以在类全息投影系统的屏幕中播放。CINEMA 4D以其丰富的三维设计功能和简单快捷的使用方式，可以在360度全息幻影成像展示系统中应用。

（一）实现流程

CINEMA 4D在360度全息幻影成像展示系统的应用，主要是指将三维动画转换为全息动画的方法。包括使用CINEMA 4D软件完成对虚拟图像或动画的制作，进而导出这个虚拟图像前后左右四个面的图像，或录制三维动画模型四个面的视频，将三维数据分解成同个虚拟图像或动画四个面的成像信息，并添加到播放设备的相应位置上，再通过正四棱锥形状的成像空间，把四个面的图像汇聚为三维立体图像。这个椎体为由透明聚氯乙烯材料用胶拼接制成的金字塔形状的正四棱锥物体。

三维动画幻象显示方法，包括如下步骤：

第一，以三维动画角色为中心点，围绕角色在前后左右四个方向等间距设置四部摄像机。

第二，四台摄像机分别录制拍摄这个三维动画角色的动画视频。

第三，将同个三维动画角色四个动画视频放到LED显示屏上播放。

第四，LED显示屏上播放的每个动画视频，分别投射到覆盖有全息膜的同个正四棱锥的其中一个面上，最后汇聚到同一成像位置，形成立体影像。

（二）硬件设计

第一，LED显示屏。用于播放并投影同个三维动画角色的前后左右四个投影源动画。

第二，成像空间。成像空间是指采用透明聚氯乙烯材料用胶拼接形成的正四棱锥空间。这个正四棱锥的每个面上都覆有全息膜，同个三维动画角色的四个投影源动画分别投影到对应的正四棱锥的其中一个面上，最后汇聚到同一成像位置，形成具有真实三维空间的立体影像。

为了得到更好的三维立体影像，正四棱锥的锥体高度为这个三维动画角色高度的1～1.5倍，正四棱锥的锥体边长为其锥体高度的2倍。正四棱锥锥体的锥顶需要靠近LED显示屏的中心点，而锥底需要远离显示屏的中心点。正四棱锥的每个三角面与显示屏的屏幕呈45度角。

第三，投影支架，用于固定显示屏和成像空间。

（三）CINEMA 4D设计流程

1.源模型制作。通过CINEMA 4D提供的建模工具创建虚拟形象模型，或直接导入外部收集的现实模型素材，添加材质、灯光和动画，或使用人偶工具，完成源模型和动画制作。

2.四面源动画录制。使用CINEMA 4D内置功能制作视频投影源，同个三维动画角色一共需要录制四个投影源动画，分别从三维动画角色的前后左右四个视角采集录制源动画视频，四个投影源动画的格式由全息图像序列帧合成，全息图像为TGA图像格式或PNG图像格式。

3.视频合成。将录制的三维动画角色的四个方向的源动画通过视频处理软件合成为一个源视频，在LED屏上播放。

四、结语

CINEMA 4D功能全面强大，同时容易上手，在众多行业中得到了良好的应用。360度幻影成像展示系统是利用佩珀尔幻象原理实现的类全息投影技术。我们可以利用CINEMA 4D制作三维立体图像，并形成主体投影源前后左右四个面的三维动画视频源，而后通过屏幕播放影片，并投影在覆盖有全息膜的正四面锥体的成像空间内，从而实现立体的三维图像再现。这种技术将帮助设计师掌握快速表现和搭建三维虚拟形象的能力，并应用于课堂教学、展览展示等行业中。

参考文献：

[1] 杨毅.论全息投影技术中虚拟角色制作与设计[J].科教文汇，2013（28）：94，98.

[2] 李栋.全息投影技术在演艺活动中的应用[J].中国传媒科技，2013（3X）：129-130.

[3] 孙春燕. Cinema 4D与影视后期合成软件的交互应用研究[J].西部广播电视，2021，42（15）：234-236.

作者简介 陈丹，硕士，助教，研究方向：新媒体、影视艺术。