全息投影技術在虛擬服裝展示中的應用研究

張 惠 陳娟芬

江西服裝學院 江西省現代服裝工程技術研究中心(中國)

近年來，全息投影技術作為一種三維虛擬成像技術在各種領域得到廣泛應用。全息投影技術又稱虛擬成像技術，其成像原理屬于光學范疇，即利用光學原理，收集物體的全部光學信息，并使物體的這些光學信息在現實空間中以三維立體形式重現[1-2]。在服裝領域，隨著數字化服裝的發展，三維虛擬服裝展示以其方便快捷、節約成本、效果逼真等優點，成為目前服裝展示的重要發展方向和研究熱點。三維虛擬服裝展示技術與全息投影技術的結合為虛擬服裝展示開辟了新的路徑。

1 全息投影技術的原理

目前，全息投影技術主要包括透射全息投影、360度全息投影和空氣投影3種技術[3]。

1.1 透射全息投影技術

透射全息投影技術屬于傳統的全息投影技術，經歷了基于光的干涉原理的物體光學信息記錄和基于光的衍射原理的物體光波再現兩個階段[4-5]。

在光學信息記錄階段，由激光器發出的激光，經分束鏡分成兩束，一束先后經平面鏡反射和擴束鏡分散，得到物光束，并照向全息干板；另一束經平面鏡反射和擴束鏡分散，得到參照光并與物光束在全息干板上干涉疊加形成全息圖。二者相互干渉的信息(如形狀、間距、位置)便是對物體光學信息的記錄[6]。在光波再現階段，全息圖猶如一個復雜的光柵，激光照射全息圖后，由于光的衍射，會形成原始光波和共軛光波。原始光波形成原始像，共軛波形成共軛像。透射全息投影技術對于攝像設備和顯像設備的穩定性要求較高，且對全息干板的材料有一定要求，后期處理復雜[7]。基于此，360度全息投影技術和空氣投影技術得以發展。

1.2 360度全息投影技術

360度全息投影技術是以“佩波爾幻象”為原理的偽全息投影技術。如圖1所示，物體的正、側、背面等多個角度的投影源光波由豎直方向照向全息膜，經全息膜反射成水平光波并呈現于全息膜后方，在現實空間中對接形成像點。人的視線從水平方向看向透明的全息膜時便可看到立體感很強的三維物象[8]。該技術中有兩個關鍵點，一是投影源由物體的正面、左面、背面、右面4個角度畫面發出的光波組成，因此符合要求的投影源是關鍵之一；二是優質的全息膜可達到更加清晰的視覺效果和極佳的感官體驗，因此全息膜的選擇至關重要。360度全息投影具有環境要求低、易實現、影像清晰、立體感強等優點，但由于是在全息膜內成像，故也存在交互性差、空間限制等亟需改進的缺點。

圖1 “佩波爾幻象”原理

1.3 空氣投影技術

空氣投影技術亦屬于偽全息投影，該技術由空氣屏幕系統和投影系統兩部分組成?？諝馄聊幌到y吸入空氣，改變其密度、溫度等物理屬性，并將處理后的空氣排出形成現實空間中看不見的空氣墻。投影系統則將影像光波投射到空氣墻中，由于空氣墻的空氣分子振動不均，空氣折射率不同，光波在不同折射率的折射和反射作用下形成富有層次感和立體感的影像[9]。

相比其他全息投影技術，空氣投影技術可以將影像直接投射在空氣中，不需要任何界面設備，真正實現了影像與人的親密接觸，在各個行業領域均具有巨大發展潛力，因此不少研究者在不斷進行技術上的突破。日本的研究團隊Aerial Burton研發出了不需要借助空氣墻的激光投影儀。該技術直接通過一系列精準調節的激光發射器，有選擇地電離空氣分子使之發出亮白的光線從而得到全息圖像[10]。

