CINEMA4D在類全息投影藝術(shù)中的應用研究

摘要：人工智能、5G技術(shù)的發(fā)展開創(chuàng)了三維影像時代，類全息投影三維技術(shù)在表演、展覽等活動中越來越受到市場歡迎。CINEMA 4D作為目前被廣泛使用的三維設計軟件，其技術(shù)運用將為類全息投影技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展帶來新的思路。文章通過文獻研究和案例分析法，研究目前三維全息投影的存在形式和應用范圍，基于佩珀爾幻象的偽全息投影及360度幻影成像系統(tǒng)，探討CINEMA 4D的特點以及它在類全息投影技術(shù)中的適用性，并通過具體實證應用，建立一種通過CINEMA 4D制作三維立體圖像，并通過LED屏幕和制作特定的成像空間，形成全息三維影像的方法，旨在探討CINEMA 4D在360度全息幻影成像展示系統(tǒng)的具體應用，為實踐工作提供參考。

關鍵詞：CINEMA 4D；全息投影；三維動畫；偽全息；三維展示設計

中圖分類號：TP391.9 文獻標志碼：A 文章編號：1674-8883（2022）06-0004-03

隨著人工智能、5G等技術(shù)發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)擁有更多的可能性，短視頻、直播、虛擬偶像、潮玩等行業(yè)發(fā)展勢頭迅猛，虛擬場景、虛擬人物、虛擬道具的廣泛應用，讓我們迎來了一個超越真實的虛擬三維影像時代。科學與藝術(shù)深度融合，社會生活中隨處可見虛擬空間與現(xiàn)實空間的融合，不僅僅是平面設計，影視包裝、攝影工作也需要三維思維協(xié)助搭建場景，生活空間和藝術(shù)空間由平面轉(zhuǎn)為立體。5G將開創(chuàng)新的全息影像時代，CINEMA 4D作為目前市場上被廣泛應用的三維設計軟件，在全息影像的應用領域具有極強的可開發(fā)和可研究性。

一、3D全息投影技術(shù)

（一）全息投影的概念

全息技術(shù)能夠解決一般攝影技術(shù)中無法記錄光波的深度信息的問題，通過激光照射物體，讓參考激光束和物光束產(chǎn)生干涉，通過分析干涉條紋的反差和間隔，從光波中的強度信息反推出深度信息，就可以獲得這個物體的全部光波信息。全息投影技術(shù)能獲取物體的全息圖，并通過衍射原理，多次曝光后，將全息圖還原再現(xiàn)成完整的虛擬三維影像。

三維圖像技術(shù)經(jīng)過多年發(fā)展，已不僅僅是記錄真實的圖像并再現(xiàn)為三維圖像，現(xiàn)在還可以看到很多實際并不存在的完全虛擬的三維影像，這些影像也不是靜態(tài)的，而是以動態(tài)的活動的方式呈現(xiàn)，甚至可以在真實的場景中與觀眾進行互動。隨著數(shù)字媒體技術(shù)、電影特效和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展和普及，單純的二維影像和場景已經(jīng)不能適應大眾審美價值和市場需求，特別是隨著5G技術(shù)的推廣，加載速度已經(jīng)不會再成為限制因素，更多的傳播場景將由二維轉(zhuǎn)換為三維，由靜態(tài)轉(zhuǎn)向動態(tài)。使用全息投影技術(shù)，用戶不需要佩戴3D眼鏡，就可以在現(xiàn)實空間中看到三維的立體圖像。

目前，人們在舞臺表演、博物館、體驗館、商業(yè)廣告等看到的全息三維影像，實際上并沒有獲取含有物體全部光波信息的全息圖，這并不是真正的全息技術(shù)，只能算是類全息或偽全息投影技術(shù)。這些技術(shù)大多利用佩珀爾幻象原理，創(chuàng)作者首先要制作好具有三維效果的真實圖像或數(shù)字圖像，然后通過投影儀投影在全息膜上，從而得到能懸掛在真實場景的半空中的三維圖像。

（二）目前全息投影的存在形式和3D技術(shù)使用范圍

真正的全息投影技術(shù)不需要借助任何的介質(zhì)，觀眾直接在現(xiàn)實空間就能看到三維立體影像，而且觀眾不再需要待在特定的一個角度才能看見三維圖像，而是從任何角度都能看見三維圖像的相應細節(jié)。但這種不用任何介質(zhì)的三維全息影像技術(shù)并未在市場上得到廣泛應用，已實現(xiàn)的類全息投影技術(shù)主要為以下幾種。

