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关于空气成像制作技术

- 2018-06-15 -

       空气成像技术主要是通过空气显示屏来完成的。空气显示屏主要包括两种: 一有介质空中成像显示屏,二无介质空中成像显示屏。在众多的实现技术中,Magic Screen 的显示效果最好。

有介质空中成像显示屏以俄罗斯人Max Kamanin设计的Air display 水雾投影成像为代表。

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。从硬件构成,我们可以看出它有两个致命的缺点,(1)成像质量不佳(2)薄雾的湿气使人不适。

除此之外有介质空中成像显示屏还包括:“全息”膜成像

无介质空中成像显示屏主要包括两种:

(1)AI板

日本公司Aska3D设计生产的AI板[2],基本原理是通过一个具有负折射率的玻璃,将二维图像推送到另一个三维空间。由于它负折率玻璃的工艺极其复杂,很难量产且显示角度有限,无法商业应用。

(2)Magic Screen

2017年4月份中国公司眸合科技发明了Magic Screen解决了上面空气显示器所存在的问题。其基本原理是北京邮电大学三维团队提出的光线积分原理,将一个平面传送到另一个三维空间中,显示效果有了大幅度的提升。

除此之外有无质空中成像显示屏还包括:“全息”原盘成像技术、“逆反射”悬浮成像技术".

全息

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

 

“全息”膜成像可以说是目前位置最常见的空中成像技术,它是利用平面镜反射原理实现的。它的实现方法非常的简单,如图所示。

 

在春晚上展示的邓丽君与明星对唱用的就是这种方法。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。

电离空气成像

 

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。

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

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”原盘

全息”原盘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。

″逆反射”悬浮

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

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。

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。

水雾粉尘投影

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。Holovect是将光束投影到类似于粉尘的介质上,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。

AI板

日本公司ASKA3D提出了一种AI板来实现空中成像,实现方式如图所示。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。

光线积分原理

北京邮电大学三维显示技术团队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。

压缩光场

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。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,基于衰减的多层光场显示 ,偏振光场显示,及张量显示。

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