便攜式3D全息投影裝置設計研究

何悅菡 楊曉蕊

南京工業職業技術大學藝術設計學院 江蘇南京 210000

全息投影技術也稱虛擬成像技術，是利用干涉和衍射原理記錄并再現被投影物體的虛擬三維圖像的技術[1]。全息投影突破了傳統聲、光、電的局限，使信息傳播不再轉瞬即逝，在不需要展示實物的情況下便可實現產品三維立體圖像的再現，給人們帶來了全新的視覺體驗[2]。

近年來，隨著全息投影技術在視覺傳達、展覽展示、舞臺美術等文化藝術領域的不斷發展和廣泛應用，各種新型數字全息技術應運而生。全息投影技術不僅能夠呈現出靜態和動態的虛擬場景，而且能使觀眾與虛擬場景進行交互，創造出穿越時空的視覺感受，形成令人印象深刻的效果，展現出獨特的藝術形式。

全息投影技術最早是作為波前重現的概念，在1948年由英國人斯蓋伯提出。1962年，美國人雷斯和阿帕特尼克斯將通信行業中“側視雷達”理論應用到全息投影技術上，并發明了離軸全息技術[3]。到了20世紀90年代，研究人員開始使用CCD等光敏電子元件代替傳統的感光膠片或新型光敏等介質記錄全息圖，通過電腦模擬光學衍射來呈現影像，這使得全息圖的記錄和再現真正實現了數字化[4]。目前全息投影在技術上還未能完全擺脫介質的束縛，主要是用白光來記錄并再現全息投影圖像[5]。隨著經濟的快速發展和互聯網技術的突飛猛進，全息投影技術越來越成熟，應用領域也越來越廣。

一、全息投影技術的應用

在國內，3D全息技術廣泛應用于遺址公園、城市規劃、博物展館等場所，在舞臺美術領域的應用則更為頻繁，如2018年平昌冬奧會的“北京8分鐘”，威尼斯雙年展以故宮博物院為主導的“記憶與當代”節目等。

2020年，宋“潮”游樂園紹興展《清明上河圖3.0》，運用15臺NEC PX753UL+高端工程投影機打造的長35米，高5米高清動態長卷，將文化、科技和藝術融為一體，在“動”與“靜”之中讓文物“活”起來，成為紹興文旅融合的新范式。同年6月，珠海板樟山新增隧道正式啟用，通車后打造了近400平方米的側幕投影，將海洋特色元素融入珠海城市文化之中。

在博物館展覽中，可以用全息投影技術對精細手工藝品、微小的展品進行展示，讓影像立體細致地再現于空中。觀眾不僅可以看到逼真的三維虛擬影像，還可以和虛擬影像互動。在科普教育領域，全息投影技術打造了虛擬3D世界中有空間深度的沉浸式學習體驗，這種立體視覺效果所呈現的內容能更好地幫助青少年提高對科普知識的學習興趣[6]。

二、便攜式3D全息投影裝置設計制作

目前市場上廣泛應用的3D全息投影技術其實是一種偽全息投影技術，主要是根據佩珀爾幻象原理，利用透明全息膜作為介質，使得物體在透明全息膜中形成懸浮于空中的立體虛擬影像，讓觀眾可以通過各個視角進行觀察。而真全息是不依靠全息介質直接在空氣中成像，這種技術產品成本頗高[7]。同時，大部分3D全息投影設備造型單一，體積大不便攜帶，顯示屏幕也較厚重。根據前期市場調研和對主要消費人群的問卷調查，我們組建了跨專業的大學生創新創業團隊，依托南京工業職業技術大學藝術設計學院3D打印虛擬仿真實訓平臺和藝術實訓工坊，開展如何利用偽全息投影技術，設計制作便攜式3D全息投影裝置的研究工作。

