适用于裸眼显示系统的投影阵列和投影显示方法
【专利摘要】适用于裸眼显示系统的投影阵列和投影显示方法。一种适用于多视显示系统的投影阵列系统，包括特定数目的投影单元以阵列的方式集成在显示屏下方紧凑的空间中，所述投影单元横向等间隔排列，同时借助平面镜将投影阵列两端和中间投影单元分别进行一次或多次光路镜像翻折，最终将所有投影单元以紧凑的方式集成排列在显示屏幕的下方，以及所述投影角扩展模块，包括与投影单元出光镜头连接的广角镜头形式的投影角扩展镜头。以及一种适用于多视显示系统的投影显示方法。本发明保证三维图像横向分辨率不随视点数的增加而降低，并通过优化投影阵列布局和合理逆向利用广角镜头，有效压缩整个投影阵列所占空间，改善了投影阵列的长宽比，满足市场对紧凑投影系统的迫切需求。
【专利说明】适用于裸眼显示系统的投影阵列和投影显示方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及真三维显示领域，更具体地，涉及一种适用于裸眼显示系统的投影阵 列和投影显示方法。
【背景技术】
[0002] 真三维显示技术可以同时为观众提供被渲染物体多个侧面的图像，以使观众在被 渲染物体对应的位置看到其对应的侧面，从而产生立体真视的三维（3D)感知。裸眼多视真 三维显示技术作为真三维显示技术的一个重要分支，近年来已被相关领域内的国内外研究 人员作为实现三维电视的重点技术进行重点研究。裸眼多视真三维显示系统是一种使观察 者在不佩戴任何辅助视觉设备的自然观测条件下，感知系统通过多视图像序列提供的双目 视差和水平移动视差，从而产生观察到真实三维物体感觉的系统。相比于佩戴眼镜感受三 维显示效果的三维成像技术，裸眼多视真三维显示技术即保留了裸眼、视差等符合人自然 观察物体习惯的三维感知特征提示（Cue)，又简化了系统内显示部件中机械部件和显示屏 幕的设计，还增加了显示复杂纹理和大尺度真彩色三维内容的技术可能性，使显示系统更 接近目前商用的平面显示器。
[0003] 裸眼多视真三维显示技术的图像生成部分目前主要由前置光栅板的液晶显示器 (IXD)或投影仪阵列组成。图像生成部分提供被渲染物体在水平方向上的多个视点图像， 使观察者在水平移动过程中看到物体的不同侧面，产生水平视差（horizontal parallax, HP);如果视点之间间隔较小，则观察者在静止状态下双眼能观察到不同视点的图像，继而 产生双目视差（binocular parallax，BP)。
[0004] 在由前置光栅板的IXD提供图像的情况下，一种典型的裸眼多视真三维系统工作 原理如图la所示：其中把前方附着光栅板的LCD屏幕101立起来从上往下俯视看，可以得 至IJ LCD面板102的俯视图及其前面紧贴的光栅板103的俯视图，光栅板103由许多横向排 列的单个柱面光栅单元104组成，每英寸包含的单个柱面光栅单元104的个数为光栅板的 线数（lens per inch, LPI)。当IXD面板102显示的某一巾贞图像时，前置光栅板的每个柱面 光栅单元104覆盖IXD面板102上的一个细条形的单元（图la中假设共覆盖了 A到I共 九个细条单元）。图la中光栅板103将IXD面板102显示的图像投向3个视点方向，即图 la上的105、106、107，而光栅板103的光学特性在改变光路的同时会将每个像素的横向宽 度放大至原来的三倍，即104、105、106三个视点分别观察到的图像虽然内容仅为原来图像 的三分之一（104观察到A、D、G，105观察到B、E、H，106观察到C、F、I)，但面积和原来LCD 面板102显示的图像一致（A到I这9个细条单元的宽度都被沿水平方向放大至原来宽度 的三倍）。由此，只要合理安排A到I的显示内容，即可使观察者在三个视点分别看到被渲 染物体不同的侧面，形成三维观感。目前这种方法已经被一些电视机生产厂商广泛运用到 裸眼三维电视产品中。但是这种显示方法的固有缺陷是通过降低显示内容的实际分辨率得 到多个视点的图像（图la中提供3个视点的同时，每个视点的实际分辨率都下降为原来的 三分之一）。现有LCD屏幕的横向分辨率有限的情况下无法生成十个以上的多视点图像，无 法实现视点间的平滑过度。
