基于多台高速投影机拼接的360°三维显示装置和方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于多台高速投影机拼接的360°三维显示装置，包括定向散射屏组、转动装置组、转动检测模块、投影拼接合成模块、图像存储模块和N台高速投影机，通过多台高速投影机拼接算法计算得到每台高速投影机实时投射的二维帧图像序列并分送到各图像存储模块中，在转动检测模块的调制下对各台高速投影机进行控制使之配合一组或多组定向散射屏的旋转，实现各高速投影机投影区域的拼接合成成像，成倍提高了三维显示的空间分辨率。通过基于高速投影机拼接算法配合多组定向散射屏成像，扩展了三维成像空间，增大了三维像的横向尺度与纵向尺度以及景深尺度，并实现了大尺度空间三维显示的空间拓展。
【专利说明】基于多台高速投影机拼接的360°三维显示装置和方法
【技术领域】
[0001]本发明属于三维显示【技术领域】，具体涉及一种基于多台高速投影机拼接的高分辨率360°三维显示装置和显示方法。
【背景技术】
[0002]人类是以视觉作为接触世界，认识世界的第一方式的物种，视觉也是人类获取信息的首要源头，因此视觉上信息的呈现与表达在当今信息时代的发展显得尤为重要。然而，与人类正常观察方式不同，现有表达可视信息的主要手段仍是二维的，传统的二维显示技术去除了实际物体的深度信息，作为天生的三维空间思维者的人类，对二维信息会有明显的不适感与矛盾感。同样，人类也在不断追求真实的空间三维显示体验，相关的三维显示技术与装置不断提出，现有的三维显示技术主要分为四类: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。然而，全息三维显示技术顾名思义，为记录再现物体全部信息的技术，由于其记录信息的数据量巨大与极难寻找适用的全息记录介质等原因，发展缓慢。
[0003]体视三维显示技术是作为在一定的相对立体空间，在宽度、高度、深度三个维度的空间内对实际物体信息进行再现，可以实现由多个观察者环绕观看；体三维显示技术基于在空间内的透明介质，该介质可以在可见光波或不可见辐射的激励下形成发出不同颜色可见光波的体素，并由控制阵列来进行显示重构出实际物体的三维信息进行显示，该方法可以使观察者看到具有遮挡感，以及较好的横纵视差表现的三维物体像；光场三维显示技术通过重构还原真实物体在不同环境光照射下或自发光下的光场分布，得到可以环绕观看，各个视角画面精确呈现的三维物体图像。通过这些技术可以实现多人多视角，裸眼观察并无需借助助视设备的三维图像实施显示系统，并且基于光场三维显示技术的三维成像系统可以借由高速投影机与旋转散射屏构建出真彩色的360°三维像显示，符合人类在心理感知与视觉感知等方面的自然习惯。
[0004]申请号为CN201110106479.3的专利文献公开了一种基于高速投影机的悬浮式360°视场空间三维显示装置，它包括透射式偏折型散射屏、高速投影机、图像发生器、探测模块、电机和传动机构；其中，透射式偏折型散射屏由透射式锯齿型光栅和柱面光栅构成，并且两者的光栅方向互相平行；高速投影机位于透射式偏折型散射屏的下方并往上方投影，投影图像落在透射式偏折型散射屏上；传动机构和透射式偏折型散射屏相连，通过电机的转动，带动偏折型散射屏转动；探测模块与图像发生器、高速投影机顺次相连；透射式偏折型散射屏把高速投影机的投影光线往一侧偏折，并且在偏折方向发生散射，而和偏折方向垂直的方向小角度透射。上述基于高速投影机的悬浮式360°空间三维显示可供多人360°视场裸眼同时观看，实现空间遮挡消隐并可探入触摸交互。
[0005]但是，光场重构式三维显示系统分辨率的提高要求更高分辨率的空间光调制器以及超高速的数据处理系统。然而，对于360°三维显示系统，要进一步提高系统的分辨率，已有的高分辨率空间光调制器与高速数据处理系统已经满足不了更高分辨率的需求。无法实现更高分辨率的需求，三维图像表面具有颗粒感，成像范围小等问题均无法解决，会给三维图像真实感带来影响，降低观察者的视觉体验。
【发明内容】
[0006]本发明提供了一种基于多台高速投影机拼接的360°三维显示装置，通过投影拼接合成模块基于多台高速投影机拼接算法计算得到每台高速投影机实时投射的帧图像序列并分送到各台高速投影机的图像存储模块中，在转动检测模块的调制下对各台高速投影机系统进行控制使之配合一组或多组定向散射屏的旋转，实现各台高速投影机投影区域的拼接合成成像，实时显示帧图像序列，得到高分辨率的360°三维显示，实现了可供多人、多视角裸眼同时观看的高分辨率360°三维像显示，通过成倍数提高三维图像空间分辨率，提升了三维显示的图像质量，通过基于高速投影机拼接算法配合多组定向散射屏成像，扩展了三维成像空间，增大了三维像的横向尺度与纵向尺度以及景深尺度，并实现了大尺度空间三维显示的空间拓展，从而克服现有技术的不足。
