李 稙，蔡東娜

(北京林業(yè)大學(xué)藝術(shù)設(shè)計學(xué)院，北京 100083)

目前已經(jīng)進入數(shù)字時代，數(shù)據(jù)采集、存儲與分析技術(shù)的飛速發(fā)展使得數(shù)據(jù)存儲與處理的成本大大降低，人們面對前所未有的數(shù)據(jù)總量，亦意味著面對前所未有的信息量。對于如此大量的信息，需要對其進行分析，才能達到最佳的信息傳播效果[1]?？梢暦治鍪菙?shù)據(jù)分析的重要方法，其利用計算機的數(shù)據(jù)處理優(yōu)勢及人類對可視化信息的認(rèn)知優(yōu)勢，輔助人們更為直觀、高效地獲取所需信息[2]。

數(shù)字化和可視化在當(dāng)代的農(nóng)林業(yè)科研中亦是必不可少的技術(shù)手段。計算機在對植物的形態(tài)結(jié)構(gòu)和生長過程進行模擬時擁有著獨特的優(yōu)勢，并可提供新的交互式分析、研究與設(shè)計方法[3]。對花卉植物進行的虛擬仿真能夠在植物研究、園藝造型、科普教育等方面起到廣泛應(yīng)用。大量學(xué)者對數(shù)字植物的構(gòu)建與應(yīng)用進行了討論與研究。趙春江等[4]提出構(gòu)建數(shù)字植物需要經(jīng)歷“數(shù)字可視植物”、“數(shù)字物理植物”、“數(shù)字生理植物”和“數(shù)字智能植物” 4個階段，而數(shù)字可視植物作為數(shù)字植物整體構(gòu)建基礎(chǔ)參考階段，且有指導(dǎo)性的意義。對于數(shù)字花卉植物進行虛擬呈現(xiàn)已經(jīng)獲得了一些研究進展，LI等[5]通過邊緣優(yōu)勢算法對開花過程進行了數(shù)字模擬，JIN等[6]通過WebGL基于關(guān)鍵線模型對開花過程進行模擬，獲得了較為真實的數(shù)字模擬效果。

虛擬技術(shù)是一種較為前沿的技術(shù)，其融合了計算機圖形學(xué)、多媒體、仿真、人工智能等多項信息技術(shù)，在對用戶展現(xiàn)信息內(nèi)容時，帶來的強大沉浸感與交互性是其他技術(shù)手段所無法實現(xiàn)的[3]。因此，虛擬技術(shù)十分適合在教育科普領(lǐng)域進行應(yīng)用。目前，數(shù)字花卉植物的模擬生長過程的虛擬呈現(xiàn)大多集中在可視化系統(tǒng)軟件平臺內(nèi)，內(nèi)容較為單一、與用戶的交互性較差，并且偏重于景觀設(shè)計領(lǐng)域，缺少科普教育方面的應(yīng)用[7]。全息影像技術(shù)作為一種新興技術(shù)，可以在空間中形成三維立體、并可與用戶產(chǎn)生交互的影像[8]。由此，本文將全息影像技術(shù)與數(shù)字花卉植物模擬進行融合，對花卉的科普教育新方向進行實驗與探究。本文首先就全息影像技術(shù)進行分析，其次使用270°全息設(shè)備實現(xiàn)數(shù)字花卉植物的全息可視化，最后進行測試，得出具有可行性的結(jié)論，表現(xiàn)出全息技術(shù)及交互技術(shù)在數(shù)字花卉植物模擬方面的應(yīng)用適切性。

1 全息影像技術(shù)的相關(guān)研究

1.1 全息影像技術(shù)

全息影像技術(shù)也稱虛擬成像技術(shù)，是利用干涉和衍射原理對物體的三維圖像進行記錄與再現(xiàn)的技術(shù)[9]。其通常用于產(chǎn)生立體感強的空中幻象，并可以實現(xiàn)幻象與真實時空融合的效果，使用戶得到強烈的臨場感和沉浸感。

