馮中營， 韋 仙， 楊文錦

（太原工業(yè)學(xué)院理學(xué)系，山西省大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，太原 030008）

0 引 言

全息照相作為革新的攝影技術(shù)，因呈現(xiàn)影像立體感強(qiáng)，形象逼真而廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、國防、公共安全等領(lǐng)域，具有廣闊的發(fā)展前景。如今，全息技術(shù)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(jìn)技術(shù)［2-4］，掌握全息照相技術(shù)能夠?yàn)閷W(xué)生未來開展基礎(chǔ)科學(xué)和創(chuàng)新性技術(shù)研究奠定基礎(chǔ)。

全息照相實(shí)驗(yàn)在激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)實(shí)操能力方面發(fā)揮了重要作用。然而，傳統(tǒng)的全息照相實(shí)驗(yàn)因?yàn)槌杀靖摺?shí)驗(yàn)操作難度大、耗時長、所需顯影液、停影液、定影液等化學(xué)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(shí)驗(yàn)，無法滿足全校理工科學(xué)生的實(shí)驗(yàn)課程量。

基于此，采用Maya 軟件創(chuàng)建全息照相實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)場景［5］，對實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)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(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺。再結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)Virtual Reality（VR）技術(shù)，實(shí)施沉浸式教學(xué)［7-8］。該實(shí)驗(yàn)以培養(yǎng)應(yīng)用型人才為導(dǎo)向，以提升學(xué)生實(shí)踐能力和分析解決問題的能力為目標(biāo)，將傳統(tǒng)的全息照相實(shí)驗(yàn)與虛擬仿真、VR技術(shù)相結(jié)合，有利于提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量，達(dá)到實(shí)踐育人目的。

1 實(shí)驗(yàn)原理與設(shè)計框架

全息照相具有三維立體特性，可進(jìn)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(zhì)區(qū)別，普通照相是采用幾何光學(xué)的成像方法將物體上各點(diǎn)的光強(qiáng)分布記錄下來，形成二維平面物像。而全息照相是利用光學(xué)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)光路圖

設(shè)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(qiáng)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(jié)構(gòu)。

（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(shí)驗(yàn)的設(shè)計框架如圖2 所示。①實(shí)驗(yàn)平臺建模，布局虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，構(gòu)建實(shí)驗(yàn)儀器，添加VR交互設(shè)備；②虛擬仿真實(shí)驗(yàn)界面，在該界面下，學(xué)生可以學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛯?shí)驗(yàn)原理，并進(jìn)行具體的實(shí)驗(yàn)操作，同時利用頭戴式VR 交互設(shè)備進(jìn)行沉浸式學(xué)習(xí)和操作體驗(yàn)；③互動提升模塊，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果做具體分析以及實(shí)驗(yàn)拓展，得到能力提升。

圖2 全息照相虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的設(shè)計框架

2 虛擬仿真平臺搭建

2.1 實(shí)驗(yàn)界面設(shè)計

實(shí)驗(yàn)室及實(shí)驗(yàn)臺的空間比例均參照真實(shí)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行布局，360°漫游，達(dá)到逼真的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，見圖3。

圖3 實(shí)驗(yàn)室布局圖

2.2 實(shí)驗(yàn)儀器建模

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

圖4 各種實(shí)驗(yàn)儀器模型

2.3 動畫及渲染

構(gòu)建模型和貼圖繪制后，要對儀器進(jìn)行對光微調(diào)，采用Maya和Unity3D 軟件將每個儀器的關(guān)鍵部位的動作以及操作按鈕設(shè)置成動畫，通過拖動動畫指幀，對時間軸上的每一幀進(jìn)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(jìn)行獨(dú)立控制，且結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行匹配，比如，對于激光束的發(fā)射，要設(shè)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(jìn)行渲染以達(dá)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(jìn)行處理。