[0005] 针对前置光栅板的液晶显示器（IXD)的这个缺陷，采用投影阵列提供多视点图像 的方案应运而生，某种典型的裸眼多视真三维系统工作原理如图lb所示：图中作为屏幕的 各向异性全息膜108表面具有特殊的微结构，使得不同方向投影过来的光线透过全息膜后 会各自沿着不同的方向传播。基于各向异性全息膜108的此种特性，lb图中假设有三个投 影仪分别朝着不同方向投影三幅图像109、110、111，三幅图像分别由八1、81、(：1^2、82、〇2， A3、B3、C3三条图像带组成，经过各向异性全息膜112重组为Al、A2、A3，B1、B2、B3，Cl、C2、 C3,分别投影到104、105、106三个视点，此时每个视点图像所包含的信息量和投影前一致， 不存在使用前置光栅板LCD分视点时带来的实际分辨率下降问题。但是投影阵列一般采用 较多投影仪进行横向排列来提供被渲染物体更多的水平视点图像，以通过更明显的双目视 差和水平移动视差营造更真实的三维视觉效果，这样投影阵列通常会占据比较大的空间， 不利于样机的集成研发，这也成为该技术成果转化的一项技术难题。
[0006] 从真三维显示用户体验出发，提供更多视点及视点间的平滑过渡都是重要的衡量 标准，同时目前真三维产业提出的自由视点电视（Free-View TV，FTV)也强调了这些因素。 因此，投影阵列显示目前成为整个真三维显示技术的核心，随着真三维显示技术的快速发 展和真三维显示技术理论成果转化的市场化要求，迫切需要一种适用于裸眼多视真三维显 示系统且易于集成的紧凑型投影阵列系统。
【发明内容】
[0007] 为了解决上述适用于裸眼多视真三维显示系统的投影阵列存在的缺陷，本发明针 对性地开发出一种易于集成装配的投影阵列系统，其通过空间折叠光路设计，可以以较小 空间方便地集成在裸眼多视真三维显示系统内；同时在系统内部设置摄像头，同样通过折 叠的拍摄路径获取每个投影仪投影出的大致重合在显示屏幕上的四边形区域，运用快速投 影阵列校正算法一一校正为全部准确重合在显示屏幕上的规则矩形，以解决前述裸眼多视 真三维显示系统中使用投影阵列带来的几个主要问题。
[0008] 作为本发明的一个方面，本发明提供了一种适用于裸眼显示系统的投影阵列，包 括多个投影单元以阵列的方式集成在显示屏下方紧凑的空间中。
[0009] 其中，所述投影阵列还包括：
[0010] 投影角扩展模块，用于对投影仪投影视场角进行扩展，使光程不变的情况下投影 图像更大。
[0011] 其中，所述投影角扩展模块包括与投影单元出光镜头连接的、广角镜头形式的投 影角扩展镜头。
[0012] 其中，所述投影角扩展模块通过卡槽与所述投影单元出光镜头连接，所述卡槽包 括定位块、投影仪端接口和投影角扩展镜头端接口，以及所述投影仪端接口所在平面与所 述投影角扩展镜头端接口所在平面成一非零角度。
[0013] 其中，所述投影单元横向等间隔排列，同时借助平面镜将投影阵列两端和中间投 影单元分别进行一次或多次光路镜像翻折，最终将所有投影单元以紧凑的方式集成排列在 显示屏幕的下方。
[0014] 优选地，所述裸眼显示系统为裸眼多视真三维显示系统。
[0015] 作为本发明的另一个方面，本发明还提供了一种适用于裸眼多视真三维显示系统 的投影显示方法，包括：
[0016] 将多个投影单元以阵列的方式集成在显示屏下方紧凑的空间中，其中处于阵列中 不同位置的投影仪投影出的图像分别通过安放在不同位置的平面镜，经过不同次数的镜面 反射，最终通过投影角扩展模块投影到同一块显示平面上；
[0017] 其中，所述投影角扩展模块包括与投影单元出光镜头连接的、广角镜头形式的投 影角扩展镜头。
