全息投影技術(shù)的發(fā)展及在產(chǎn)品設(shè)計(jì)教學(xué)中的應(yīng)用初探

楊振華 徐文杰 潘偉

摘 要：全息技術(shù)是指真實(shí)三維圖像的記錄和再現(xiàn)，最早于1948年由英國(guó)物理學(xué)家丹尼斯·伽伯（Dennis Gabor）提出，2003年首次成功應(yīng)用于全息投影技術(shù)中。如今全息投影技術(shù)已經(jīng)逐漸延伸至國(guó)內(nèi)，并在一些領(lǐng)域進(jìn)行了成功的嘗試。本文探討未來(lái)全息投影技術(shù)應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)教學(xué)的優(yōu)勢(shì)，并認(rèn)為全息投影技術(shù)將給傳統(tǒng)課堂教學(xué)帶來(lái)新的推動(dòng)力。

關(guān)鍵詞：全息投影技術(shù)；產(chǎn)品設(shè)計(jì)教學(xué)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP37文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：2095-9214（2016）07-0107-02

一、引言

上世紀(jì)90年代中期，美國(guó)成功進(jìn)行了某種武器的試驗(yàn)，在虛擬戰(zhàn)場(chǎng)上借助科技手段制造出各種目標(biāo)幻象，包括飛機(jī)、坦克、艦艇、整支戰(zhàn)斗部隊(duì)等。在索馬里使用一種神秘武器進(jìn)行了一次投影效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，將受難耶穌的巨幅頭像投射到風(fēng)沙迷漫的空中，使敵方人員產(chǎn)生了強(qiáng)烈的心理震懾。這種神秘的“幻覺(jué)武器”就是依靠3D全息技術(shù)而實(shí)現(xiàn)的。

如今，這種先進(jìn)的光學(xué)技術(shù)在我們周?chē)_(kāi)始斬露頭角，比如“初音未來(lái)”作為世界第一個(gè)應(yīng)用全息技術(shù)的虛擬歌手出現(xiàn)在20l1年的東京演唱會(huì)上。它利用真實(shí)模特與數(shù)字全息投影技術(shù)交錯(cuò)展現(xiàn)服裝，成為在世界服裝史上第一次將高科技引入時(shí)尚秀場(chǎng)；2014年8月，全息技術(shù)再度驚艷亮相南京青奧會(huì)。同樣，在教育領(lǐng)域中，全息投影技術(shù)的介入將有效解決目前二維多媒體演示的缺點(diǎn)，并實(shí)現(xiàn)“全角度、全方位、全交互”的理想功能。這些優(yōu)勢(shì)同樣也會(huì)給產(chǎn)品設(shè)計(jì)教學(xué)方式、方法帶來(lái)新的變革。

二、全息投影技術(shù)發(fā)展概述

全息技術(shù)是1948年英國(guó)物理學(xué)家丹尼斯·伽伯（Dennis Gabor）為改善電子顯微鏡成像質(zhì)量提出的重現(xiàn)波前的理論，并于1971年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。受當(dāng)時(shí)條件限制，沒(méi)有純凈的可以進(jìn)行相互干涉的光，科學(xué)家無(wú)法獲得高質(zhì)量的全息圖像。20世紀(jì)60年代，隨著激光器的出現(xiàn)，美國(guó)密執(zhí)安大學(xué)的埃梅蒂·利斯與朱里斯·尤佩尼克拍成了第一張全息相片，全息技術(shù)才有了蓬勃快速的發(fā)展。一般說(shuō)來(lái)，全息技術(shù)的大致分為以下四個(gè)階段[1]。

第一階段是全息技術(shù)的萌芽期，有人也稱第一代全息。它是用汞燈作為光源的。這一階段的全息技術(shù)存在著兩大缺陷：首先，原始像與共軛像無(wú)法分開(kāi)，另一個(gè)是光源的相干性較差，此時(shí)研究進(jìn)展囿于技術(shù)原因進(jìn)展極為緩慢。

