全息投影技術的發展及在產品設計教學中的應用初探

楊振華 徐文杰 潘偉

摘 要：全息技術是指真實三維圖像的記錄和再現，最早于1948年由英國物理學家丹尼斯·伽伯（Dennis Gabor）提出，2003年首次成功應用于全息投影技術中。如今全息投影技術已經逐漸延伸至國內，并在一些領域進行了成功的嘗試。本文探討未來全息投影技術應用于產品設計教學的優勢，并認為全息投影技術將給傳統課堂教學帶來新的推動力。

關鍵詞：全息投影技術；產品設計教學

中圖分類號：TP37文獻標志碼：A文章編號：2095-9214（2016）07-0107-02

一、引言

上世紀90年代中期，美國成功進行了某種武器的試驗，在虛擬戰場上借助科技手段制造出各種目標幻象，包括飛機、坦克、艦艇、整支戰斗部隊等。在索馬里使用一種神秘武器進行了一次投影效應實驗，將受難耶穌的巨幅頭像投射到風沙迷漫的空中，使敵方人員產生了強烈的心理震懾。這種神秘的“幻覺武器”就是依靠3D全息技術而實現的。

如今，這種先進的光學技術在我們周圍開始斬露頭角，比如“初音未來”作為世界第一個應用全息技術的虛擬歌手出現在20l1年的東京演唱會上。它利用真實模特與數字全息投影技術交錯展現服裝，成為在世界服裝史上第一次將高科技引入時尚秀場；2014年8月，全息技術再度驚艷亮相南京青奧會。同樣，在教育領域中，全息投影技術的介入將有效解決目前二維多媒體演示的缺點，并實現“全角度、全方位、全交互”的理想功能。這些優勢同樣也會給產品設計教學方式、方法帶來新的變革。

二、全息投影技術發展概述

全息技術是1948年英國物理學家丹尼斯·伽伯（Dennis Gabor）為改善電子顯微鏡成像質量提出的重現波前的理論，并于1971年獲得諾貝爾物理學獎。受當時條件限制，沒有純凈的可以進行相互干涉的光，科學家無法獲得高質量的全息圖像。20世紀60年代，隨著激光器的出現，美國密執安大學的埃梅蒂·利斯與朱里斯·尤佩尼克拍成了第一張全息相片，全息技術才有了蓬勃快速的發展。一般說來，全息技術的大致分為以下四個階段[1]。

第一階段是全息技術的萌芽期，有人也稱第一代全息。它是用汞燈作為光源的。這一階段的全息技術存在著兩大缺陷：首先，原始像與共軛像無法分開，另一個是光源的相干性較差，此時研究進展囿于技術原因進展極為緩慢。

第二階段是利用激光記錄，使激光再現而產生的離軸全息圖，稱為第二代全息。它由參考光與物光干涉而形成全息圖，然后將離軸的參考光全息圖進行照射，使其產生在空間上互相分離的三個衍射分量。這一代全息圖仍然存在缺陷，它沒有色調信息，但解決了上一代全息圖再現像混疊的缺陷。

為了解決第二代全息圖色調信息損失的問題，科學家設想將激光記錄和白光再現，也就是所說的第三代全息圖。這一階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，全息圖被賦予了各種鮮艷的色彩，其在顯示領域優越性得以展現。

第四階段是用白光記錄、白光再現的全息圖，只是還沒有完全擺脫介質束縛。由于激光的高度相干性，導致全息拍攝時元件、光源和記錄介質的相對位置要保持不變，致使全息技術在實際使用中限制較大，不過其前景已初現端倪。

數字全息投影技術，有人也稱它為虛擬成像技術。其利用干涉和衍射原理記錄并真實重現物體的三維圖像，是全息術、電子成像技術和計算機圖形技術相結合的產物。它突破了傳統聲、光、電的局限，空間成像色彩鮮艷，對比度、清晰度均非常高，并具有強烈的縱深感[2]。它的介質可以使用特殊的鏡片或是氣體，三維圖像在這種介質上得以建立，人們可以360度不同角度進行觀看。早在2005年，美國IO2科技就已經成功制造了世界第一臺全息3D顯示器。這款產品被稱為“HelioDisplay”，可以在氣流形成的“空氣墻”上顯示出具有交互功能的影像。

全息投影具有很高的商業價值，可以用全息技術將廣告、展銷品、動植物、人物肖像、歷史文物等記錄下來，通過立體再現，展現給觀眾，既可以提供觀賞，又可以實現全息保存。此外，全息投影技術還能借助交互式多重觸摸技術使影像與人物主體產生互動，這樣能夠極大地增強媒介交互能力，擺脫空間距離的限制。

三、傳統課堂教學中的媒介

任何教學以及教學目的的實現都必須借助于一定形式的教學活動。一個完整的教學活動必包含教學主體雙方為實現教學目的而采取或選用的教學工具或媒介，即教學物質資源這一因素。傳統的課堂教學在某種意義上說是一種以教師為主體的教學演示過程[3]。

現在教學中使用的演示媒介很多，比如電腦、投影儀、白板、掛紙板等。無論是電子白板也好，投影也好，都離不開非移動固定載體，載體形式單一，互動手段受到一定程度的限制。傳統媒介是基于二維空間的信息傳達媒介，雖然交互式觸屏實現了教師與教學內容的實時靈活交互，但其實現的載體也屬二維空間。從形式上講，能夠實現教師在三維空間內任意交互的方式只有在虛擬演播室中能實現，但虛擬演播室是一種成本高昂的平臺，教師使用起來有一定的門檻，且難以發揮教師自主性與靈活性的優勢，一般通過后期制作才能充分發揮其功能，因此一定程度上制約了教師教學水平的發揮。

