全息投影技术在虚拟服装展示中的应用研究

张 惠 陈娟芬

江西服装学院 江西省现代服装工程技术研究中心(中国)

近年来，全息投影技术作为一种三维虚拟成像技术在各种领域得到广泛应用。全息投影技术又称虚拟成像技术，其成像原理属于光学范畴，即利用光学原理，收集物体的全部光学信息，并使物体的这些光学信息在现实空间中以三维立体形式重现[1-2]。在服装领域，随着数字化服装的发展，三维虚拟服装展示以其方便快捷、节约成本、效果逼真等优点，成为目前服装展示的重要发展方向和研究热点。三维虚拟服装展示技术与全息投影技术的结合为虚拟服装展示开辟了新的路径。

1 全息投影技术的原理

目前，全息投影技术主要包括透射全息投影、360度全息投影和空气投影3种技术[3]。

1.1 透射全息投影技术

透射全息投影技术属于传统的全息投影技术，经历了基于光的干涉原理的物体光学信息记录和基于光的衍射原理的物体光波再现两个阶段[4-5]。

在光学信息记录阶段，由激光器发出的激光，经分束镜分成两束，一束先后经平面镜反射和扩束镜分散，得到物光束，并照向全息干板；另一束经平面镜反射和扩束镜分散，得到参照光并与物光束在全息干板上干涉叠加形成全息图。二者相互干渉的信息(如形状、间距、位置)便是对物体光学信息的记录[6]。在光波再现阶段，全息图犹如一个复杂的光栅，激光照射全息图后，由于光的衍射，会形成原始光波和共轭光波。原始光波形成原始像，共轭波形成共轭像。透射全息投影技术对于摄像设备和显像设备的稳定性要求较高，且对全息干板的材料有一定要求，后期处理复杂[7]。基于此，360度全息投影技术和空气投影技术得以发展。

1.2 360度全息投影技术

360度全息投影技术是以“佩波尔幻象”为原理的伪全息投影技术。如图1所示，物体的正、侧、背面等多个角度的投影源光波由竖直方向照向全息膜，经全息膜反射成水平光波并呈现于全息膜后方，在现实空间中对接形成像点。人的视线从水平方向看向透明的全息膜时便可看到立体感很强的三维物象[8]。该技术中有两个关键点，一是投影源由物体的正面、左面、背面、右面4个角度画面发出的光波组成，因此符合要求的投影源是关键之一；二是优质的全息膜可达到更加清晰的视觉效果和极佳的感官体验，因此全息膜的选择至关重要。360度全息投影具有环境要求低、易实现、影像清晰、立体感强等优点，但由于是在全息膜内成像，故也存在交互性差、空间限制等亟需改进的缺点。

图1 “佩波尔幻象”原理

1.3 空气投影技术

空气投影技术亦属于伪全息投影，该技术由空气屏幕系统和投影系统两部分组成。空气屏幕系统吸入空气，改变其密度、温度等物理属性，并将处理后的空气排出形成现实空间中看不见的空气墙。投影系统则将影像光波投射到空气墙中，由于空气墙的空气分子振动不均，空气折射率不同，光波在不同折射率的折射和反射作用下形成富有层次感和立体感的影像[9]。

相比其他全息投影技术，空气投影技术可以将影像直接投射在空气中，不需要任何界面设备，真正实现了影像与人的亲密接触，在各个行业领域均具有巨大发展潜力，因此不少研究者在不断进行技术上的突破。日本的研究团队Aerial Burton研发出了不需要借助空气墙的激光投影仪。该技术直接通过一系列精准调节的激光发射器，有选择地电离空气分子使之发出亮白的光线从而得到全息图像[10]。

2 全息投影技术在虚拟服装展示中的应用现状

全息投影技术将三维虚拟影像展现在观者面前，给人较强的纵深感，在三维展示方面具有强大的优势[11]。在服装领域，服装展示主要包括传统展示和三维虚拟展示两种方式。传统展示包括悬挂、平铺、人台展示及真人动态秀等，但存在成本高、效率低、受众面低等弊端。三维虚拟展示则以虚拟的三维服装为主体，通过采用多种软硬件设备进行展示，可多角度展现服装色彩、款式和细节，具有效率高、受众面广、节约成本等优势。目前的虚拟服装展示设备以计算机、手机等的显示屏为主。观者通过显示屏观看服装时，会产生从平面中观看三维服装的视觉感，缺少纵深感；而在全息投影技术中，观者可从一侧看到另一侧空间而不受设备限制。因此将三维虚拟服装与全息投影技术相结合，可取长补短，为虚拟服装展示探索出新的发展之路。

近几年，随着全息投影技术的不断发展，越来越多的研究者和研究机构通过不断探索，将全息投影技术与虚拟服装展示相结合。北京服装学院在“2019北服时装周”中首次将180度全息投影技术搬上时装周秀场。在模特走秀的同时，通过全息投影技术在T台纱幕上呈现出模特所穿着的服装的组合过程，将虚幻与现实融合在一起，进行了一次时尚与科技结合的有益探索。如图2所示为全息投影技术应用的秀场图。

图2 “2019北服时装周”全息投影技术的应用

戴文翠[12]将全息投影技术用于服装设计，利用全息投影技术将各种动态图案等元素以全息成像的方式投射到服装上，白色服装即刻变换成充满设计感的绚丽服装。该服装展示方式不需要提前制作所设计的服装面料图案，而是在展会或发布会中通过全息投影技术呈现面料的图案元素，待客户观赏并评定后再进行该图案元素的批量生产及后续的成衣生产。因此该方法可以降低服装初始材料的投入，具有提高生产效率，降低库存的优势。

