何悅菡 楊曉蕊

南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)大學(xué)藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院 江蘇南京 210000

全息投影技術(shù)也稱虛擬成像技術(shù)，是利用干涉和衍射原理記錄并再現(xiàn)被投影物體的虛擬三維圖像的技術(shù)[1]。全息投影突破了傳統(tǒng)聲、光、電的局限，使信息傳播不再轉(zhuǎn)瞬即逝，在不需要展示實(shí)物的情況下便可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品三維立體圖像的再現(xiàn)，給人們帶來了全新的視覺體驗(yàn)[2]。

近年來，隨著全息投影技術(shù)在視覺傳達(dá)、展覽展示、舞臺(tái)美術(shù)等文化藝術(shù)領(lǐng)域的不斷發(fā)展和廣泛應(yīng)用，各種新型數(shù)字全息技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。全息投影技術(shù)不僅能夠呈現(xiàn)出靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的虛擬場(chǎng)景，而且能使觀眾與虛擬場(chǎng)景進(jìn)行交互，創(chuàng)造出穿越時(shí)空的視覺感受，形成令人印象深刻的效果，展現(xiàn)出獨(dú)特的藝術(shù)形式。

全息投影技術(shù)最早是作為波前重現(xiàn)的概念，在1948年由英國人斯蓋伯提出。1962年，美國人雷斯和阿帕特尼克斯將通信行業(yè)中“側(cè)視雷達(dá)”理論應(yīng)用到全息投影技術(shù)上，并發(fā)明了離軸全息技術(shù)[3]。到了20世紀(jì)90年代，研究人員開始使用CCD等光敏電子元件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的感光膠片或新型光敏等介質(zhì)記錄全息圖，通過電腦模擬光學(xué)衍射來呈現(xiàn)影像，這使得全息圖的記錄和再現(xiàn)真正實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化[4]。目前全息投影在技術(shù)上還未能完全擺脫介質(zhì)的束縛，主要是用白光來記錄并再現(xiàn)全息投影圖像[5]。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，全息投影技術(shù)越來越成熟，應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣。

一、全息投影技術(shù)的應(yīng)用

在國內(nèi)，3D全息技術(shù)廣泛應(yīng)用于遺址公園、城市規(guī)劃、博物展館等場(chǎng)所，在舞臺(tái)美術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用則更為頻繁，如2018年平昌冬奧會(huì)的“北京8分鐘”，威尼斯雙年展以故宮博物院為主導(dǎo)的“記憶與當(dāng)代”節(jié)目等。

2020年，宋“潮”游樂園紹興展《清明上河圖3.0》，運(yùn)用15臺(tái)NEC PX753UL+高端工程投影機(jī)打造的長35米，高5米高清動(dòng)態(tài)長卷，將文化、科技和藝術(shù)融為一體，在“動(dòng)”與“靜”之中讓文物“活”起來，成為紹興文旅融合的新范式。同年6月，珠海板樟山新增隧道正式啟用，通車后打造了近400平方米的側(cè)幕投影，將海洋特色元素融入珠海城市文化之中。

在博物館展覽中，可以用全息投影技術(shù)對(duì)精細(xì)手工藝品、微小的展品進(jìn)行展示，讓影像立體細(xì)致地再現(xiàn)于空中。觀眾不僅可以看到逼真的三維虛擬影像，還可以和虛擬影像互動(dòng)。在科普教育領(lǐng)域，全息投影技術(shù)打造了虛擬3D世界中有空間深度的沉浸式學(xué)習(xí)體驗(yàn)，這種立體視覺效果所呈現(xiàn)的內(nèi)容能更好地幫助青少年提高對(duì)科普知識(shí)的學(xué)習(xí)興趣[6]。