目前，全息影像技術(shù)大概分為三類：即佩珀爾幻象、非裸眼3D技術(shù)與裸眼3D技術(shù)目前，為大眾所認(rèn)知的全息影像合成技術(shù)大多基于佩珀爾幻象的原理進行運作[10]，本文中“全息影像”均指代佩珀爾幻象所成的全息虛擬影像。該技術(shù)藉由使用一面平坦的玻璃或透明材料與特別的照明光源，使得觀察者透過玻璃看到一個虛像，實現(xiàn)虛擬影像憑空出現(xiàn)的效果[11](圖1)。

圖1 180°全息影像原理

根據(jù)玻璃或透明材料的不同構(gòu)造，可以實現(xiàn)180°，270°或 360°的全息影像。180°影像投射在一面平面玻璃上，只需單視角的影片資源即可。270°與360°影像均通過透明四棱錐體進行投射，其區(qū)別在于是否在一面上加入黑色襯底。270°影像需要三維模型的前、左、右3個視角的影片資源，而360°影像需要前、后、左、右4個視角的影片資源。當(dāng)不同視角的全息影像在四棱錐中進行結(jié)合之時，觀者便可圍繞棱錐體從多個角度對全息影像進行觀賞，使生成的全息影像具有更為逼真的立體存在感(圖2)。目前，全息投影的技術(shù)路線已經(jīng)較為成熟，并有一些成功的商業(yè)使用案例。其成像質(zhì)量主要與全息源屏顯示質(zhì)量和投影屏成像質(zhì)量相關(guān)。另外，全息投影是否能在現(xiàn)實環(huán)境中呈現(xiàn)出虛實交融感，還取決于影像與展示環(huán)境的內(nèi)容相關(guān)性。

1.2 全息影像技術(shù)的應(yīng)用

由于全息影像擁有虛實交互的特點，有時也被認(rèn)為是增強現(xiàn)實[12]或混合現(xiàn)實[13]的一種應(yīng)用。鑒于全息影像可以實現(xiàn)一些藝術(shù)化的虛擬效果，其被廣泛用于舞臺[14-15]、展覽[16]等領(lǐng)域，但在科普相關(guān)方面、尤其是植物方向的應(yīng)用是較為少見的。然而全息影像技術(shù)所具有的良好觀感和實用價值，使其在數(shù)字植物的研究之中擁有著切實可行的研究價值。

圖2 全息投影系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

1.2.1 虛實相生的藝術(shù)觀感

PRATTE[17]在研究中指出，全息影像的應(yīng)用使用戶在接受視覺信息時展現(xiàn)出更短的反應(yīng)時間和更好的反應(yīng)形式，可見全息影像可以提供良好的用戶體驗過程。實際上，舞臺領(lǐng)域的大量應(yīng)用也證明，其可以為展示類的應(yīng)用帶來出色的體驗。文獻[14]發(fā)現(xiàn)該技術(shù)在舞臺上的應(yīng)用最早甚至可追溯至十六世紀(jì)，文獻[15]詳細分析了其結(jié)合全新技術(shù)在當(dāng)今舞臺上發(fā)揮的全新優(yōu)勢，動作捕捉、投影映射、沉浸式劇場、混合系統(tǒng)和硬件的飛速發(fā)展讓全息影像的成像效果邁上了新的臺階，不斷實現(xiàn)呈現(xiàn)效果的超越，造就更佳的觀感。

1.2.2 切實可行的應(yīng)用價值

全息影像在現(xiàn)代進入大眾視野的契機，莫過于其一次又一次成功地為人們呈現(xiàn)幾近逼真的虛擬形象。LAM[18]詳細分析了著名虛擬偶像初音未來所造成的流行文化現(xiàn)象，認(rèn)為其虛擬形象在現(xiàn)實生活中的建立和完善與其在演唱會上所呈現(xiàn)的逼真全息影像是密不可分的。已逝的著名歌星邁克爾·杰克遜也曾通過全息影像技術(shù)再現(xiàn)于舞臺上，重圓世界百萬歌迷的心愿，創(chuàng)造了非凡的紀(jì)念意義和商業(yè)價值[19]。從全息影像技術(shù)的多次成功、有效的應(yīng)用中，可見其在當(dāng)下的信息時代中具有切實可行的實用意義。然而截止到目前，全息影像的大量應(yīng)用均集中于商業(yè)化的娛樂應(yīng)用中，其價值大多體現(xiàn)在商業(yè)價值上。

