[科普中国]-3D光影秀是如何实现的？其实在家也能DIY

还记得五一前夕，第二届“一带一路”国际合作高峰论坛期间，北京奥林匹克公园中轴线上演的那场奇幻瑰丽的光影秀吗？无数驻足观看的人们无不为之惊喜感动。如今，光影秀这种新奇的景观艺术形式越来越多地点缀着城市的夜空，一栋栋建筑古迹仿佛拥有了生命，让整个城市更加具有活力。在欣赏高科技为我们带来的视觉盛宴之余，你知道光影秀是如何实现的？它基于怎样的原理？又有哪些分类？还有人说大规模的光影秀会影响交通安全，这个说法是否恰当呢？这篇文章，我们将从光影秀发展的历史说起，重点介绍光影秀中效果最为绚丽，临场体验最好的三维空间投影技术。当然还有，家中实现简易三维光影秀的方法，有兴趣的你在家中不妨一试哦。光影秀鼻祖：霓虹灯城市中最原始的光影秀在人类大规模使用电能之后不久就开始登上了历史舞台，1902年法国工程师乔治斯·克劳德（Georges Claude）发明了霓虹灯，并在1910年开始向公众进行展示，城市夜晚的热闹街区也从此越发地灯红酒绿。霓虹灯之所以“灯红酒绿”，是因为它的灯管内部充有氖气、氩气或者氙气等稀有气体，当接通电源后灯管两端被施加上数千伏的高电压，管内这些气体会发生电离，在灯管内部变成等离子体状态。在此过程中，霓虹灯管会向外界发出特定频率的光线，形成特定颜色的辉光。通过调节管内气体的种类以及在管壁上涂抹荧光材料等方式，人类获得了颜色繁多的霓虹灯。五颜六色的霓虹灯可以构成阵列，再通过明暗交替等方式产生各种炫目的动态效果，早期的光影秀便就此诞生了。不过，这种光影秀呈现出的效果与如今的同类有着云泥之别，其具体呈现的颜色数目远远达不到人们期待的效果，单个霓虹灯光的尺寸至少也有分米级别。因此，霓虹灯组无法实现精确细腻的图像显示效果，只能实现某些特定的图案组合。作为店铺招牌效果尚可，大范围空间内的表现力就差强人意了。光影秀之——主动发光式时间推移到1962年，美国通用公司的尼克·何伦亚克发明了最早的发光二极管，就是我们所熟知的LED（Light Emitting Diode）。早期的LED只能发出微弱红光，实用价值不大，仅仅作为仪器设备上的状态指示灯使用。在之后的三十年里，世界各国科学家和工程师不断努力，不仅极大降低了LED的成本，提高了发光效率，更制成了从红光、橙光、黄光到绿光的各种LED。然而，绿光波段之后的蓝光LED却一直未能问世，直到1993年，供职于日本徳岛县日亚化学公司的中村修二终于制成了世界上第一个具有商用价值的蓝光LED。不久，混合了各种光线波段的白光LED随即面世，这一关键性的突破令人类从此进入了LED照明时代。时至今日，全球已有四分之一的照明光源采用了LED。由于LED光源为点光源，且具有电能消耗低，发光亮度高的特点，光影秀的呈现形式也从霓虹灯向LED转变。虽然液晶面板技术也在同期实现了大规模商业化，但布置一块大型建筑墙面大小的液晶显示屏需要消耗上千块面板，购置成本和运营成本都极为高昂，应用场合受到一定限制。LED景观照明系统在成本方面的优越性也因此而凸显出来。例如，下面的照片来自位于日本神户市著名的景观——海岸公园。神户港塔，神户海洋博物馆、美利坚东方大酒店以及大型摩天轮和复合商业设施MOSAIC等在这里交相辉映。当夜幕降临，这些建筑大量采用的LED照明系统打造了神户市的地标景观。