[0018] 作为本发明的再一个方面，本发明还提供了一种投影角扩展模块，包括与投影单 元出光镜头连接的、广角镜头形式的投影角扩展镜头。
[0019] 其中，所述投影角扩展模块通过卡槽与所述投影单元出光镜头连接，所述卡槽由 投影仪端接口、投影角扩展镜头端接口以及定位块组成，以及
[0020] 所述投影仪端接口所在平面与所述投影角扩展镜头端接口所在平面成一非零角 度。
[0021] 作为本发明的还一个方面，本发明还提供了一种投影角扩展模块用卡槽，包括定 位块、投影仪端接口和投影角扩展镜头端接口，其中定位块、投影仪端接口因投影仪型号相 异而各有不同，投影角扩展镜头端接口因投影角扩展镜头的型号相异而不同，以及
[0022] 所述投影仪端接口所在平面与所述投影角扩展镜头端接口所在平面成一非零角 度。
[0023] 基于上述技术方案，本发明的投影阵列具有以下有益效果：相比于基于前置光栅 板LCD裸眼三维显示技术，本发明采用投影阵列提供多视点图像，保证三维图像横向分辨 率不随视点数的增加而降低；并通过优化投影阵列布局和合理逆向利用广角镜头，可以有 效压缩整个投影阵列所占空间，克服传统的基于投影阵列裸眼三维显示系统中投影阵列体 积庞大、不易集成等缺点，满足市场对紧凑投影系统的迫切需求。整个投影阵列设计合理的 利用空间，改善了投影阵列的长宽比，使其能以紧凑的方式被合理地集成在整个裸眼多视 真三维显示系统中。
【专利附图】
【附图说明】
[0024] 图la为由前置光栅板液晶显示器生成图像的一种典型裸眼三维显示的原理示意 图；
[0025] 图lb为由投影阵列提供图像的一种典型裸眼三维显示的原理示意图；
[0026] 图2a为投影仪光路扩展示意图；
[0027] 图2b为投影角扩展镜头扩展光路示意图；
[0028] 图2c为连接投影仪和投影角扩展镜头的卡槽结构示意图；
[0029] 图2d为安装卡槽后投影仪光路侧视图；
[0030] 图3a为初始投影阵列示意图；
[0031] 图3b为投影阵列一次重排示意图；
[0032] 图3c为投影阵列依据镜面反射定理被平面镜一次等效翻折俯视示意图；
[0033] 图3d为投影阵列依据镜面反射定理被平面镜二次等效翻折侧视示意图。
【具体实施方式】
[0034] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照 附图，对本发明作进一步的详细说明。
[0035] 本发明的投影阵列的基本工作原理如下：
[0036] 1、投影角度扩展设计：投影仪光路一般在出厂时就被固定，在离投影仪镜头固定 位置的投影成像面积一定，若此时投影面积不满足成像屏幕尺寸，需要扩大面积，则只能通 过增加距离实现，则实际投影阵列中的每个投影仪都要被放置在更远的位置，增大了整个 投影阵列的空间。通过将用于扩展相机拍摄角度的广角镜头置于投影仪镜头前，起到了扩 展投影角度的作用，使得投影仪在保持距离的情况下将图像投影面积扩大。并设计了专用 的固定卡槽将投影仪出光镜头和投影角扩展镜头连接固定。图2a展示了投影角扩展前后 的情况，其中成像区域ACDB对应投影仪201通过没有附加任何投影角扩展装置的出光镜头 202投影出的图像区域；而投影扩展镜头203 (其工作原理如图2b所示）通过固定卡槽204 和出光镜头202连接后，在投影距离不变的情况下成像区域增加至EGHF，由此实现了成像 角度在水平和垂直方向的扩展（图2a左半部分仅表示出了其在垂直方向的扩展情况，水平 方向的扩展与之类似）。
[0037] 2、投影光路折叠设计：为了提供更多的水平视差图像，投影阵列中的投影单元需 要横向排列，每个投影仪镜头之间会有均匀的水平间隔，再加上投影单元自身的横向体积， 整个投影阵列在采用投影角扩展的情况下仍然会有比较大的横向展开幅度。如图3a所示， 当投影单元较多时整个投影阵列横向距离也会很长。为此本发明采用图3b中所示的光路 分段折叠的方法，将投影阵列靠近左右两边的部分302和303 (虚线标出）先平移到304和 305 (虚线标出）的位直，再依据镜面反射原理通过内直的两面平面镜306和307镜像翻折 到308和309处，而不改变光路的发射方向，图3c展示了这一过程；之后再如图3d所示将 所有投影单元连同两面反射镜306、307组成的整体310通过一面镜子311二次镜像翻折到 312处（显示屏313下方），使整个投影阵列很容易地被集成在显示屏下方有限空间内。
