专利名称：基于组合屏幕的真彩色360°视场三维显示装置和方法
技术领域：
本发明属于三维显示技术领域，具体涉及一种基于组合屏幕的真彩色360°视场三维显示装置和方法。
背景技术：
显示技术作为人们获取信息的一个主要方式，目前已经广泛地应用在人们日常生活的各个方面。目前人们多数采用的显示技术一般为二维显示，而传统的二维显示技术遗失了真实物理世界的深度信息，严重地阻碍了人类对客观世界的感知，影响了人类对信息获取、处理和传递的准确度和效率。而在真实空间构建虚拟的三维场景一直是人们孜孜以求的目标。目前，三维显示技术主要分为四类体视三维显示技术、自体视三维显示技术、体三维显示技术、光场三维显示技术以及全息三维显示技术等。空间三维显示是在具有宽度、高度和深度的真实三维空间内进行图像信息再现的技术，显示的三维场景可供多个观察者同时环绕观看，是新兴的研究方向。体三维显示技术是通过适当方式来激励位于透明显示体积内的物质，利用可见辐射的产生、吸收或散射而形成体素来实现三维显示。这种三维显示技术多采用扫描的方式来实现，但是体三维显示不能表现出物体之间遮挡的关系，只能显示透明的三维场景。光场三维显示技术通过再现三维物体向各个方向发射的光线的方式将要显示三维场景的各个侧面的图像准确地成像到相应的方位。众多观看者均能以其习惯的观看方式同时观看到空间三维场景360°的各个侧面，犹如一个在现实空间的三维物体一样，可以表现物体间的遮挡关系，能自动满足多种生理和心理深度暗示，可多人、多角度、同时、裸眼观察。目前，高速投影机在光场 三维显示中应用广泛，但采用的高速投影机只能高速投影二值图像，不能实现真彩色光场三维显示。
发明内容
本发明提供了一种基于组合屏幕的真彩色360°视场三维显示装置和显示方法，充分利用了图像与屏幕的空间分布特性，通过高速投影机时序地将具有多个灰阶的组合图像同时投影到组合式定向散射屏的对应区域降低了实现真彩色360°视场三维显示所需要高速投影机投影二值图像的帧频，实现了可供多人多视角裸眼同时观看的真彩色360°视场三维显示，提高了三维显示的图像质量，从而克服现有技术的不足。一种基于组合屏幕的真彩色360°视场三维显示装置，包括高速投影机、组合式定向散射屏、图像存储控制模块、转动装置和转动检测模块，其中高速投影机，作为高帧频的图像投影单元，向组合式定向散射屏高速地投影三通道二值图像序列，所述高速投影机投影镜头的光轴与组合式定向散射屏的转轴相重合；组合式定向散射屏，由多个定向散射子屏组合拼接而成，每个定向散射子屏对应于一个灰度，每个定向散射子屏均对投影其上的图像的出射角度进行控制，保证观察区域的观察者的双眼看到具有视差的图像；
转动装置，与组合式定向散射屏连接，并带动组合式定向散射屏转动；转动检测模块，检测所述的组合式定向散射屏的转速及每个定向散射子屏的起始位置，并将其探测的转速和起始位置的信号传给图像存储控制模块；图像存储控制模块，存储供高速投影机投影的三通道二值图像序列，并根据接收到的信号控制所述的高速投影机投影三通道二值图像序列的初始位置及所述的高速投影机的帧频，实现所述的高速投影机的三通道二值图像序列与所述的组合式定向散射屏转动的同步。所述的高速投影机为单片式高速投影机或三片式高速投影机，所述的高速投影机的空间光调制器为反射型的高速数字微镜器件(DMD)。所述的定向散射子屏为反射式偏折型散射屏，底面与转动装置的输出轴垂直，反射式偏折型散射屏由光栅方向互相平行的反射式锯齿型光栅和柱面光栅构成，且每个定向散射子屏的光栅方向均与其对应圆心角的角平分线垂直。所述的反射式锯齿型光栅由多个三角柱状结构连续排列构成，所述的组合式定向散射屏中的每一个定向散射子屏的反射式锯齿型光栅中所有三角柱状结构的倾斜角相同。