需要注意的是，該技術(shù)所具備的獨特的真實性和再現(xiàn)性，在科研、教育等方面的也是相當(dāng)具有實用意義的。KALANSOORIYA等[20]就全息影像技術(shù)在遠程教育方面的應(yīng)用可行性進行了探索研究，認(rèn)為其具有良好前景，并能克服當(dāng)下教育環(huán)境中的一些局限性。

1.2.3 植物方向的應(yīng)用現(xiàn)狀

如前文所述，全息影像技術(shù)的應(yīng)用大多集中在展示領(lǐng)域，在其他領(lǐng)域的應(yīng)用相對較少。盡管對數(shù)字植物相關(guān)的研究得到了相當(dāng)?shù)倪M展，但將其與全息影像技術(shù)進行結(jié)合的應(yīng)用仍然較為少見。IMAMURA等[21]曾完成一套全息植物生長展示系統(tǒng)，兼具效率及實用性。CHANG等[22]則在針對彩色360°全息影像的生成過程進行研究時，運用到了數(shù)字花卉植物的相關(guān)素材模型。

1.3 相關(guān)研究分析

隨著數(shù)字顯示技術(shù)和材料學(xué)的發(fā)展，擁有一臺智能設(shè)備和一塊合乎規(guī)范的透明材質(zhì)即可使普通用戶在生活環(huán)境內(nèi)簡單地實現(xiàn)全息影像[23]。但是，這種條件下所生成的全息影像質(zhì)量較低，細節(jié)模糊，無法貼合研究、教育類的應(yīng)用需求。

文獻[12]通過透明玻璃及智能手機實現(xiàn)了影像的 180°全息顯示效果，LUO等[23]使用透明薄膜材料和 iPad實現(xiàn)了一種簡單的具有立體感的全息影像，文獻[17]使用透明玻璃和個人計算機等材料實現(xiàn)了幾種 180°全息顯示效果，但使用一臺整機設(shè)備、并進行270°全息影像實驗的研究較為少見。

因此，本研究考慮將全息影像技術(shù)與數(shù)字花卉植物的虛擬呈現(xiàn)進行結(jié)合，并基于270°全息影像的原理加以呈現(xiàn)，形成一套具有更佳展示效果的完整的數(shù)字花卉植物展示系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)運行流程

本文實驗嘗試實現(xiàn)一個可交互的 270°全息成像系統(tǒng)。用戶可以通過與裝置交互，選擇觀看單株花卉生長過程或相關(guān)花卉的插花作品動態(tài)展示(圖)。成像裝置的主體是一個由透明材料制成的四棱錐體，錐體的一邊貼近黑色襯底，以便加強成像效果，另三邊則沒有遮掩，方便用戶從270°的范圍內(nèi)對全息圖像進行觀看。用戶的視線可以從錐體的任何一面穿透，在表面鏡射和反射的原理下，用戶便可以在四棱錐中看見漂浮在空氣中的立體影像(圖)。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為實現(xiàn)全息影像與用戶的交互，成像區(qū)域以外將設(shè)置一面觸控屏，以便用戶與裝置進行互動。整個裝置由全息影像部分及交互觸控部分構(gòu)成(圖5(a))。全息影像部分包括投影屏、透明四棱錐、黑色襯底及底座，交互觸控部分包括可觸控操作的顯示屏。用戶可以隨時根據(jù)喜好從交互觸控部分選擇想要觀看的影像類別，系統(tǒng)將用戶的輸入反饋至全息影像部分中的視頻源顯示屏中，使顯示屏中的視頻源進行切換。切換后的視頻源投影至四棱錐中，用戶即可觀看到所選擇的投影圖像。

圖3 系統(tǒng)流程設(shè)計

圖4 270°全息成像示意

圖5 裝置設(shè)計與構(gòu)造

裝置的設(shè)計與流程示意如圖5(b)所示。裝置整體分為：①影像展示部分，包括一臺投影用顯示設(shè)備及一個成像用的透明材料四棱錐體；②用戶交互部分，包括一臺可觸控的顯示設(shè)備和一臺PC主機。PC主機所使用操作系統(tǒng)為Windows 7旗艦版Server Pack 1 64位。

運行流程可大致分為2個部分：

過程1.用戶通過在②中的觸控顯示設(shè)備上進行操作，選擇所需觀看的影像數(shù)據(jù)，主機生成對應(yīng)的視頻源數(shù)據(jù)，顯示在①中的投影用顯示設(shè)備上；