3D全息投影裝置的成像需要制作圖片或視頻文件，在前、后、左、右四個角度同時進行影像投影，倒金字塔形的全息投影膜由四個上底、下底、高的比例為1∶6∶3.5的等腰梯形組成。投影時利用空氣密度形成的衍射原理，將投影設備放置在倒金字塔形全息投影膜的中心頂部，播放圖片或視頻文件投影從而產生立體影像。

(一)燈塔3D全息投影裝置

研究項目的第一個方案偏重于外觀設計，以燈塔為造型元素，配色為簡潔大方的黑白構成，底座結構為穩固的四面體倒金字塔造型，對稱而統一。上部投影支架和下部底座支架都可以靈活拆卸成片狀板材，便于收納。支架材料采用PVC塑料板材，金字塔狀全息投影膜則采用3mm透明亞克力板，切割成四片相同的薄殼，用克立邦黏接劑黏接成型。使用時將全息視頻播放屏幕向下放置于投影支架頂部，調整位置和金字塔結構中心對齊，即可觀賞到生動形象的全息影像。

圖1 燈塔造型投影裝置

(二)磁懸浮3D全息投影裝置

第二個裝置設計方案利用磁力克服重力的磁懸浮技術，整體外觀提取蓮花基本造型元素進行仿生設計，底部采用幾何切面的層疊結構，簡潔美觀而又對稱穩固。花瓣造型的全息投影膜采用四個完全相同的帶有圓柱形軸承的等腰梯形亞克力板，運用軸承結構與支架部分進行連接達到可翻折效果，當翻折到特定角度組合成金字塔狀的全息投影屏。

支架組件包括與亞克力板連接的凹槽設計支架，放置投影素材的平臺以及與磁懸浮臺接觸的磁鐵底部，底座組件包括可收納全息投影裝置部分的收納槽一面和用作磁懸浮平臺的一面。整個裝置色調以黑白為主，簡約明快。支架和底座使用3D打印光敏樹脂材料打印制作而成，底部加入超導體，體積小巧，翻折收納后幾乎不占空間，適合不同場合的產品展示或居家觀賞使用。

圖2 浮世白夜花全息投影裝置

(三)榫卯結構3D全息投影裝置

該裝置設計融入了中國傳統榫卯結構工藝，代替常用的釘子、螺絲等現代組裝方式，以木質結構榫接而成，外觀設計古樸典雅。在選擇材料時，項目組分別實驗了塑料和金屬材質，結果表明塑料單過于單薄，而金屬材料對于加工儀器和操作要求較高，木質材料有著自然美觀的紋理且質輕、強度大，彈性和韌性比較好，在干燥條件下耐久性好，相對易于加工。

裝置在保證遮光性的前提下在兩側采用梯形結構遮光板，能更清楚地觀察全息影像的各個細節特征，也使得影像更為逼真。全息投影投膜也采用3mm透明亞克力板材質制作，在兩邊梯形遮光板的底部各自設有長方形卡槽，整體裝置底部兩側各設有一個插銷式榫卯結構，用于固定投影設備。

圖3 榫卯結構全息投影裝置

三、便攜式3D全息投影裝置設計創新性

(一)結構的創新性

經過市場調研，目前國內市場上的全息投影裝置多用于展覽展示以及舞臺美術。由于裝置設備的體積和重量都較大，結構也多為不可折疊的固定支架，運輸和使用時會產生諸多不便，這使得全息投影產品難以得到普及。項目組根據產品使用情境和人因測試，嘗試在結構上設計小巧且方便使用的便攜式全息投影裝置。

燈塔3D全息投影裝置設計采用了四面體對稱的穩固結構；浮世白夜花3D全息投影裝置運用可翻折的軸承構造的投影屏，底部托架結合磁懸浮技術；榫卯結構3D全息投影裝置作品在較大程度上是對古代榫卯家具的再現，對部分組件進行一定創新設計。項目實驗的三個方案主要對便攜式3D全息投影裝置的外觀造型設計進行創新，也在不同程度上對支架結構進行了探索。

