全息投影技術(shù)的地質(zhì)應(yīng)用

孫福玉

摘? 要：文章對全息投影技術(shù)的基本原理進行研究分析，表明目前地學(xué)領(lǐng)域?qū)τ谌⑼队凹夹g(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀。從全息投影技術(shù)的初步發(fā)展出發(fā)，探究全息技術(shù)的理論基礎(chǔ)。進而引入地質(zhì)領(lǐng)域，將其就防災(zāi)降險、機械設(shè)備監(jiān)控、地下地質(zhì)體虛擬成像等方面應(yīng)用發(fā)表自己的看法。

關(guān)鍵詞：全息投影;防災(zāi)降險;設(shè)備監(jiān)控;虛擬成像

中圖分類號：TN26? ? ? ? ? 文獻標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）18-0195-02

Abstract： In this paper， the basic principle of holographic projection technology is studied and analyzed， which shows the present situation of the application of holographic projection technology in the field of geoscience. Starting from the preliminary development of holographic projection technology， this paper explores the theoretical basis of holographic technology. Then it is introduced into the geological field to express its own views on the application of disaster prevention and reduction， monitoring of machinery and equipment， virtual imaging of underground geological bodies and so on.

Keywords： holographic projection; disaster prevention and reduction; equipment monitoring; virtual imaging

引言

從古至今人類對于大自然的描述從未停止前進的腳步，從口頭相傳到實物代意、從文字蘊含到象形圖畫、從山河水墨到五彩繽紛。全息影像技術(shù)理念的最初提出者是一名光學(xué)物理學(xué)家，但由于當(dāng)時人們對干涉與衍射的研究分析還停留在底片階段，發(fā)展受到極大限制。當(dāng)激光進入人們視野之后，便出現(xiàn)了利用投射理論的全息成像之后還出現(xiàn)了空氣投影和交互技術(shù)相結(jié)合的新理念。

地質(zhì)行業(yè)從建業(yè)初期截至目前為止，人為地質(zhì)災(zāi)害一直是個大難題，人為采空區(qū)的崩塌事故、礦災(zāi)礦難頻發(fā)這些問題是否可以通過全息技術(shù)做到提前預(yù)防呢？施工和勘探所需要的大型儀器設(shè)備精密復(fù)雜，其工作過程中的參數(shù)只能通過二維視圖或者人為抽象調(diào)試，使工作效率低，耗費人力財力大，不能直觀具體的展現(xiàn)在人們眼前。自從全息投影技術(shù)的研究成果進步迅速，使這些問題或許有新的解決方案。

1 全息投影技術(shù)的理論基礎(chǔ)

光在空氣中傳播的波動方程可表示為以下時距曲線：

因為自然界中的光錯綜復(fù)雜，是由不同單色光相干疊加后形成，所以自然光的波動方程可表示為：

由普通拍照設(shè)備所記錄的信息可以將光強表現(xiàn)到極致，但是記錄的場景卻是某一時刻的信息，無法得到不同時刻不同振幅引起的相位變化，因此喪失了實物的立體效果。而全息投影技術(shù)下的全息相機的記錄手段有所不同，避免了相位信息的丟失。它的機理可簡單描述為分光成像，通過特定的光學(xué)儀器可將激光射線n等分，利用某一部分光照直接照射在底片上，當(dāng)作參考。另一部分光照則照射到物體上，借助物體的反射間接照射在底片上。在底片上便是兩者的相干疊加。

直接照射公式如下：

間接照射公式如下：

將二者相加便得到具有相位信息以及光強信息的全息影像底片。全息技術(shù)利用干涉和衍射原理對物體加以描述并儲存，應(yīng)用特殊的技術(shù)手段再現(xiàn)實體的三維影像。目前舞臺上得到的立體圖像都是通過此技術(shù)實現(xiàn)的，但是目前的技術(shù)仍需要某種介質(zhì)當(dāng)作媒介如水霧。

2 全息投影的防災(zāi)降險應(yīng)用

由于過去二十年間人們防災(zāi)意識教育的不完善加之救災(zāi)資源的匱乏，導(dǎo)致過去一段時間災(zāi)難頻發(fā)且損失慘重。國家對于災(zāi)難意識、災(zāi)害預(yù)警、抗災(zāi)救災(zāi)等方面都制定了相關(guān)措施。力求做到災(zāi)害預(yù)防和降低損失。目前我國多數(shù)采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)達到教育的目的，但是弊端也非常明顯，只能按照規(guī)定好的程序往下進行，同時無法給人以立體感覺。從而交互性難以提高。

全息投影技術(shù)可以做到將自然界實體以3D影像的形式呈現(xiàn)，人們可以裸眼觀察，不需要借助其他儀器設(shè)備，大大提高影像的真實性，帶給人們極高的視覺體驗，使人有身臨其境的感覺。從而交互性大大提高。我們可以采取全息投影的形式給人視覺刺激，因為影像異常逼真如實物一般，人們便可以根據(jù)刺激做出行為反應(yīng)，通過計算機設(shè)備接受響應(yīng)，做出下一步判斷，不斷地刺激、反饋中人們便可以如身臨其境般體驗災(zāi)害的發(fā)生。