二、便攜式3D全息投影裝置設(shè)計(jì)制作

目前市場(chǎng)上廣泛應(yīng)用的3D全息投影技術(shù)其實(shí)是一種偽全息投影技術(shù)，主要是根據(jù)佩珀?duì)柣孟笤?，利用透明全息膜作為介質(zhì)，使得物體在透明全息膜中形成懸浮于空中的立體虛擬影像，讓觀眾可以通過各個(gè)視角進(jìn)行觀察。而真全息是不依靠全息介質(zhì)直接在空氣中成像，這種技術(shù)產(chǎn)品成本頗高[7]。同時(shí)，大部分3D全息投影設(shè)備造型單一，體積大不便攜帶，顯示屏幕也較厚重。根據(jù)前期市場(chǎng)調(diào)研和對(duì)主要消費(fèi)人群的問卷調(diào)查，我們組建了跨專業(yè)的大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)，依托南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)大學(xué)藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院3D打印虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)和藝術(shù)實(shí)訓(xùn)工坊，開展如何利用偽全息投影技術(shù)，設(shè)計(jì)制作便攜式3D全息投影裝置的研究工作。

3D全息投影裝置的成像需要制作圖片或視頻文件，在前、后、左、右四個(gè)角度同時(shí)進(jìn)行影像投影，倒金字塔形的全息投影膜由四個(gè)上底、下底、高的比例為1∶6∶3.5的等腰梯形組成。投影時(shí)利用空氣密度形成的衍射原理，將投影設(shè)備放置在倒金字塔形全息投影膜的中心頂部，播放圖片或視頻文件投影從而產(chǎn)生立體影像。

(一)燈塔3D全息投影裝置

研究項(xiàng)目的第一個(gè)方案偏重于外觀設(shè)計(jì)，以燈塔為造型元素，配色為簡(jiǎn)潔大方的黑白構(gòu)成，底座結(jié)構(gòu)為穩(wěn)固的四面體倒金字塔造型，對(duì)稱而統(tǒng)一。上部投影支架和下部底座支架都可以靈活拆卸成片狀板材，便于收納。支架材料采用PVC塑料板材，金字塔狀全息投影膜則采用3mm透明亞克力板，切割成四片相同的薄殼，用克立邦黏接劑黏接成型。使用時(shí)將全息視頻播放屏幕向下放置于投影支架頂部，調(diào)整位置和金字塔結(jié)構(gòu)中心對(duì)齊，即可觀賞到生動(dòng)形象的全息影像。

圖1 燈塔造型投影裝置

(二)磁懸浮3D全息投影裝置

第二個(gè)裝置設(shè)計(jì)方案利用磁力克服重力的磁懸浮技術(shù)，整體外觀提取蓮花基本造型元素進(jìn)行仿生設(shè)計(jì)，底部采用幾何切面的層疊結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)潔美觀而又對(duì)稱穩(wěn)固?；ò暝煨偷娜⑼队澳げ捎盟膫€(gè)完全相同的帶有圓柱形軸承的等腰梯形亞克力板，運(yùn)用軸承結(jié)構(gòu)與支架部分進(jìn)行連接達(dá)到可翻折效果，當(dāng)翻折到特定角度組合成金字塔狀的全息投影屏。

支架組件包括與亞克力板連接的凹槽設(shè)計(jì)支架，放置投影素材的平臺(tái)以及與磁懸浮臺(tái)接觸的磁鐵底部，底座組件包括可收納全息投影裝置部分的收納槽一面和用作磁懸浮平臺(tái)的一面。整個(gè)裝置色調(diào)以黑白為主，簡(jiǎn)約明快。支架和底座使用3D打印光敏樹脂材料打印制作而成，底部加入超導(dǎo)體，體積小巧，翻折收納后幾乎不占空間，適合不同場(chǎng)合的產(chǎn)品展示或居家觀賞使用。

圖2 浮世白夜花全息投影裝置

(三)榫卯結(jié)構(gòu)3D全息投影裝置

該裝置設(shè)計(jì)融入了中國傳統(tǒng)榫卯結(jié)構(gòu)工藝，代替常用的釘子、螺絲等現(xiàn)代組裝方式，以木質(zhì)結(jié)構(gòu)榫接而成，外觀設(shè)計(jì)古樸典雅。在選擇材料時(shí)，項(xiàng)目組分別實(shí)驗(yàn)了塑料和金屬材質(zhì)，結(jié)果表明塑料單過于單薄，而金屬材料對(duì)于加工儀器和操作要求較高，木質(zhì)材料有著自然美觀的紋理且質(zhì)輕、強(qiáng)度大，彈性和韌性比較好，在干燥條件下耐久性好，相對(duì)易于加工。