過程2.①中顯示的全息視頻源透射在①中的透明四棱錐體之中，產(chǎn)生具有立體感的全息視頻。裝置整體只包含一個輸入源和一個輸出源，力求使用戶在交互體驗中體驗到最大化的簡潔感和直觀感，其硬件配置見表1。

表1 裝置硬件配置

3 可視化與交互實現(xiàn)

3.1 數(shù)字花卉植物全息視頻源制作

為了達到最好的成像效果，在制作影像時，需要制作黑色背景、尺寸合適的全息影像。符合制作規(guī)范的全息影像，可以十分良好地將三維重建出的植物模型與現(xiàn)實環(huán)境融合起來，營造出一種富有真實性的氛圍。植物模型影像色彩鮮艷、清晰度高，在透明空間中形成有透視感的幻象，加強形成良好的用戶交互體驗(圖6~7)。

圖6 符合制作規(guī)范的單通道視頻源(截圖)

圖7 符合制作規(guī)范的三通道視頻源(截圖)

3.1.1 視頻源尺寸規(guī)格

經(jīng)過實驗嘗試，最為合適的視頻源格式為 swf格式，其體積小巧、易于輸出，用于實驗調(diào)試時較為便利。視頻源尺寸規(guī)范為每通道400 px×400 px。在這個尺寸下，視頻源的內(nèi)容可以清晰、完整地在投影設(shè)備上進行播放(圖8(a))。

當(dāng)視頻源的單通道尺寸大于400 px×400 px時，視頻源將無法完整地顯示在投影屏上。實驗曾嘗試720 px×720 px的片源，雖然其尺寸較大、能夠呈現(xiàn)更多細節(jié)，但畫面會受到裁切，使視頻信息丟失，影響最終呈現(xiàn)的視覺效果(圖8(b))。

圖8 不同視頻源的展示效果差異

3.1.2 視頻源畫面要求

由于本文實驗使用的投影設(shè)備能夠觀看的全息影像為270°的影像，因此在制作片源時需要輸出3個通道的全息視頻源。

在對制作好的三維模型進行打光、渲染、輸出成片的過程時，需要在保留燈光渲染效果的前提下，除去黑色背景中多余的雜色，保持純黑色背景，保證模型主體突出，與環(huán)境融為一體，呈現(xiàn)出虛實相生的表現(xiàn)效果，且在進行影像展示時毋需在人為制造的黑暗環(huán)境里觀看，也能達到較好的立體效果(圖)。

3.2 用戶交互設(shè)計

該裝置中的程序流程的核心部分為實現(xiàn)觸控屏與投影屏間的內(nèi)容傳輸(圖10)。主要管理：①全息影像及與其對應(yīng)的交互界面圖標(biāo)的調(diào)用；②全息影像在三棱錐中顯示位置微調(diào)。

3.2.1 全息影像及圖標(biāo)調(diào)用

通過調(diào)用外部XML文件數(shù)據(jù)，系統(tǒng)可以自動對播放視頻源進行定位，使用戶無需更改核心代碼，便可對展示對象視頻源內(nèi)容進行調(diào)整。在數(shù)據(jù)庫中，首先定義根元素 app，并定義其中的子元素img。在調(diào)用 img作為圖標(biāo)文件時，程序會自動在根目錄中尋找與img同名的swf格式文件作為視頻源文件并進行調(diào)用。XML代碼簡列如下：

圖9 不同背景展示效果差異

圖10 程序運行流程設(shè)計

3.2.2 全息影像位置微調(diào)

當(dāng)全息影像在透明四棱錐體中播放時，根據(jù)播放內(nèi)容的不同，也需對投影屏中的影像進行適配，改變其在透明四棱錐體中的顯示位置，使其達到最佳展示效果。通過編輯XML文件可以簡便地完成這一需求。首先定義根元素app，并定義其中的子元素left、top和 right，分別代表全息影像的左、前、右通道。每個子元素中各包括x，y兩個屬性值，代表影像在投影屏中的坐標(biāo)值。XML代碼簡列如下：

