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

全息投影技術屬于3D 技術的一種，指利用干涉原理記錄并再現物體真實的三維圖像的技術。隨著全息投影等相關技術的不斷發展，一些原本只在科幻電影里面才出現的情景已經慢慢地走進了我們的生活。

全息投影最大的特點是觀眾在無需佩戴任何輔助設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展空間，包括教育、商品展出、視覺藝術等。

1 全息成像原理

全息投影技術是利用照明物體的反射光波承載著物體形態的信息傳播。用記錄介質把攜帶信息的光波記錄下來，再通過反射與衍射等原理實現光波的再現，本質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，而全息投影技術是真正以裸眼的方式實現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。空氣成像的靈感是海市屋樓的成像原理，需要一套投影系統包括一臺投影機(例如空氣成像攝影機)和一個空氣屏幕系統，成像需要盡量較暗或者背景具有強烈黑白對比度的環境。缺點是僅有正面180°成像，成本昂貴，真實實現效果未知。投幕式全息投影采用光源折射45°成像在幻影全息膜上，進而形成全息影像。目前廣泛運用于機場等大型地點。它所需的環境光線盡量較暗，避免強光。與空氣成像的缺點相似，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。根據光學原理，匯集到一起后形成具有真實維度空間的立體影像。根據對比，全息投影展示柜的成像更符合日常需求且制作較為方便，所以本次實驗研究成像方式選擇了全息投影展示柜。

3 全息膜規格對比

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行成像效果的測試，測試結果如表1 所示。

經過多次實驗數據的對比，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。我們實驗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 種材料所構建的金字塔裝置進行成像比較，研究結果見表2 所示。

表1 不同全息膜的特性

表2 3種材料成像比較

經過多組實驗，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

根據以上綜合數據和現有的材料，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。我們在分析多種實驗數據結果之后，將現有尺寸的顯示屏作為依據，以確定最合適的全息金字塔的尺寸。根據數據對比，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。根據對比試驗數據所示，亞克力板+全息投影膜所顯示的成像只有在黑暗的環境下成像比較清晰，而在白天甚至是相對強光的情況下成像模糊甚至不成像。當選擇黑茶色PVC 透明硬片，實際厚度為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膠帶將邊縫粘貼住，放置一段時間后使得更加堅固穩定。

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行重合從而確定金字塔的擺放位置，這個裝置的優點是固定性好且易觀看各個角度的成像。

6 與實際情況相結合應用

本次成像研究在Windows XP，32 位操作系統下，在其他電腦上采用3DsMax 實現校名石的建模，鏡像出四個像并添加旋轉動畫，在同一時間內同時旋轉并渲染視頻，視頻使用QQ 影音進行循環播放。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在空中，相比于市場上大部分需要在黑暗的環境進行顯像較為方便，而且成本較低。

圖2 校名石全息成像效果圖

7 結束語

全息成像克服了空間的約束，使得虛擬現實與全息成像相結合。只需建模導出合成視頻之后便可實現一臺設備展示多個模型，極大地節省了空間位置。未來與計算機進行結合，可以添加感應切換和語音講解等功能，節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展潛力。