空气显示屏

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空气显示屏(Aerial display)也稱為悬浮显示屏(Floating display),是直接在空中投影影像的顯示方式。空气显示屏主要包括两种:分別是有介质空中成像显示屏及无介质空中成像显示屏。

有介质空中成像显示屏有以下一種:

[1]成像为代表。基本原理是将图像投影到薄雾上,所以它的硬件设备主要是投影机和薄雾发生器。

无介质空中成像显示屏有以下两種:

  • 全息原盘成像技术
  • “逆反射”悬浮成像技术

技术背景[编辑 | 编辑源代码]

空气显示屏最大优势是人可以和空间中的像进行直接交互而不用使用类似VR的辅助显示设备。从科幻电影《星球大战》到《钢铁侠》中可以看出,人们希望可以与空间中的自由的像进行实时交互,实现梦幻般的效果。

由于电视媒体与网络媒体的宣传作用,使得“全息”技术深入人心。人们普遍认为“全息”技术是在空间中呈现出一个悬浮的立体影像,类似于电影《阿凡达》中所表现的立体电子沙盘。然而,非常遗憾,目前这种电影中表现的技术是无法实现的,甚至连基本的物理理论都没有。人们在荧幕上看到的奇幻效果大部分是后期视频合成的。还有一些舞台效果是利用反射原理实现的。


把“全息”理解为空间悬浮的立体影像,其实是人们对全息的误解。学术上的“全息”技术是由英国物理学家Denise Gabor 在1947年提出的。“全息”顾名思义,是光的全部信息的意思。光是电磁波,表示电磁波的信息包括两部分,分别是“振幅”与“相位”。在记录过程中,利用“干涉”原理,全息图可以同时记录物体发出光波的“振幅”与“相位”信息。利用“衍射”原理,全息图可以同时再现物体的“振幅”与“相位”信息。再现“振幅”与“相位”信息在宏观世界的表现是可以看到立体像,而非平面像。因为再现了立体的影像,所以观众可以从不同角度看到物体的不同侧面。

“全息”膜成像可以说是目前位置最常见的类空气成像技术,它是利用平面镜反射原理实现的。它不是空气显示屏,因为像是在玻璃体内,人无触碰到像,却很容易让人们误解为是空气显示屏实现的一种方式。 它的实现方法非常的简单,如图所示

全息金子塔原理


在春晚上展示的邓丽君与明星对唱用的就是采角的这种方法


还有很多金字塔型展柜的展示也采用了这种技术,通常被称为“全息”金字塔

这种技术存在两个问题:

1.由于利用反射原理,所以影像显示在屏幕内,人无法触碰到影像,这会大大的降低神秘感。

2.实现方法过于简单,且随处可见,人们早已审美疲劳[來源請求]

主要的空气显示屏技术[编辑 | 编辑源代码]

激光电离空气成像[编辑 | 编辑源代码]

该技术是将皮秒激光器发出的激光进行聚焦,利用极高的功率瞬间电离焦点位置的空气,让空气发出亮白色的光点。再利用扫描装置让空中光点在空间中快速移动,从而形成空间成像的效果[2]

这种技术存在四个主要的问题:

1.设备体积巨大

2. 显示颜色单一,只能呈现亮白色

3.价格昂贵,目前单台设备的成本达到100万美元

4.由于使用了超高功率的激光器,存在一定的安全隐患[來源請求]

虽然激光电离空气成像存在一定的问题,但是该空气成像方法是目前唯一的以空气为介质成像的技术,与科幻电影中表现的“全息影像”最为接近。

“全息”圆盘成像[编辑 | 编辑源代码]

“全息”圆盘[3]是一款非常著名的玩具,由两个面对面的凹面镜组成。其中上面的凹面镜中间有一个开口,下面的凹面镜完全封闭。当把一个真实物体放在下端凹面镜的底部时,在上端凹面镜的开口位置会出现该物体的实像,这种显示效果非常逼真,原理如图所示。这里的凹面镜经过光学设计,可以让漂浮影像的效果更优。

全息原盘可以实现真实的漂浮影像,但是观看范围不大。观看者需要自己调整好观察角度,才可以得到最佳的视觉体验[4]


相关视频

“逆反射”悬浮成像[编辑 | 编辑源代码]