第二階段是利用激光記錄，使激光再現(xiàn)而產(chǎn)生的離軸全息圖，稱為第二代全息。它由參考光與物光干涉而形成全息圖，然后將離軸的參考光全息圖進(jìn)行照射，使其產(chǎn)生在空間上互相分離的三個(gè)衍射分量。這一代全息圖仍然存在缺陷，它沒(méi)有色調(diào)信息，但解決了上一代全息圖再現(xiàn)像混疊的缺陷。

為了解決第二代全息圖色調(diào)信息損失的問(wèn)題，科學(xué)家設(shè)想將激光記錄和白光再現(xiàn)，也就是所說(shuō)的第三代全息圖。這一階段包括白光反射全息、像全息、彩虹全息、真彩色全息及合成全息等，全息圖被賦予了各種鮮艷的色彩，其在顯示領(lǐng)域優(yōu)越性得以展現(xiàn)。

第四階段是用白光記錄、白光再現(xiàn)的全息圖，只是還沒(méi)有完全擺脫介質(zhì)束縛。由于激光的高度相干性，導(dǎo)致全息拍攝時(shí)元件、光源和記錄介質(zhì)的相對(duì)位置要保持不變，致使全息技術(shù)在實(shí)際使用中限制較大，不過(guò)其前景已初現(xiàn)端倪。

數(shù)字全息投影技術(shù)，有人也稱它為虛擬成像技術(shù)。其利用干涉和衍射原理記錄并真實(shí)重現(xiàn)物體的三維圖像，是全息術(shù)、電子成像技術(shù)和計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。它突破了傳統(tǒng)聲、光、電的局限，空間成像色彩鮮艷，對(duì)比度、清晰度均非常高，并具有強(qiáng)烈的縱深感[2]。它的介質(zhì)可以使用特殊的鏡片或是氣體，三維圖像在這種介質(zhì)上得以建立，人們可以360度不同角度進(jìn)行觀看。早在2005年，美國(guó)IO2科技就已經(jīng)成功制造了世界第一臺(tái)全息3D顯示器。這款產(chǎn)品被稱為“HelioDisplay”，可以在氣流形成的“空氣墻”上顯示出具有交互功能的影像。

全息投影具有很高的商業(yè)價(jià)值，可以用全息技術(shù)將廣告、展銷(xiāo)品、動(dòng)植物、人物肖像、歷史文物等記錄下來(lái)，通過(guò)立體再現(xiàn)，展現(xiàn)給觀眾，既可以提供觀賞，又可以實(shí)現(xiàn)全息保存。此外，全息投影技術(shù)還能借助交互式多重觸摸技術(shù)使影像與人物主體產(chǎn)生互動(dòng)，這樣能夠極大地增強(qiáng)媒介交互能力，擺脫空間距離的限制。

三、傳統(tǒng)課堂教學(xué)中的媒介

任何教學(xué)以及教學(xué)目的的實(shí)現(xiàn)都必須借助于一定形式的教學(xué)活動(dòng)。一個(gè)完整的教學(xué)活動(dòng)必包含教學(xué)主體雙方為實(shí)現(xiàn)教學(xué)目的而采取或選用的教學(xué)工具或媒介，即教學(xué)物質(zhì)資源這一因素。傳統(tǒng)的課堂教學(xué)在某種意義上說(shuō)是一種以教師為主體的教學(xué)演示過(guò)程[3]。

現(xiàn)在教學(xué)中使用的演示媒介很多，比如電腦、投影儀、白板、掛紙板等。無(wú)論是電子白板也好，投影也好，都離不開(kāi)非移動(dòng)固定載體，載體形式單一，互動(dòng)手段受到一定程度的限制。傳統(tǒng)媒介是基于二維空間的信息傳達(dá)媒介，雖然交互式觸屏實(shí)現(xiàn)了教師與教學(xué)內(nèi)容的實(shí)時(shí)靈活交互，但其實(shí)現(xiàn)的載體也屬二維空間。從形式上講，能夠?qū)崿F(xiàn)教師在三維空間內(nèi)任意交互的方式只有在虛擬演播室中能實(shí)現(xiàn)，但虛擬演播室是一種成本高昂的平臺(tái)，教師使用起來(lái)有一定的門(mén)檻，且難以發(fā)揮教師自主性與靈活性的優(yōu)勢(shì)，一般通過(guò)后期制作才能充分發(fā)揮其功能，因此一定程度上制約了教師教學(xué)水平的發(fā)揮。