杨思等[13]将空气全息投影技术和全息膜投影技术(即360度全息投影)分别与虚拟试衣系统结合。传统的虚拟试衣系统中，用户通过手势控制试衣系统的显示屏实现换衣等交互，试衣效果通过显示屏呈现，缺少立体的视觉效果。将空气投影和全息膜投影分别与虚拟试衣系统结合后，用户在传统试衣系统中的试衣效果可以投影到空气屏幕或全息膜中，呈现逼真立体的试衣效果。杨思等从投影源、交互性、设备体积、成本、画面稳定性等方面，对空气投影和全息膜投影与传统试衣系统相结合的优劣进行了对比，得出了成本低、画面稳定性强的全息膜投影更适合与试衣系统大范围结合的结论。

3 将三维虚拟服装与360度全息投影技术相结合的服装展示方法

戴文翠将全息投影技术用于实物服装设计，将虚拟的全息投影和现实的服装相结合，达到了较好的设计效果。然而分析目前服装展示的发展趋势可发现，基于三维虚拟服装展示技术的服装展示方法已经成为服装展示的主要发展方向，2019年北京服装学院时装周中全息投影的投影源即为三维虚拟服装。在服装企业，三维虚拟服装展示技术可以用效果逼真的虚拟服装代替实物样衣向客户展示，跳过了一次次的实物样衣修改环节，提升了服装开发效率，节约了成本[14]。然而，目前的虚拟服装展示仍然以显示器展示为主，缺乏视觉纵深感和空间立体感。参考杨思的研究可知，相对于其他全息投影技术，360度全息投影具有成本低、画面稳定性强的优势。

结合上述研究现状及虚拟服装展示的缺陷，本文提出将三维虚拟服装与360度全息投影技术结合的虚拟服装展示方法，以期在提高展示效率和降低成本的同时提升视觉纵深感和空间立体感，并设计制作基于手机显示屏的简易展示装置进行可行性验证。试验过程主要包括三维虚拟服装模型的建立、投影源的制作、展示装置设计与制作3个过程。

3.1 三维虚拟服装模型的建立

三维虚拟服装模型的建立过程简称为服装建模，是指将二维板片转化为三维立体服装并进行面料褶皱、面料垂感、面料纹理及辅料等方面处理的过程。服装建模所需软件众多，在二维板片到三维服装的过程中较常用的软件有韩国的试衣软件CLO 3D、德国的Vidya等[15]。服装建模得到的静态服装，通过绑定人体骨骼可以驱动服装的运动[16]。本文使用CLO 3D建立了女西服外套、连衣裙、牛仔裤3种服装模型，效果如图3所示。其中将连衣裙绑定人体骨骼，产生动态走秀效果。

图3 3款服装建模效果

3.2 投影源的制作

投影源以视频形式播放，3款服装分别制作投影源视频。牛仔裤和女西服采用360o旋转的方式进行全息投影展示，连衣裙采用动态走秀的展示方式。3款服装经CLO 3D建模后，采用3DS Max软件进行动画渲染，并导出为AVI视频。使用Adobe Premiere视频编辑软件将3DS Max软件处理后的视频编辑为正、左、背、右4个角度的投影源视频[17]。试验中经过多次尝试，总结出制作投影源视频的注意事项如下：

——投影源的每一帧中的正、左、背、右4个角度的画面需大小一致，且保持实时同步；

——投影源视频需以黑色为背景，从而使得金字塔全息膜中服装的周边环境为透明状态；

——最终的投影源视频要经过Adobe Premiere视频编辑软件处理成水平翻转状态，以确保投影后金字塔全息膜中的虚拟服装的左右方向为实际中的左右方向。

最终的投影源单帧图片如图4所示。

图4 投影源单帧图片

3.3 展示装置设计与制作

本文设计制作的展示装置为简易装置，包括金字塔和手机支撑架两部分。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亚克力板或聚氯乙烯(PVC)塑料板。根据佩伯尔幻象原理，各全息膜与水平面的夹角以45°最佳[18]，经过分析计算得出全息膜为腰长7 cm、底边长8 cm的等腰三角形。该装置使用长、宽分别为15.0和7.5 cm的智能手机作为投影设备，手机支撑架的长、宽、高分别采用15.0、6.0和7.5 cm为宜，支撑架材质为黑色磨砂塑料。图5所示为支撑架与金字塔的组合形式。

图5 支撑架与金字塔的组合形式

3.4 360度全息投影的可行性验证

金字塔和支撑架拼接完成后与手机显示屏并用，将制作好的投影源视频导入手机并在黑暗环境中播放，从而将手机显示屏中的虚拟服装投影到金字塔全息膜上，实现虚拟服装的展示，如图6所示。虚拟服装展示视频可通过手机扫描图7的二维码进行观看。受拍摄设备、光线等因素的影响，画面存在服装色差、噪点、曝光问题，实际观看时具有更加清晰、立体的视觉效果。经过简易360度全息投影装置的试验验证，最终确定360度全息投影技术可以实现虚拟服装的全方位展示，并达到较强的视觉纵深感和空间立体感。

图6 基于手机显示屏的360度全息投影简易装置

图7 虚拟服装展示视频二维码

4 结语

相对于其他服装展示方式，将各类全息投影技术应用于虚拟服装展示中，具有展示手段新颖、展示效果逼真、服装空间立体感强等优势，但不同的全息投影技术也存在设备成本高、占用空间大、画面稳定性差等弊端。相信随着全息投影技术的不断发展，这些问题会被逐一攻破，全息投影技术在虚拟服装展示中的应用也会得以逐步推广。