逆反射屏是可以将入射光线按照入射方向进行反射的一种屏,其对比普通的镜面反射屏的反射效果如图所示。逆反射结构通常用作交通的警示条[5]

逆反结构原理图

利用逆反射屏,人们设计了悬浮显示的系统,系统结构如图所示[6][7][8]

逆反系统原理图

这种悬浮显示系统的原理非常好,但是现实中并不存在理想的逆反射结构,一般的逆反射结构都会产生强烈的杂散光,这会大幅度降低悬浮影像的清晰度[9]

水雾/粉尘投影[编辑 | 编辑源代码]

为了在空气中成像,人们最容易想到的方法就是把介质喷射到空中,再将投影光投射到介质上,从而实现空间悬浮成像的效果。俄罗斯开发的Air display系统就将投影光投射到水雾上以实现空中悬浮影像的效果[10]。Holovect是将光束投影到类似于粉尘的介质上[11],再通过高速的扫描来实现空中悬浮影像的效果。这种水雾(粉尘)投影成像技术所形成的空中影像并不稳定,图像质量不高,分辨率低而且设备体积庞大,不适合日常应用。[來源請求]



光线积分原理[编辑 | 编辑源代码]

北京邮电大学三维显示技术团队[12]提出了光线积分成像原理,将悬浮显示的实现难度从工艺上转嫁到设计上。光线积分成像可以让空间中一个点发出的光线经过大量的折射与反射单元后在另外一个位置重新交汇出该点,从而实现图像的空中悬浮。整个光线积分处理单元中的每一个元件都可以进行批量生产。根据这一原理,眸合科技发明了Magic Screen空气显示屏。

光线积分原理图

压缩光场[编辑 | 编辑源代码]

压缩光场显示(Compressive Light Field Display)属于计算光场显示的一种,由MIT的Gordon Wetzstein团队提出[13]。与传统的三维显示器件相比,压缩光场显示在分辨率和亮度上有显著的提高。另外,硬件设备具有更薄的外形,显示时可以提供很宽的视角,很大的显示景深。显示视角(Field of View, FOV)指的是观看者能够自由移动观看的视区,显示景深(Depth of Field, DOF)则意味的是虚拟物体可以出屏或者入屏的大小。 压缩光场显示可以通过多层液晶的光强调制与计算机拟合处理算法相结合实现。与单纯追求光学的解决方案不同,压缩显示针对于设计更灵活的显示系统,生成目标光场。从效果上,每个像素都发出一条光线进行调制。与光器件方案相比,利用调制计算的方法只要显示少量的像素就可以实现给定的光场。

压缩光场原理图

压缩光场显示的原型设计有多种。根据其模拟光线通过多层液晶的物理情况,可以将压缩光场分为,内容自适应的光栅显示[14],基于衰减的多层光场显示[15],偏振光场显示[16],及张量显示[17]。以下将简单介绍张量显示。

张量显示中,多层液晶可以看作一组光强调制器,光线穿过时会受到液晶调制。从而,第i条出射光线的表达式为,


其中,为三层液晶上的不同位置。为出射位置,为每层的偏移距离。为了显示更大的视角及更高的显示质量,在此需要采用高级次矩阵分解。当出射光场与目标光场最接近时,可以最小化的目标函数。

        
        

其中,是目标视点,是亮度,是出射视点,为张量分解的级次。为光线通过N层液晶的张量计算结果。 可以看出,当像素越密,层数越多时,液晶的调制能力就越强,出射光场就越接近目标光场。但随之而来的是光强的大幅度衰减。

悬浮光场[编辑 | 编辑源代码]

悬浮光场显示,由北京邮电大学的桑新柱团队提出。与传统的悬浮成像过程相比,在显示视角和显示质量上有显著提高。另外,在提供大幅面显示的同时,保持着更小的外观尺寸,及更高的分辨率。

在此填写说明


悬浮光场显示的原理与压缩光场的控光原理类似,通过多层排列的相位调制器件,可以在空间中的任意位置再现目标光场。悬浮光场显示同样属于计算光场显示,通过多层的相位计算拟合,设计出了更为灵活的显示系统,从而生成悬浮目标光场。

悬浮光场显示的光路原理如上图所示。空间中的一个物体,在0位置发出任意一束光线,表达式为

光线通过多层相位调制器后,可以得到

    
    

