無介質(zhì)浮空成像技術(shù)在移動(dòng)通信中應(yīng)用

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本文對(duì)無介質(zhì)浮空成像方案分析、技術(shù)研究等進(jìn)行了分析，探索了將無介質(zhì)浮空成像技術(shù)應(yīng)用于移動(dòng)終端上的方案，解決了現(xiàn)有終端設(shè)備顯示屏較小導(dǎo)致的用戶身體出現(xiàn)損傷等問題，減少了用戶對(duì)終端顯示屏的損傷，為無介質(zhì)浮空成像技術(shù)在移動(dòng)通信領(lǐng)域應(yīng)用提供了方案借鑒。無介質(zhì)浮空成像技術(shù)在不同行業(yè)廣泛應(yīng)用，尤其在疫情防控期間，無接觸銀行叫號(hào)機(jī)等使用，將觸摸屏替換為空氣屏保障了手部清潔降低感染概率，無介質(zhì)浮空投影技術(shù)優(yōu)勢(shì)凸顯。本文對(duì)無介質(zhì)浮空成像技術(shù)進(jìn)行分析，對(duì)在移動(dòng)通信中的應(yīng)用案例進(jìn)行了探索，為該技術(shù)在移動(dòng)通信領(lǐng)域中應(yīng)用提供了方案借鑒。

1.可交互空中成像技術(shù)分析

無介質(zhì)浮空成像技術(shù)，又稱可交互空中成像等，它應(yīng)用光場(chǎng)重構(gòu)原理，基于光波導(dǎo)的空中成像方法，集成紅外激光傳感器技術(shù)，構(gòu)建的空中交互式成像系統(tǒng)。

1.1空中放大成像模塊方案分析

空中放大成像模塊方案由會(huì)聚透鏡陣列、平板透鏡陣列、空中成像陣列組成。會(huì)聚透鏡陣列，出射光成放大虛像，該陣列為多個(gè)透鏡組合實(shí)現(xiàn)超短焦放大及消除校正色差和球差功能；平板透鏡陣列，出射光成實(shí)像；空中成像陣列采用空中成像不同類型陣列實(shí)現(xiàn)光線在光學(xué)成像元件中經(jīng)過至少2次反射后形成與入射圖像對(duì)應(yīng)的空中實(shí)像。平板透鏡陣列與會(huì)聚透鏡陣列的中心之間的距離為x，一般選擇x滿足以下要求公式（1）：（1）其中D為會(huì)聚透鏡陣列直徑，L為平板透鏡較短邊的邊長，F(xiàn)為會(huì)聚透鏡陣列焦距，平板透鏡陣列和會(huì)聚透鏡陣列的距離保持在上述要求內(nèi)，可以保持空氣中成像的圖像清晰完整。

1.2空中成像陣列研究

空中成像陣列可以是無焦透鏡陣列、兩次反射的立體鏡陣列，以及回射片和半反射鏡陣列組合的多種方案和結(jié)構(gòu)，器件均形成了顯示圖像的單元數(shù)量更多、更小的微鏡成像結(jié)構(gòu)，從而使解析度大大提高，降低系統(tǒng)能耗，詳見表1（a~c）。其中：（1）立體正交排列的透光層疊體陣列結(jié)構(gòu)采用并排設(shè)置若干長條形透明條，相鄰的透明條相互貼合面和/或貼合面的對(duì)面上設(shè)有反射面，透明基條高度為20μm~6000μm，反射面的高度不大于透明基條的高度，相鄰的反射面的間距為200μm~2000μm，即當(dāng)采用透明條時(shí)透明條寬度為200μm~2000μm，高度為20μm~6000μm。當(dāng)通過空中成像元件的物體入射圖像的光線，經(jīng)偶數(shù)層透明基條中的反射面反射后，形成與物體的入射圖像對(duì)應(yīng)的無介質(zhì)浮空影像的空中實(shí)像；（2）立體長方形鏤空、交錯(cuò)排列的立體長方形光學(xué)元件陣列，兩相鄰的第一反射槽間形成第一凸臺(tái)，兩相鄰的第二反射槽間形成第二凸臺(tái)，第一凸臺(tái)和第二凸臺(tái)的寬度均小于等于1mm。（3）半反射鏡陣列可以是立體三角形陣列為立體直角等腰三角形，或直角等腰三角形于直線圍成的立體表面陣列?；厣淦辉O(shè)計(jì)為光進(jìn)入片表面的入射角原則上等于由片內(nèi)部的反射表面反射并從片表面發(fā)射出的光的發(fā)射角。