教育部《教育信息化十年規劃》中明確提出了“重點推進信息技術與高等教育的深度融合”。何克抗教授指出關鍵在于實現教育系統的結構性變革，而課堂教學結構的根本性變革正是實現這一變革的最核心的內涵[4]。傳統的以教師為中心的教學模式向“導與學相結合”的教學模式轉變，不僅發揮教師主導能動作用，又尊重學生作為學習者的主體地位。“教學工具”同樣被認為是最為活躍和革命性的因素，而信息化時代提供給教育的一大“利器”莫過于能夠將“信息”自身與受眾群體進行有機、無縫融合的教學工具。

顯示技術伴隨著教學過程發展到今天，大致經歷了由靜止到運動，由黑白到彩色，由模擬到數字，由低清晰度到高清的發展過程。人是立體世界的天然感受者，視覺三維立體顯示逐漸取代平板二維顯示，真實空間的三維立體顯示是人們追求的理想目標。隨著全息技術的日臻完善，“全息”投影將成為真實空間三維顯示的先鋒與代表。

四、“全息”投影技術在產品設計教學領域中的優勢

全息投影技術可以說是一項包含了未來科技的技術，伴隨超導技術和激光制造技術的不斷成熟以及3S DIGITAL數字技術的發展，全息投影技術已由上世紀60年代的巨大化，復雜化漸漸轉變為小型化、精密化和智能化。美國一家公司研制的全息投影芯片只有藥片大小，可以精確控制每一個光束的亮度、顏色，以及角度，只需要一個芯片，就可以投射出一個可以接收的三維全息圖像，只要增加芯片數量，就可以投射出形狀更加復雜的三維物體，細節更加詳實。

2014年7月，全球首部全息手機Takee問世，由于只能適用于一個人觀看，所以稱為“個人全息”（也稱“智能全息”），這也意味著個人全息顯示技術已經在產業化中得到成功應用。之前的裸眼3D只有一個最佳觀賞角度，錯過這個角度，就無法看到立體的影像，而全息投影技術則是從全方位的視角進行立體的展現，移動視角不會由此引發影像的變化。隨著技術的成熟，小型化的相應設備的出現使之應用于課堂教學成為可能。

產品設計課程離不開三維，如教師在課堂上介紹某款產品內部構造時，影像投射到學生面前，隨著教師手勢的交互，產品也產生透視變化，結構細節在受眾面前完全呈現出來。此外學生也可參與到這個過程中，全息影像實際上成為“移動的電子白板”，能夠投射到教室空間任意位置上，師生在進行交互問答時，可以不受空間距離干擾，集成了交互式多重觸摸技術的全息投影，學生輕輕滑動手指便可使自己面前的全息影像執行選項的操作。由此看來，它可以極大地增強課堂演示的流暢性，由于它不依賴固定的背投，因而也具備很好的經濟效益。

全息投影技術在課堂教學中的應用，對于克服傳統教學的局限性、提升教師能力和發展學生思維也將具有潛在的優勢。它的引入能夠有效促進學生課堂主觀能動性的發揮，降低教師課堂勞動強度。教師可以利用信息技術領域的先進媒介形式創設出啟發性強的教學情境，學生則享有思考的自由和學習的主動性。學生的個體差異得到了關注，師生之間實現了良好的互動。教與學和諧的雙邊活動，亦是其彰顯人文情感的一個重要體現。

五、結論

信息技術的升級換代有助于突破傳統教學的種種限制，不斷催生新型教學用具，對教學質量的提升起到積極的推動作用。方便、快捷、高效一直是教學媒體利用的首要原則。科學技術的發展推動著教學手段的變革，可以說全息投影技術第一次將文字、圖形、聲音、動作與交互行為統一到了一個無距離、空間限制的平臺中。隨著手機高清全息投影芯片的投入使用，大規模利用全息影像技術進行日常社交活動也將成為可能，以往科幻片中才有的“全息桌面”也將不再是奢侈的幻想。

全息投影技術在教育領域中的應用，為教學手段與方法創新乃至提供了廣闊的發展空間，可以預見，像所有新事物一樣，全息投影技術介入到教學中也會有一個循序漸進的過程，我們完全有理由相信，全息投影技術將在信息技術與教育教學的深度融合方面起到積極的推動作用。

（作者單位：1.解放軍理工大學；2.南京大橋機器有限公司；3.南京航空航天大學金城學院）

基金項目：本文為2015-2016年度解放軍理工大學軍事理論、人文社科研究基金項目“學員旅體制下的學員創新能力培養新探索”、江蘇省現代教育技術研究課題“應用型本科院校產品設計專業數字化學習資源的設計與開發利用研究”（項目編號：2015-R-45345）項目的階段性研究成果。

參考文獻：

[1]楊桂娟，梅妍，白亞鄉.全息術及其應用[J].應用光學，2006，27（2）：96.

[2]姚婉欣.全息投影數字技術在舞臺設計中的應用研究[J].中國包裝，2014，（2）：28.

[3]孫昌達.多媒體演示教學的理論與方法[J].中國遠程教育，2002，（2）：63-64.

[4]何克抗.如何實現信息技術與教育的“深度融合”[J].課程.教材.教法，2014，（2）：58-61.