空中成像的原理及模拟

最近网上盛传华为P70要上空中成像，具体要怎么用，没有找到相关信息，唯比君经过一番搜索和研究，帮大家梳理了下相关的技术原理，并用LightTools软件进行了模拟分析。

什么是空中成像呢？

本文的空中成像指的是在显示屏附近加一块特殊板材，让屏幕出来光经过反射之后可以在板材另一侧重新汇聚成实像，形成的影像不需要通过水雾等介质屏幕观看，也不需要通过穿戴设备观看，使用者所看到的空间中影像就是实际存在的物体所散发出的光。

实际产品把显示屏以及这个特殊板材封装好之后，用户整体目视去看，就会感觉到空中凭空出现了虚拟显示屏，显示效果很细腻、很科幻、很震撼。

空中成像有哪些应用？

空中成像技术把真实屏幕和目视屏幕进行了空间分离，再结合摄像头以及空间姿态识别算法，可以实现空中手势交互操作，除了最常见的商业推广显示，还有很多应用场景。

应用在医院、银行等等机构的自助终端和电梯按键内呼机上，防止交叉感染。

对公众服务设备，可以把实体设备放在屋内，通过该技术把空中屏幕设定在屋外，极大减少了实体设备损毁和被盗风险。

车载HUD也是目前比较火的一个应用方向：

除此之外，还有比如演讲提示机，交互游戏机（实现空中切西瓜）等各种有意思的应用，大家如果有兴趣唯比君推荐大家去浏览下ASKA3D的youtube视频页。

空中成像代表厂商有哪些？

从上面介绍可知，空中成像的模块结构很简单，该技术的核心是中间那块能够提供反射的板材元件，能提供空中成像解决方案的厂商，必须拥有自主生产核心元件的能力。

唯比君目前检索到的代表厂商是日本Asukanet旗下的ASK3D，该公司可以生产树脂板和玻璃板两类生产线，其中玻璃板提供从200mm×200mm到1000mm×1000mm各类尺寸，可以覆盖从7英寸到37英寸的显示屏尺寸。在中国大陆对应有乐法洛（上海）贸易有限公司，提供软硬件一体化的整机解决方案。

国内代表厂商有：

安徽省东超科技有限公司，成立于2016年，累计融资金额达3亿人民币。

像航(上海)科技有限公司，成立于2017年，累计融资金额达1.5亿人民币。

衍视电子科技（上海）有限公司，成立于2016年，融资情况不详。

浙江棱镜全息科技有限公司，成立于2017年，累计融资金额超3亿人民币。

该技术受关注度并不高，从融资额度来讲，相比XR行业融资额不值一哂，希望华为入局会带动相关产业发力。从时间线和技术路径来看，日本起步较早，国内的技术路线和ASKA3D应该说别无二致，甚至某些专利示意图及官网宣传图都如出一辙，大家自行感受。

空中成像技术的原理

空中成像对外宣传真是五花八门，有的厂商宣称自己的技术是真实全息，有的厂商号称掌握负折射率技术，还有厂商号称自己能重构光场。。。。。。

各位比唯比君聪明的小伙伴闻此种种一笑而过，资本又来忽悠人啦。

那具体的原理是怎么样的呢？唯比君用ASKA官网的图来解释说明，屏幕和实像对称分布于中间板子两侧，屏幕发出发散光经过板子反射后汇聚成实像。

这个核心的板子长什么样子呢？ASKA3D用下面这个图来描述：

从图片上来看，这个板子分两层，每层都是反射镜阵列。单层反射镜阵列的制作，在长方形玻璃片（或者树脂片）沿长边的两个侧面上制作反射层，其他表面是透明的，然后再把这些玻璃片的反射面进行胶合。为了确保入光面和出光面的光学效率，降低杂光，胶合完成后需要对表面进行抛光处理。

