全息照相虛擬仿真實驗教學

馮中營， 韋 仙， 楊文錦

（太原工業(yè)學院理學系，山西省大學物理實驗教學示范中心，太原 030008）

0 引 言

全息照相作為革新的攝影技術，因呈現(xiàn)影像立體感強，形象逼真而廣泛應用于醫(yī)學、國防、公共安全等領域，具有廣闊的發(fā)展前景。如今，全息技術融合新興產(chǎn)業(yè)，發(fā)展了全息AI［1］，全息AR，全息3D光場，5G全息通信等先進技術［2-4］，掌握全息照相技術能夠為學生未來開展基礎科學和創(chuàng)新性技術研究奠定基礎。

全息照相實驗在激發(fā)學生學習興趣，培養(yǎng)實操能力方面發(fā)揮了重要作用。然而，傳統(tǒng)的全息照相實驗因為成本高、實驗操作難度大、耗時長、所需顯影液、停影液、定影液等化學藥水具有一定腐蝕性和危險性，致使無法大規(guī)模同時開展實驗，無法滿足全校理工科學生的實驗課程量。

基于此，采用Maya 軟件創(chuàng)建全息照相實驗實踐教學場景［5］，對實驗儀器進行建模、貼圖、動畫以及渲染編輯［6］，搭建全息照相虛擬仿真實驗教學平臺。再結合虛擬現(xiàn)實Virtual Reality（VR）技術，實施沉浸式教學［7-8］。該實驗以培養(yǎng)應用型人才為導向，以提升學生實踐能力和分析解決問題的能力為目標，將傳統(tǒng)的全息照相實驗與虛擬仿真、VR技術相結合，有利于提高實驗教學效果和教學質量，達到實踐育人目的。

1 實驗原理與設計框架

全息照相具有三維立體特性，可進行多重記錄，采用全息底片的一個小碎片，也能重現(xiàn)出物體的完整圖像。全息照相與普通照相在成像原理上有本質區(qū)別，普通照相是采用幾何光學的成像方法將物體上各點的光強分布記錄下來，形成二維平面物像。而全息照相是利用光學的干涉、衍射原理，以干涉條紋的形式將物光波的振幅和相位信息全部記錄下來，再根據(jù)干涉條紋的衍射，重建物體的三維像。因此，全息照相過程分兩步：波前記錄和波前再現(xiàn)［9］。

（1）全息圖的記錄。實驗光路如圖1 所示，激光光束經(jīng)分束器分為2 束，L1光束經(jīng)全反鏡1 反射到全息底片上作為參考光，L2光束經(jīng)全反鏡2 反射到物體上，再經(jīng)物體表面漫反射，作為物光射到全息底片上［10］。

圖1 全息照相實驗光路圖

設物光方程為

參考光方程為

物光與參考光在全息底片上發(fā)生光的干涉，根據(jù)疊加原理，可得

光強為

全息底片經(jīng)曝光、顯影、定影等處理后，就將物光波的全部信息（振幅和相位）以干涉條紋的形式記錄下來，且所得到的全息圖具有光柵狀結構。

（2）全息圖的再現(xiàn)。將處理過的全息底片放回原光路中，用參考光波照射全息底片時發(fā)生光的衍射，就可以再現(xiàn)物體的立體圖像［11-12］。

全息照相虛擬仿真實驗的設計框架如圖2 所示。①實驗平臺建模，布局虛擬仿真實驗室，構建實驗儀器，添加VR交互設備；②虛擬仿真實驗界面，在該界面下，學生可以學習實驗目的和實驗原理，并進行具體的實驗操作，同時利用頭戴式VR 交互設備進行沉浸式學習和操作體驗；③互動提升模塊，引導學生根據(jù)實驗結果做具體分析以及實驗拓展，得到能力提升。

圖2 全息照相虛擬仿真實驗的設計框架

2 虛擬仿真平臺搭建

2.1 實驗界面設計

實驗室及實驗臺的空間比例均參照真實實驗室進行布局，360°漫游，達到逼真的實驗環(huán)境，見圖3。

圖3 實驗室布局圖

2.2 實驗儀器建模

采用Maya軟件生成多邊形基本體，使用建模工具進行分割、合并、擠出等操作，以獲得實驗儀器的三維模型框架，在此基礎上，借助Adobe Photoshop 軟件對經(jīng)Maya軟件生成的實驗儀器的三維模型進行貼圖的繪制和修補。最終，如圖4 所示構建出分束器、全反鏡、水槽、玻璃板、激光器、被攝物等各種實驗儀器的仿真模型。

圖4 各種實驗儀器模型

2.3 動畫及渲染

構建模型和貼圖繪制后，要對儀器進行對光微調，采用Maya和Unity3D 軟件將每個儀器的關鍵部位的動作以及操作按鈕設置成動畫，通過拖動動畫指幀，對時間軸上的每一幀進行優(yōu)化繪制，形成連續(xù)流暢的動畫效果［13-14］。然后對每個儀器進行獨立控制，且結合實際情況進行匹配，比如，對于激光束的發(fā)射，要設置光折射的范圍使其符合正常光束的域值。最后，對做好的儀器模型、動畫進行渲染以達到最終效果。尤其對顯影液、停影液、定影液等液體以及燈光控制通過Mental Ray渲染引擎進行處理。