裝置在保證遮光性的前提下在兩側(cè)采用梯形結(jié)構(gòu)遮光板，能更清楚地觀察全息影像的各個(gè)細(xì)節(jié)特征，也使得影像更為逼真。全息投影投膜也采用3mm透明亞克力板材質(zhì)制作，在兩邊梯形遮光板的底部各自設(shè)有長方形卡槽，整體裝置底部兩側(cè)各設(shè)有一個(gè)插銷式榫卯結(jié)構(gòu)，用于固定投影設(shè)備。

圖3 榫卯結(jié)構(gòu)全息投影裝置

三、便攜式3D全息投影裝置設(shè)計(jì)創(chuàng)新性

(一)結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新性

經(jīng)過市場(chǎng)調(diào)研，目前國內(nèi)市場(chǎng)上的全息投影裝置多用于展覽展示以及舞臺(tái)美術(shù)。由于裝置設(shè)備的體積和重量都較大，結(jié)構(gòu)也多為不可折疊的固定支架，運(yùn)輸和使用時(shí)會(huì)產(chǎn)生諸多不便，這使得全息投影產(chǎn)品難以得到普及。項(xiàng)目組根據(jù)產(chǎn)品使用情境和人因測(cè)試，嘗試在結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)小巧且方便使用的便攜式全息投影裝置。

燈塔3D全息投影裝置設(shè)計(jì)采用了四面體對(duì)稱的穩(wěn)固結(jié)構(gòu)；浮世白夜花3D全息投影裝置運(yùn)用可翻折的軸承構(gòu)造的投影屏，底部托架結(jié)合磁懸浮技術(shù)；榫卯結(jié)構(gòu)3D全息投影裝置作品在較大程度上是對(duì)古代榫卯家具的再現(xiàn)，對(duì)部分組件進(jìn)行一定創(chuàng)新設(shè)計(jì)。項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)的三個(gè)方案主要對(duì)便攜式3D全息投影裝置的外觀造型設(shè)計(jì)進(jìn)行創(chuàng)新，也在不同程度上對(duì)支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了探索。

(二)造型的多樣性

隨著產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度越來越快，制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)不斷加劇，產(chǎn)品設(shè)計(jì)中趣味性、娛樂性占據(jù)的比例也逐漸提高，對(duì)于產(chǎn)品造型的個(gè)性化需求也越來越多。項(xiàng)目小組不僅采用磁懸浮技術(shù)和傳統(tǒng)木質(zhì)榫卯元素對(duì)支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新，造型設(shè)計(jì)上也突破了常規(guī)的四方柜體造型，融入仿生植物、中國傳統(tǒng)文化等元素，在形式上帶來了更多變化。傳統(tǒng)榫卯結(jié)構(gòu)與極簡(jiǎn)幾何形造型結(jié)合，給人一種虛擬與現(xiàn)實(shí)并存的感覺。

三個(gè)產(chǎn)品方案配色以黑白和自然原木色為主，契合了現(xiàn)代快節(jié)奏生活下人們對(duì)簡(jiǎn)約自然風(fēng)格的喜愛和追求。黑白配色是設(shè)計(jì)中的經(jīng)典配色，也是電子產(chǎn)品的主流色彩。而原木配色素雅清爽，能營造溫馨的空間氛圍，呈現(xiàn)自然親和的氣質(zhì)。后期的方案設(shè)計(jì)過程中，將進(jìn)一步以提高產(chǎn)品審美品味為目標(biāo)，探索外觀造型的多樣性，讓消費(fèi)者能夠根據(jù)自己的喜好進(jìn)行個(gè)性化定制，從而更深入地探索光影世界。