(二)造型的多樣性

隨著產品更新換代的速度越來越快，制造業競爭不斷加劇，產品設計中趣味性、娛樂性占據的比例也逐漸提高，對于產品造型的個性化需求也越來越多。項目小組不僅采用磁懸浮技術和傳統木質榫卯元素對支架結構進行創新，造型設計上也突破了常規的四方柜體造型，融入仿生植物、中國傳統文化等元素，在形式上帶來了更多變化。傳統榫卯結構與極簡幾何形造型結合，給人一種虛擬與現實并存的感覺。

三個產品方案配色以黑白和自然原木色為主，契合了現代快節奏生活下人們對簡約自然風格的喜愛和追求。黑白配色是設計中的經典配色，也是電子產品的主流色彩。而原木配色素雅清爽，能營造溫馨的空間氛圍，呈現自然親和的氣質。后期的方案設計過程中，將進一步以提高產品審美品味為目標，探索外觀造型的多樣性，讓消費者能夠根據自己的喜好進行個性化定制，從而更深入地探索光影世界。

(三)材質的跨界

當前市場上的3D全息投影膜主要有半透明全息技術膜、透明全息膜、淺灰色投影全息膜、玻璃鏡面全息膜等不同種類[8]。新型的電子技術可調整光源薄膜，不同的貼膜技術還可以控制全息膜的透明度，但這類產品價格都十分昂貴。根據大創項目的預算經費，項目組采用3mm透明亞克力板制作全息投影膜。亞克力板具有透光性能好、顏色純正、平整堅固、使用壽命長等特點，能夠大大降低制作成本，保證3D全息投影成像的清晰度。

在項目實踐中，面對產品原型設計中的結構不完整、不確定的劣構問題，往往需要迭代反復，不斷創建、測試、修改方案與模型。3D打印技術能夠使設計方案快速成型，調整產品的外觀造型，優化分析產品的復雜結構。項目組依托南京工業職業技術大學藝術設計學院3D打印虛擬仿真實訓平臺和藝術實訓工坊，運用光固化3D打印技術、木加工技術等制作全息投影支架結構，極大地提高了學生的產品設計創新能力和學習積極性。

四、研究成果

我們將便攜式3D全息投影裝置設計制作引入大學生創新創業項目，專業導師從創新作品的關鍵技術指標和設計思路等方面進行指導，引導學生正確科學的研究思路；企業導師在產品結構、3D打印儀器操作等方面進行指導，雙管齊下，助力學生順利研制創新成果。

項目小組成員經過專業知識的學習和導師的指導參加了iCAN全國大學生創新創業大賽、“陶天下杯”江蘇省大學生工業設計大賽、“挑戰杯”全國大學生課外學術科技大賽、江蘇省科普公益作品設計大賽等一系列大學生創新創業大賽，并取得了不俗的成績。同時，在目標驅動下積極探索設計創新方法，申報并授權了一批實用新型和外觀新型專利，在實踐和科研上都取得了較大進步。

結語

3D全息投影技術通過模擬人體視、聽等感受，給人們帶來新穎逼真的體驗，相比傳統的二維平面展示有著交互性強、效率高、對產品信息化集成度高且傳播更廣的優勢[9]。在藝術設計領域，這種全新的展示方式更利于表達設計概念，突出產品設計理念，更加具有個性和視覺沖擊力。

為了更好地發展和普及3D全息投影技術，使其結構更合理、工藝更簡化、材料更節省，項目小組進行了一系列便攜式3D全息投影裝置的創新性設計，以滿足市場競爭和消費者的需求。隨著手機高清全息投影芯片的投入使用，大規模利用3D全息影像技術進行日常社交活動也將成為可能，我們相信隨著虛擬現實在生活家居和科普教育領域的普及，未來全息投影技術將不斷地創新，使其成為生活的一個新方式和發展方向。