[0007]—种基于多台高速投影机拼接的360°三维显示装置，包括定向散射屏组、转动装置组、转动检测模块、投影拼接合成模块、图像存储模块和N台高速投影机:
[0008]定向散射屏组，由S个定向散射屏组成，用于向观察者提供三维图像，其中S彡1，且为整数；
[0009]转动装置组，与定向散射屏组相连接的，并带动各组定向散射屏转动的装置；
[0010]转动检测模块，检测所述的定向散射屏组内各组定向散射屏的转动角度位置信息与初始转动位置信息，并将探测到的上述信息传送至投影拼接合成模块；
[0011]投影拼接合成模块，计算各台高速投影机需要投射的二维帧图像序列，并根据接收到的转动角度位置信息与初始转动位置信息，按照N台高速投影机的投影顺序，将二维帧图像序列分送到各台高速投影机的图像存储模块，并将各台高速投影机的帧频传送给图像存储模块；
[0012]图像存储模块，分别与N台高速投影机的投影单元相连接，接收由投影拼接合成模块分送的二维帧图像序列与各台高速投影机的帧频，将投影拼接控制模块传送进来的二维帧图像序列存储，根据接收的投影帧频实时同步地将二维帧图像序列分别传送给各台高速投影机；
[0013]N台高速投影机，将二维帧图像序列投射到定向散射屏组的特定区域，配合定向散射屏组的转动实现三维图像的显示，其中N ^ 2，且为整数。
[0014]投影拼接合成模块计算需要投射的二维帧图像序列时，主要是依据需要显示的三维模型、N台高速投影机的数量、N台高速投影机的安放位置、N台高速投影机分别与定向散射屏组的空间位置、N台高速投影机投影光学系统的视场角、N台高速投影机投影光学系统在定向散射屏组上投影区域的位置分布、定向散射屏组的形状尺寸及转动特性、观察者的位置和定向散射屏组旋转一周需要投射的图像数M(M为100?2000)等，依据现有的算法计算得到。
[0015]所述的定向散射屏组为会使投影光线发生特定角度的偏折，并具有一定的散射特性的散射屏幕组。每组散射屏均对光线的出射角度进行一定程度的散射使光线入射到观察者的观测范围内，使观察者观察到三维显示图像。所述的定向散射屏组可选择多组反射式偏折型散射屏或透射式偏折型散射屏，该反射式或透射式偏折型散射屏底面与转动装置组的电机转轴垂直，由对出射光线在一个维度具有较大散射角度，另一个维度具有较小散射角度，低色散的散射屏幕构成，如全息微结构定向散射屏，或光栅方向相互平行的锯齿形光栅和柱面光栅构成的定向组合散射屏等。作为优选，所述的定向散射屏组由反射式偏折型全息微结构散射屏组成。
[0016]定向散射屏组可以采用一块，也可以由多块规格参数任意的定向散射屏交叠拼接组成，可通过多台或一台转动装置对各组定向散射屏的转动进行控制。N台高速投影机在定向散射屏组的投影区域间要紧密拼合，在定向散射屏组形成没有缝隙及交叠区域的投影空间，以保证合成三维图像的成像质量。
[0017]所述的N台高速投影机中过投影中心垂直于定向散射屏组的连线为投影中心线。与现有技术的技术方案不同，本发明的各台高速投影机的投影中心线与定向散射屏组的旋转转轴不一定同轴。并且当N台高速投影机的设置位置不同时，N台高速投影机的投影中心线可能会与定向散射屏组的旋转转轴不同轴并且具有一定夹角。即，在N台高速投影机对定向散射屏组投影的过程中，一块转动的独立定向散射屏或者定向散射屏组中的一块独立转动的定向散射屏的屏幕上，所拼合的高速投影机投影区域对应的高速投影机中，一定有一台或一台以上的高速投影机的投影中心线与所述定向散射屏的转轴不同轴。
[0018]N台高速投影机的相对空间位置及在定向散射屏组投影区域拼接的分布方案，根据各台高速投影机内部投影芯片的尺寸与规格，N台高速投影机的数量，高速投影机距离定向散射屏组的垂直距离，高速投影机的投影主光线与定向散射屏组的夹角和高速投影机投射区域的面积与形状等条件进行考虑。
[0019]N台高速投影机的排布方式需要根据实际安装条件以及投影芯片的形状确定，作为优选，所述的N台高速投影机采用对称阵列式排布方式或者为围绕转轴中心分布的环状阵列式排布方式。
[0020]根据投影芯片的规格不同，N台高速投影机距离定向散射屏组之间的距离可以相同也可以不同，作为优选，所述的N台高速投影机具有相同的规格的投影芯片与投影光学系统，并距离定向散射屏组中定向散射屏幕垂直高度相同，且在定向散射屏组中定向散射屏幕上的投影区域面积相同。。N台高速投影机可设置在定向散射屏组的一侧或者两侧，作为优选，所述的N台高速投影机位于定向散射屏组一侧。