2.無介質(zhì)浮空成像技術(shù)在移動(dòng)通信中的應(yīng)用

無介質(zhì)浮空成像技術(shù)在移動(dòng)終端中的應(yīng)用原理及結(jié)構(gòu)見圖2-3，包括移動(dòng)終端（由移動(dòng)終端處理器、空中成像模塊和空中交互模塊組成）和浮空操作屏（用戶在空中交互的操作屏幕）。空中交互模塊、空中放大成像模塊內(nèi)嵌于移動(dòng)終端中間件，中間件可抽出并與移動(dòng)終端顯示陣列成（30°，90°）夾角，移動(dòng)終端顯示陣列與水平面成（30°，60°）夾角，終端的顯示屏幕為高亮顯示屏，其亮度可調(diào)至不小于1000nits，完成浮空成像。（1）處理器用于啟動(dòng)空中成像模塊和空中交互模塊，在移動(dòng)終端的顯示屏中顯示的畫面進(jìn)行空中成像及與用戶實(shí)現(xiàn)交互。（2）空中成像模塊包含移動(dòng)終端顯示陣列和空中放大成像模塊。顯示屏發(fā)射光源后經(jīng)過空中放大成像模塊2次反射在空中成實(shí)像。（3）空中交互模塊包含紅外激光模塊、空中觸控反饋模塊、彩色攝像機(jī)、紅外發(fā)射器和一個(gè)麥克風(fēng)陣列等，采用人臉識(shí)別技術(shù)識(shí)別用戶的人臉、手勢(shì)、語音和體感中一種或多種，并根據(jù)識(shí)別結(jié)果確定相應(yīng)的交互指令，處理器可以根據(jù)該交互指令和空中成像模塊與用戶進(jìn)行交互。其中：人臉識(shí)別技術(shù)主要包含人臉的檢測(cè)和定位、特征提取和識(shí)別。人臉的檢測(cè)和定位采用基于主成分分析（PCA）的人臉識(shí)別方法，檢測(cè)圖中是否有人臉，再將人臉分割出來，獲取人臉或人臉上的某些器官在圖像上的位置；特征提取是構(gòu)造特征矢量，多個(gè)樣本圖像的空間序列訓(xùn)練出一個(gè)模型，它的參數(shù)就是特征值，模版匹配法用相關(guān)系數(shù)做特征，輸入歸一化后的灰度圖像，輸出識(shí)別結(jié)果；識(shí)別是基于卡洛南-洛伊變換，將帶識(shí)別的圖像或特征與人臉數(shù)據(jù)庫里的特征相匹配，將給出的人臉圖像與數(shù)據(jù)庫中某人臉圖像及其名字關(guān)聯(lián)。紅外激光模塊含紅外激光器、攝像頭、定位軟件。攝像頭通過定位軟件在空中獲取畫面的坐標(biāo)點(diǎn)定位空中成像畫面，當(dāng)手指或任何不透明的物體接觸空中成像畫面時(shí)光線被反射到的一個(gè)信號(hào)接收器，再通過對(duì)光電位置的精確計(jì)算，得到手勢(shì)的坐標(biāo)，在空中進(jìn)行觸控。彩色攝像機(jī)、紅外發(fā)射器和一個(gè)麥克風(fēng)陣列等，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)捕捉、檢測(cè)并跟蹤手、手指和類似手指的工具，可感知用戶的位置、動(dòng)作和聲音等，實(shí)現(xiàn)人臉、手勢(shì)、語音或體感識(shí)別?？罩杏|控反饋模塊利用超聲波振子從格狀多位排列的超聲波換能器中發(fā)出，以空中任意位置的超聲波振子為焦點(diǎn)相結(jié)合，形成超聲波，產(chǎn)生了被稱為回聲放射壓的壓力。如果用人類手指在此位置表面進(jìn)行按壓，就能產(chǎn)生觸覺刺激，空中觸控反饋技術(shù)利用此現(xiàn)象增加觸覺而產(chǎn)生的。

3.挑戰(zhàn)與展望

本文研究了無介質(zhì)浮空成像技術(shù)，探索了該技術(shù)應(yīng)用于移動(dòng)通信領(lǐng)域移動(dòng)終端上的案例，所提出的方案降低了現(xiàn)有終端設(shè)備顯示屏較小導(dǎo)致的用戶身體出現(xiàn)損傷、用戶對(duì)終端顯示屏的損傷，為無介質(zhì)浮空成像技術(shù)在移動(dòng)通信領(lǐng)域中更廣闊的應(yīng)用提供了思路和借鑒。

作者:李貝 趙偉 胡煜華 劉光海 肖天 成晨 單位:中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司研究院 中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信浙江省分公司