立體投影技術的原理與應用

王梓宇

摘 要 立體投影技術忠實地記錄三維世界的立體圖像，再從視覺上還原。3D全息投影技術與倒金字塔型折射成像、非裸眼立體成像、光信息粒子成像等技術原理不盡相同，在應用時可根據需要選擇合適的技術原理。文章從立體投影技術的原理出發，對其在教育、醫學、生活、科研和娛樂等諸多領域均擁有的發展前景展開了討論。

關鍵詞 全息投影；三維；技術原理；應用前景

中圖分類號 TN94 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2019）237-0085-02

近年來，隨著3D電影的投入市場，人們發現在越來越多的場合應用立體投影技術可以帶來更加真實的效果。立體投影技術加快了發展步伐，來適應人們的需求。在諸多領域，人們期待完美的立體效果，以便更有親眼所見的感覺。

1 3D全息投影技術簡介

全息術（holography），又被稱為全息照相術，全息攝影術[ 1 ]。3D全息投影技術不同于呈現于二維平面的攝像技術，它是一種再現物體的三維圖像，使人產生立體視覺的技術。就像對著名人畫作拍攝出的照片并不是畫作本身一樣，3D投影技術并不是還原真實的三維場面，而只是忠實地記錄三維世界的立體圖像再從視覺上還原。3D全息投影應用的技術是在膠片上記錄并保存光波的振幅和相位信息，并且在展示時通過光波信息再現展示三維圖像。

3D全息投影技術，是將激光發出的光線首先通過凸透鏡，形成兩束平面光線，其中一束投射到被攝物體上反射后，與另一束一起照到照相底片上[2]。沖洗完成后，底片再被投射原平面激光時可以還原原來的亮點。值得注意的是，這個亮點在三維空間中，并不在全息膠片上。綜合來說，全息技術通過記錄被攝物里反射或透射光波中全部信息（振幅，相位）實現3D視覺效果[3]。

2 其他全息投影技術

廣義上的全息投影技術并不單指通過某種特定方法使物體成像的顯像技術，而是一類能記錄并再現物體真實三維影像的技術的總稱[4]。有關全息投影的概念已經應用于生活之中。從純技術的角度看，其原理不盡相同，有很多種展示3D投影的方式。

2.1 倒金字塔型折射成像

有一種倒金字塔型的全息膜結構，常常也被認作是3D全息投影技術的實現。倒放的四棱錐的四個面是三角形的透明玻璃或者塑料片，構成全息膜。放置于特制的視頻源屏幕時，四個面與屏幕面成45°的夾角。這樣視頻源的四個特制視頻就折射到了空間之中。四個視頻源中的視頻是同步特制的，其折射到空間后，便可以同步播放，給人立體感。但嚴格來講，這只是偽全息術。因為倒金字塔全息膜是幾個二維圖像的折射投影，通過人眼“視覺欺騙”，給人立體的感覺。

2.2 非裸眼立體成像

電影院中的立體電影，是一種非裸眼3D技術，因為需要佩戴特制的3D眼鏡才能觀看立體影片。3D眼鏡的左右兩個鏡片不同，分別過濾掉呈現于大屏幕上的另一個畫面，僅傳給左右眼睛兩個同進度又略有不同的畫面，根據視差構建了立體效果。

2.3 光信息粒子成像

還有一種關于利用向空氣中發射攜帶光信息的粒子，使之在空間成像的立體投影技術的設想。但是由于很難控制粒子的分布，并且有可能造成環境的污染，這種想法目前仍停留在設想層面，沒有成為現實。從技術的角度看，若可以實現可控的攜帶光信息的粒子，那么這就是一種完全的立體3D技術，其帶來的影響非常巨大。

3 立體投影技術的應用前景

立體投影技術在市場上的應用相對來說遠遠不夠成熟。不過，隨著立體投影技術實現方式的完善和市場的需求，其應用會越來越多。下面淺談立體投影技術在幾個領域的應用前景。

3.1 教育領域

目前的課堂上多為理論介紹，而真正由老師展示實驗的機會卻很少。全息投影技術在教育領域的大規模應用，無疑是教育領域的大變革。

現在的課堂中，老師們多使用平面的PPT等教學輔助工具，相對之前的黑板板書提高了授課效率，可以收獲不錯的效果，但是在一些需要進行空間想象的學科的效果不免有所不足。立體投影技術的應用將改變這一局面——當化學老師在講臺上用全息投影技術向同學們展示原子結構，生動逼真的立體投影無疑可以進一步加深同學們對原子結構的理解，課堂氣氛也更有趣。

