CINEMA4D在類全息投影藝術(shù)中的應(yīng)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(shí)代，類全息投影三維技術(shù)在表演、展覽等活動(dòng)中越來(lái)越受到市場(chǎng)歡迎。CINEMA 4D作為目前被廣泛使用的三維設(shè)計(jì)軟件，其技術(shù)運(yùn)用將為類全息投影技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展帶來(lái)新的思路。文章通過(guò)文獻(xiàn)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(yīng)用范圍，基于佩珀?duì)柣孟蟮膫稳⑼队凹?60度幻影成像系統(tǒng)，探討CINEMA 4D的特點(diǎn)以及它在類全息投影技術(shù)中的適用性，并通過(guò)具體實(shí)證應(yīng)用，建立一種通過(guò)CINEMA 4D制作三維立體圖像，并通過(guò)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(yīng)用，為實(shí)踐工作提供參考。

關(guān)鍵詞：CINEMA 4D；全息投影；三維動(dòng)畫；偽全息；三維展示設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：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(shì)頭迅猛，虛擬場(chǎng)景、虛擬人物、虛擬道具的廣泛應(yīng)用，讓我們迎來(lái)了一個(gè)超越真實(shí)的虛擬三維影像時(shí)代?？茖W(xué)與藝術(shù)深度融合，社會(huì)生活中隨處可見(jiàn)虛擬空間與現(xiàn)實(shí)空間的融合，不僅僅是平面設(shè)計(jì)，影視包裝、攝影工作也需要三維思維協(xié)助搭建場(chǎng)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(shí)代，CINEMA 4D作為目前市場(chǎng)上被廣泛應(yīng)用的三維設(shè)計(jì)軟件，在全息影像的應(yīng)用領(lǐng)域具有極強(qiáng)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(wú)法記錄光波的深度信息的問(wèn)題，通過(guò)激光照射物體，讓參考激光束和物光束產(chǎn)生干涉，通過(guò)分析干涉條紋的反差和間隔，從光波中的強(qiáng)度信息反推出深度信息，就可以獲得這個(gè)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(guò)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(guò)多年發(fā)展，已不僅僅是記錄真實(shí)的圖像并再現(xiàn)為三維圖像，現(xiàn)在還可以看到很多實(shí)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(dòng)態(tài)的活動(dòng)的方式呈現(xiàn)，甚至可以在真實(shí)的場(chǎng)景中與觀眾進(jìn)行互動(dòng)。隨著數(shù)字媒體技術(shù)、電影特效和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展和普及，單純的二維影像和場(chǎng)景已經(jīng)不能適應(yīng)大眾審美價(jià)值和市場(chǎng)需求，特別是隨著5G技術(shù)的推廣，加載速度已經(jīng)不會(huì)再成為限制因素，更多的傳播場(chǎng)景將由二維轉(zhuǎn)換為三維，由靜態(tài)轉(zhuǎn)向動(dòng)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(shí)空間中看到三維的立體圖像。

目前，人們?cè)谖枧_(tái)表演、博物館、體驗(yàn)館、商業(yè)廣告等看到的全息三維影像，實(shí)際上并沒(méi)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?duì)柣孟笤?，?chuàng)作者首先要制作好具有三維效果的真實(shí)圖像或數(shù)字圖像，然后通過(guò)投影儀投影在全息膜上，從而得到能懸掛在真實(shí)場(chǎng)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(shí)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(gè)角度才能看見(jiàn)三維圖像，而是從任何角度都能看見(jiàn)三維圖像的相應(yīng)細(xì)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(chǎng)上得到廣泛應(yīng)用，已實(shí)現(xiàn)的類全息投影技術(shù)主要為以下幾種。

1.美國(guó)麻省理工學(xué)院研發(fā)的利用空氣投影的方式。它成功實(shí)踐了全息投影技術(shù)的一個(gè)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(guò)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(diǎn)是成像面積小，影像晃動(dòng)。

2.日本一家公司研發(fā)的用激光束進(jìn)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?dú)夂脱鯕猓赃@兩種氣體在空氣中混合后的物質(zhì)為介質(zhì)幕，通過(guò)投影形成三維影像，但是這種影像很快就會(huì)消失，需要不斷噴射氮?dú)夂脱鯕獠拍苄纬蛇B續(xù)的立體影像。缺點(diǎn)是成像時(shí)間短，不穩(wěn)定，不具象。

3.南加利福尼亞大學(xué)研發(fā)的新技術(shù)，將一個(gè)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?duì)柣孟蟮膫稳⑼队?/p>

