立體投影技術(shù)的原理與應(yīng)用

王梓宇

摘 要 立體投影技術(shù)忠實(shí)地記錄三維世界的立體圖像，再從視覺上還原。3D全息投影技術(shù)與倒金字塔型折射成像、非裸眼立體成像、光信息粒子成像等技術(shù)原理不盡相同，在應(yīng)用時(shí)可根據(jù)需要選擇合適的技術(shù)原理。文章從立體投影技術(shù)的原理出發(fā)，對其在教育、醫(yī)學(xué)、生活、科研和娛樂等諸多領(lǐng)域均擁有的發(fā)展前景展開了討論。

關(guān)鍵詞 全息投影；三維；技術(shù)原理；應(yīng)用前景

中圖分類號(hào) TN94 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1674-6708（2019）237-0085-02

近年來，隨著3D電影的投入市場，人們發(fā)現(xiàn)在越來越多的場合應(yīng)用立體投影技術(shù)可以帶來更加真實(shí)的效果。立體投影技術(shù)加快了發(fā)展步伐，來適應(yīng)人們的需求。在諸多領(lǐng)域，人們期待完美的立體效果，以便更有親眼所見的感覺。

1 3D全息投影技術(shù)簡介

全息術(shù)（holography），又被稱為全息照相術(shù)，全息攝影術(shù)[ 1 ]。3D全息投影技術(shù)不同于呈現(xiàn)于二維平面的攝像技術(shù)，它是一種再現(xiàn)物體的三維圖像，使人產(chǎn)生立體視覺的技術(shù)。就像對著名人畫作拍攝出的照片并不是畫作本身一樣，3D投影技術(shù)并不是還原真實(shí)的三維場面，而只是忠實(shí)地記錄三維世界的立體圖像再從視覺上還原。3D全息投影應(yīng)用的技術(shù)是在膠片上記錄并保存光波的振幅和相位信息，并且在展示時(shí)通過光波信息再現(xiàn)展示三維圖像。

3D全息投影技術(shù)，是將激光發(fā)出的光線首先通過凸透鏡，形成兩束平面光線，其中一束投射到被攝物體上反射后，與另一束一起照到照相底片上[2]。沖洗完成后，底片再被投射原平面激光時(shí)可以還原原來的亮點(diǎn)。值得注意的是，這個(gè)亮點(diǎn)在三維空間中，并不在全息膠片上。綜合來說，全息技術(shù)通過記錄被攝物里反射或透射光波中全部信息（振幅，相位）實(shí)現(xiàn)3D視覺效果[3]。

2 其他全息投影技術(shù)

廣義上的全息投影技術(shù)并不單指通過某種特定方法使物體成像的顯像技術(shù)，而是一類能記錄并再現(xiàn)物體真實(shí)三維影像的技術(shù)的總稱[4]。有關(guān)全息投影的概念已經(jīng)應(yīng)用于生活之中。從純技術(shù)的角度看，其原理不盡相同，有很多種展示3D投影的方式。

2.1 倒金字塔型折射成像

有一種倒金字塔型的全息膜結(jié)構(gòu)，常常也被認(rèn)作是3D全息投影技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。倒放的四棱錐的四個(gè)面是三角形的透明玻璃或者塑料片，構(gòu)成全息膜。放置于特制的視頻源屏幕時(shí)，四個(gè)面與屏幕面成45°的夾角。這樣視頻源的四個(gè)特制視頻就折射到了空間之中。四個(gè)視頻源中的視頻是同步特制的，其折射到空間后，便可以同步播放，給人立體感。但嚴(yán)格來講，這只是偽全息術(shù)。因?yàn)榈菇鹱炙⒛な菐讉€(gè)二維圖像的折射投影，通過人眼“視覺欺騙”，給人立體的感覺。

2.2 非裸眼立體成像

電影院中的立體電影，是一種非裸眼3D技術(shù)，因?yàn)樾枰宕魈刂频?D眼鏡才能觀看立體影片。3D眼鏡的左右兩個(gè)鏡片不同，分別過濾掉呈現(xiàn)于大屏幕上的另一個(gè)畫面，僅傳給左右眼睛兩個(gè)同進(jìn)度又略有不同的畫面，根據(jù)視差構(gòu)建了立體效果。