所述的定向散射子屏为斜面定向散射屏，由柱面光栅构成，光栅方向为水平方向，每个定向散射子屏的底面与转动装置的输出轴均成α角，α —般为30 60°所述的转动检测模块包括电路处理控制模块、以及对电路处理控制模块提供电信号的传感器，所述电路处理控制模块为基于现场可编程门阵列为核心的控制模块或基于数字信号处理器为核心的控制模块；所述传感器为光 电传感器或机械位置开关。所述的图像存储控制模块为基于现场可编程门阵列为核心的控制模块、基于数字信号处理器为核心的控制模块或计算机。一种基于组合屏幕的真彩色360°视场三维显示方法，包括(I)计算机根据三维模型、高速投影机的视场角和距离组合式定向散射屏的距离、定向散射子屏的尺寸、观察者位置计算真彩色图像序列信息；(2)计算机再根据组成组合式定向散射屏的定向散射子屏的数量N将步骤(I)计算的真彩色图像序列信息转化为三通道图像序列信息，并将每个通道的灰度图像进行量化并组合为二值图像序列；(3)计算机将需要显示的三通道二值图像序列传入图像存储控制模块以供显示；(4)组合式定向散射屏安装在转动装置上并由其带动旋转，转动检测模块检测所述的组合式定向散射屏的转速及每个定向散射子屏的起始位置的信号并传输给图像存储控制|吴块；(5)图像存储控制模块存储供高速投影机投影的三通道二值图像序列信息，并根据接收到的信号控制所述的高速投影机投影三通道二值图像序列的初始位置及所述的高速投影机的帧频，实现所述的高速投影机的三通道二值图像序列与所述的组合式定向散射屏转动的同步；(6)组合式定向散射屏每旋转一圈的过程中，高速投影机的空间光调制器显示出相应的M幅组合的二值图像，经投影镜头顺序投影到组合式定向散射屏上；(7)组合式定向散射屏中每一个定向散射子屏上的图像为一个灰度的图像，组合式定向散射屏旋转I圈，高速投影机投影出具有N个灰度信息的M幅组合的二值图像，通过每一个定向散射子屏对出射光线的限制，每个视点可观察到图像为3XN色，位于周围的观察者均可以观察到真彩色的空间三维场景。所述的M为100-2000，所述的N为2-50。本发明采用了组合式定向散射屏，通过同时投影具有多个灰阶信息的组合图像到各个定向散射子屏上，实现了真彩色360°视场空间三维显示，提高了空间三维显示的图像灰度和刷新频率。
图1是本发明的基于组合屏幕的真彩色360°视场三维显示装置的实施例1的示意图。图2是本发明的基于组合屏幕的真彩色360°视场三维显示装置的实施例1中组合式定向散射屏的结构示意图。图3是本发明的基于组合屏幕的真彩色360°视场三维显示装置的实施例1中定向散射子屏的结构示意图。图4是本发明的基于组合屏幕的真彩色360°视场三维显示装置的实施例2的示意图。图5是本发明的基于组合屏幕的真彩色360°视场三维显示装置的实施例2中组合式定向散射屏(N=2)的结构示意图。图6是本发明的基于组合屏幕的真彩色360°视场三维显示装置的实施例2中组合式定向散射屏(N=3)的结构示意图。图中1为高速投影机、2为组合式反射偏折型定向散射屏、21为反射偏折型定向散射子屏、3为图像存储控制模块、4为转动装置、5为转动检测模块、6为组合式斜面定向散射屏、61为斜面定向散射子屏。
具体实施例方式下面结合实施例和附图来详细说明本发明，但本发明并不仅限于此。实施例1如图1所示，一种基于组合屏幕的真彩色360°视场三维显示装置，包括高速投影机1、组合式反射偏折型定向散射屏2、图像存储控制模块3、转动装置4和转动检测模块5。计算机首先将高速投影机I预先计算需要显示的图像传输到图像存储控制模块3中存储下来以供显示。作为高帧频的图像投影单元的高速投影机1，向旋转的组合式反射偏折型定向散射屏2高速地投三通道二值图像序列。高速投影机I的投影镜头光轴与组合式反射偏折型定向散射屏2的旋转转轴相重合。本实施例中的高速投影机I可以是单片式的彩色高速投影机，也可以是三片式的彩色高速投影机。