2.4 交互設置

在實驗中，每一個關鍵步驟的錯誤操作均會導致結果無法顯示，為控制在操作關鍵步驟的正確性以及對實驗結果的影響，應用C#和java控制實驗器材的擺放［15］，限定區(qū)域布局，通過數(shù)據(jù)庫進行后臺步驟的記錄。

為了能讓學生深度體驗實驗效果，結合VR 實施沉浸式教學，設置VR硬件的對接接口，接入視景仿真系統(tǒng)、操縱負載系統(tǒng)等，并進行多點位控制以及鏡頭調整，確保不同距離觀測的真實感。

3 仿真實驗過程與結果分析

3.1 主要的實驗過程

（1）光路調整。按照實驗提示，將分束器、全反鏡（2 個）、被攝物、玻璃板分別放置在實驗臺的相對位置上。關閉房間燈光，從左側儀器欄點擊擴束鏡（2 個），將其放置在要求位置上。打開激光器，通過調節(jié)兩個全反鏡的角度或位置來調整光路，保證物光光程和參考光光程相近，形成干涉，如圖5 所示。

圖5 光路調整圖

（2）波前記錄。光路調整完畢后，關閉激光器，點擊玻璃板，更換干板，穩(wěn)定1 min 后，打開激光器進行定時曝光。曝光完成后，開始清洗干板，具體操作為：首先將干板放入D-19 顯影液中，震蕩，并清水沖洗；然后將干板放在SB-1 停影液中浸泡，完成后用清水沖洗；接著將干板放在F-5 定影液中浸泡，完成后清水沖洗；最后將干板放在甲醇中浸泡，完成后取出干板自然干燥，如圖6 所示。

（3）波前再現(xiàn)。待干板重新放回玻璃板內，取走分束鏡和被攝物，將凸透鏡和全反鏡分別放至實驗臺對應位置，關閉房間燈光，打開激光器，取走全反鏡，通過鍵盤上的方向鍵W、S、A、D 鍵進行移動，按住鼠標右鍵拖動鼠標轉動視角，找到合適的觀測位置及角度，觀測玻璃板上的被攝物影像。

另外，學生也可以通過VR交互設備，進入一個由計算機生成的三維逼真的虛擬現(xiàn)實的實驗環(huán)境，通過手柄操作，學生可以在虛擬的實驗室環(huán)境中，學習全息照相實驗目的和實驗原理，可以進行沉浸式實驗操作。

3.2 實驗結果與分析

全息照相虛擬仿真實驗完全模擬全息照相的真實操作過程，首先進行光路調整，然后進行全息拍攝，接著進行全息干板顯影定影停影，最后進行全息再現(xiàn)，在玻璃板上觀察到清晰的三維立體的被攝物小貓圖像（見圖7）。

圖7 三維全息圖

在實驗過程中，不當?shù)膶嶒灢僮鲿嶒灲Y果產(chǎn)生影響，具體表現(xiàn)為：①光學元件擺放不正確，則無法進行放置全息干板拍攝；②兩個全反鏡位置不對，則物光和參考光的光程差不合適，無法進行實驗；③兩個全反鏡角度不對，則物光和參考光無法照射到全息干板；④曝光時間不合適，顯影不正確，停影不正確，均無法獲得全息影像；⑤觀察全息影像時，步驟錯誤，則無法放置凸透鏡；⑥觀察位置不合適，無法看到全息影像；⑦觀察角度不合適，無法看到全息影像；⑧操作嚴重不規(guī)范，快速實驗，無法獲得成績。

在學生進行交互性實驗操作過程中，對具體的步驟設置目標要求，根據(jù)學生對目標的達成度給出相應分數(shù)。學生根據(jù)獲得的實驗分數(shù)以及呈現(xiàn)的實驗結果，進行開放式思考，分析在實驗過程中出現(xiàn)的操作問題，并進行解決糾正。另外，在學生認識和理解全息照相的基礎上，引導學生拓展訓練，比如思考曝光時間、物光和參考光角度等對三維成像的影響等。

4 結 語

本文設計的全息照相虛擬仿真實驗，幫助學生直觀理解全息照相的基本原理和特點，了解全息曝光過程以及三維成像，引導學生根據(jù)不同的實驗結果分析各類不當?shù)膶嶒灢僮鳌２捎锰摂M仿真的實驗方法節(jié)省了大量昂貴的全息干板費用，避免學生接觸有害的化學試劑。該實驗促進學生對全息照相形成清晰的理論輪廓，體驗了沉浸式的虛擬仿真操作，提升了學生分析解決實驗問題的能力，培養(yǎng)學生的探索精神。