[0021]为了提升三维显示图像的空间分辨率，采用在定向散射屏组上进行多台高速投影机拼接成像的方法，在一块独立的定向散射屏上或定向散射屏组中的一块定向散射屏上，各台高速投影机投影区域的拼接需满足严格的拼合，既不能相互交叠也不能留有缝隙，在考虑高速投影机对定向散射屏组垂直投射的条件下，高速投影机的投影中心线应与所对应的投影区域中心的垂轴同轴，高速投影机的分布方案与其投影区域中心垂轴有关，因此在本发明中，N台高速投影机中一定有一台或一台以上的高速投影机与定向散射屏组的转轴不同轴。
[0022]所述的转动检测模块由电路处理控制模块、将转动信号转换为电信号的探测传感模块组成，探测传感模块提供的电信号提供给电路处理控制模块进行处理。所述的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。所述的探测传感模块由光电传感器、机械位置开关或旋转脉冲编码器构成。
[0023]本发明还提供了一种基于多台高速投影机拼接的高分辨率360°三维显示方法，包括:
[0024](I)利用转动装置组驱动定向散射屏组定向转动；
[0025](2)利用转动检测模块检测所述的定向散射屏组内各组定向散射屏的转动角度位置信息与初始转动位置信息，并将探测到的信息传送至投影拼接合成模块；
[0026](3)利用投影拼接合成模块计算得到各台高速投影机需要投射的二维帧图像序列，并根据接收到的转动角度位置信息与初始转动位置信息，将二维帧图像序列分送到各台高速投影机的图像存储模块，并将各台高速投影机的帧频传送给图像存储模块；
[0027](4)利用图像存储模块根据接收的帧频信息实时同步地将二维帧图像序列分别传送给各台高速投影机；
[0028](5)N台高速投影机，将二维帧图像序列投射到定向散射屏组的特定区域，配合定向散射屏组的转动实现三维图像的显示，其中N ^ 2，且为整数。
[0029]使用N台(N彡2且为整数)高速投影机进行高分辨率的360°三维显示，并依据各台高速投影机内部投影芯片的尺寸与规格、各台高速投影机规格、实际使用中环境与装置特点要求等提出N台高速投影机排布阵列及N台高速投影机的投影区域在定向散射屏组上的拼接方案。
[0030]根据所述的定向散射屏组对投影光线的反射光线分布特性，投影拼接合成模块基于本发明提供的多台高速投影机拼接算法依据三维模型、N台高速投影机的数量、N台高速投影机的安放位置、N台高速投影机的分别与定向散射屏组的空间位置、N台高速投影机投影光学系统的视场角、N台高速投影机投影光学系统在定向散射屏组上投影区域的位置分布、定向散射屏组的形状尺寸及转动特性、观察者的位置和定向散射屏组旋转一周需要投射的图像数M(M为100?2000)等得到每台高速投影机在定向散射屏组不同转动角度位置处需要投射的图像，在转动检测模块与投影拼接合成模块控制下，配合定向散射屏组的特定运动拼接成三维显示图像。
[0031]投影拼接合成模块在拼接每台特定高速投影机投影图像时，基于在特定高速投影机投影区域内定向散射屏组所处运动位置对投影光线的反射光线或透射光线的分布特性，考虑环绕成像区域360°内观测者在对应的光线分布内应该观测到的空间光场分布，进行在观测区域的360°拼合计算得到特定高速投影机实时投射的二维帧图像。实际计算时根据三维物体像与定向散射屏组的形状尺寸及转动特性、观察者的位置生成整体需要投射在屏幕上的投影二维帧图像，依据三维模型、N台高速投影机的数量、N台高速投影机的安放位置、N台高速投影机分别与定向散射屏组的空间位置、N台高速投影机投影光学系统的视场角计算出各台高速投影机投影区域位于定向散射屏组的位置，依据各台高速投影机的投影区域分布，对整体投影二维帧图像进行分割，并将各台高速投影机投影区域对应的二维帧图像转存到N台高速投影机对应的图像存储模块中。本实施例采用整体投影二维帧图像分割生成N台高速投影机投影二维帧图像的方式实现了整体三维图像的三维显示，同时也提高了图像的分辨率。定向散射屏组每旋转360/M。，转动检测模块发出相应信号传给投影拼接合成模块。投影拼接合成模块即通过图像存储模块向N台高速投影机发送各台高速投影机需要实时投射的二维帧图像与并由图像存储模块控制N台高速投影机显示的帧频信号。
[0032]一般由与投影拼接合成模块相连接的计算机基于本发明提供的多台高速投影机拼接算法得到N台高速投影机需要实时投射的二维帧图像序列与帧频信号并传送进图像存储模块中。或者由投影拼接合成模块中板载的图像处理单元基于本发明提供的多台高速投影机拼接算法得到N台高速投影机需要实时投射的二维帧图像序列与帧频信号并传送进图像存储模块中。