单片式彩色高速投影机采用了单个空间光调制器，通过红色、绿色和蓝色(RGB)三色时序照明将彩色图像投影出来。三片式彩色高速投影机则采用了三片空间光调制器，每一片空间光调制器对应了 RGB中的一种颜色，RGB三色照明光分别照射三片空间光调制器，然后通过合色棱镜合成三通道二值图像投影出来。由于目前液晶(LCD)空间光调制器、硅基液晶(LCOS)空间光调制器的刷新频率不能太高，本发明中的高速投影机I中的空间光调制器一般采用反射型的高速数字微镜器件(DMD)。组合式反射偏折型定向散射屏2安装在转动装置4上，并由转动装置4带动组合式反射偏折型定向散射屏2水平旋转。组合式反射偏折型定向散射屏2由主偏折角度相同的多个反射偏折型定向散射子屏21组合拼接而成，每个反射偏折型定向散射子屏21对应于一个灰度图像。每个反射偏折型定向散射子屏21把高速投影机的投影光线往一侧偏折。以偏折方向为主方向，在与主方向垂直的竖直方向上发生散射，而和主方向垂直的水平方向小角度反射。每个反射偏折型定向散射子屏21均对投影其上的图像的出射角度进行控制，保证观察区域的观察者的双眼看到具有视差的图像。转动检测模块5 —般为基于现场可编程门阵列为核心的控制模块或基于数字信号处理器为核心的控制模块，通过光电传感器或机械位置开关等传感器检测组合式反射偏折型定向散射屏2的转速及每个反射偏折型定向散射子屏21的起始位置，并将其探测的转速和起始位置的信号传给图像存储控制模块3。图像存储控制模块3，根据接收到的信号控制高速投影机I投影图像序列的初始位置及高速投影机I的帧频，实现所述的高速投影机I的投影图像序列与所述的组合式反射偏折型定向散射屏2转动的同步。组合式反射偏折型定向散射屏2旋转一圈，高速投影机I高速时序投影出每幅具有N个灰度信息的M幅二值图像序列图像投影到组合式反射偏折型定向散射屏2上，每幅图像中的具有不同灰度信息的子图像落在不同的反射偏折型定向散射子屏21。通过每个反射偏折型定向散射子屏21对出射光线的限制及其360°扫描，每个视点位置可观察到图像为3XN色，位于周围360°观察区域的观察者可以观察到真彩色的空间三维场景，三维场景悬浮于组合式反射偏折型定向散射屏2的上方，显示图像真实细腻，颜色丰富。如图2所示，组合式反射偏折型定向散射屏2由主偏折角度相同的多个反射偏折型定向散射子屏21组合拼接而成，每个反射偏折型定向散射子屏21对应于一个灰度图像。组合式反射偏折型定向散射屏2的形状可以为圆形、矩形或多边形等，一般多为圆形或正多边形等对称结构以便于降低机械旋转带来的装置不稳定、噪声大等因素。如图3所示，每个反射偏折型定向散射子屏21是由反射式锯齿型光栅211和第一柱面光栅212构成,反射式锯齿型光栅211位于第一柱面光栅212的下方,并且反射式锯齿型光栅211和第一柱面光栅212的光栅方向互相平行。设组合式反射偏折型定向散射屏2为圆形或正多边形，那么一般组合式反射偏折型定向散射屏2包含N个反射偏折型定向散射子屏21，且组合式反射偏折型定向散射屏2中各个反射偏折型定向散射子屏21平均分布，则每个反射偏折型定向散射子屏21对应的中心角为360/N。，且反射式锯齿型光栅211和第一柱面光栅212的光栅方向均与反射偏折型定向散射子屏21在水平面上的对称轴垂直。反射式锯齿型光栅211，由多个三角柱状结构连续排列构成，每一个反射偏折型定向散射子屏21中的反射式锯齿型光栅211中所有三角柱状结构的倾斜角相同，即每一个反射偏折型定向散射子屏21中的反射式锯齿型光栅211只对应一个楔角角度，而楔角角度则决定了主偏折角度的大小和方向。第一柱面光栅212将投影在其上的图像在光栅方向上和垂直于光栅方向上分别对其出射角度进行限制，在光栅方向上以比较小的发散角度出射，在垂直于光栅方向上以比较大的角度进行散射。