(三)材質(zhì)的跨界

當(dāng)前市場(chǎng)上的3D全息投影膜主要有半透明全息技術(shù)膜、透明全息膜、淺灰色投影全息膜、玻璃鏡面全息膜等不同種類[8]。新型的電子技術(shù)可調(diào)整光源薄膜，不同的貼膜技術(shù)還可以控制全息膜的透明度，但這類產(chǎn)品價(jià)格都十分昂貴。根據(jù)大創(chuàng)項(xiàng)目的預(yù)算經(jīng)費(fèi)，項(xiàng)目組采用3mm透明亞克力板制作全息投影膜。亞克力板具有透光性能好、顏色純正、平整堅(jiān)固、使用壽命長等特點(diǎn)，能夠大大降低制作成本，保證3D全息投影成像的清晰度。

在項(xiàng)目實(shí)踐中，面對(duì)產(chǎn)品原型設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)不完整、不確定的劣構(gòu)問題，往往需要迭代反復(fù)，不斷創(chuàng)建、測(cè)試、修改方案與模型。3D打印技術(shù)能夠使設(shè)計(jì)方案快速成型，調(diào)整產(chǎn)品的外觀造型，優(yōu)化分析產(chǎn)品的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。項(xiàng)目組依托南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)大學(xué)藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院3D打印虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)和藝術(shù)實(shí)訓(xùn)工坊，運(yùn)用光固化3D打印技術(shù)、木加工技術(shù)等制作全息投影支架結(jié)構(gòu)，極大地提高了學(xué)生的產(chǎn)品設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力和學(xué)習(xí)積極性。

四、研究成果

我們將便攜式3D全息投影裝置設(shè)計(jì)制作引入大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目，專業(yè)導(dǎo)師從創(chuàng)新作品的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)和設(shè)計(jì)思路等方面進(jìn)行指導(dǎo)，引導(dǎo)學(xué)生正確科學(xué)的研究思路；企業(yè)導(dǎo)師在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、3D打印儀器操作等方面進(jìn)行指導(dǎo)，雙管齊下，助力學(xué)生順利研制創(chuàng)新成果。

項(xiàng)目小組成員經(jīng)過專業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)和導(dǎo)師的指導(dǎo)參加了iCAN全國大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽、“陶天下杯”江蘇省大學(xué)生工業(yè)設(shè)計(jì)大賽、“挑戰(zhàn)杯”全國大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技大賽、江蘇省科普公益作品設(shè)計(jì)大賽等一系列大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽，并取得了不俗的成績。同時(shí)，在目標(biāo)驅(qū)動(dòng)下積極探索設(shè)計(jì)創(chuàng)新方法，申報(bào)并授權(quán)了一批實(shí)用新型和外觀新型專利，在實(shí)踐和科研上都取得了較大進(jìn)步。

結(jié)語

3D全息投影技術(shù)通過模擬人體視、聽等感受，給人們帶來新穎逼真的體驗(yàn)，相比傳統(tǒng)的二維平面展示有著交互性強(qiáng)、效率高、對(duì)產(chǎn)品信息化集成度高且傳播更廣的優(yōu)勢(shì)[9]。在藝術(shù)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，這種全新的展示方式更利于表達(dá)設(shè)計(jì)概念，突出產(chǎn)品設(shè)計(jì)理念，更加具有個(gè)性和視覺沖擊力。

為了更好地發(fā)展和普及3D全息投影技術(shù)，使其結(jié)構(gòu)更合理、工藝更簡(jiǎn)化、材料更節(jié)省，項(xiàng)目小組進(jìn)行了一系列便攜式3D全息投影裝置的創(chuàng)新性設(shè)計(jì)，以滿足市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)和消費(fèi)者的需求。隨著手機(jī)高清全息投影芯片的投入使用，大規(guī)模利用3D全息影像技術(shù)進(jìn)行日常社交活動(dòng)也將成為可能，我們相信隨著虛擬現(xiàn)實(shí)在生活家居和科普教育領(lǐng)域的普及，未來全息投影技術(shù)將不斷地創(chuàng)新，使其成為生活的一個(gè)新方式和發(fā)展方向。