立体投影技术的原理与应用

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　　摘 要 立体投影技术忠实地记录三维世界的立体图像，再从视觉上还原。3D全息投影技术与倒金字塔型折射成像、非裸眼立体成像、光信息粒子成像等技术原理不尽相同，在应用时可根据需要选择合适的技术原理。文章从立体投影技术的原理出发，对其在教育、医学、生活、科研和娱乐等诸多领域均拥有的发展前景展开了讨论。
　　关键词 全息投影；三维；技术原理；应用前景
　　中图分类号 TN94 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2019）237-0085-02
　　近年来，随着3D电影的投入市场，人们发现在越来越多的场合应用立体投影技术可以带来更加真实的效果。立体投影技术加快了发展步伐，来适应人们的需求。在诸多领域，人们期待完美的立体效果，以便更有亲眼所见的感觉。
　　1 3D全息投影技术简介
　　全息术（holography），又被称为全息照相术，全息摄影术[ 1 ]。3D全息投影技术不同于呈现于二维平面的摄像技术，它是一种再现物体的三维图像，使人产生立体视觉的技术。就像对着名人画作拍摄出的照片并不是画作本身一样，3D投影技术并不是还原真实的三维场面，而只是忠实地记录三维世界的立体图像再从视觉上还原。3D全息投影应用的技术是在胶片上记录并保存光波的振幅和相位信息，并且在展示时通过光波信息再现展示三维图像。
　　3D全息投影技术，是将激光发出的光线首先通过凸透镜，形成两束平面光线，其中一束投射到被摄物体上反射后，与另一束一起照到照相底片上[2]。冲洗完成后，底片再被投射原平面激光时可以还原原来的亮点。值得注意的是，这个亮点在三维空间中，并不在全息胶片上。综合来说，全息技术通过记录被摄物里反射或透射光波中全部信息（振幅，相位）实现3D视觉效果[3]。
　　2 其他全息投影技术
　　广义上的全息投影技术并不单指通过某种特定方法使物体成像的显像技术，而是一类能记录并再现物体真实三维影像的技术的总称[4]。有关全息投影的概念已经应用于生活之中。从纯技术的角度看，其原理不尽相同，有很多种展示3D投影的方式。
　　2.1 倒金字塔型折射成像
　　有一种倒金字塔型的全息膜结构，常常也被认作是3D全息投影技术的实现。倒放的四棱锥的四个面是三角形的透明玻璃或者塑料片，構成全息膜。放置于特制的视频源屏幕时，四个面与屏幕面成45°的夹角。这样视频源的四个特制视频就折射到了空间之中。四个视频源中的视频是同步特制的，其折射到空间后，便可以同步播放，给人立体感。但严格来讲，这只是伪全息术。因为倒金字塔全息膜是几个二维图像的折射投影，通过人眼“视觉欺骗”，给人立体的感觉。
　　2.2 非裸眼立体成像
　　电影院中的立体电影，是一种非裸眼3D技术，因为需要佩戴特制的3D眼镜才能观看立体影片。3D眼镜的左右两个镜片不同，分别过滤掉呈现于大屏幕上的另一个画面，仅传给左右眼睛两个同进度又略有不同的画面，根据视差构建了立体效果。
　　2.3 光信息粒子成像
　　还有一种关于利用向空气中发射携带光信息的粒子，使之在空间成像的立体投影技术的设想。但是由于很难控制粒子的分布，并且有可能造成环境的污染，这种想法目前仍停留在设想层面，没有成为现实。从技术的角度看，若可以实现可控的携带光信息的粒子，那么这就是一种完全的立体3D技术，其带来的影响非常巨大。
　　3 立体投影技术的应用前景
　　立体投影技术在市场上的应用相对来说远远不够成熟。不过，随着立体投影技术实现方式的完善和市场的需求，其应用会越来越多。下面浅谈立体投影技术在几个领域的应用前景。
　　3.1 教育领域
　　目前的课堂上多为理论介绍，而真正由老师展示实验的机会却很少。全息投影技术在教育领域的大规模应用，无疑是教育领域的大变革。
　　现在的课堂中，老师们多使用平面的PPT等教学辅助工具，相对之前的黑板板书提高了授课效率，可以收获不错的效果，但是在一些需要进行空间想象的学科的效果不免有所不足。立体投影技术的应用将改变这一局面——当化学老师在讲台上用全息投影技术向同学们展示原子结构，生动逼真的立体投影无疑可以进一步加深同学们对原子结构的理解，课堂气氛也更有趣。