2.3 光信息粒子成像

還有一種關(guān)于利用向空氣中發(fā)射攜帶光信息的粒子，使之在空間成像的立體投影技術(shù)的設(shè)想。但是由于很難控制粒子的分布，并且有可能造成環(huán)境的污染，這種想法目前仍停留在設(shè)想層面，沒有成為現(xiàn)實(shí)。從技術(shù)的角度看，若可以實(shí)現(xiàn)可控的攜帶光信息的粒子，那么這就是一種完全的立體3D技術(shù)，其帶來的影響非常巨大。

3 立體投影技術(shù)的應(yīng)用前景

立體投影技術(shù)在市場上的應(yīng)用相對來說遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠成熟。不過，隨著立體投影技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式的完善和市場的需求，其應(yīng)用會(huì)越來越多。下面淺談立體投影技術(shù)在幾個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

3.1 教育領(lǐng)域

目前的課堂上多為理論介紹，而真正由老師展示實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)卻很少。全息投影技術(shù)在教育領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用，無疑是教育領(lǐng)域的大變革。

現(xiàn)在的課堂中，老師們多使用平面的PPT等教學(xué)輔助工具，相對之前的黑板板書提高了授課效率，可以收獲不錯(cuò)的效果，但是在一些需要進(jìn)行空間想象的學(xué)科的效果不免有所不足。立體投影技術(shù)的應(yīng)用將改變這一局面——當(dāng)化學(xué)老師在講臺(tái)上用全息投影技術(shù)向同學(xué)們展示原子結(jié)構(gòu)，生動(dòng)逼真的立體投影無疑可以進(jìn)一步加深同學(xué)們對原子結(jié)構(gòu)的理解，課堂氣氛也更有趣。

限于實(shí)驗(yàn)的危險(xiǎn)性和一些學(xué)校設(shè)施條件的不支持，中學(xué)課程中很多實(shí)驗(yàn)，學(xué)生都是在視頻中學(xué)習(xí)的，這對學(xué)生實(shí)驗(yàn)思維的訓(xùn)練極其不利。若應(yīng)用立體全息投影技術(shù)則可以讓學(xué)生身歷其境地感受實(shí)驗(yàn)的魅力與樂趣。這一新型的師生互動(dòng)教學(xué)體系無疑將極大程度上提高教學(xué)質(zhì)量和水平。

3.2 醫(yī)學(xué)領(lǐng)域

目前，醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的病情分析多依靠醫(yī)生對病人的病情檢驗(yàn)報(bào)告進(jìn)行分析，輔助以醫(yī)學(xué)設(shè)備如X光機(jī)的二維成像分析。這種技術(shù)只能幫助醫(yī)生和患者確定病源的平面大體位置，而無法確定在這一位置的哪個(gè)具體層次中。而全息立體投影技術(shù)則不同，通過將多張不同方位的X光片結(jié)果在電腦上進(jìn)行結(jié)合建模，再通過全息投影技術(shù)呈現(xiàn)，可以快速找到發(fā)生病變的部位。

在治療過程中也可以運(yùn)用立體全息投影技術(shù)，將治療藥物精準(zhǔn)地送入最佳治療藥效位置。在生物領(lǐng)域這種技術(shù)已經(jīng)有了實(shí)質(zhì)性的突破，比如大連大連局醫(yī)學(xué)媒介生物實(shí)驗(yàn)室研發(fā)制作出了一部蚊蠅動(dòng)態(tài)展片，供學(xué)員們學(xué)習(xí)、觀看。展示片惟妙惟肖地呈現(xiàn)了蠅類攝食和蚊類叮咬吸血的全過程，實(shí)現(xiàn)了360°全息投影，加之蚊蠅飛舞的音效，更顯逼真[5]。