2 全息投影技術在虛擬服裝展示中的應用現狀

全息投影技術將三維虛擬影像展現在觀者面前，給人較強的縱深感，在三維展示方面具有強大的優勢[11]。在服裝領域，服裝展示主要包括傳統展示和三維虛擬展示兩種方式。傳統展示包括懸掛、平鋪、人臺展示及真人動態秀等，但存在成本高、效率低、受眾面低等弊端。三維虛擬展示則以虛擬的三維服裝為主體，通過采用多種軟硬件設備進行展示，可多角度展現服裝色彩、款式和細節，具有效率高、受眾面廣、節約成本等優勢。目前的虛擬服裝展示設備以計算機、手機等的顯示屏為主。觀者通過顯示屏觀看服裝時，會產生從平面中觀看三維服裝的視覺感，缺少縱深感；而在全息投影技術中，觀者可從一側看到另一側空間而不受設備限制。因此將三維虛擬服裝與全息投影技術相結合，可取長補短，為虛擬服裝展示探索出新的發展之路。

近幾年，隨著全息投影技術的不斷發展，越來越多的研究者和研究機構通過不斷探索，將全息投影技術與虛擬服裝展示相結合。北京服裝學院在“2019北服時裝周”中首次將180度全息投影技術搬上時裝周秀場。在模特走秀的同時，通過全息投影技術在T臺紗幕上呈現出模特所穿著的服裝的組合過程，將虛幻與現實融合在一起，進行了一次時尚與科技結合的有益探索。如圖2所示為全息投影技術應用的秀場圖。

圖2 “2019北服時裝周”全息投影技術的應用

戴文翠[12]將全息投影技術用于服裝設計，利用全息投影技術將各種動態圖案等元素以全息成像的方式投射到服裝上，白色服裝即刻變換成充滿設計感的絢麗服裝。該服裝展示方式不需要提前制作所設計的服裝面料圖案，而是在展會或發布會中通過全息投影技術呈現面料的圖案元素，待客戶觀賞并評定后再進行該圖案元素的批量生產及后續的成衣生產。因此該方法可以降低服裝初始材料的投入，具有提高生產效率，降低庫存的優勢。

楊思等[13]將空氣全息投影技術和全息膜投影技術(即360度全息投影)分別與虛擬試衣系統結合。傳統的虛擬試衣系統中，用戶通過手勢控制試衣系統的顯示屏實現換衣等交互，試衣效果通過顯示屏呈現，缺少立體的視覺效果。將空氣投影和全息膜投影分別與虛擬試衣系統結合后，用戶在傳統試衣系統中的試衣效果可以投影到空氣屏幕或全息膜中，呈現逼真立體的試衣效果。楊思等從投影源、交互性、設備體積、成本、畫面穩定性等方面，對空氣投影和全息膜投影與傳統試衣系統相結合的優劣進行了對比，得出了成本低、畫面穩定性強的全息膜投影更適合與試衣系統大范圍結合的結論。

3 將三維虛擬服裝與360度全息投影技術相結合的服裝展示方法

戴文翠將全息投影技術用于實物服裝設計，將虛擬的全息投影和現實的服裝相結合，達到了較好的設計效果。然而分析目前服裝展示的發展趨勢可發現，基于三維虛擬服裝展示技術的服裝展示方法已經成為服裝展示的主要發展方向，2019年北京服裝學院時裝周中全息投影的投影源即為三維虛擬服裝。在服裝企業，三維虛擬服裝展示技術可以用效果逼真的虛擬服裝代替實物樣衣向客戶展示，跳過了一次次的實物樣衣修改環節，提升了服裝開發效率，節約了成本[14]。然而，目前的虛擬服裝展示仍然以顯示器展示為主，缺乏視覺縱深感和空間立體感。參考楊思的研究可知，相對于其他全息投影技術，360度全息投影具有成本低、畫面穩定性強的優勢。

結合上述研究現狀及虛擬服裝展示的缺陷，本文提出將三維虛擬服裝與360度全息投影技術結合的虛擬服裝展示方法，以期在提高展示效率和降低成本的同時提升視覺縱深感和空間立體感，并設計制作基于手機顯示屏的簡易展示裝置進行可行性驗證。試驗過程主要包括三維虛擬服裝模型的建立、投影源的制作、展示裝置設計與制作3個過程。