[0038] 下面对本发明的实施例做详细说明，给出了详细的实施方式和具体的算法流程， 但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0039] 1、投影角度扩展设计：投影仪光路一般在出厂时就被固定，在离投影仪镜头固定 位置时的投影图像面积一定，以图2a左半部分投影角被垂直扩展的情况为例，左边部分为 投影仪201在不扩展投影角度的情况下，在距离其出光镜头202中心0距离为L处成像，其 中AB为投影区域所在平面的侧视图，三角形Α0Β为此时投影仪投影出的光路的侧视图；其 投影区域正视图在右半部分用矩形ACDB表示。一般投影仪都会让其光路略偏上，则此时可 以过0向投影平面做垂线00' (0CV的长度为L)，可以求出侧视图中投影角为：
[0040]
【权利要求】
1. 一种适用于裸眼显示系统的投影阵列，包括多个投影单元以阵列的方式集成在显示 屏下方紧凑的空间中。
2. 根据权利要求1所述的适用于裸眼显示系统的投影阵列，其中所述投影阵列还包 括： 投影角扩展模块，用于对投影仪投影视场角进行扩展，使光程不变的情况下投影图像 更大。
3. 根据权利要求2所述的适用于裸眼显示系统的投影阵列，其中所述投影角扩展模块 包括与投影单元出光镜头连接的、广角镜头形式的投影角扩展镜头。
4. 根据权利要求2所述的适用于裸眼显示系统的投影阵列，其中所述投影角扩展模块 通过卡槽与所述投影单元出光镜头连接，所述卡槽包括定位块、投影仪端接口和投影角扩 展镜头端接口，以及所述投影仪端接口所在平面与所述投影角扩展镜头端接口所在平面成 一非零角度。
5. 根据权利要求1所述的适用于裸眼显示系统的投影阵列，其中所述投影单元横向等 间隔排列，同时借助平面镜将投影阵列两端和中间投影单元分别进行一次或多次光路镜像 翻折，最终将所有投影单元以紧凑的方式集成排列在显示屏幕的下方。
6. 根据权利要求1所述的适用于裸眼显示系统的投影阵列，所述裸眼显示系统为裸眼 多视真三维显示系统。
7. -种适用于裸眼多视真三维显示系统的投影显示方法，包括： 将多个投影单元以阵列的方式集成在显示屏下方紧凑的空间中，其中处于阵列中不 同位置的投影仪投影出的图像分别通过安放在不同位置的平面镜，经过不同次数的镜面反 射，最终通过投影角扩展模块投影到同一块显示平面上； 其中，所述投影角扩展模块包括与投影单元出光镜头连接的、广角镜头形式的投影角 扩展镜头。
8. -种投影角扩展模块，包括与投影单元出光镜头连接的、广角镜头形式的投影角扩 展镜头。
9. 根据权利要求8所述的投影角扩展模块，其中所述投影角扩展模块通过卡槽与所述 投影单元出光镜头连接，所述卡槽由投影仪端接口、投影角扩展镜头端接口以及定位块组 成，以及 所述投影仪端接口所在平面与所述投影角扩展镜头端接口所在平面成一非零角度。
10. -种投影角扩展模块用卡槽，包括定位块、投影仪端接口和投影角扩展镜头端接 口，其中定位块、投影仪端接口因投影仪型号相异而各有不同，投影角扩展镜头端接口因投 影角扩展镜头的型号相异而不同，以及 所述投影仪端接口所在平面与所述投影角扩展镜头端接口所在平面成一非零角度。
【文档编号】H04N13/04GK104122745SQ201410401258
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2014年8月15日 优先权日:2014年8月15日
【发明者】张赵行, 耿征, 李托拓, 曹煊, 张骁 申请人:中国科学院自动化研究所