限于實驗的危險性和一些學校設施條件的不支持，中學課程中很多實驗，學生都是在視頻中學習的，這對學生實驗思維的訓練極其不利。若應用立體全息投影技術則可以讓學生身歷其境地感受實驗的魅力與樂趣。這一新型的師生互動教學體系無疑將極大程度上提高教學質量和水平。

3.2 醫學領域

目前，醫學領域的病情分析多依靠醫生對病人的病情檢驗報告進行分析，輔助以醫學設備如X光機的二維成像分析。這種技術只能幫助醫生和患者確定病源的平面大體位置，而無法確定在這一位置的哪個具體層次中。而全息立體投影技術則不同，通過將多張不同方位的X光片結果在電腦上進行結合建模，再通過全息投影技術呈現，可以快速找到發生病變的部位。

在治療過程中也可以運用立體全息投影技術，將治療藥物精準地送入最佳治療藥效位置。在生物領域這種技術已經有了實質性的突破，比如大連大連局醫學媒介生物實驗室研發制作出了一部蚊蠅動態展片，供學員們學習、觀看。展示片惟妙惟肖地呈現了蠅類攝食和蚊類叮咬吸血的全過程，實現了360°全息投影，加之蚊蠅飛舞的音效，更顯逼真[5]。

3.3 科研領域

3D全息投影技術在科研領域同樣有著其獨特的利用作用。當初沃森和克里克探究DNA結構是用的是實物制作模型模擬，現代科學研究時也多用的是實物模型模擬、平面圖像或電腦3D建模，實物模型雖然能更好表達想法，但是費時費力費資金.而3D建模成本較低，也能夠達到模型的作用，科研很方便的將自己的想法合理精確地表達出來。假如能將3D全息投影技術應用其中，結合實物模型和電腦3D建模的優點，那無疑將會給科技研究者節省大量制作模型的時間和精力，同時還能達到更精準、更完美地表達。

3.4 娛樂領域

作為現在人們生活娛樂的一大方式，人們對電影的要求也愈來愈高。雖然現在3D電影已經在各大電影院隨處可見、應用普遍，VR技術也已逐漸進入人們的視野，但是3D技術真實感仍可提升。目前觀看影院的3D電影，必須佩戴特制的3D眼鏡；VR技術則只能觀察自己的各個方向而不能調整觀察的物體的角度，而且VR技術現在的拍攝成本普遍偏高，有待進一步普及。而3D全息投影（偽全息術）的制作成本相對較低，只需要倒金字塔型的全息膜和經過軟件處理過的特殊視頻就可以實現，也無需佩戴設備。

如果可以運用該原理，那么就能將3D電影的優勢和VR的優勢結合起來，在立體真實感上更近一層樓。從各個方位都可以看到電影內容，可以自由地從各個角度觀賞自己喜歡的角色，再配合立體音效技術，這無疑可以大大提高觀眾的觀影體驗。所以，立體全息投影技術在影視方面的運用將會是影視界技術的一項革新。

3.5 生活領域

生活中，人們多利用二維攝像機進行留影，通過照片、視頻的方式記錄重要時刻。可照片、視頻都只是平面的，無法完美地呈現美好瞬間，而3D全息投影技術可以輕松解決這個問題。通過特殊攝像機進行不同角度的拍攝，處理后成為一副栩栩如生的3D畫面。它不僅能夠更好地從多方位記錄主體的特征，更能將主體附近的環境進行還原。

這項技術有著廣泛的應用前景：如果這項技術普及，那么名人紀念館里有的就不只是名人的相片，而是更完整的全身風采；明星的海報就不限于平面，更多就是3D全息投影；一個家庭的全家福也就不限于一張薄薄的相片；博物館里陳列的也不限于實物，一些國寶級珍貴文物可以用3D全息投影來代替實物，不再擔心被游客損壞或被竊。

4 結論

立體投影技術并不復雜，實現成本低廉。其在教育、醫學、科研、娛樂和生活等諸多領域均擁有很大的發展空間。立體投影技術將越來越深入社會，帶來諸多便利。也會與其他技術互相融合，促進更多領域的發展。相信在不久的將來，其能被廣泛地應用于方方面面，為社會帶來更多有意義的變化。

參考文獻

[1]張禹可.3D全息投影技術原理及應用[J].通訊世界，2018（8）：225-226.

[2]激光全息照相輪胎無損檢驗技術研究的階段報告[J].北京化工大學學報（自然科學版），1978（1）：107-116.

[3]莫瑞明.全息天線的理論和實驗研究[D].北京：中國科學技術大學，2011.

[4]謝煒杰.全息投影技術原理分析及其前景展望[J].現代商貿工業，2019，40（10）：195-196.

[5]王有，段忠輝，趙玉偉等.全息投影技術和大屏觸控電視在醫學媒介生物實驗室中的應用[J].口岸衛生控制，2016，21（3）：26-28.