全息和3D是兩個(gè)既相互獨(dú)立又有所關(guān)聯(lián)的概念，利用全息技術(shù)可以實(shí)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(yīng)用在其他方面，如產(chǎn)品防偽標(biāo)志等。

佩珀?duì)柣孟笫悄壳笆忻嫔献畛Ｓ玫念惾⒓夹g(shù)。這種技術(shù)來(lái)源于最早的舞臺(tái)戲法，即德克斯幻覺(jué)效應(yīng)，之后，佩珀?duì)杽?chuàng)造了一種更簡(jiǎn)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(tái)上看見(jiàn)如同幽靈一般的幻象。目前市場(chǎng)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(jī)通過(guò)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(huì)上就使用過(guò)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(tái)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(tái)成45度角組裝，在LED屏幕上播放的視頻便可以通過(guò)45度的介質(zhì)膜，經(jīng)過(guò)光的折射，在舞臺(tái)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(huì)上曾使用過(guò)這種技術(shù)，讓觀眾看見(jiàn)了鄧麗君的虛擬形象。特效團(tuán)隊(duì)通過(guò)收集大量鄧麗君生前的細(xì)節(jié)畫面并進(jìn)行分析，然后通過(guò)模型重建構(gòu)建了虛擬人，通過(guò)動(dòng)作捕捉讓虛擬人以鄧麗君的神態(tài)動(dòng)起來(lái)，最后將虛擬人形象導(dǎo)入虛擬現(xiàn)實(shí)軟件進(jìn)行調(diào)試、渲染、導(dǎo)出，經(jīng)過(guò)上百次修改最終完成了鄧麗君的虛擬三維形象，而后通過(guò)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(tái)的屏幕上播放[2]。

表演舞臺(tái)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(tái)下方進(jìn)行表演，在舞臺(tái)前方設(shè)置一塊透明玻璃或者介質(zhì)膜，它與舞臺(tái)成45度角，燈光照在演員身上，再通過(guò)玻璃或者介質(zhì)膜，經(jīng)過(guò)折射，就可以在舞臺(tái)上看見(jiàn)虛擬的演員形象?，F(xiàn)在舞臺(tái)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(guò)程中使用高流明亮度的激光工程投影機(jī)，以如紗般的薄幕為介質(zhì)，表現(xiàn)虛擬場(chǎng)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(duì)真實(shí)的產(chǎn)品進(jìn)行實(shí)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(jìn)行平面展示，這種成像方式較多應(yīng)用于大型的舞臺(tái)表演、發(fā)布會(huì)等。360度幻影成像，相對(duì)于180度的幻影成像，這種成像不是出現(xiàn)在舞臺(tái)上，而是懸浮在半空中，并和周圍的實(shí)景融合在一起，具有更強(qiáng)的立體感，觀眾如同置身于真實(shí)和虛擬融合的世界中，這種技術(shù)主要應(yīng)用在展覽館、博物館等場(chǎng)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(gè)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(guò)操作觸摸屏，實(shí)現(xiàn)對(duì)三維模型的旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)等，實(shí)現(xiàn)三維影像和觀眾的交互；也可搭建舞臺(tái)，讓虛擬的三維影像或動(dòng)畫角色和真實(shí)的演員同臺(tái)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(jí)三維繪制軟件，運(yùn)行速度和渲染速度都很快，功能強(qiáng)大卻使用便捷，在眾多領(lǐng)域中都有出色的表現(xiàn)。

（一）CINEMA 4D的特點(diǎn)

第一，界面簡(jiǎn)潔且功能強(qiáng)大。CINEMA 4D的界面簡(jiǎn)潔，內(nèi)置功能豐富，可以輕易實(shí)現(xiàn)三維設(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜的貼圖繪制、雕刻等。層級(jí)關(guān)系清晰，用圖標(biāo)化設(shè)計(jì)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(qiáng)大的渲染器及插件。CINEMA 4D擁有強(qiáng)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(rèn)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(jiǎn)稱AE）等軟件無(wú)縫銜接，CINEMA 4D可以將三維數(shù)據(jù)導(dǎo)出給AE，與AE完美進(jìn)行銜接[3]。

第四，強(qiáng)大的預(yù)設(shè)庫(kù)。在CINEMA 4D軟件中預(yù)置了很多在三維設(shè)計(jì)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(gè)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置才能得到相應(yīng)效果，能夠縮短工作時(shí)間，提升工作效率。

第五，方便的手繪功能和特色功能運(yùn)動(dòng)圖形模塊。

（二）CINEMA 4D與其他三維軟件的比較

CINEMA 4D在國(guó)外流行已久，但在中國(guó)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(xué)會(huì)mel語(yǔ)言，上手難度大，受眾群體小。