地震是自然界中常見的自然災(zāi)害，每天地球都要發(fā)生上萬次的地震。對于地震的預(yù)測，無論是傳統(tǒng)地質(zhì)研究還是大數(shù)據(jù)預(yù)測都無法做到精確預(yù)測，因此對于地震降低其損失是關(guān)鍵的防治措施，加強人們的抗風(fēng)險能力是重中之重。目前已有的模擬系統(tǒng)僅僅可以按照某一設(shè)定程序進行單一的體驗。結(jié)合全息技術(shù)，便可以根據(jù)人們的實際反應(yīng)做出相應(yīng)判斷。大大提高人們的應(yīng)險能力。

3 全息投影的設(shè)備監(jiān)控應(yīng)用

截至目前為止，工程設(shè)備如挖掘機、液壓機、鉆機等大型設(shè)備工作期間的運行狀況可以做到實時監(jiān)控，但僅僅只能對照一系列參數(shù)或者二維圖像進行修正。無法做到身臨其境的觀測，使得難免出現(xiàn)紕漏。為了保證工作人員的安全，降低工作難度，可以采用全息投影的形式呈現(xiàn)在技術(shù)員面前，更加真實直觀的發(fā)現(xiàn)問題。

首先根據(jù)給定設(shè)備的三維圖像以及參數(shù)進行3D建模，采集的信息盡量詳盡。在設(shè)備關(guān)鍵部位附近安裝位置測定裝置，通過對設(shè)備的實際操作，便記錄下正常工作時的流程動態(tài)圖。編寫適當(dāng)?shù)哪_本，使其能詳細描述設(shè)備的運行過程。導(dǎo)出圖片序列，使用此圖片序列合成制作視頻。通過全息技術(shù)裝置將視頻轉(zhuǎn)化為真實的三維圖像。

在獲取信息階段利用的基本原理是光的干涉，以此來記錄相關(guān)光強、相位等信息。在成像階段利用的基本原理是光的衍射，以此來重現(xiàn)光強、相位等信息。由此可見，全息技術(shù)突破距離限制，通過轉(zhuǎn)換視頻源就可以做到隨時查看。這樣就做到對設(shè)備的實時監(jiān)控，給調(diào)試員以真實的體驗，調(diào)控精度得到提高。此外，在有些觀測難度大的地方，安全系數(shù)低的工區(qū)如深井中或者復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造地段，全息技術(shù)的優(yōu)勢更加突出。

由于全息技術(shù)新穎，給人的體驗效果極佳，可以大大提高興趣指數(shù)。強大的沉浸感和視覺體驗也是其鮮明特點，將其應(yīng)用到教學(xué)會達到事半功倍的效果。

4 全息投影的虛擬成像應(yīng)用

在過去的幾十年里，從小學(xué)教室到大學(xué)教室，無不使用上了投影儀。將書本以及課外知識轉(zhuǎn)化為二維視圖。大大提高了國內(nèi)辦學(xué)水平和科教實力，將信息以不同的載體呈現(xiàn)是發(fā)展的總趨勢。在未來的幾十年間，3D投影勢必會走進課堂。截至目前為止，無論是電影院還是VR虛擬設(shè)備都有一定的局限性，需要一定的技術(shù)和設(shè)備支持，應(yīng)用到教學(xué)過于繁瑣成本太高。

在地質(zhì)行業(yè)中，此技術(shù)或?qū)?yīng)用到教學(xué)。在課堂上學(xué)生可以身臨其境般體驗以前抽象的概念。親眼目睹地下地形構(gòu)造，模擬演示構(gòu)造運動產(chǎn)生的影響。地下介質(zhì)是三維實體，目前的教學(xué)僅僅將地震波的傳播看作是二維傳播，隨著全息影像的應(yīng)用，或許可以更加直觀的演示地震波曲面復(fù)雜傳播過程。深海資源探查，也可以應(yīng)用此技術(shù)模擬海洋環(huán)境，提高開采精度和勘探水平。也可以把星空宇宙投射到現(xiàn)實生活中，給學(xué)生更加直觀的觀影體驗。

5 結(jié)束語

無論是防災(zāi)降險還是未來實現(xiàn)機械設(shè)備遠程操控，抑或3D立體投影投入教學(xué)應(yīng)用。全息技術(shù)的支持支撐，交互性設(shè)計的實現(xiàn)，3D建模水平的提高都不可或缺。在未來幾十年間，全息技術(shù)投入各行各業(yè)的應(yīng)用都是大勢所趨。并且，全息技術(shù)的大量應(yīng)用必定會給人們的生活帶來翻天覆地的變化，未來眾多生活必需品如手機或許都將迎來不小的變革。

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