全息投影技术的地质应用

孙福玉

摘  要：文章对全息投影技术的基本原理进行研究分析，表明目前地学领域对于全息投影技术的应用现状。从全息投影技术的初步发展出发，探究全息技术的理论基础。进而引入地质领域，将其就防灾降险、机械设备监控、地下地质体虚拟成像等方面应用发表自己的看法。

关键词：全息投影;防灾降险;设备监控;虚拟成像

中图分类号：TN26          文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）18-0195-02

Abstract： In this paper， the basic principle of holographic projection technology is studied and analyzed， which shows the present situation of the application of holographic projection technology in the field of geoscience. Starting from the preliminary development of holographic projection technology， this paper explores the theoretical basis of holographic technology. Then it is introduced into the geological field to express its own views on the application of disaster prevention and reduction， monitoring of machinery and equipment， virtual imaging of underground geological bodies and so on.

Keywords： holographic projection; disaster prevention and reduction; equipment monitoring; virtual imaging

引言

从古至今人类对于大自然的描述从未停止前进的脚步，从口头相传到实物代意、从文字蕴含到象形图画、从山河水墨到五彩缤纷。全息影像技术理念的最初提出者是一名光学物理学家，但由于当时人们对干涉与衍射的研究分析还停留在底片阶段，发展受到极大限制。当激光进入人们视野之后，便出现了利用投射理论的全息成像之后还出现了空气投影和交互技术相结合的新理念。

地质行业从建业初期截至目前为止，人为地质灾害一直是个大难题，人为采空区的崩塌事故、矿灾矿难频发这些问题是否可以通过全息技术做到提前预防呢？施工和勘探所需要的大型仪器设备精密复杂，其工作过程中的参数只能通过二维视图或者人为抽象调试，使工作效率低，耗费人力财力大，不能直观具体的展现在人们眼前。自从全息投影技术的研究成果进步迅速，使这些问题或许有新的解决方案。

1 全息投影技术的理论基础

光在空气中传播的波动方程可表示为以下时距曲线：

因为自然界中的光错综复杂，是由不同单色光相干叠加后形成，所以自然光的波动方程可表示为：

由普通拍照设备所记录的信息可以将光强表现到极致，但是记录的场景却是某一时刻的信息，无法得到不同时刻不同振幅引起的相位变化，因此丧失了实物的立体效果。而全息投影技术下的全息相机的记录手段有所不同，避免了相位信息的丢失。它的机理可简单描述为分光成像，通过特定的光学仪器可将激光射线n等分，利用某一部分光照直接照射在底片上，当作参考。另一部分光照则照射到物体上，借助物体的反射间接照射在底片上。在底片上便是两者的相干叠加。

直接照射公式如下：

间接照射公式如下：

将二者相加便得到具有相位信息以及光强信息的全息影像底片。全息技术利用干涉和衍射原理对物体加以描述并储存，应用特殊的技术手段再现实体的三维影像。目前舞台上得到的立体图像都是通过此技术实现的，但是目前的技术仍需要某种介质当作媒介如水雾。

2 全息投影的防灾降险应用

由于过去二十年间人们防灾意识教育的不完善加之救灾资源的匮乏，导致过去一段时间灾难频发且损失惨重。国家对于灾难意识、灾害预警、抗灾救灾等方面都制定了相关措施。力求做到灾害预防和降低损失。目前我国多数采用虚拟现实技术达到教育的目的，但是弊端也非常明显，只能按照规定好的程序往下进行，同时无法给人以立体感觉。从而交互性难以提高。

全息投影技术可以做到将自然界实体以3D影像的形式呈现，人们可以裸眼观察，不需要借助其他仪器设备，大大提高影像的真实性，带给人们极高的视觉体验，使人有身临其境的感觉。从而交互性大大提高。我们可以采取全息投影的形式给人视觉刺激，因为影像异常逼真如实物一般，人们便可以根据刺激做出行为反应，通过计算机设备接受响应，做出下一步判断，不断地刺激、反馈中人们便可以如身临其境般体验灾害的发生。

地震是自然界中常见的自然灾害，每天地球都要发生上万次的地震。对于地震的预测，無论是传统地质研究还是大数据预测都无法做到精确预测，因此对于地震降低其损失是关键的防治措施，加强人们的抗风险能力是重中之重。目前已有的模拟系统仅仅可以按照某一设定程序进行单一的体验。结合全息技术，便可以根据人们的实际反应做出相应判断。大大提高人们的应险能力。

3 全息投影的设备监控应用

截至目前为止，工程设备如挖掘机、液压机、钻机等大型设备工作期间的运行状况可以做到实时监控，但仅仅只能对照一系列参数或者二维图像进行修正。无法做到身临其境的观测，使得难免出现纰漏。为了保证工作人员的安全，降低工作难度，可以采用全息投影的形式呈现在技术员面前，更加真实直观的发现问题。

首先根据给定设备的三维图像以及参数进行3D建模，采集的信息尽量详尽。在设备关键部位附近安装位置测定装置，通过对设备的实际操作，便记录下正常工作时的流程动态图。编写适当的脚本，使其能详细描述设备的运行过程。导出图片序列，使用此图片序列合成制作视频。通过全息技术装置将视频转化为真实的三维图像。

在获取信息阶段利用的基本原理是光的干涉，以此来记录相关光强、相位等信息。在成像阶段利用的基本原理是光的衍射，以此来重现光强、相位等信息。由此可见，全息技术突破距离限制，通过转换视频源就可以做到随时查看。这样就做到对设备的实时监控，给调试员以真实的体验，调控精度得到提高。此外，在有些观测难度大的地方，安全系数低的工区如深井中或者复杂的地质构造地段，全息技术的优势更加突出。

由于全息技术新颖，给人的体验效果极佳，可以大大提高兴趣指数。强大的沉浸感和视觉体验也是其鲜明特点，将其应用到教学会达到事半功倍的效果。

4 全息投影的虚拟成像应用

在过去的几十年里，从小学教室到大学教室，无不使用上了投影仪。将书本以及课外知识转化为二维视图。大大提高了国内办学水平和科教实力，将信息以不同的载体呈现是发展的总趋势。在未来的几十年间，3D投影势必会走进课堂。截至目前为止，无论是电影院还是VR虚拟设备都有一定的局限性，需要一定的技术和设备支持，应用到教学过于繁琐成本太高。

在地质行业中，此技术或将应用到教学。在课堂上学生可以身临其境般体验以前抽象的概念。亲眼目睹地下地形构造，模拟演示构造运动产生的影响。地下介质是三维实体，目前的教学仅仅将地震波的传播看作是二维传播，随着全息影像的应用，或许可以更加直观的演示地震波曲面复杂传播过程。深海资源探查，也可以应用此技术模拟海洋环境，提高开采精度和勘探水平。也可以把星空宇宙投射到现实生活中，给学生更加直观的观影体验。

5 结束语

无论是防灾降险还是未来实现机械设备远程操控，抑或3D立体投影投入教学应用。全息技术的支持支撑，交互性设计的实现，3D建模水平的提高都不可或缺。在未来几十年间，全息技术投入各行各业的应用都是大势所趋。并且，全息技术的大量应用必定会给人们的生活带来翻天覆地的变化，未来众多生活必需品如手机或许都将迎来不小的变革。

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