CINEMA 4D具備三維設(shè)計(jì)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(jiǎn)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?！稓鐟?zhàn)士》《阿凡達(dá)》《黃金羅盤》里的動(dòng)作特效及場(chǎng)景都曾使用CINEMA 4D參與制作。

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

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

4.產(chǎn)品設(shè)計(jì)。多應(yīng)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(shè)計(jì)。使用實(shí)景合成做創(chuàng)意類場(chǎng)景或者效果圖，海報(bào)中立體字的設(shè)計(jì)。

三、CINEMA 4D在全息影像中的技術(shù)應(yīng)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(lái)源，大部分是先通過(guò)三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行建模、制作虛擬動(dòng)畫，然后分別錄制和導(dǎo)出虛擬形象正面、背面、左面、右面四個(gè)角度視頻，再通過(guò)視頻剪輯軟件進(jìn)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(shè)計(jì)功能和簡(jiǎn)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(yīng)用。

（一）實(shí)現(xiàn)流程

CINEMA 4D在360度全息幻影成像展示系統(tǒng)的應(yīng)用，主要是指將三維動(dòng)畫轉(zhuǎn)換為全息動(dòng)畫的方法。包括使用CINEMA 4D軟件完成對(duì)虛擬圖像或動(dòng)畫的制作，進(jìn)而導(dǎo)出這個(gè)虛擬圖像前后左右四個(gè)面的圖像，或錄制三維動(dòng)畫模型四個(gè)面的視頻，將三維數(shù)據(jù)分解成同個(gè)虛擬圖像或動(dòng)畫四個(gè)面的成像信息，并添加到播放設(shè)備的相應(yīng)位置上，再通過(guò)正四棱錐形狀的成像空間，把四個(gè)面的圖像匯聚為三維立體圖像。這個(gè)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(dòng)畫幻象顯示方法，包括如下步驟：

第一，以三維動(dòng)畫角色為中心點(diǎn)，圍繞角色在前后左右四個(gè)方向等間距設(shè)置四部攝像機(jī)。

第二，四臺(tái)攝像機(jī)分別錄制拍攝這個(gè)三維動(dòng)畫角色的動(dòng)畫視頻。

第三，將同個(gè)三維動(dòng)畫角色四個(gè)動(dòng)畫視頻放到LED顯示屏上播放。

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

（二）硬件設(shè)計(jì)

第一，LED顯示屏。用于播放并投影同個(gè)三維動(dòng)畫角色的前后左右四個(gè)投影源動(dòng)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(gè)正四棱錐的每個(gè)面上都覆有全息膜，同個(gè)三維動(dòng)畫角色的四個(gè)投影源動(dòng)畫分別投影到對(duì)應(yīng)的正四棱錐的其中一個(gè)面上，最后匯聚到同一成像位置，形成具有真實(shí)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(gè)三維動(dòng)畫角色高度的1～1.5倍，正四棱錐的錐體邊長(zhǎng)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(diǎn)，而錐底需要遠(yuǎn)離顯示屏的中心點(diǎn)。正四棱錐的每個(gè)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(shè)計(jì)流程

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

2.四面源動(dòng)畫錄制。使用CINEMA 4D內(nèi)置功能制作視頻投影源，同個(gè)三維動(dòng)畫角色一共需要錄制四個(gè)投影源動(dòng)畫，分別從三維動(dòng)畫角色的前后左右四個(gè)視角采集錄制源動(dòng)畫視頻，四個(gè)投影源動(dòng)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(dòng)畫角色的四個(gè)方向的源動(dòng)畫通過(guò)視頻處理軟件合成為一個(gè)源視頻，在LED屏上播放。

四、結(jié)語(yǔ)

CINEMA 4D功能全面強(qiáng)大，同時(shí)容易上手，在眾多行業(yè)中得到了良好的應(yīng)用。360度幻影成像展示系統(tǒng)是利用佩珀?duì)柣孟笤韺?shí)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(gè)面的三維動(dòng)畫視頻源，而后通過(guò)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(shí)現(xiàn)立體的三維圖像再現(xiàn)。這種技術(shù)將幫助設(shè)計(jì)師掌握快速表現(xiàn)和搭建三維虛擬形象的能力，并應(yīng)用于課堂教學(xué)、展覽展示等行業(yè)中。

參考文獻(xiàn)：

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

[2] 李棟.全息投影技術(shù)在演藝活動(dòng)中的應(yīng)用[J].中國(guó)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(yīng)用研究[J].西部廣播電視，2021，42（15）：234-236.

作者簡(jiǎn)介 陳丹，碩士，助教，研究方向：新媒體、影視藝術(shù)。