[0033]所述投影拼接合成模块计算各台高速投影机需要投射的二维帧图像序列时，首先对计算得到的整体投影画面根据各台高速投影机的投影区域分布进行分割，然后对应得到各台高速投影机相应的实时投射画面，最后得到各台高速投影机需要投射的二维帧图像序列。
[0034]图像存储模块依据控制N台高速投影机的帧频信号将N台高速投影机需要投射的二维帧图像序列实时传送至N台高速投影机中，并由N台高速投影机将对应的二维帧图像投射到定向散射屏组上。
[0035]相比单台高速投影机投射二维帧图像的分辨率为AXB pixels，基于多台高速投影机拼接的高分辨率360°三维显示方法可以将系统空间分辨率提高到NXAXB pixels,有效提高了系统空间分辨率。
[0036]使用N台高速投影机对一组定向散射屏或多组拼接定向散射屏组基于多台高速投影机拼接算法进行三维显示成像，从而在定向散射屏组上得到更大尺度的三维图像，提高了三维显示的图像质量，扩展了三维成像空间的横向空间、纵向空间以及景深空间。
[0037]与现有技术相比，本发明的有益效果体现在:
[0038]第一，本发明首先引入了多台高速投影机，在同样大小的屏幕上，成倍提高了三维像的空间分辨率。
[0039]第二，多台高速投影机可以通过算法在屏幕上通过多台投影机投影二维帧图像的拼接实现再现整体的三维像，这是现有技术无法实现的。
[0040]第三，现有技术中，为了增加再现三维像的大小，必须扩大投影机的投射区域与屏幕尺寸。但是单一转轴转屏在机械性能上具有一定的尺寸极限，本发明提出的基于算法的定向散射屏组显示三维图像的方式，理论上可以实现屏幕的无限扩大，实现三维像在空间上的拓展。
[0041]第四，本发明中采用的全息微结构散射屏的散射特性，色散特性都更好，对于再现图像质量更佳。
[0042]第五，本发明降低了对于高速投影芯片分辨率的限制。同时，使用现有的最高分辨率的高速投影芯片，那么就可以将再现三维像的空间分辨率比现有达到的极限水平提高几倍以上，另外也在相同的分辨率条件下，降低了成本。
[0043]综上所述，本发明通过N台高速投影机基于多台高速投影机拼接算法在定向散射屏组上进行拼接投影的方式，使N台高速投影机投射的二维帧图像与高速旋转的定向散射屏组拼接结合起来，采用定向散射屏组控制出射光线的出射角度，多组散射屏扩展成像空间的方式，在实现了高分辨率360°视场空间三维显示的同时，成倍地提高了 360°悬浮式空间光场重构式三维显示的空间分辨率，拓展了最大可投影空间，在投影空间的纵向和横向以及景深空间进行扩展，提升了三维图像的空间尺寸与精细程度。
【专利附图】
【附图说明】
[0044]图1是本发明的实施例1中基于多台高速投影机拼接的360°三维显示装置的示意图。
[0045]图2是本发明的基于多台高速投影机拼接的360°三维显示装置的定向散射屏的一种结构不意图。
[0046]图3是本发明的基于多台高速投影机拼接的360°三维显示装置中多台高速投影机的两种布置方式对应的投影区域分布图。
[0047]图4是本发明的基于多台高速投影机拼接的360°三维显示装置中高速投影机的相对位置与定向散射屏组的位置关系示意图。
[0048]图5是的基于多台高速投影机拼接的360°三维显示装置中多台高速投影机与多个定向散射屏的位置关系示意图。
[0049]图6是本发明的基于多台高速投影机拼接的360°三维显示装置中多台高速投影机投影区域与多个定向散射屏的位置关系示意图。
【具体实施方式】
[0050]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。
[0051]实施例1
[0052]如图1所示，一种基于多台高速投影机拼接的高分辨率360°三维显示装置，包括:第一台高速投影机A、第二台高速投影机B、第三台高速投影机C、第四台高速投影机D、投影拼接合成模块1、第一台高速投影机图像存储模块21、第二台高速投影机图像存储模块22、第三台高速投影机图像存储模块23、第四台高速投影机图像存储模块24、转动装置
3、转动检测模块4、定向散射屏5。
[0053]第一台高速投影机A，第二台高速投影机B，第三台高速投影机C与第四台高速投影机D分别设置于定向散射屏5的上方，采用2X2的对称阵列式排布方式，向下投射图像。其中四台投影机距离定向散射屏5的垂直距离均相同，在定向散射屏5上的投影区域面积相同。本实施例投影仪的排布方式采用对称阵列式排布，但不应以此限制本发明的保护范围。