3.3 科研領(lǐng)域

3D全息投影技術(shù)在科研領(lǐng)域同樣有著其獨(dú)特的利用作用。當(dāng)初沃森和克里克探究DNA結(jié)構(gòu)是用的是實(shí)物制作模型模擬，現(xiàn)代科學(xué)研究時(shí)也多用的是實(shí)物模型模擬、平面圖像或電腦3D建模，實(shí)物模型雖然能更好表達(dá)想法，但是費(fèi)時(shí)費(fèi)力費(fèi)資金.而3D建模成本較低，也能夠達(dá)到模型的作用，科研很方便的將自己的想法合理精確地表達(dá)出來。假如能將3D全息投影技術(shù)應(yīng)用其中，結(jié)合實(shí)物模型和電腦3D建模的優(yōu)點(diǎn)，那無疑將會(huì)給科技研究者節(jié)省大量制作模型的時(shí)間和精力，同時(shí)還能達(dá)到更精準(zhǔn)、更完美地表達(dá)。

3.4 娛樂領(lǐng)域

作為現(xiàn)在人們生活?yuàn)蕵返囊淮蠓绞?，人們對電影的要求也愈來愈高。雖然現(xiàn)在3D電影已經(jīng)在各大電影院隨處可見、應(yīng)用普遍，VR技術(shù)也已逐漸進(jìn)入人們的視野，但是3D技術(shù)真實(shí)感仍可提升。目前觀看影院的3D電影，必須佩戴特制的3D眼鏡；VR技術(shù)則只能觀察自己的各個(gè)方向而不能調(diào)整觀察的物體的角度，而且VR技術(shù)現(xiàn)在的拍攝成本普遍偏高，有待進(jìn)一步普及。而3D全息投影（偽全息術(shù)）的制作成本相對較低，只需要倒金字塔型的全息膜和經(jīng)過軟件處理過的特殊視頻就可以實(shí)現(xiàn)，也無需佩戴設(shè)備。

如果可以運(yùn)用該原理，那么就能將3D電影的優(yōu)勢和VR的優(yōu)勢結(jié)合起來，在立體真實(shí)感上更近一層樓。從各個(gè)方位都可以看到電影內(nèi)容，可以自由地從各個(gè)角度觀賞自己喜歡的角色，再配合立體音效技術(shù)，這無疑可以大大提高觀眾的觀影體驗(yàn)。所以，立體全息投影技術(shù)在影視方面的運(yùn)用將會(huì)是影視界技術(shù)的一項(xiàng)革新。

3.5 生活領(lǐng)域

生活中，人們多利用二維攝像機(jī)進(jìn)行留影，通過照片、視頻的方式記錄重要時(shí)刻。可照片、視頻都只是平面的，無法完美地呈現(xiàn)美好瞬間，而3D全息投影技術(shù)可以輕松解決這個(gè)問題。通過特殊攝像機(jī)進(jìn)行不同角度的拍攝，處理后成為一副栩栩如生的3D畫面。它不僅能夠更好地從多方位記錄主體的特征，更能將主體附近的環(huán)境進(jìn)行還原。

這項(xiàng)技術(shù)有著廣泛的應(yīng)用前景：如果這項(xiàng)技術(shù)普及，那么名人紀(jì)念館里有的就不只是名人的相片，而是更完整的全身風(fēng)采；明星的海報(bào)就不限于平面，更多就是3D全息投影；一個(gè)家庭的全家福也就不限于一張薄薄的相片；博物館里陳列的也不限于實(shí)物，一些國寶級(jí)珍貴文物可以用3D全息投影來代替實(shí)物，不再擔(dān)心被游客損壞或被竊。

4 結(jié)論

立體投影技術(shù)并不復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)成本低廉。其在教育、醫(yī)學(xué)、科研、娛樂和生活等諸多領(lǐng)域均擁有很大的發(fā)展空間。立體投影技術(shù)將越來越深入社會(huì)，帶來諸多便利。也會(huì)與其他技術(shù)互相融合，促進(jìn)更多領(lǐng)域的發(fā)展。相信在不久的將來，其能被廣泛地應(yīng)用于方方面面，為社會(huì)帶來更多有意義的變化。

參考文獻(xiàn)

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