無介質(zhì)浮空成像技術(shù)在移動通信中應(yīng)用

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本文對無介質(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，減少了用戶對終端顯示屏的損傷，為無介質(zhì)浮空成像技術(shù)在移動通信領(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)勢凸顯。本文對無介質(zhì)浮空成像技術(shù)進(jìn)行分析，對在移動通信中的應(yīng)用案例進(jìn)行了探索，為該技術(shù)在移動通信領(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聚透鏡陣列、平板透鏡陣列、空中成像陣列組成。會聚透鏡陣列，出射光成放大虛像，該陣列為多個透鏡組合實(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應(yīng)的空中實(shí)像。平板透鏡陣列與會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為會聚透鏡陣列直徑，L為平板透鏡較短邊的邊長，F(xiàn)為會聚透鏡陣列焦距，平板透鏡陣列和會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，兩相鄰的第二反射槽間形成第二凸臺，第一凸臺和第二凸臺的寬度均小于等于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。回射片被設(shè)計為光進(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)在移動通信中的應(yīng)用

無介質(zhì)浮空成像技術(shù)在移動終端中的應(yīng)用原理及結(jié)構(gòu)見圖2-3，包括移動終端（由移動終端處理器、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）?？罩薪换ツK、空中放大成像模塊內(nèi)嵌于移動終端中間件，中間件可抽出并與移動終端顯示陣列成（30°，90°）夾角，移動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）處理器用于啟動空中成像模塊和空中交互模塊，在移動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)射器和一個麥克風(fēng)陣列等，采用人臉識別技術(shù)識別用戶的人臉、手勢、語音和體感中一種或多種，并根據(jù)識別結(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：人臉識別技術(shù)主要包含人臉的檢測和定位、特征提取和識別。人臉的檢測和定位采用基于主成分分析（PCA）的人臉識別方法，檢測圖中是否有人臉，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，多個樣本圖像的空間序列訓(xùn)練出一個模型，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，輸出識別結(jié)果；識別是基于卡洛南-洛伊變換，將帶識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光線被反射到的一個信號接收器，再通過對光電位置的精確計算，得到手勢的坐標(biāo)，在空中進(jìn)行觸控。彩色攝像機(jī)、紅外發(fā)射器和一個麥克風(fēng)陣列等，實(shí)現(xiàn)實(shí)時捕捉、檢測并跟蹤手、手指和類似手指的工具，可感知用戶的位置、動作和聲音等，實(shí)現(xiàn)人臉、手勢、語音或體感識別。空中觸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)用于移動通信領(lǐng)域移動終端上的案例，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、用戶對終端顯示屏的損傷，為無介質(zhì)浮空成像技術(shù)在移動通信領(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