[0054]第一台高速投影机A，第二台高速投影机B，第三台高速投影机C与第四台高速投影机D将需要显示的对应二维帧图像序列随着定向散射屏5的旋转按顺序同步地高速显示出来。按照系统需求，每台高速投影机需要在定向散射屏5转动一圈的过程中投射M幅二维图像，因此对于高速投影机的内部显示芯片要求为具备高速帧频调制能力的显示芯片，一般采用反射型的高速数字微镜器件(DMD)。
[0055]投影拼接合成模块1，基于本发明提供的多台高速投影机拼接算法依据需要显示的三维模型、N台高速投影机的数量、N台高速投影机的安放位置、N台高速投影机分别与定向散射屏组的空间位置、N台高速投影机投影光学系统的视场角、N台高速投影机在定向散射屏组上投影区域的位置分布、定向散射屏组的形状尺寸及转动特性、观察者的位置和定向散射屏组旋转一周需要投射的图像数M(M为100?2000)等得到第一台高速投影机A、第二台高速投影机B、第三台高速投影机C与第四台高速投影机D在定向散射屏不同转动角度位置处需要投射的图像，对转动检测模块4传送的定向散射屏5的转动角度信息与转动初始位置信息进行处理来控制第一台高速投影机A、第二台高速投影机B、第三台高速投影机C与第四台高速投影机D的投影帧频和输入图像存储模块的二维帧图像序列，配合定向散射屏的特定运动拼接成三维显示图像。
[0056]如图3所示，投影拼接合成模块根据已有技术可实现的算法根据三维物体像与定向散射屏组的形状尺寸及转动特性、观察者的位置生成整体需要投射在屏幕上的投影画面，依据三维模型、N台高速投影机的数量、N台高速投影机的安放位置、N台高速投影机分别与定向散射屏组的空间位置、N台高速投影机投影光学系统的视场角计算出第一台高速投影机A、第二台高速投影机B、第三台高速投影机C与第四台高速投影机D投影区域位于定向散射屏的位置，依据第一台高速投影机A、第二台高速投影机B、第三台高速投影机C与第四台高速投影机D的投影区域分布，对整体投影二维帧图像进行分割，并将第一台高速投影机A、第二台高速投影机B、第三台高速投影机C与第四台高速投影机D的投影区域对应的二维帧图像转存到第一台高速投影机A，第二台高速投影机B，第三台高速投影机C与第四台高速投影机D的图像存储模块21、图像存储模块22、图像存储模块23和图像存储模块24。本实施例采用整体投影二维帧图像分割生成N台高速投影机投影二维帧图像的方式生成对应各台高速投影机的投影画面，但不应以此限制本发明的保护范围。
[0057]投影拼接合成模块I的计算由与投影拼接合成模块相接的计算机完成或由投影拼接合成模块I板载的图形处理单元完成。计算机将上述计算以供显示的M幅图像帧序列通过高速连接接口传入投影拼接合成模块1，并由投影拼接合成模块依据转动检测模块4传送的转动角度信息与转动初始位置信息，将需要实时显示的二维帧图像序列与控制帧频信号分送到第一台高速投影机A、第二台高速投影机B、第三台高速投影机C与第四台高速投影机D的图像存储模块21、图像存储模块22、图像存储模块23和图像存储模块24。
[0058]第一台高速投影机的图像存储模块21、第二台高速投影机图像的存储模块22、第三台高速投影机的图像存储模块23、第四台高速投影机的图像存储模块24接收到投影拼接合成模块I分送的计算得出的供第一台高速投影机A、第二台高速投影机B、第三台高速投影机C与第四台高速投影机D显示的二维帧图像序列并存储，根据投影拼接合成模块I传送的帧频信息实时同步地将二维帧图像分别传送给第一台高速投影机A、第二台高速投影机B、第三台高速投影机C与第四台高速投影机D，实现与定向散射屏5的转动同步显示形成三维像。
[0059]转动装置3带动定向散射屏进行转动，配合N台高速投影机投射的二维帧图像序列实现三维图像的显示。对于多组定向散射屏组的转动，转动装置3对于各组定向散射屏可以完成同步转动或分立转动的控制。
[0060]转动检测模块4，包括由电路处理控制模块、将转动信号转换为电信号的探测传感模块组成，探测传感模块提供的电信号提供给电路处理控制模块进行处理。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。探测传感模块由光电传感器、机械位置开关或旋转脉冲编码器构成。其工作原理为，位于转盘探测部位的传感器，借由附在转盘上或内置与传感器中随着转盘转动一个小角度能够使传感器引发相应响应的标记，通过传感器对于标记的响应配合相应的电路处理控制模块实现对于定向散射屏5转动的检测。转动检测模块4完成定向散射屏5的转动初始位置的检测与转动角度的检测，并将探测到的转动角度信息与转动初始位置信息传送给投影拼接合成模块I确定传送给第一台高速投影机A、第二台高速投影机B、第三台高速投影机C与第四台高速投影机D的二维图像帧序列与控制N台高速投影机的投影帧频。