每个反射偏折型定向散射子屏21在和偏折方向垂直的水平方向上以小角度出射，其角度大小一般小于360/M°。而每个反射偏折型定向散射子屏21在与偏折方向垂直的竖直方向上发生以大角度散射。实施例2如图4所示，一种基于组合屏幕的真彩色360°视场三维显示装置，包括高速投影机1、图像存储控制模块3、转动装置4、转动检测模块5和组合式斜面定向散射屏6。计算机首先将高速投影机I预先计算需要显示的图像传输到图像存储控制模块3中存储下来以供显示。作为高帧频的图像投影单元的高速投影机1，向旋转的组合式斜面定向散射屏6高速地投影三通道二值图像序列。高速投影机I的投影镜头光轴与组合式斜面定向散射屏6的旋转转轴相重合。本发明中的高速投影机I可以是单片式的彩色高速投影机，也可以是三片式的彩色高速投影机。单片式彩色高速投影机采用了单个空间光调制器，通过红色、绿色和蓝色(RGB)三色时序照明将彩色图像投影出来。三片式彩色高速投影机则采用了三片空间光调制器，每一片空间光调制器对应了 RGB中的一种颜色，RGB三色照明光分别照射三片空间光调制器，然后通过合色棱镜合成三通道二值图像投影出来。由于目前液晶(IXD)空间光调制器、硅基液晶(LCOS)空间光调制器的刷新频率不能太高，本实施例中的高速投影机I中的空间光调制器一般采用反射型的高速数字微镜器件(DMD)。组合式斜面定向散射屏6安装在转动装置4上，并由转动装置4带动组合式斜面定向散射屏6旋转。组合式斜面定向散射屏6由多个斜面定向散射子屏61组合而成，每个斜面定向散射子屏61对应于一个灰度图像。每个斜面定向散射子屏61由反射式柱面光栅构成，光栅方向为水平方向，其底面与电机转轴成α角，α —般为30 60°。斜面定向散射子屏61把高速投影机的投影光线往一侧偏折反射。每个斜面定向散射子屏61均对投影其上的图像的出射角度进行控制，保证观察区域的观察者的双眼看到具有视差的图像。转动检测模块5 —般为基于现场可编程门阵列为核心的控制模块或基于数字信号处理器为核心的控制模块 ，通过光电传感器或机械位置开关等传感器检测组合式斜面定向散射屏6的转速及每个斜面定向散射子屏61的起始位置，并将其探测的转速和起始位置的信号传给图像存储控制模块3。图像存储控制模块3，根据接收到的信号控制高速投影机I投影图像序列的初始位置及高速投影机I的帧频，实现所述的高速投影机I的投影图像序列与所述的组合式斜面定向散射屏6转动的同步。组合式斜面定向散射屏6旋转一圈，高速投影机I高速时序投影出每幅具有N个灰度信息的M幅图像到组合式斜面定向散射屏6上，每幅图像中的具有不同灰度信息的子图像落在不同的斜面定向散射子屏61。通过每个斜面定向散射子屏61对出射光线的限制及其360°扫描，每个视点位置可观察到图像为3ΧΝ色，位于周围360°观察区域的观察者可以观察到真彩色的空间三维场景，显示图像真实细腻，颜色丰富。如图5和图6所示，组合式斜面定向散射屏6由多个斜面定向散射子屏61组合拼接而成，每个斜面定向散射子屏61对应于一个灰度图像，且每个斜面定向散射子屏61的底面与电机转轴夹角相同(一般为30 60° )。每个斜面定向散射子屏61均对投影其上的图像的出射角度进行控制，保证观察区域的观察者的双眼看到具有视差的图像。每个斜面定向散射子屏61，以斜面定向散射子屏61的底面为基准面对高速投影机的投影光线进行反射，主偏折方向由每个斜面定向散射子屏61底面与电机转轴的倾角决定。反射式柱面光栅在与主偏折方向垂直的竖直方向上发生散射，而和主方向偏折垂直的水平方向小角度反射，其角度大小一般小于360/M°。