教育部《教育信息化十年規(guī)劃》中明確提出了“重點(diǎn)推進(jìn)信息技術(shù)與高等教育的深度融合”。何克抗教授指出關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)教育系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)性變革，而課堂教學(xué)結(jié)構(gòu)的根本性變革正是實(shí)現(xiàn)這一變革的最核心的內(nèi)涵[4]。傳統(tǒng)的以教師為中心的教學(xué)模式向“導(dǎo)與學(xué)相結(jié)合”的教學(xué)模式轉(zhuǎn)變，不僅發(fā)揮教師主導(dǎo)能動(dòng)作用，又尊重學(xué)生作為學(xué)習(xí)者的主體地位?！敖虒W(xué)工具”同樣被認(rèn)為是最為活躍和革命性的因素，而信息化時(shí)代提供給教育的一大“利器”莫過(guò)于能夠?qū)ⅰ靶畔ⅰ弊陨砼c受眾群體進(jìn)行有機(jī)、無(wú)縫融合的教學(xué)工具。

顯示技術(shù)伴隨著教學(xué)過(guò)程發(fā)展到今天，大致經(jīng)歷了由靜止到運(yùn)動(dòng)，由黑白到彩色，由模擬到數(shù)字，由低清晰度到高清的發(fā)展過(guò)程。人是立體世界的天然感受者，視覺(jué)三維立體顯示逐漸取代平板二維顯示，真實(shí)空間的三維立體顯示是人們追求的理想目標(biāo)。隨著全息技術(shù)的日臻完善，“全息”投影將成為真實(shí)空間三維顯示的先鋒與代表。

四、“全息”投影技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)教學(xué)領(lǐng)域中的優(yōu)勢(shì)

全息投影技術(shù)可以說(shuō)是一項(xiàng)包含了未來(lái)科技的技術(shù)，伴隨超導(dǎo)技術(shù)和激光制造技術(shù)的不斷成熟以及3S DIGITAL數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，全息投影技術(shù)已由上世紀(jì)60年代的巨大化，復(fù)雜化漸漸轉(zhuǎn)變?yōu)樾⌒突?、精密化和智能化。美?guó)一家公司研制的全息投影芯片只有藥片大小，可以精確控制每一個(gè)光束的亮度、顏色，以及角度，只需要一個(gè)芯片，就可以投射出一個(gè)可以接收的三維全息圖像，只要增加芯片數(shù)量，就可以投射出形狀更加復(fù)雜的三維物體，細(xì)節(jié)更加詳實(shí)。

2014年7月，全球首部全息手機(jī)Takee問(wèn)世，由于只能適用于一個(gè)人觀看，所以稱為“個(gè)人全息”（也稱“智能全息”），這也意味著個(gè)人全息顯示技術(shù)已經(jīng)在產(chǎn)業(yè)化中得到成功應(yīng)用。之前的裸眼3D只有一個(gè)最佳觀賞角度，錯(cuò)過(guò)這個(gè)角度，就無(wú)法看到立體的影像，而全息投影技術(shù)則是從全方位的視角進(jìn)行立體的展現(xiàn)，移動(dòng)視角不會(huì)由此引發(fā)影像的變化。隨著技術(shù)的成熟，小型化的相應(yīng)設(shè)備的出現(xiàn)使之應(yīng)用于課堂教學(xué)成為可能。