[0061]如图2所示，在实施例1中，定向散射屏5由光栅方向互相平行的反射式锯齿形光栅511和柱面光栅512构成。定向散射屏会使N台高速投影机投射光线的反射光线发生偏折，并在特定的转动位置对于N台高速投影机投射的区域具有特定发散角度的散射，以偏折光线为中心光线，会在过中心光线与柱面光栅栅线垂直的平面内发生一定角度的散射，在过中心光线与柱面光栅栅线平行的平面内发生小角度的散射。并且，在定向散射屏组转动一周的过程中，每转动一个微小角度，投射光线经反射发出的散射光线都会发生微小的偏转，旋转一周后，散射光线的不断偏转完成了整个投影区域的高密度扫描。本实施例采用反射式锯齿型光栅与柱面光栅构成的定向组合散射屏，但不应以此限制本发明的保护范围。
[0062]如图3所示，在实施例1中，依据N台高速投影机的数量、N台高速投影机内部显示芯片尺寸与规格、高速投影机A、高速投影机B、高速投影机C和高速投影机D的投影镜头在定向散射屏5投影像的相对位置与投影区域拼接方案，N台高速投影机既可以采用2X2的对称阵列式排布方式，也可以采用围绕转轴中心分布的环状阵列式排布方式等。在环状阵列式排布方式中，高速投影机A、高速投影机B、高速投影机C和高速投影机D在屏幕上的拼接投影区域未覆盖定向散射屏5的中心区域，依据定向散射屏特性，对于观察者的观测，相比定向散射屏中心区域距离观察者更近的屏幕边缘位置对投影光线的散射必然会有一部分散射光线射入人眼，因此形成的三维图像会遮挡住中心投影未覆盖区域，并不影响光场重构下的三维显示图像质量。本实施例投影仪的排布方式采用对称阵列式与环状阵列式排布，但不应以此限制本发明的保护范围。
[0063]如图4所示，在实施例1中相邻两台高速投影机在定向散射屏上进行拼接投影时，需要保证各投影区域拼接形成没有缝隙及交叠区域的投影空间。原因在于在两台高速投影机重合的交叠区域所分别对应的各台高速投影机投射光线的入射角度是不相同的。对于散射特性一致的区域，不同入射角度的投影光的反射散射光也是不同的，因此投影交叠区域的图像会有一部分形成其他可视区域的杂散光，影响成像质量。相邻两台高速投影机既可以设置为对称位置，也可以设计为距定向散射屏幕垂直高度不同的位置，或者两台高速投影机的投影中心线与定向散射屏5的转轴存在一定倾角α，以及两台高速投影机中有至少一部高速投影机采用位于定向散射屏5下方，向上方进行透射式投射的位置排布方案等。本实施例投影仪间相对位置排布方案所采用上述方案，但不应以此限制本发明的保护范围。
[0064]第一台高速投影机Α、第二台高速投影机B、第三台高速投影机C与第四台高速投影机D对于定向散射屏5进行基于多台高速投影机拼接的高分辨率360°三维显示，使三维成像空间的空间分辨率为4ΧΑΧΒ pixels,通过定向散射屏5对第一台高速投影机A、第二台高速投影机B、第三台高速投影机C与第四台高速投影机D的出射光线的偏折与散射完成360°扫描，位于周围360°观察区域的观察者可以观察到更高空间分辨率的空间三维场景，三维场景悬浮于定向散射屏5的上方，显示的三维图像获得更高的图像质量。
[0065]实施例2
[0066]如图5所示，一种基于多台高速投影机拼接的高分辨率360°三维显示示意图，包括:第一组定向散射屏51、第二组定向散射屏52、第三组定向散射屏53、第一台高速投影机A、第二台高速投影机B、第三台高速投影机C、第四台高速投影机D、第五台高速投影机E。同样包括实施例1中的投影拼接合成模块、图像存储模块、转动装置和转动检测模块等，连接方式同实施例1。第一台高速投影机A、第二台高速投影机B、第三台高速投影机C、第四台高速投影机D与第五台高速投影机E分别设置于第一组定向散射屏51、第二组定向散射屏52和第三组定向散射屏53的上方，采用5X I的对称阵列式排布方式，向下投射图像。其中五台投影机距离定向散射屏5的垂直距离均相同，在定向散射屏5上的投影区域面积相同。本实施例投影仪的排布方式采用对称阵列式排布，但不应以此限制本发明的保护范围。
[0067]第一台高速投影机A、第二台高速投影机B、第三台高速投影机C、第四台高速投影机D与第五台高速投影机E将需要显示的对应二维帧图像序列随着第一组定向散射屏51、第二组定向散射屏52和第三组定向散射屏53的旋转按顺序同步地高速显示出来。按照系统需求，每台高速投影机需要在第一组定向散射屏51、第二组定向散射屏52和第三组定向散射屏53转动一圈的过程中投射M幅二维图像，因此对于高速投影机的内部显示芯片要求为具备高速帧频调制能力的显示芯片，一般采用反射型的高速数字微镜器件(DMD)。