如图1和图4所示，一种基于组合屏幕的真彩色360°视场三维显示方法中首先，计算机需要根据需要显示的彩色空间三维模型数据、以及硬件系统的各项参数高速投影机的视场角和距离组合式定向散射屏的距离、定向散射子屏的尺寸、观察者位置和一周投影图像数M等来计算需要投影的真彩色图像序列信息，真彩色图像序列的数量为M，每幅图单通道的灰度为256色。由于考虑到高速投影机的帧频以及三维场景的刷新频率，我们一般选取M为100-2000。其次，将上一步骤计算的真彩色图像序列信息转化为三通道图像序列信息，根据组成组合式定向散射屏的定向散射子屏的数量N将每通道具有256个灰阶的图像序列均量化为具有N个灰阶的图像序列，再将具有相同灰阶的图像提取出来根据定向散射子屏的顺序重新排列成二值图像序列，得到每通道M幅二值图像，每幅图像具有N个子图，每个子图分别与相应的定向散射子屏相对应。考虑到系统实现的简捷以及保证较高的图像分辨率，我们一般选取N为2-50。然后，计算机将上述计算以供显示的RGB三通道图像序列(每通道M幅二值图像)分别通过高速连接接口传入图像存储控制模块中以供高速投影机I显示，高速连接接口一般为USB接口，千兆网接口，高清视频接口(DVI，HDMI )，PC1-E接口等。在硬件上，转动装置由电机驱动并带动组合式定向散射屏旋转，一般情况下转动装置的转轴与高速投影机的光轴重合。转动检测模块通过与转动装置相连接的传感器(接触式、非接触式)检测组合式定向散射屏的转速及每个定向散射子屏的起始位置信号并传输给图像存储控制模块以及高速投影机。高速投影机根据传入的组合式定向散射屏的转速和角度位置信号，以及一周投影图像数M，计算出每幅二值图像所要显示的时间以及开始显示的位置。组合式定向散射屏每旋转一圈的过程中，高速投影机的空间光调制器显示出相应的M幅组合的二值图像，经投影镜头顺序投影到组合式定向散射屏上。组合式定向散射屏中每一个定向散射子屏上的子图像为一个灰度的图像，组合式定向散射屏旋转I圈，高速投影机投影出M幅组合二值图像，每幅具有N个子图，分别对应于N个定向散射子屏。组合式定向散射屏在旋转一周的过程中，每旋转360/N。显示出每个通道一个灰度对应的二值图像，当组合式定向散射屏旋转一周后显示出三通道N个灰度的图像。投影图像再通过每一个定向散射子屏对出射光线的限制，每个视点可观察到图像为3XN色，位于周围的观察者均可以观察到真彩色的空间三维场景。
权利要求
1.一种基于组合屏幕的真彩色360°视场三维显示装置，其特征在于，包括高速投影机、组合式定向散射屏、图像存储控制模块、转动装置和转动检测模块，其中高速投影机，作为高帧频的图像投影单元，向组合式定向散射屏高速地投影三通道二值图像序列，所述高速投影机投影镜头的光轴与组合式定向散射屏的转轴相重合；组合式定向散射屏，由多个定向散射子屏组合拼接而成，每个定向散射子屏对应于一个灰度，每个定向散射子屏均对投影其上的图像的出射角度进行控制，保证观察区域的观察者的双眼看到具有视差的图像；转动装置，与组合式定向散射屏连接，并带动组合式定向散射屏转动；转动检测模块，检测所述的组合式定向散射屏的转速及每个定向散射子屏的起始位置，并将其探测的转速和起始位置的信号传给图像存储控制模块；图像存储控制模块，存储供高速投影机投影的三通道二值图像序列，并根据接收到的信号控制所述的高速投影机投影三通道二值图像序列的初始位置及所述的高速投影机的帧频，实现所述的高速投影机的三通道二值图像序列与所述的组合式定向散射屏转动的同
2.根据权利要求1所述的基于组合屏幕的真彩色360°视场三维显示装置，其特征在于，所述的高速投影机为单片式高速投影机或三片式高速投影机，所述的高速投影机的空间光调制器为反射型的高速数字微镜器件。
3.根据权利要求1所述的基于组合屏幕的真彩色360°视场三维显示装置，其特征在于，所述的定向散射子屏为反射式偏折型散射屏，底面与转动装置的输出轴垂直，反射式偏折型散射屏由光栅方向互相平行的反射式锯齿型光栅和柱面光栅构成，且每个定向散射子屏的光栅方向均与其对应圆心角的角平分线垂直。