1.美國麻省理工學院研發(fā)的利用空氣投影的方式。它成功實踐了全息投影技術(shù)的一個新的想法，即先投影，再交互。這種技術(shù)以空氣中的氣流墻為介質(zhì)幕，這種氣流墻是由大量水蒸氣液化后形成的小水珠組成的，通過投影技術(shù)，把圖像投影到這種氣流墻上，就可以看到立體的三維影像。缺點是成像面積小，影像晃動。

2.日本一家公司研發(fā)的用激光束進行投影的方式。這種技術(shù)利用特定技術(shù)向空氣中噴射氮氣和氧氣，以這兩種氣體在空氣中混合后的物質(zhì)為介質(zhì)幕，通過投影形成三維影像，但是這種影像很快就會消失，需要不斷噴射氮氣和氧氣才能形成連續(xù)的立體影像。缺點是成像時間短，不穩(wěn)定，不具象。

3.南加利福尼亞大學研發(fā)的新技術(shù)，將一個可以高速旋轉(zhuǎn)的鏡子作為投射的載體，將圖像投射到這塊鏡子上，便可以獲得三維的圖像[1]。

（三）基于佩珀爾幻象的偽全息投影

全息和3D是兩個既相互獨立又有所關聯(lián)的概念，利用全息技術(shù)可以實現(xiàn)3D效果，3D效果是全息技術(shù)的一種呈現(xiàn)狀態(tài)，但是全息技術(shù)也被廣泛應用在其他方面，如產(chǎn)品防偽標志等。

佩珀爾幻象是目前市面上最常用的類全息技術(shù)。這種技術(shù)來源于最早的舞臺戲法，即德克斯幻覺效應，之后，佩珀爾創(chuàng)造了一種更簡單的技術(shù)，只需要一塊玻璃而不需要重建劇院，就能讓觀眾在舞臺上看見如同幽靈一般的幻象。目前市場上出現(xiàn)的這種類全息投影一般分為兩種。

采用180度平面透明介質(zhì)幕。投影機通過直投或者背投的方式，投影在全息膜上。例如，在初音的演唱會上就使用過這種全息投影技術(shù)。

采用45度斜面透明介質(zhì)幕。一般在舞臺的前方中央地面上安裝一塊LED屏幕，覆蓋全息膜的介質(zhì)幕與舞臺成45度角組裝，在LED屏幕上播放的視頻便可以通過45度的介質(zhì)膜，經(jīng)過光的折射，在舞臺上形成虛幻的三維立體影像，這種效果更好。

在2013年周杰倫的演唱會上曾使用過這種技術(shù)，讓觀眾看見了鄧麗君的虛擬形象。特效團隊通過收集大量鄧麗君生前的細節(jié)畫面并進行分析，然后通過模型重建構(gòu)建了虛擬人，通過動作捕捉讓虛擬人以鄧麗君的神態(tài)動起來，最后將虛擬人形象導入虛擬現(xiàn)實軟件進行調(diào)試、渲染、導出，經(jīng)過上百次修改最終完成了鄧麗君的虛擬三維形象，而后通過高清投影將已經(jīng)制作好的鄧麗君虛擬形象表演視頻影片在舞臺的屏幕上播放[2]。

表演舞臺上出現(xiàn)的虛擬人物形象大多使用了這種技術(shù)，演員在舞臺下方進行表演，在舞臺前方設置一塊透明玻璃或者介質(zhì)膜，它與舞臺成45度角，燈光照在演員身上，再通過玻璃或者介質(zhì)膜，經(jīng)過折射，就可以在舞臺上看見虛擬的演員形象。現(xiàn)在舞臺照明燈光技術(shù)日趨完善，這種表演已經(jīng)真假難辨。比如2018年春晚周杰倫演唱《告白氣球》，表演過程中使用高流明亮度的激光工程投影機，以如紗般的薄幕為介質(zhì)，表現(xiàn)虛擬場景。

（四）360度幻影成像系統(tǒng)