[0068]第一组定向散射屏51、第二组定向散射屏52和第三组定向散射屏53,由光栅方向互相平行的反射式锯齿形光栅511和柱面光栅512构成。定向散射屏组会使N台高速投影机投射光线的反射光线发生偏折，并在特定的转动位置对于N台高速投影机投射的画面具有特定发散角度的散射，以偏折光线为中心光线，会在过中心光线与柱面光栅栅线垂直的平面内发生一定角度的散射，在过中心光线与柱面光栅栅线平行的平面内发生小角度的散射。并且，在定向散射屏转动一周的过程中，每转动一个微小角度，投射光线经反射发出的散射光线都会发生微小的偏转，旋转一周后，散射光线的不断偏转完成了整个投影区域的高密度扫描。多组定向散射屏拼接，配合多台高速投影机拼接成像的方法，可以在定向散射屏组上得到更大尺度的三维图像，这种显示方法在软件上的基础为多台高速投影机拼接算法。
[0069]第一组定向散射屏51、第二组定向散射屏52和第三组定向散射屏53的空间位置既可以为平面的拼接，也可以是空间的曲面拼接等。如图5所示，第一组定向散射屏51、第二组定向散射屏52和第三组定向散射屏53沿弧形面布置。第一组定向散射屏51、第二组定向散射屏52和第三组定向散射屏53的转动由转动装置进行控制。
[0070]第一台高速投影机A、第二台高速投影机B、第三台高速投影机C、第四台高速投影机D和第五台高速投影机E相对于第一组定向散射屏51、第二组定向散射屏52和第三组定向散射屏53既可以在定向散射屏组的上方向下反射式投射图像，也可以在定向散射屏组下方向上进行透射式投射图像或者高速投影机的投射中心与定向散射屏组旋转转轴成一定角度a P α 2，α 3，α 4……等方法。本实施例投影仪与定向散射屏组间相对位置排布方案所采用上述方案，但不应以此限制本发明的保护范围。
[0071]如图6所示，第一组定向散射屏51、第二组定向散射屏52、第三组定向散射屏53、第四组定向散射屏54和第五组定向散射屏55在拼接的方案中，可以出现边缘的交叠。由于采用反射式偏折性定向散射屏组，因此定向散射屏组交叠区域的散射性质取决于最上层定向散射屏的结构特性。本实施例定向散射屏组间相对位置的排布方案所采用上述方案，但不应以此限制本发明的保护范围。
[0072]屏幕拼接的高分辨率360°三维显示方法:
[0073]首先，投影拼接合成模块根据需要显示的空间三维模型数据、以及硬件系统的各项参数:N台高速投影机投影镜头的数量、N台高速投影机投影的安放位置、N台高速投影机投影分别与定向散射屏组的空间位置、N台高速投影机投影光学系统的视场角、N台高速投影机在定向散射屏组上投影区域的位置分布，定向散射屏组的形状尺寸及转动特性、观察者的位置和定向散射屏组旋转一周需要投射的图像数M等来计算得到多台高速投影机在随着定向散射屏组不同转动角度位置处需要投射的二维图像序列，得到的二维图像序列的数量为NXM。
[0074]其中，投影拼接合成模块在拼接每台特定高速投影机投影图像时，基于特定高速投影机在特定高速投影机投影区域内对应定向散射屏组的运动位置的投影反射光线或透射光线的分布特性，对环绕成像区域360°内观测者应该观测到的空间光场分布进行拼合，得到高速投影机实时投射的二维帧图像。
[0075]在定向散射屏组转动一周的过程中，每转动一个微小角度，投射光线经反射发出的散射光线都会发生微小的偏转，旋转一周后，散射光线的不断偏转完成了整个投影区域的高密度扫描。由于设定每台高速投影机在定向散射屏组旋转一周的过程中投射M幅二维帧图像，即控制每台高速投影机随着定向散射屏组每旋转360/M。向定向组合散射屏组投射特定的二维帧图像。
[0076]投影拼接合成模块依据转动检测模块传送的转动角度信息与转动初始位置信息，将需要实时显示的二维帧图像序列与控制投影的帧频信号分送到每台高速投影机的图像存储模块。每台高速投影机的图像存储模块接收到投影拼接合成模块分送的二维帧图像序列并存储，根据投影拼接合成模块传送的控制投影的帧频信息实时同步地将二维帧图像分别传送给每台高速投影机，实现与定向散射屏组每旋转360/M。的转动同步投影显示，拼接合成形成高分辨率的三维像。