4.根据权利要求3所述的基于组合屏幕的真彩色360°视场三维显示装置，其特征在于，所述的反射式锯齿型光栅由多个三角柱状结构连续排列构成，所述的组合式定向散射屏中的每一个定向散射子屏的反射式锯齿型光栅中所有三角柱状结构的倾斜角相同。
5.根据权利要求1所述的基于组合屏幕的真彩色360°视场三维显示装置，其特征在于，所述的定向散射子屏为斜面定向散射屏，由柱面光栅构成，光栅方向为水平方向，每个定向散射子屏的底面与转动装置的输出轴均成α角，α —般为30 60°。
6.根据权利要求1所述的基于组合屏幕的真彩色360°视场三维显示装置，其特征在于，所述的转动检测模块包括电路处理控制模块、以及对电路处理控制模块提供电信号的传感器，所述电路处理控制模块为基于现场可编程门阵列为核心的控制模块或基于数字信号处理器为核心的控制模块；所述传感器为光电传感器或机械位置开关。
7.根据权利要求1所述的基于组合屏幕的真彩色360°视场三维显示装置，其特征在于，所述的图像存储控制模块为基于现场可编程门阵列为核心的控制模块、基于数字信号处理器为核心的控制模块或计算机。
8.一种基于组合屏幕的真彩色360°视场三维显示方法，其特征在于，包括(1)计算机根据三维模型、高速投影机的视场角和距离组合式定向散射屏的距离、定向散射子屏的尺寸、观察者位置计算真彩色图像序列信息；(2)计算机再根据组成组合式定向散射屏的定向散射子屏的数量N将步骤(I)计算的真彩色图像序列信息转化为三通道图像序列信息，并将每个通道的灰度图像进行量化并组合为二值图像序列；(3)计算机将需要显示的三通道二值图像序列传入图像存储控制模块以供显示；(4)组合式定向散射屏安装在转动装置上并由其带动旋转，转动检测模块检测所述的组合式定向散射屏的转速及每个定向散射子屏的起始位置的信号并传输给图像存储控制模块；(5)图像存储控制模块存储供高速投影机投影的三通道二值图像序列信息，并根据接收到的信号控制所述的高速投影机投影三通道二值图像序列的初始位置及所述的高速投影机的帧频，实现所述的高速投影机的三通道二值图像序列与所述的组合式定向散射屏转动的同步；(6)组合式定向散射屏每旋转一圈的过程中，高速投影机的空间光调制器显示出相应的M幅组合的二值图像，经投影镜头顺序投影到组合式定向散射屏上；(7)组合式定向散射屏中每一个定向散射子屏上的图像为一个灰度的图像，组合式定向散射屏旋转I圈，高速投影机投影出具有N个灰度信息的M幅组合的二值图像，通过每一个定向散射子屏对出射光线的限制，每个视点可观察到图像为3XN色，位于周围的观察者均可以观察到真彩色的空间三维场景。
9.根据权利要求8所述的基于组合屏幕的真彩色360°视场三维显示方法，其特征在于，所述的M为100-2000，所述的N为2-50。
全文摘要
本发明公开了一种基于组合屏幕的真彩色360°视场三维显示装置，包括高速投影机、组合式定向散射屏、图像存储控制模块、转动装置和转动检测模块，通过高速投影机时序地将具有多个灰阶的组合图像同时投影到组合式定向散射屏的对应区域降低了实现真彩色360°视场三维显示所需要高速投影机投影二值图像的帧频，实现了可供多人多视角裸眼同时观看的真彩色360°视场三维显示。本发明采用了组合式定向散射屏，通过同时投影具有多个灰阶信息的组合图像到各个定向散射子屏上，实现了真彩色360°视场空间三维显示，提高了空间三维显示的图像灰度和刷新频率。
文档编号G03B21/60GK103048868SQ20131000583
公开日2013年4月17日 申请日期2013年1月7日 优先权日2013年1月7日
发明者刘旭, 夏新星, 李海峰, 郑臻荣, 王涵, 苏忱, 陈贝石 申请人:浙江大学