全息幻影成像根據(jù)角度不同有幾種不同類型。其中，180度幻影成像，一方面對真實的產(chǎn)品進行實拍，另一方面利用凹面鏡和半透反光鏡，構(gòu)建三維形象并進行平面展示，這種成像方式較多應用于大型的舞臺表演、發(fā)布會等。360度幻影成像，相對于180度的幻影成像，這種成像不是出現(xiàn)在舞臺上，而是懸浮在半空中，并和周圍的實景融合在一起，具有更強的立體感，觀眾如同置身于真實和虛擬融合的世界中，這種技術(shù)主要應用在展覽館、博物館等場景。

360度幻影成像系統(tǒng)是全息膜和背投顯影技術(shù)的融合。這種系統(tǒng)可以把柜體的四個面做成窗口，360度展示產(chǎn)品；可以在柜體的四面安裝上觸摸屏，觀眾通過操作觸摸屏，實現(xiàn)對三維模型的旋轉(zhuǎn)、移動等，實現(xiàn)三維影像和觀眾的交互；也可搭建舞臺，讓虛擬的三維影像或動畫角色和真實的演員同臺表演。

二、CINEMA 4D在全息影像中的適用性

CINEMA 4D軟件是一款綜合性的高級三維繪制軟件，運行速度和渲染速度都很快，功能強大卻使用便捷，在眾多領域中都有出色的表現(xiàn)。

（一）CINEMA 4D的特點

第一，界面簡潔且功能強大。CINEMA 4D的界面簡潔，內(nèi)置功能豐富，可以輕易實現(xiàn)三維設計相對復雜的貼圖繪制、雕刻等。層級關系清晰，用圖標化設計代替繁雜的操作步驟，參數(shù)更少，大部分功能可以一鍵完成，容易上手。

第二，強大的渲染器及插件。CINEMA 4D擁有強大的內(nèi)置渲染器，渲染速度快且質(zhì)量高，只要調(diào)節(jié)好默認渲染器的材質(zhì)，就可以快速呈現(xiàn)效果。

第三，兼容性高。CINEMA 4D可以與 Adobe Photoshop、Adobe Illustrator、Adobe After Effects（簡稱AE）等軟件無縫銜接，CINEMA 4D可以將三維數(shù)據(jù)導出給AE，與AE完美進行銜接[3]。

第四，強大的預設庫。在CINEMA 4D軟件中預置了很多在三維設計中需要用到的素材，如模型、貼圖、材質(zhì)、照明、環(huán)境等，用戶不需要逐個進行參數(shù)設置才能得到相應效果，能夠縮短工作時間，提升工作效率。

第五，方便的手繪功能和特色功能運動圖形模塊。

（二）CINEMA 4D與其他三維軟件的比較

CINEMA 4D在國外流行已久，但在中國起步較晚。在游戲和建筑行業(yè)中多使用3ds Max建模，與它配合的插件也很豐富。Maya多用在影視特效方面，但必須學會mel語言，上手難度大，受眾群體小。

CINEMA 4D具備三維設計軟件的完善功能，但更注重軟件的合理操作和高效，豐富的工具包比其他軟件操作更簡便、效率更高，新用戶也容易上手。

（三）CINEMA 4D適用范圍

1.影視特效制作。《毀滅戰(zhàn)士》《阿凡達》《黃金羅盤》里的動作特效及場景都曾使用CINEMA 4D參與制作。

2.電視欄目包裝和視頻設計。CINEMA 4D在全球被包括MTV、FOX、TBS、ABC、BBC等廣播公司認為是最佳應用于三維圖像的軟件。

3.建筑設計。用CINEMA 4D制作家裝效果圖，進行產(chǎn)品和靜幀產(chǎn)品渲染也開始興起。

4.產(chǎn)品設計。多應用在產(chǎn)品包裝，廣告制作，特別是高端的電子產(chǎn)品模型。

5.平面設計。使用實景合成做創(chuàng)意類場景或者效果圖，海報中立體字的設計。

三、CINEMA 4D在全息影像中的技術(shù)應用

目前，360度幻影成像展示系統(tǒng)所使用的三維圖像或者視頻來源，大部分是先通過三維設計軟件進行建模、制作虛擬動畫，然后分別錄制和導出虛擬形象正面、背面、左面、右面四個角度視頻，再通過視頻剪輯軟件進行合成，完成的視頻就可以在類全息投影系統(tǒng)的屏幕中播放。CINEMA 4D以其豐富的三維設計功能和簡單快捷的使用方式，可以在360度全息幻影成像展示系統(tǒng)中應用。