2.4 交互設(shè)置

在實(shí)驗(yàn)中，每一個關(guān)鍵步驟的錯誤操作均會導(dǎo)致結(jié)果無法顯示，為控制在操作關(guān)鍵步驟的正確性以及對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，應(yīng)用C#和java控制實(shí)驗(yàn)器材的擺放［15］，限定區(qū)域布局，通過數(shù)據(jù)庫進(jìn)行后臺步驟的記錄。

為了能讓學(xué)生深度體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)效果，結(jié)合VR 實(shí)施沉浸式教學(xué)，設(shè)置VR硬件的對接接口，接入視景仿真系統(tǒng)、操縱負(fù)載系統(tǒng)等，并進(jìn)行多點(diǎn)位控制以及鏡頭調(diào)整，確保不同距離觀測的真實(shí)感。

3 仿真實(shí)驗(yàn)過程與結(jié)果分析

3.1 主要的實(shí)驗(yàn)過程

（1）光路調(diào)整。按照實(shí)驗(yàn)提示，將分束器、全反鏡（2 個）、被攝物、玻璃板分別放置在實(shí)驗(yàn)臺的相對位置上。關(guān)閉房間燈光，從左側(cè)儀器欄點(diǎn)擊擴(kuò)束鏡（2 個），將其放置在要求位置上。打開激光器，通過調(diào)節(jié)兩個全反鏡的角度或位置來調(diào)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(diào)整圖

（2）波前記錄。光路調(diào)整完畢后，關(guān)閉激光器，點(diǎn)擊玻璃板，更換干板，穩(wěn)定1 min 后，打開激光器進(jìn)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(nèi)，取走分束鏡和被攝物，將凸透鏡和全反鏡分別放至實(shí)驗(yàn)臺對應(yīng)位置，關(guān)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(jìn)行移動，按住鼠標(biāo)右鍵拖動鼠標(biāo)轉(zhuǎn)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(xué)生也可以通過VR交互設(shè)備，進(jìn)入一個由計算機(jī)生成的三維逼真的虛擬現(xiàn)實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，通過手柄操作，學(xué)生可以在虛擬的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中，學(xué)習(xí)全息照相實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛯?shí)驗(yàn)原理，可以進(jìn)行沉浸式實(shí)驗(yàn)操作。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

全息照相虛擬仿真實(shí)驗(yàn)完全模擬全息照相的真實(shí)操作過程，首先進(jìn)行光路調(diào)整，然后進(jìn)行全息拍攝，接著進(jìn)行全息干板顯影定影停影，最后進(jìn)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(shí)驗(yàn)過程中，不當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)操作會對實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響，具體表現(xiàn)為：①光學(xué)元件擺放不正確，則無法進(jìn)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)；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(yán)重不規(guī)范，快速實(shí)驗(yàn)，無法獲得成績。

在學(xué)生進(jìn)行交互性實(shí)驗(yàn)操作過程中，對具體的步驟設(shè)置目標(biāo)要求，根據(jù)學(xué)生對目標(biāo)的達(dá)成度給出相應(yīng)分?jǐn)?shù)。學(xué)生根據(jù)獲得的實(shí)驗(yàn)分?jǐn)?shù)以及呈現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)行開放式思考，分析在實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的操作問題，并進(jìn)行解決糾正。另外，在學(xué)生認(rèn)識和理解全息照相的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生拓展訓(xùn)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(jié) 語

本文設(shè)計的全息照相虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生直觀理解全息照相的基本原理和特點(diǎn)，了解全息曝光過程以及三維成像，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析各類不當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)操作。采用虛擬仿真的實(shí)驗(yàn)方法節(jié)省了大量昂貴的全息干板費(fèi)用，避免學(xué)生接觸有害的化學(xué)試劑。該實(shí)驗(yàn)促進(jìn)學(xué)生對全息照相形成清晰的理論輪廓，體驗(yàn)了沉浸式的虛擬仿真操作，提升了學(xué)生分析解決實(shí)驗(yàn)問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生的探索精神。