產(chǎn)品設(shè)計(jì)課程離不開(kāi)三維，如教師在課堂上介紹某款產(chǎn)品內(nèi)部構(gòu)造時(shí)，影像投射到學(xué)生面前，隨著教師手勢(shì)的交互，產(chǎn)品也產(chǎn)生透視變化，結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)在受眾面前完全呈現(xiàn)出來(lái)。此外學(xué)生也可參與到這個(gè)過(guò)程中，全息影像實(shí)際上成為“移動(dòng)的電子白板”，能夠投射到教室空間任意位置上，師生在進(jìn)行交互問(wèn)答時(shí)，可以不受空間距離干擾，集成了交互式多重觸摸技術(shù)的全息投影，學(xué)生輕輕滑動(dòng)手指便可使自己面前的全息影像執(zhí)行選項(xiàng)的操作。由此看來(lái)，它可以極大地增強(qiáng)課堂演示的流暢性，由于它不依賴固定的背投，因而也具備很好的經(jīng)濟(jì)效益。

全息投影技術(shù)在課堂教學(xué)中的應(yīng)用，對(duì)于克服傳統(tǒng)教學(xué)的局限性、提升教師能力和發(fā)展學(xué)生思維也將具有潛在的優(yōu)勢(shì)。它的引入能夠有效促進(jìn)學(xué)生課堂主觀能動(dòng)性的發(fā)揮，降低教師課堂勞動(dòng)強(qiáng)度。教師可以利用信息技術(shù)領(lǐng)域的先進(jìn)媒介形式創(chuàng)設(shè)出啟發(fā)性強(qiáng)的教學(xué)情境，學(xué)生則享有思考的自由和學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。學(xué)生的個(gè)體差異得到了關(guān)注，師生之間實(shí)現(xiàn)了良好的互動(dòng)。教與學(xué)和諧的雙邊活動(dòng)，亦是其彰顯人文情感的一個(gè)重要體現(xiàn)。

五、結(jié)論

信息技術(shù)的升級(jí)換代有助于突破傳統(tǒng)教學(xué)的種種限制，不斷催生新型教學(xué)用具，對(duì)教學(xué)質(zhì)量的提升起到積極的推動(dòng)作用。方便、快捷、高效一直是教學(xué)媒體利用的首要原則?？茖W(xué)技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)著教學(xué)手段的變革，可以說(shuō)全息投影技術(shù)第一次將文字、圖形、聲音、動(dòng)作與交互行為統(tǒng)一到了一個(gè)無(wú)距離、空間限制的平臺(tái)中。隨著手機(jī)高清全息投影芯片的投入使用，大規(guī)模利用全息影像技術(shù)進(jìn)行日常社交活動(dòng)也將成為可能，以往科幻片中才有的“全息桌面”也將不再是奢侈的幻想。

全息投影技術(shù)在教育領(lǐng)域中的應(yīng)用，為教學(xué)手段與方法創(chuàng)新乃至提供了廣闊的發(fā)展空間，可以預(yù)見(jiàn)，像所有新事物一樣，全息投影技術(shù)介入到教學(xué)中也會(huì)有一個(gè)循序漸進(jìn)的過(guò)程，我們完全有理由相信，全息投影技術(shù)將在信息技術(shù)與教育教學(xué)的深度融合方面起到積極的推動(dòng)作用。

（作者單位：1.解放軍理工大學(xué)；2.南京大橋機(jī)器有限公司；3.南京航空航天大學(xué)金城學(xué)院）

基金項(xiàng)目：本文為2015-2016年度解放軍理工大學(xué)軍事理論、人文社科研究基金項(xiàng)目“學(xué)員旅體制下的學(xué)員創(chuàng)新能力培養(yǎng)新探索”、江蘇省現(xiàn)代教育技術(shù)研究課題“應(yīng)用型本科院校產(chǎn)品設(shè)計(jì)專業(yè)數(shù)字化學(xué)習(xí)資源的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)利用研究”（項(xiàng)目編號(hào)：2015-R-45345）項(xiàng)目的階段性研究成果。

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