基于全息投影三維模型的成像研究

黃啟東，姚錦江，黃海燕，蔡梓倫，張 潤，肖 銳，陳金輝

全息投影技術(shù)屬于3D 技術(shù)的一種，指利用干涉原理記錄并再現(xiàn)物體真實(shí)的三維圖像的技術(shù)。隨著全息投影等相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，一些原本只在科幻電影里面才出現(xiàn)的情景已經(jīng)慢慢地走進(jìn)了我們的生活。

全息投影最大的特點(diǎn)是觀眾在無需佩戴任何輔助設(shè)備的情況下便可看到物體的三維圖像，從而提高視覺感，使得全息投影在任何需要展示圖像的情景下都有著較為廣闊的發(fā)展空間，包括教育、商品展出、視覺藝術(shù)等。

1 全息成像原理

全息投影技術(shù)是利用照明物體的反射光波承載著物體形態(tài)的信息傳播。用記錄介質(zhì)把攜帶信息的光波記錄下來，再通過反射與衍射等原理實(shí)現(xiàn)光波的再現(xiàn)，本質(zhì)上是通過空氣或者特殊的立體鏡片上形成的影像。平面銀幕的投影僅僅是一個二維表面的物體，而全息投影技術(shù)是真正以裸眼的方式實(shí)現(xiàn)360°的觀看，其成像原理如圖1 所示。

圖1 全息投影成像原理圖

2 全息投影成像方式對比

目前全息投影有3 種常見的成像方式，分別是空氣成像、投幕式全息投影、全息投影展示柜?？諝獬上竦撵`感是海市屋樓的成像原理，需要一套投影系統(tǒng)包括一臺投影機(jī)(例如空氣成像攝影機(jī))和一個空氣屏幕系統(tǒng)，成像需要盡量較暗或者背景具有強(qiáng)烈黑白對比度的環(huán)境。缺點(diǎn)是僅有正面180°成像，成本昂貴，真實(shí)實(shí)現(xiàn)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，進(jìn)而形成全息影像。目前廣泛運(yùn)用于機(jī)場等大型地點(diǎn)。它所需的環(huán)境光線盡量較暗，避免強(qiáng)光。與空氣成像的缺點(diǎn)相似，但所需的空間更大。全息投影展示柜是由透明材料制成的等腰梯形，通過4 個視頻源在其上邊或者下邊投射到其中的特殊棱鏡上。根據(jù)光學(xué)原理，匯集到一起后形成具有真實(shí)維度空間的立體影像。根據(jù)對比，全息投影展示柜的成像更符合日常需求且制作較為方便，所以本次實(shí)驗(yàn)研究成像方式選擇了全息投影展示柜。

3 全息膜規(guī)格對比

全息膜是將一層全息薄膜覆蓋在所需的材料上，它只對從35°背投的光線有作用，其他光線如太陽光和其他周圍光線被忽略，看見的只有投射出來的像，因此會感覺看見的像孤立的漂浮在空中。

為了研究不同膜對物體成像的影響，我們購買了4 種膜在不同的角度進(jìn)行成像效果的測試，測試結(jié)果如表1 所示。

經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比，我們采用淺灰膜的全息投影膜。

4 全息金字塔成像材料對比

全息膜的搭載需要全息膜載體。我們實(shí)驗(yàn)的載體有方形的塑料板、亞克力板和PVC 透明硬片。這幾種材料成像的原理基本相同，投射到這個大約45°的金字塔類型的物體上，呈現(xiàn)出漂浮在空中的圖像。為了研究不同材料對成像的影響，我們分別用3 種材料所構(gòu)建的金字塔裝置進(jìn)行成像比較，研究結(jié)果見表2 所示。

表1 不同全息膜的特性

表2 3種材料成像比較

經(jīng)過多組實(shí)驗(yàn)，我們選擇黑茶色的PVC 硬片來制作簡易全息投影的展示柜的金字塔材料，在白天或光照下顯像相對于其他兩種材料較為清晰。

5 360°全息投影展示柜裝置制作流程

根據(jù)以上綜合數(shù)據(jù)和現(xiàn)有的材料，我們選擇制作簡易的全息投影的展示柜，360°展柜式全息投影裝置的制作材料及流程如下：

1）任意尺寸的顯示屏。我們在分析多種實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果之后，將現(xiàn)有尺寸的顯示屏作為依據(jù)，以確定最合適的全息金字塔的尺寸。根據(jù)數(shù)據(jù)對比，顯示屏越大，分辨率越高，則需要制作的全息金字塔的尺寸越大，進(jìn)而全息成像越大且清晰。本次研究采用的是15 寸的顯示屏。

2）根據(jù)顯示屏的尺寸決定全息金字塔的尺寸。全息金字塔由4 塊尺寸相同的上底52mm、下底337mm 高202mm、腰邊247mm 所構(gòu)成的等腰梯形的透明硬片為組成部分。

3）選擇PVC透明硬片。根據(jù)對比試驗(yàn)數(shù)據(jù)所示，亞克力板+全息投影膜所顯示的成像只有在黑暗的環(huán)境下成像比較清晰，而在白天甚至是相對強(qiáng)光的情況下成像模糊甚至不成像。當(dāng)選擇黑茶色PVC 透明硬片，實(shí)際厚度為9.3mm，在不覆蓋全息膜的情況下也可以顯像，覆蓋之后成像更為立體更易觀察。

4）將PVC 透明硬片用玻璃膠和無痕的細(xì)膠帶將邊縫粘貼住，放置一段時間后使得更加堅固穩(wěn)定。

5）360°展柜式全息投影裝置組合，將顯示屏拆掉底座水平向上放置在桌子上，通過尋找顯示屏的重心確定這個金字塔底座的四邊形的重心進(jìn)行重合從而確定金字塔的擺放位置，這個裝置的優(yōu)點(diǎn)是固定性好且易觀看各個角度的成像。

6 與實(shí)際情況相結(jié)合應(yīng)用

本次成像研究在Windows XP，32 位操作系統(tǒng)下，在其他電腦上采用3DsMax 實(shí)現(xiàn)校名石的建模，鏡像出四個像并添加旋轉(zhuǎn)動畫，在同一時間內(nèi)同時旋轉(zhuǎn)并渲染視頻，視頻使用QQ 影音進(jìn)行循環(huán)播放。圖2 為校名石的全息成像效果圖。可以很明顯的看到的是在白天的情況下校名石可以清晰呈現(xiàn)在空中，相比于市場上大部分需要在黑暗的環(huán)境進(jìn)行顯像較為方便，而且成本較低。

圖2 校名石全息成像效果圖

7 結(jié)束語

全息成像克服了空間的約束，使得虛擬現(xiàn)實(shí)與全息成像相結(jié)合。只需建模導(dǎo)出合成視頻之后便可實(shí)現(xiàn)一臺設(shè)備展示多個模型，極大地節(jié)省了空間位置。未來與計算機(jī)進(jìn)行結(jié)合，可以添加感應(yīng)切換和語音講解等功能，節(jié)省了大量的人力成本，全息投影在未來將會擁有廣闊的市場前景和發(fā)展?jié)摿Α?/p>