其中,

我们希望,在z位置得到的出射光场与入射的目标光场相同,那么可以最小化目标函数

其中,是出射光线,是入射光线及目标光线。如果不改变光强,那么上式可以简化为. 通过优化求解每一层的相位调制器取值,可得到最终的悬浮光场显示效果。

AI板[编辑 | 编辑源代码]

日本公司ASKA3D提出了一种AI板来实现空中成像[18],实现方式如图所示[19]。这种AI板由大量反射镜胶合在一起实现。由于制作工艺复杂,很难批量化,因此成本很高。

Aska3D AI板原理

Magic Screen[编辑 | 编辑源代码]

技术实现[编辑 | 编辑源代码]

基于光线积分的原理,眸合科技研发了Magic screen空气显示屏,并在3.0版本之后进行了商用。

4.0版本进一步提高了清晰度和分辨率

参考文献[编辑 | 编辑源代码]

  1. Max Kamanin. Air display. http://www.tbqw.com/art/46178.html.  外部链接存在于|website= (帮助);
  2. H. Ishikawa, H. Watanabe, S. Aoki, H. Saito, S. Shimada, M. Kakehata, Y. Tsukada, and H. Kimura. Surface representation of 3D objects for aerial 3D display. Proc. SPIE 7863, 78630X (2011). Proc. SPIE. 
  3. T. Kakue; T. Kawashima, K. Suzuki, T. Shimobaba and T. Ito. Aerial projection of three-dimensional motion pictures by electro-holography and parabolic mirrors. Scientific Reports. 
  4. V. B. Elings. “Optical display device”, U. S. Patent 3647284[P]. 1972. 
  5. H. Yamamoto,; Y. Tomiyama and S. Suyama. Floating aerial LED signage based on aerial imaging by retro-reflection (AIRR). Opt. Express. 2014, 22 (22): 26919-26924. 
  6. Y. Maeda; D. Miyazaki and S. Maekawa. Volumetric aerial three-dimensional display based on heterogeneous imaging and image plane scanning 54 (13): 4109-4115. 2015. 
  7. N. Kurokawa, S. Ito and H. Yamamoto. Aerial 3D display by use of a 3D-shaped screen with aerial imaging by retro-reflection (AIRR). SPIE 10335, 103351K (2017). 
  8. Hidetsugu. Floating image display device. U. S. Patent 2017/0227929 A1[P], 2017. 
  9. H. Yamamoto and S. S[1]uyama. Aerial 3D LED display by use of retroreflective sheeting. Proc. SPIE 8648, 86480Q (2013). 
  10. M. Imura, A. Yagi, Y. Kuroda, and O. Oshiro. Multi-viewpoint interactive fog display. International Conference on Artificial Reality and Telexistence 170 (2011). 
  11. V. Vasilevskiy. Method and device for forming an aerosol projection screen. patent WO2014046566 (2012). 
  12. 于迅博. 北京邮电大学徐大雄三维技术团队. http://ipoc.bupt.edu.cn/iocolab/view/page/302.  外部链接存在于|website= (帮助);
  13. Wetzstein G, Lanman D, Hirsch M; 等. Compressive Light Field Displays[J]. IEEE Computer Graphics & Applications.2012, 32(5):6-11. 
  14. Lanman D, Hirsch M, Kim Y; 等. Content-adaptive parallax barriers: optimizing dual-layer 3D displays using low-rank light field factorization[J].. Acm Transactions on Graphics, 2010, 29(6):163. 
  15. Wetzstein G, Lanman D, Heidrich W; 等. Layered 3D: tomographic image synthesis for attenuation-based light field and high dynamic range displays[J].. Acm Transactions on Graphics, 2011, 30(4):95. 
  16. Lanman D, Wetzstein G, Hirsch M; 等. Polarization fields: dynamic light field display using multi-layer LCDs[C].. SIGGRAPH Asia Conference. ACM, 2011:186. 
  17. Wetzstein G, Lanman D, Hirsch M; 等. Tensor displays:compressive light field synthesis using multilayer displays with directional backlighting[J].. Acm Transactions on Graphics, 2012, 31(4):1-11. 
  18. Asukanet Co. AI板视频. 
  19. M. Otsubo. Method for producing light control panel. U. S. Patent 2015/0234099 A1[P], 2015.