（一）實現(xiàn)流程

CINEMA 4D在360度全息幻影成像展示系統(tǒng)的應用，主要是指將三維動畫轉(zhuǎn)換為全息動畫的方法。包括使用CINEMA 4D軟件完成對虛擬圖像或動畫的制作，進而導出這個虛擬圖像前后左右四個面的圖像，或錄制三維動畫模型四個面的視頻，將三維數(shù)據(jù)分解成同個虛擬圖像或動畫四個面的成像信息，并添加到播放設備的相應位置上，再通過正四棱錐形狀的成像空間，把四個面的圖像匯聚為三維立體圖像。這個椎體為由透明聚氯乙烯材料用膠拼接制成的金字塔形狀的正四棱錐物體。

三維動畫幻象顯示方法，包括如下步驟：

第一，以三維動畫角色為中心點，圍繞角色在前后左右四個方向等間距設置四部攝像機。

第二，四臺攝像機分別錄制拍攝這個三維動畫角色的動畫視頻。

第三，將同個三維動畫角色四個動畫視頻放到LED顯示屏上播放。

第四，LED顯示屏上播放的每個動畫視頻，分別投射到覆蓋有全息膜的同個正四棱錐的其中一個面上，最后匯聚到同一成像位置，形成立體影像。

（二）硬件設計

第一，LED顯示屏。用于播放并投影同個三維動畫角色的前后左右四個投影源動畫。

第二，成像空間。成像空間是指采用透明聚氯乙烯材料用膠拼接形成的正四棱錐空間。這個正四棱錐的每個面上都覆有全息膜，同個三維動畫角色的四個投影源動畫分別投影到對應的正四棱錐的其中一個面上，最后匯聚到同一成像位置，形成具有真實三維空間的立體影像。

為了得到更好的三維立體影像，正四棱錐的錐體高度為這個三維動畫角色高度的1～1.5倍，正四棱錐的錐體邊長為其錐體高度的2倍。正四棱錐錐體的錐頂需要靠近LED顯示屏的中心點，而錐底需要遠離顯示屏的中心點。正四棱錐的每個三角面與顯示屏的屏幕呈45度角。

第三，投影支架，用于固定顯示屏和成像空間。

（三）CINEMA 4D設計流程

1.源模型制作。通過CINEMA 4D提供的建模工具創(chuàng)建虛擬形象模型，或直接導入外部收集的現(xiàn)實模型素材，添加材質(zhì)、燈光和動畫，或使用人偶工具，完成源模型和動畫制作。

2.四面源動畫錄制。使用CINEMA 4D內(nèi)置功能制作視頻投影源，同個三維動畫角色一共需要錄制四個投影源動畫，分別從三維動畫角色的前后左右四個視角采集錄制源動畫視頻，四個投影源動畫的格式由全息圖像序列幀合成，全息圖像為TGA圖像格式或PNG圖像格式。

3.視頻合成。將錄制的三維動畫角色的四個方向的源動畫通過視頻處理軟件合成為一個源視頻，在LED屏上播放。

四、結(jié)語

CINEMA 4D功能全面強大，同時容易上手，在眾多行業(yè)中得到了良好的應用。360度幻影成像展示系統(tǒng)是利用佩珀爾幻象原理實現(xiàn)的類全息投影技術(shù)。我們可以利用CINEMA 4D制作三維立體圖像，并形成主體投影源前后左右四個面的三維動畫視頻源，而后通過屏幕播放影片，并投影在覆蓋有全息膜的正四面錐體的成像空間內(nèi)，從而實現(xiàn)立體的三維圖像再現(xiàn)。這種技術(shù)將幫助設計師掌握快速表現(xiàn)和搭建三維虛擬形象的能力，并應用于課堂教學、展覽展示等行業(yè)中。

參考文獻：

[1] 楊毅.論全息投影技術(shù)中虛擬角色制作與設計[J].科教文匯，2013（28）：94，98.

[2] 李棟.全息投影技術(shù)在演藝活動中的應用[J].中國傳媒科技，2013（3X）：129-130.

[3] 孫春燕. Cinema 4D與影視后期合成軟件的交互應用研究[J].西部廣播電視，2021，42（15）：234-236.

作者簡介 陳丹，碩士，助教，研究方向：新媒體、影視藝術(shù)。