　　限于实验的危险性和一些学校设施条件的不支持，中学课程中很多实验，学生都是在视频中学习的，这对学生实验思维的训练极其不利。若应用立体全息投影技术则可以让学生身历其境地感受实验的魅力与乐趣。这一新型的师生互动教学体系无疑将极大程度上提高教学质量和水平。
　　3.2 医学领域
　　目前，医学领域的病情分析多依靠医生对病人的病情检验报告进行分析，辅助以医学设备如X光机的二维成像分析。这种技术只能帮助医生和患者确定病源的平面大体位置，而无法确定在这一位置的哪个具体层次中。而全息立体投影技术则不同，通过将多张不同方位的X光片结果在电脑上进行结合建模，再通过全息投影技术呈现，可以快速找到发生病变的部位。
　　在治疗过程中也可以运用立体全息投影技术，将治疗药物精准地送入最佳治疗药效位置。在生物领域这种技术已经有了实质性的突破，比如大连大连局医学媒介生物实验室研发制作出了一部蚊蝇动态展片，供学员们学习、观看。展示片惟妙惟肖地呈现了蝇类摄食和蚊类叮咬吸血的全过程，实现了360°全息投影，加之蚊蝇飞舞的音效，更显逼真[5]。
　　3.3 科研领域
　　3D全息投影技术在科研领域同样有着其独特的利用作用。当初沃森和克里克探究DNA结构是用的是实物制作模型模拟，现代科学研究时也多用的是实物模型模拟、平面图像或电脑3D建模，实物模型虽然能更好表达想法，但是费时费力费资金.而3D建模成本较低，也能够达到模型的作用，科研很方便的将自己的想法合理精确地表达出来。假如能将3D全息投影技术应用其中，结合实物模型和电脑3D建模的优点，那无疑将会给科技研究者节省大量制作模型的时间和精力，同时还能达到更精准、更完美地表达。 　　3.4 娱乐领域
　　作为现在人们生活娱乐的一大方式，人们对电影的要求也愈来愈高。虽然现在3D电影已经在各大电影院随处可见、应用普遍，VR技术也已逐渐进入人们的视野，但是3D技术真实感仍可提升。目前观看影院的3D电影，必须佩戴特制的3D眼镜；VR技术则只能观察自己的各个方向而不能调整观察的物体的角度，而且VR技术现在的拍摄成本普遍偏高，有待进一步普及。而3D全息投影（伪全息术）的制作成本相对较低，只需要倒金字塔型的全息膜和经过软件处理过的特殊视频就可以实现，也无需佩戴设备。
　　如果可以运用该原理，那么就能將3D电影的优势和VR的优势结合起来，在立体真实感上更近一层楼。从各个方位都可以看到电影内容，可以自由地从各个角度观赏自己喜欢的角色，再配合立体音效技术，这无疑可以大大提高观众的观影体验。所以，立体全息投影技术在影视方面的运用将会是影视界技术的一项革新。
　　3.5 生活领域
　　生活中，人们多利用二维摄像机进行留影，通过照片、视频的方式记录重要时刻。可照片、视频都只是平面的，无法完美地呈现美好瞬间，而3D全息投影技术可以轻松解决这个问题。通过特殊摄像机进行不同角度的拍摄，处理后成为一副栩栩如生的3D画面。它不仅能够更好地从多方位记录主体的特征，更能将主体附近的环境进行还原。
　　这项技术有着广泛的应用前景：如果这项技术普及，那么名人纪念馆里有的就不只是名人的相片，而是更完整的全身风采；明星的海报就不限于平面，更多就是3D全息投影；一个家庭的全家福也就不限于一张薄薄的相片；博物馆里陈列的也不限于实物，一些国宝级珍贵文物可以用3D全息投影来代替实物，不再担心被游客损坏或被窃。
　　4 结论
　　立体投影技术并不复杂，实现成本低廉。其在教育、医学、科研、娱乐和生活等诸多领域均拥有很大的发展空间。立体投影技术将越来越深入社会，带来诸多便利。也会与其他技术互相融合，促进更多领域的发展。相信在不久的将来，其能被广泛地应用于方方面面，为社会带来更多有意义的变化。
　　参考文献
　　[1]张禹可.3D全息投影技术原理及应用[J].通讯世界，2018（8）：225-226.
　　[2]激光全息照相轮胎无损检验技术研究的阶段报告[J].北京化工大学学报（自然科学版），1978（1）：107-116.
　　[3]莫瑞明.全息天线的理论和实验研究[D].北京：中国科学技术大学，2011.
　　[4]谢炜杰.全息投影技术原理分析及其前景展望[J].现代商贸工业，2019，40（10）：195-196.
　　[5]王有，段忠辉，赵玉伟等.全息投影技术和大屏触控电视在医学媒介生物实验室中的应用[J].口岸卫生控制，2016，21（3）：26-28.
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