4 成果及分析

4.1 實驗結(jié)果

實驗的最終成果如圖11和圖12所示。由圖11可見，從觸摸屏中，用戶可以從單株花卉生長過程和插花作品復(fù)原效果2部分中選擇需要觀賞的全息影像內(nèi)容；圖2為透過透明四棱錐體所拍攝的全息影像成像結(jié)果。

圖11 整機實驗結(jié)果

圖12 裝置運行成果(左1和右1：單株花卉生長過程演示；左2和右2：插花作品復(fù)原效果展示)

通過對全息視頻源進行投影實現(xiàn)，最終可以直觀觀察到四棱錐空間中的全息立體影像。全息影像展現(xiàn)的效果清晰、立體、與環(huán)境無縫接合，觀感良好。裝置交互的效果直觀、簡潔，用戶可以迅速掌握交互方法，通過操作設(shè)備，自由選擇需要觀看的數(shù)字花卉類型，在單株花卉及插花作品間相互切換。

本文實驗實現(xiàn)了數(shù)字花卉植物的全息影像化及用戶交互的基本流程，證明相關(guān)應(yīng)用是具有相當(dāng)?shù)目尚行缘?。由于確定了全息視頻源的規(guī)格、制式，此后還能夠在該系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進行進一步的視頻源庫建設(shè)，實現(xiàn)更為豐富、全面的數(shù)字花卉植物展示交互系統(tǒng)。

4.2 成果分析

4.2.1 實驗價值

在全息影像相關(guān)的研究之中，多數(shù)研究基于180°的平面投影進行實驗，實驗也多基于智能手機、個人計算機、平面玻璃板等基礎(chǔ)材料進行展開。本文在實驗設(shè)備的條件及原理上進行了更進一步的嘗試，生成了270°的全息影像，獲得了更為優(yōu)秀的呈現(xiàn)效果。

本套系統(tǒng)的初步完成，使數(shù)字花卉植物、全息影像技術(shù)及人機交互技術(shù)獲得了一次整合。系統(tǒng)力求將三方面技術(shù)的優(yōu)勢合而為一，將精確擬真的數(shù)字花卉進行了極具表現(xiàn)力的全息再現(xiàn)，并使用戶獲得與影像內(nèi)容進行交流的渠道，實現(xiàn)了展示內(nèi)容、表現(xiàn)方式、傳播渠道的三位一體，是一次具有意義的交叉學(xué)科嘗試。

4.2.2 不足與展望

囿于全息投影屏的尺寸所限，系統(tǒng)所生成的影像的尺寸仍然偏小。盡管已經(jīng)運用高分辨率的視頻源，但其優(yōu)勢未能完全展現(xiàn)，用戶的沉浸感和臨場感并未達到預(yù)期效果。此外，系統(tǒng)中所包含的影像內(nèi)容相對較少。目前系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)庫信息以單種花卉植物為核心主線進行展開，包括其生長過程信息及成花后的插花組合搭配信息，該數(shù)據(jù)庫信息量對于一個豐富完整的展示系統(tǒng)而言是不充分的。

在后續(xù)的實驗中，將繼續(xù)嘗試對全息投影質(zhì)量及數(shù)據(jù)庫內(nèi)容的完善，加強其觀賞性及科普性，對其展示效果進行深入優(yōu)化。

5 小結(jié)

全息投影的原理由來已久，但在現(xiàn)代多媒體技術(shù)及材料科學(xué)的飛速發(fā)展之下，其魅力才得以真正完全體現(xiàn)，在教育、影視、科普等領(lǐng)域獲得了極大的發(fā)展與應(yīng)用空間。本文嘗試將數(shù)字花卉植物影像置于全息投影設(shè)備中，進行全息化的展示，獲得了較為成功的效果，完成了設(shè)計初衷。

通過該實驗，數(shù)字花卉植物以一種新穎、直觀、交互性好的方式展現(xiàn)了出來，使虛擬影像與客觀環(huán)境較好地融合，最大限度地對花卉植物進行了表達，并滿足了用戶的交互與觀賞需求，在一定程度上可以在科普、展示等方面進行應(yīng)用。在后續(xù)研究中，將嘗試建立更為完善、全面的數(shù)字花卉植物展示交互系統(tǒng)，進一步深化對數(shù)字花卉植物的研究與應(yīng)用，以探究數(shù)字化時代中林農(nóng)業(yè)科研的新思路、新形式。