其中的大型摩天轮采用了大约12万个LED光源，这么多的LED灯可以在计算机的控制下演绎出各种不同的色调和明度变化，甚至还能显示动画。光影秀之——被动投影式与主动发光式相比，被动投影式的光影秀走出了一条完全不同的技术路线。如同电视和电影的区别一般，前者主动显示图像，而后者通过在屏幕上进行投影而获得影像。被动投影式的光影秀依据投影器材和屏幕介质的不同有着非常繁多的种类。类似技术包括音乐灯光喷泉和水幕电影等等。利用水作为屏幕介质，将灯光或者影像呈现在水幕之上，这次以“一带一路”为主题的大型光影秀不光应用了大规模LED阵列，也包含了大型水幕投影的环节。随着投影设备功率以及分辨率的不断增大，我们可以获得清晰投影的屏幕范围不断扩大，投影的清晰度也越来越高。因此，在建筑墙面直接投射高质量影像的技术条件也逐渐成熟起来。与水幕电影相比，这种技术并没有革命性的创新，应用的原理完全相同，只是具体呈现方式有所差别而已。另外值得一提的是近年来非常流行的3D光影秀，这种技术最大的亮点就是它所依赖的屏幕将不再是平面，而是立方体，乃至完全自由的异形表面。同时，作为屏幕的物体也不仅仅局限于高大的建筑，比如车辆乃至运动鞋等复杂曲面都可以用3D光影秀的形式表现。一场成功的3D光影秀不仅需要专业的技术人员，更需要来自导演、设计、音响师、美工师等影视专业人员的协助。目前，已有多个利用3D光影秀进行产品发布的成功案例，其中就包括了奥迪、新百伦等世界知名品牌。时间回到1969年，这一年美国加州安纳海姆迪士尼乐园完成了最早的3D光影秀实景演出。受制于当时的设备条件，类似展示在之后的几十年里主要局限于室内。直到2000年后，利用高辉度大型投影仪在广阔的空间和巨大建筑物表面实施的3D光影秀演出变得越来越普遍。这期间我们都取得了哪些技术进步呢？除却上面提到的投影设备功能增强，计算机技术的同步提升，也令相关软件的功能更加强大。在实施3D光影秀之前，专业人员会先利用计算机对复杂曲面进行建模，软件会协助我们以尽可能小的畸变将影像投影于异形建筑表面。此时，受制于光线无法弯曲的天然特性，一台投影设备显然无法满足异形表面的全向投影要求。先进的行业软件可以协助规划多台投影仪的机位以及相互间的分工，进而保证了最佳的投影效果。光影秀之——家中DIY在户外广阔空间进行的3D光影秀表演当然需要造价高昂的专业设备，但是我们在家中利用普通的家用投影机和家用电脑，同样可以制作出简易版的3D光影秀。准备在母亲节给母亲惊喜的人要认真看这里了，大致步骤如下图所示，我们首先利用白纸板制作一个立方体投影屏幕，再在电脑上安装简化版的3D投影制作软件。之后，将电脑和投影仪连接，对立方体朝向投影仪的三个表面逐个进行调整，令投影仪可以将内容分别投影到这三个表面。如此一来，3D投影就制作完成了。虽然离高大上的光影秀还有不小的距离，但作为和家庭成员一同玩乐、互动的科学创新小活动还是很有意义的。最后，至于光影秀会不会影响交通安全，笔者个人认为虽然这种安全隐患确实存在，但多少有一点言过其实。建议各位行驶的驾驶员还是以安全为主，如果想要欣赏这令人愉悦的光影秀，不妨安全停车后步行至展示场附近，轻松愉快地饱览个痛快。作者：【中】张昊 日本大阪大学产业科学研究所 助理教授审阅：郭晓杨 深圳技术大学工程物理学院副教授编辑：王波文章由腾讯科普“科普中国头条创作与推送项目”团队推出转载请注明来自科普中国