全息投影技术与3d技术的对比及个人实验

全息投影技术与 3D 技术的对比及个人实验 一、全息投影的工作原理 全息投影技术，又称为虚拟成像技术，是一种基于三维空间的利用光的干涉与衍射原 理记录并再现物体真实的三维图像的立体投影技术。所谓全息，是指物体的全部图像信息。 全息投影出现于上世纪 60 年代，由德国科学家首次提出创建一种能够及时记录物体所 有信息并再现的技术，全息由此而来。 喜爱科幻电影的读者一定不会陌生，电影中有一种三维的通讯系统，可以把远处的人 和物以立体的形式投影在空中并即时通讯。比如阿凡达电影中人类基地的中央控制室 中的那台巨大的三维地图显示仪和众多的电脑，再比如钢铁侠中主人公的实验室的三 维电脑等等。可见，在众多科幻作家的笔下，全息投影技术都被选为未来特有的成像技术。 所以可以说，全息投影是一项包含了未来的技术。 人眼之所以可以观察到周边世界，是由于光照射在物体上，由物体漫反射出的光带上 了物体表面的图像信息进入了人的眼睛，每一束反射光都带有物体一个点上图像信息，众 多的反射光便携带了物体表面所有点的信息，在视网膜上重组，于是视网膜获得了图像信 息，再通过大脑处理便得到物象。全息投影的工作原理与此类似。 在全息投影之前，首先要进行的是对物体进行 360的全息摄影，这便需要运用光的 干涉原理（物理选修 3-4 第十二章第三节） 进行记录。自然界的光多为集合光，由众多频段和 颜色不同的单色光组成，且很难朝一个方先集中发射，因而相干性、精准性较差，能量较 低，难以产生干涉条纹。因此全息常用激光来进行摄影，激光单色性好，频段一致且相干 性与精准性好，能量高，能在感光底片上产生明显的干涉条纹。 （1） 、全息摄影 首先，将参考激光束直接照射在全息底片上，在底片上产生一次感光。在将拍摄物体 置于辐射式拍摄激光下照射。拍摄激光照射在物体表面，由于漫反射，便向四方反射激光。 反射激光束携带着物体所有点上的图像信息照射在全息底片上，并与参考激光束叠加干涉， 根据惠更斯定理，两种激光会由于相互干涉，在全息底片上产生明暗、粗细和间隔不同的 干涉激光条纹，干涉激光条纹可以将物体反射光波上各点的位相和振幅（即图像信息）转 化为空间上的物理信息（条纹的明暗程度，粗细大小，间隔距离） ，由底片二次感光记录下 来。底片在经过显影，定影处理后，便成为一张全息图片。全息图片并不是一般图片一样 有图像，它没有图像，只有一条条的干涉条纹，就如同粗细不同的栅栏组成的图像一样。 只有在特定角度下的激光照射，才能还原出图像。 （1） 、全息投影 拍摄完成后，将全息图片置于暗室，利用相干激光以一定角度进行排照，全息图片上 便出现了两个物象，其中一个处于全息图片上，被称为原始象，另一个由于全息图片的反 射，反射激光则会在全息图像的上方空间中形成一个物象，被称为共轭象。单由一个方向 的相干激光产生的共轭象是模糊的，因此，再用一束相干激光从全息图片的背面以一定的 角度进行拍照，同样产生原始象和共轭象，不过这是两个共轭象处于同一位置，两个共轭 象叠加后，产生的叠加共轭象十分真实立体，物体便被再现出来。由于全息图片上的干涉 条纹携带有物体所有的图像信息，因此，共轭象与原物体是一模一样的。 （2） 、总结 全息投影技术可以被看作是在空间中进行立体几何的作图，它相当于把物体表面分为 无数个点，记录它们的坐标（相位与振幅） ，再在另一个空间坐标系中还原它们，由此重组 出原物体。就如解析几何中，告诉三角形的三个顶点坐标（或三条边所在的直线方程） ，要 求还原三角形一样。 二、3D 立体投影技术的工作原理 3D 立体投影技术，是一种基于二维平面的利用光的偏振来营造“双目效应”的方式来 再现物体的投影技术。 3D 技术起源于上世纪末，现在几乎每个大型电影院都配备有先进的 3D 影院，还有一 种专门的 3D 电视机，3D 技术已经融入到我们的生活中。 要了解 3D 的工作原理，首先了解双目效应。 （1） 、双目效应 人分为左右两眼，每只眼睛的视角为 80左右，人的总视角只有 120左右，那么， 这便意味着约有 40的视角重叠。因此，在观看物体时，我们左右两眼看到的物体是不同 的，左眼看见的左侧图像较多，右眼看到的右侧图像较多。左右眼接收到的不同图像由大 脑处理，使我们能判断物体远近而产生立体感。3D 技术便是模拟“双目效应”工作的。 （2） 、3D 摄影 在 3D 投影前，要对物体进行 120的 3D 摄影。看过 3D 电影的读者应该知道，如果 取下 3D 眼镜观看，画面有重影而模糊不清。只是因为，银幕上的画面并不是一幅，而是 两幅角度不同的画面叠加的效果。 为了模拟“双目效应” ，我们必须拍摄出偏左侧的画面和偏右侧的画面。在拍摄时，其 实有两台 3D 摄像机同时工作，一台偏向演员左侧，记录偏左的图像；一台偏向演员右侧， 记录偏右的图像，再通过电脑处理，将两幅图像叠加，便成了 3D 电影源。 （3） 、3D 投影 完成摄影后，在放映室里，3D 电影源投放在一定角度的银幕上，观众需要带上 3D 眼 镜观看。仔细观察 3D 眼镜，我们会发现左右镜片上有密集而细小的朝向不同的条纹。