全息投影技術在煙花上的應用創意研究

張 鵬

（上海工程技術大學，上海 201620）

煙花文化是世界精神文化的代表，也是世代中國人的智慧結晶，煙花爆竹更是國務院確定的中國優秀傳統文化產品。但是近幾年由煙花爆竹引起的安全事故頻頻發生，并且煙花的燃放對城市環境和人體健康都有極大影響，我國對環境的保護力度日漸加強。為保障人民生命財產安全，減少環境污染，創建良好居住環境，各地政府陸續出臺“煙花爆竹禁放政策”。“禁放令”出臺之后，環境確實得到了重大改善，但是曾經的煙花文化卻大大受挫。

當前面臨環境保護與人文習俗的沖突，環境保護是為了老百姓生活得更舒適安全，人文習俗的開展則充實了老百姓的精神文化，為解決這個矛盾目前有學者研究了“電子煙花”，但它們原理大都以LED 或發光二極管來呈現煙花的光彩[1]，而本文則提出全息投影的新型煙花創意。

1 全息投影技術的發展及原理

“光波的記錄與再現”由英國籍匈牙利科學家丹尼斯?斯蓋伯（Dennis.Gabor）提出，從而誕生了光學全息及光學信息處理這一對人類文明有重大貢獻的光學新科學，并因此獲得了諾貝爾物理學獎。之后，越來越多的科學家熱衷研究全息顯示，到20 世紀90 年代全息圖的記錄與再現實現了數字化，2001 年德國國家實驗室首創研發了全息膜技術使三維圖像再現成為可能，2003 年首次成功應用于全息投影技術中，而后全息顯示領域得到高速發展，并逐步應用于視覺藝術領域中[2]。

全息投影技術是利用光的干涉和衍射原理[3]，將記錄樣本的信息以干涉條紋的形式記錄下來，并通過再現光照射記錄介質還原記錄樣本的一種技術。該技術是全息攝影技術的逆向展示，本質上是通過在空氣或者特殊的立體鏡片上形成立體的影像，創造了一個真實和虛幻相結合獨特的效果，具有強烈的縱深感，且似有似無，真假難辨，讓觀看者有一種身臨其境的感覺，好像真實的東西就發生在眼前一樣。

目前全息投影技術分為三種：（1）在美國一位叫Chad Dyne 的29 歲理工研究生發明了一種空氣投影和交互技術，這是顯示技術上的一個里程碑，它可以在氣流形成的墻上投影出具有交互功能的圖像。此技術來源海市蜃樓的原理，將圖像投射在水蒸氣上，由于分子震動不均衡，可以形成層次和立體感很強的圖像。（2）日本公司Science and Technology 發明了一種可以用激光束來投射實體的3D 影像，這種技術是利用氮氣和氧氣在空氣中散開時，混合成的氣體變成灼熱的漿狀物質，并在空氣中形成一個短暫的3D 圖像。這種方法主要是不斷在空氣中進行小型爆破來實現的。（3）南加利福尼亞大學創新科技研究院的研究人員宣布他們成功研制一種360 度全息顯示屏。

2 全息投影的廣泛應用

當前全息投影技術的應用在攝影上是最普遍的，與普通攝影技術相比，全息照片記錄了物體光波的全部信息，所以再現的物像是與原物像一模一樣的立體像，而且優于普通立體像的效果。

在建筑行業中，它在沙盤上投影呈現樓房模型或是室內裝潢設計模型，不需要像傳統模型那樣費時費力地組裝，它簡單清晰全面地向觀看者提供了房屋構造[4]。

在舞美應用中，不僅可以產生立體的空中幻像，還可以使幻像與表演者產生互動，一起完成表演，產生令人震憾的演出效果[5]。2013 年周杰倫在演唱會上與鄧麗君實現跨時空同臺演唱，以及人們熟知的日本虛擬歌手“初音未來”、亮相央視春晚的虛擬歌手“洛天依”都是依靠全息投影技術。

3 全息投影煙花的創意設計

煙花的樂趣主要有兩點——在夜空中綻放時的鮮艷亮麗、各式的美麗圖案、爆炸聲響的“除年”習俗和聲音帶來的熱鬧歡樂。一個是視覺享受的舒適，一個是聽覺震撼的體驗。我們只要解決了這兩方面的安全進行，那么煙花文化是不是可以繼續盛行了呢？視覺，或許全息投影可以解決這個問題，而聽覺來源則可由音響輸出。

利用上文所述“海市蜃樓”原理即空氣投影交互技術。海市蜃樓的形成是由于全反射原理，全反射的形成條件是光線以一定角度從光密介質進入到光疏介質中，而因為冷空氣的密度大于熱空氣，所以冷空氣和熱空氣可形成一對光密介質和光疏介質。然后我做了一個大膽的創意設計，底部是一個與傳統煙花相似的“盒子”為該項目裝置的主體，其內部主要有三塊構成，全息投影儀器、“水彈”裝置、音響裝置，然后通過串聯使之形成整體聯動。其中“水彈”裝置頗為復雜，它的功能有壓縮空氣、加熱、發射、噴灑，其大小與爆竹相近，其表面還有一個引爆裝置，內部是壓縮的空氣。以下分別為兩個創意模型。

1.模型一發射升空型：“水彈”裝置為發射型，其發射原理為氣槍的發射原理（即使用壓縮空氣為動力，使用“空氣壓縮機”給儲氣倉充氣，用一段高壓氣管通過氣壓表和氣瓶連接達到一定氣壓值時“水彈”將被射出），使用前加入一定數量“水彈”。開啟開關后首先會在“水彈”裝置中對“水彈”進行熱處理，然后發射，最后在最高點爆炸形成投影所需的水蒸氣。

此時需要“水彈”、投影儀器和音響三者聯動，在水彈升空的同時會伴隨著音響配合仿煙花升空的音效，至水蒸氣形成投影煙花產生，隨即音響配合發出煙花爆炸聲，流程見圖1。

圖1 模式一運行過程

優點：煙花燃放的真實性高、觀看者體驗感強（每升空一次“水彈”會形成一次煙花）。

缺點：水彈制作難度高、成本高（水彈為一次性、水彈上還得裝配爆炸裝置、并且“水彈”制作麻煩難以自行生產，只能交由工廠制作，需要購買）。

2.模型二噴灑型：“水彈”裝置為非發射裝置，而是一個噴灑型裝置，也是使用壓縮空氣為動力，使用“空氣壓縮機”給儲氣倉充氣，用一段高壓氣管通過氣壓表和氣瓶連接達到一定氣壓值，然后內部進行熱處理，最后噴出熱空氣形成投影所需水蒸氣。

底部持續噴灑形成水蒸氣，此時只需要投影儀器與音響的聯動，達到煙花爆炸的視覺與聽覺效果，直至“水彈”裝置無法噴出熱空氣整個裝置就自動停止，流程見圖2。

圖2 模式二運行過程

優點：“水彈”制作簡單、成本低（投影所需“水彈”只需要加入空氣，可以自行直接裝配，自給自足）。

缺點：煙花真實性低于模型一。

4 結語

本文對全息投影技術的原理、發展及目前的應用情況做了簡要說明，并以全息投影技術為基礎提出新型煙花的創意設計。目前全息技術正在茁壯成長中，然而中國對此方面的研究還落后于他國，但我們不會氣餒，相信只要牢牢地抓住機遇，我們中國以其驚人的進步速度和科研精神必會推進其發展。當下3D 技術正在被科技界追捧，全息技術正被嘗試應用在各行各業，全息投影技術發展態勢大好，未來的發展前景不可估量。