第一层的多个反射面是沿着X方向排布，第二层的多个反射面沿着Y方向排布，这两层的排布方向必须要正交，才能保证屏幕发出的光线在X和Y方向分别反射。

从屏幕发出的光线，进入板子第一层，在Y方向反射1次，接着进入第二层，在X方向又反射1次。屏幕发散光经过不同反射通道的2次反射后，就在板子另一侧汇聚成实像。

空中成像的光学模拟

按照上面的解读思路，唯比君用LTs对空中成像进行了光学模拟分析。

创建一个长方形的玻璃通道，这里设定宽度和高度都是0.2mm，长度随便给了50mm，并给这个玻璃两侧面设定为反射，为了方便看图，此处把玻璃的长度缩短了。

有了一个带反射面的玻璃后，把这个玻璃进行阵列操作后，形成一层反射阵列板。

把第一层板复制一份得到第二层，但第二层相对第一层要做90°旋转，这两层反射阵列板叠加之后，正视得到矩形反射通道。

把这两层板子通过Group组合在一起放在原点位置，核心反射板建模完成。

唯比君把公司名称通过image processor处理成图像光源作为显示器。

光源和接收器对称分布在反射板左右两侧，显示屏和接收器与反射板的夹角都是45度。

正常的LCD显示屏光线发散全角可以超过178°，非常大；这个系统里面，大角度会导致非常大的杂光光，具体的原因在于，当光线发散角大于等于显示屏与反射板夹角的时候，很明显会有相当一部分光线没有反射，直接透过反射板，形成很强的杂散光。

出于消减杂散光的目的，通常要在显示屏做一些处理，在图示上下方向进行单方向遮光。看到这里，相信很多小伙伴已经想到了，我们可以用类似防窥膜的方法来排除掉显示屏的大角度光线。确实如此，防窥膜的机理就是在膜材中添加一个个黑色不透光的小隔板，大角度光线就被阻挡吸收掉了。

这里为了建模方便起见，就不对这个膜材进行实际物理建模了，唯比君直接设定光源发散角为30度，不影响后续讨论。

进行光线追击后，我们发现当反射板横平竖直摆位的时候，接收面上的实像在X方向上弥散很严重，把反射板绕Z轴旋转45度后光线追迹，接收面上形成了明显的图文字样。

分析光线路径发现，当反射板0度摆位，很多光线在X方向上没有反射，仅在Y方向上进行了1次反射，反射光线在X方向上发生了错位，不同角度的光相互叠加造成弥散。旋转45度后，在两条不同方向的边上各自反射1次，形成正常的图像。

唯比君发现反射板旋转45度后，接收面上存在很明显的杂散光，光线路径分析发现杂散光也是由1次反射造成的。

新的问题来了，接收面的实像杂散光这么严重，这样的东西用户能接受吗？

唯比君回答：看到的效果比接收面的实像好。

为什么呢？

我们来看，对于某个实像点，不仅来自物点的正确反射光线，也有1次反射杂光，甚至还有直接穿透过来的0次反射杂光。如下图所示，从用户目视角度来看，人眼当成一个小孔，沿着特定方向去看实像面，只有目视方向的光线才能进入人眼，直接透射的0次反射光所在的角度并不能进入人眼。

从这个维度上来讲，人眼目视的过程，本质上是对通过反射板的光线再叠加了一个角度过滤器，因此我们给这个接受面添加空间亮度计，测试距离设定人眼明视距离250mm，瞳孔直接设定5mm，再进行光线追迹，发现画面没有杂光。

大家可以通过改变亮度计的方位，来模拟人眼从不同方向去看空中屏幕，甚至于可以写个脚本进行角度遍历，来看看显示亮度和杂散光的变化情况，这个就留给读者啦。

几个值得思考的点：

1.屏幕倾斜投射到反射板，屏幕距离反射板越远，则反射板需要的面积就越大；从成本和产品尺寸的维度来讲，屏幕和反射板的距离不会太远，除非对于某些需要特意拉远的场景，比如我们上面提到的设备防盗应用。

2.显示屏与反射板之间的夹角，本文设定为45度，实际上超过或小于45度也是可以的，大家有兴趣可以光线追迹试试。

3.屏幕倾斜投射到反射板，如果不做结构约束，反射板在高度方向上尺寸会非常大，考虑商用场景，大部分人的身高差异换算成上下方向上的可视角度，差异不会太大，可以缩减反射板的高度。

4.考虑到大部分人在左右方向空间会自由移动，如何增加左右方向的可视角度，是空中成像在广告显示应用场景需要解决的大问题，大家可以思考下对策。

全文完，欢迎大家留言讨论，唯比君可能会从留言中筛选下期论题哦。