左 镜片是纵纹，右镜片是横纹。正是这些条纹，我们才能看到美妙的 3D 立体图。 完成摄影后，根据“双目效应” ，我们需要将图像分解，让左眼只看见偏左的画面，右 眼只看见偏右侧的画面，这样才能使大脑产生远近的判断而生出立体感。在放映时，偏左 的画面和偏右侧的画面所用的投射光是不同的，虽然颜色画面一样，但投影用的光的传播 方向是不同的，偏左画面用的是纵波光（光波沿纵向传递） ，偏右画面用的是横波光（光波 沿横向传递） ，由于偏振光的特点（物理选修 3-4 第十二章 第三节）纵波光只能穿过纵纹，不 能穿过横纹，因此，透过左镜片，我们只能看见偏左侧的画面，同理与右镜片。 由此，重叠的画面被分解，左眼只看见偏左侧的画面，右眼只看见偏右侧的画面，由 于双目效应，我们便产生了远近感和立体感。 3、全息投影技术与 3D 立体成像技术的对比 对比一下全息投影与 3D 技术，不难发现：全息投影是记录了物体所有图像信息来重 塑整个物体，使人能够 360无死角地观看而产生立体感；3D 技术则是通过记录物体部分 图像信息，再通过模拟“双目效应” ，使人产生立体感。打个比方，全息投影犹如再造机， 它记录下物体所有图像信息后，便在造出一模一样的个体；3D 技术犹如复印机，它记录下 物体某一面的图像信息，重新复印一次。由此可知，全息投影技术的技术含量远高于 3D 立体投影技术。 不仅从技术含量上全息投影更为先进，在投影质量上，全息投影同样是更胜一筹。 我们知道，3D 不论立体感再如何强，它始终需要巨大的银幕作为背投，这便给观众一种非 真实感，即感觉上始终是二维平面上的特技处理。其次，3D 只记录了物体部分的图像信息， 因此画面并不完整，它只有 120左右的观看视角。比如，画面中有人物正对观众，如果 观众想看看人物后背，他是不可能走到银幕背后去看人物的后背的，因为那里的图像信息 并没有被 3D 记录下来，它丢失了。而全息投影则不同，它根本就不需要银幕，因为整个 数字王国 3D 全息投影 画面是投影在空中的，这边不会产生 3D 的非真实感，其次，全息投影记录了物体所有图 像信息，它的观赏视角是 360无死角的，这就意味着，我们在 3D 中是不能走到画面背后 去看人物后背，但在全息投影中，不仅仅是后背，人物的侧面、顶部、下部，一切视角的 图像我们都可以看到，如同一个真实的人站在那里有我们观察，因为全息投影记录了物体 的所有图像信息，它不存在丢失的情况。 4、全息投影的价值 全息投影技术可以毫不夸张地说是一项包含了未来科技的技术，随着现代技术的创新， 一切的机械设备都朝着小型化，精密化，自动化，智能化发展。而当代的 3D 立体投影技 术所需的巨大背投便成为了发展的最大阻力，而全息投影技术不需背投，这边有很大的开 发潜力，加之超导技术和激光制造技术的不断成熟以及 3S DIGITAL 数字技术的发展，全 息投影技术已由上世纪 60 年代的巨大化，复杂化渐渐转变为小型化、精密化和智能化，可 见，全息投影技术必将是未来成像技术的主流。 5、当代全息投影技术的分类与应用 当代的全息投影技术分为专业投影技术和仿投影技术。 （1） 、专业投影技术 专业投影技术由于技术的不成熟，除电影业、影视业，外并未得到大众普及，很少用 于商业展示。现目前，出现在大型演出的全息投影技术有 2010 年 7 月中国歌手韩庚的个人 演唱会，2011 年 12 月 31 日江苏卫视的跨年演唱会，和 2013 年春节联欢晚会。 （2） 、仿投影技术 仿投影技术又分为背投式全息投影技术和反射式全息投影技术。 背投式全息投影是将画面（已由 3D 技术立体化加工）直接投影在透明的全息投影膜上， 观众从一定的角度看，全息投影膜会消失，而只看见图像，但成像面只有 90。如 2012 年 3 月 8-9 日 世嘉公司在日本东京和中国上海同时举办的“初音未来个人演唱会” ，也是 世界上第一个由动漫虚拟人物担任主唱的个人演唱会。 反射式全息投影技术是运用光线的 45反射，在 270视角内制造出全息立体图像，使观 众产生强烈的立体感。如作者本人的试验。 6、当代全息投影技术的分类与应用 当代的全息投影技术分为专业投影技术和仿投影技术。 （1） 、专业投影技术 专业投影技术由于技术的不成熟，除电影业、影视业，外并未得到大众普及，很少用 于商业展示。现目前，出现在大型演出的全息投影技术有 2010 年 7 月中国歌手韩庚的个人 演唱会，2011 年 12 月 31 日江苏卫视的跨年演唱会，和 2013 年春节联欢晚会。 （2） 、仿投影技术 仿投影技术又分为背投式全息投影技术和反射式全息投影技术。 背投式全息投影是将画面（已由 3D 技术立体化加工）直接投影在透明的全息投影膜上， 观众从一定的角度看，全息投影膜会消失，而只看见图像，但成像面只有 90。如 2012 年 3 月 8-9 日 世嘉公司在日本东京和中国上海同时举办的“初音未来个人演唱会” ，也是 世界上第一个由动漫虚拟人物担任主唱的个人演唱会。 反射式全息投影技术是运用光线的 45反射，在 270视角内制造出全息立体图像，使观 众产生强烈的立体感。如作者本人的试验。 参考资