[0077]投影拼接合成模块根据已有技术可实现的算法根据三维物体像与定向散射屏组的形状尺寸及转动特性、观察者的位置生成整体需要投射在屏幕上的二维帧图像画面，依据三维模型、N台高速投影机的数量、安放位置、分别与定向散射屏组的空间位置、N台高速投影机投影光学系统的视场角计算出各台高速投影机投影区域位于定向散射屏组的位置，依据各台高速投影机的投影区域分布，对整体投影二维帧图像进行分割，并将各台高速投影机投影区域对应的二维帧图像转存到N台高速投影机对应的图像存储模块中。本实施例采用整体投影二维帧图像分割生成N台高速投影机投影二维帧图像的方式实现了整体三维图像的三维显示，但不应以此限制本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种基于多台高速投影机拼接的360°三维显示装置，其特征在于，包括定向散射屏组、转动装置组、转动检测模块、投影拼接合成模块、图像存储模块和N台高速投影机，其中: 定向散射屏组，由S个定向散射屏组成，用于向观察者提供三维图像，其中S彡1，且为整数； 转动装置组，驱动定向散射屏组定向转动； 转动检测模块，检测所述的定向散射屏组内各定向散射屏的转动角度位置信息与初始转动位置信息，并将探测到的上述信息传送至投影拼接合成模块； 投影拼接合成模块，计算各台高速投影机需要投射的二维帧图像序列，并根据接收到的转动角度位置信息与初始转动位置信息，按照N台高速投影机的投影顺序，将二维帧图像序列分送到各台高速投影机的图像存储模块，并将各台高速投影机的帧频传送给图像存储丰吴块； 图像存储模块，根据接收的投影帧频实时同步地将二维帧图像序列分别传送给各台高速投影机； N台高速投影机，将二维帧图像序列投射到定向散射屏组的特定区域，配合定向散射屏组的转动实现三维图像的显示，其中N彡2，且为整数。
2.根据权利要求1所述的基于多台高速投影机拼接的360°三维显示装置，其特征在于，N台高速投影机在定向散射屏组的投影区域间要紧密拼合，在定向散射屏组上形成没有缝隙及交叠区域的投影空间。
3.根据权利要求1所述的基于多台高速投影机拼接的360°三维显示装置，其特征在于，所述的定向散射屏组中定向散射屏由光栅方向互相平行的反射式锯齿形光栅和柱面光栅交叠拼接而成。
4.根据权利要求1所述的基于多台高速投影机拼接的360°三维显示装置，其特征在于，所述的N台高速投影机采用对称阵列式排布方式或者为围绕转轴中心分布的环状阵列式排布方式。
5.根据权利要求4所述的基于多台高速投影机拼接的360°三维显示装置，其特征在于，所述的N台高速投影机具有相同的规格的投影芯片与投影光学系统，并距离定向散射屏组中定向散射屏幕垂直高度相同，且在定向散射屏组中定向散射屏幕上的投影区域面积相同。
6.根据权利要求5所述的基于多台高速投影机拼接的360°三维显示装置，其特征在于，所述的N台高速投影机位于定向散射屏组一侧。
7.根据权利要求6所述的基于多台高速投影机拼接的360°三维显示装置，其特征在于，所述的定向散射屏组由反射式偏折型全息微结构散射屏组成。
8.根据权利要求1-7任一权项所述的基于多台高速投影机拼接的360°三维显示装置，其特征在于，所述投影拼接合成模块计算各台高速投影机需要投射的二维帧图像序列时，首先对计算得到的整体投影画面根据各台高速投影机的投影区域分布进行分割，然后对应得到各台高速投影机相应的实时投射画面，最后得到各台高速投影机需要投射的二维帧图像序列。
9.根据权利要求8所述的基于多台高速投影机拼接的360°三维显示装置，其特征在于，所述各台高速投影机的投影中心线与所对应的投影区域中心的垂轴同轴。
10.一种基于多台高速投影机拼接的360°三维显示方法，其特征在于，包括: (1)利用转动装置组驱动定向散射屏组定向转动； (2)利用转动检测模块检测所述的定向散射屏组内各组定向散射屏的转动角度位置信息与初始转动位置信息，并将探测到的信息传送至投影拼接合成模块； (3)利用投影拼接合成模块计算得到各台高速投影机需要投射的二维帧图像序列，并根据接收到的转动角度位置信息与初始转动位置信息，将二维帧图像序列分送到各台高速投影机的图像存储模块，并将各台高速投影机的帧频传送给图像存储模块； (4)利用图像存储模块根据接收的帧频信息实时同步地将二维帧图像序列分别传送给各台高速投影机； (5)N台高速投影机，将二维帧图像序列投射到定向散射屏组的特定区域，配合定向散射屏组的转动实现三维图像的显示，其中N ^ 2，且为整数。
【文档编号】G03B21/60GK104298065SQ201410447253
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年9月4日 优先权日:2014年5月7日
【发明者】李海峰, 郭添翼, 苏忱, 刘旭, 徐良, 钟擎, 夏新星, 匡翠方 申请人:浙江大学