3.1 三維虛擬服裝模型的建立

三維虛擬服裝模型的建立過程簡稱為服裝建模，是指將二維板片轉化為三維立體服裝并進行面料褶皺、面料垂感、面料紋理及輔料等方面處理的過程。服裝建模所需軟件眾多，在二維板片到三維服裝的過程中較常用的軟件有韓國的試衣軟件CLO 3D、德國的Vidya等[15]。服裝建模得到的靜態服裝，通過綁定人體骨骼可以驅動服裝的運動[16]。本文使用CLO 3D建立了女西服外套、連衣裙、牛仔褲3種服裝模型，效果如圖3所示。其中將連衣裙綁定人體骨骼，產生動態走秀效果。

圖3 3款服裝建模效果

3.2 投影源的制作

投影源以視頻形式播放，3款服裝分別制作投影源視頻。牛仔褲和女西服采用360o旋轉的方式進行全息投影展示，連衣裙采用動態走秀的展示方式。3款服裝經CLO 3D建模后，采用3DS Max軟件進行動畫渲染，并導出為AVI視頻。使用Adobe Premiere視頻編輯軟件將3DS Max軟件處理后的視頻編輯為正、左、背、右4個角度的投影源視頻[17]。試驗中經過多次嘗試，總結出制作投影源視頻的注意事項如下：

——投影源的每一幀中的正、左、背、右4個角度的畫面需大小一致，且保持實時同步；

——投影源視頻需以黑色為背景，從而使得金字塔全息膜中服裝的周邊環境為透明狀態；

——最終的投影源視頻要經過Adobe Premiere視頻編輯軟件處理成水平翻轉狀態，以確保投影后金字塔全息膜中的虛擬服裝的左右方向為實際中的左右方向。

最終的投影源單幀圖片如圖4所示。

圖4 投影源單幀圖片

3.3 展示裝置設計與制作

本文設計制作的展示裝置為簡易裝置，包括金字塔和手機支撐架兩部分。金字塔由4片等腰三角形的全息膜拼接而成，全息膜可采用半透半反的亞克力板或聚氯乙烯(PVC)塑料板。根據佩伯爾幻象原理，各全息膜與水平面的夾角以45°最佳[18]，經過分析計算得出全息膜為腰長7 cm、底邊長8 cm的等腰三角形。該裝置使用長、寬分別為15.0和7.5 cm的智能手機作為投影設備，手機支撐架的長、寬、高分別采用15.0、6.0和7.5 cm為宜，支撐架材質為黑色磨砂塑料。圖5所示為支撐架與金字塔的組合形式。

圖5 支撐架與金字塔的組合形式

3.4 360度全息投影的可行性驗證

金字塔和支撐架拼接完成后與手機顯示屏并用，將制作好的投影源視頻導入手機并在黑暗環境中播放，從而將手機顯示屏中的虛擬服裝投影到金字塔全息膜上，實現虛擬服裝的展示，如圖6所示。虛擬服裝展示視頻可通過手機掃描圖7的二維碼進行觀看。受拍攝設備、光線等因素的影響，畫面存在服裝色差、噪點、曝光問題，實際觀看時具有更加清晰、立體的視覺效果。經過簡易360度全息投影裝置的試驗驗證，最終確定360度全息投影技術可以實現虛擬服裝的全方位展示，并達到較強的視覺縱深感和空間立體感。

圖6 基于手機顯示屏的360度全息投影簡易裝置

圖7 虛擬服裝展示視頻二維碼

4 結語

相對于其他服裝展示方式，將各類全息投影技術應用于虛擬服裝展示中，具有展示手段新穎、展示效果逼真、服裝空間立體感強等優勢，但不同的全息投影技術也存在設備成本高、占用空間大、畫面穩定性差等弊端。相信隨著全息投影技術的不斷發展，這些問題會被逐一攻破，全息投影技術在虛擬服裝展示中的應用也會得以逐步推廣。