专利名称：基于多投影机旋转屏三维影像可触摸的真三维显示方法
技术领域：
本发明涉及一种真三维显示技术，特别的，涉及一种基于旋转屏可触摸的真三维显示方法以及系统，属于三维图像显示技术领域。
背景技术：
三维显示能够提供直观、自然的交流模式，有助于人们在综合运用各种深度暗示之后，获得真实、丰富、可靠的感知体验，是显示技术的必然发展趋势。借助于眼镜或者斜光栅的体视三维显示只能提供有限的体视对，显示效果有限，且人眼在观察时，会聚和调节不能匹配，长期观看对眼睛有害。全息动态显示需海量的数据传输和存储，目前的技术水平尚不足以实现。体三维显示技术因其能够满足“直接可视、全角度可视及群视”等一系列要求，而成为目前在技术实现和显示效果两方面均较有优势的技术。
现有的体三维显示方案，主要为体积静止型和体积扫掠型两大类型。
体积静止型的体显示是通过适当的方式来激励或寻址静止体积内的显示介质，并以高于人眼闪烁融合频率的速度进行刷新，以便在每一个指定的空间位置产生体像素，由此构成真实地加载于三维实空间内的体图像。这类体显示根据显示介质不同，又可以分为以下三种类型。1)基于光活性介质的体积静止型显示，这种显示通常基于双频两步激励过程，要求光活性介质具有三个递增能级，能展示出两个不同波长的双光子吸收，在交汇处串行地发出基态-中间态，中间态-激发态的转换。这样，从激发态返回基态时的衰减将伴随着可见光子的发射。缺点是缺乏合适激励源和具有充分光转化效率的显示介质；2)基于无源矩阵的体积静止型显示，利用多层液晶来构成显示体积，将原始三维图像分解成多个二维截面图像，然后分别用多个液晶层来表述对应的二维图像信息。由于液晶的相应时间过长，显示装置极其复杂，可操作性不高；3)基于有源矩阵的体积静止型显示，这种方案利用发光元件在物理空间中构成均匀的、各向同性的三维阵列，每个元件对应于一个自发光的物理体积元，可被选择性地寻址而形成体像素。缺点是三维阵列的大小与图像空间的范围直接相关，元件本身尺寸和间隔决定了所显示图像的细腻程度，电气连接复杂，体像素密度难以满足应用要求。
体积扫掠型的体显示是根据屏幕的形状、运动方式和位置，将三维物体切片解析成二维图像，当屏幕运动时，在指定位置将解析的图像显示在屏幕上，利用人眼视觉暂留重构出三维图像。目前已经公开报道的有如下四种1)基于平面屏直线往复运动的真三维显示系统，通过投影屏幕的直线运动来重构出三维图像；2)基于二维LED屏旋转的真三维显示系统；3)基于旋转平面屏加高帧频DLP投影机的真三维显示系统；4)基于螺旋屏加高帧频DLP投影机的真三维显示系统；5)基于多投影机旋转屏的真三维显示系统。
基于平面屏直线运动的真三维显示装置由于很难制造出达到大的实用尺度的高频机械驱动系统，系统运作机理限制了目标屏的移动幅度，导致这种基于平面屏直线往复移动的真三维显示方案无法推广。
基于二维LED屏旋转的体三维显示装置存在以下几个缺点1)图像产生装置在旋转屏上，给数据传输带来了困难；2)LED发光管芯的尺寸比较大，屏幕显示的分辨率不可能很高，适于大尺寸显示；3)图像灰阶少，色彩不丰富；4)转动惯量大。
基于旋转平面屏加高帧频DLP投影机的真三维显示装置在目前的真三维显示装置中显示效果是最好的，但同时它也存在如下几个缺点1)即使采用了代表当代科技发展水平的软、硬件设施，也仅能实现体分辨率Φ768×198，体刷新率30Hz，8种颜色，全屏幕显示时图像颜色不丰富；2)需对图像进行旋转和校正处理，运算量庞大；3)部分投影光学系统随屏幕旋转，机械噪声大；4)受DMD帧频的限制，提高角分辨率的空间不大。
基于螺旋屏加高帧频DLP投影机的真三维显示系统除了由于使用单个高帧频DLP投影机具有基于旋转平面屏加高帧频DLP投影机的真三维显示装置的第1)和第4)条问题外，还具有由于使用螺旋屏而引起的三个缺点1)三维图像具有中空现象；2)三维图像切片算法复杂；3)用单投影机景深范围小。
基于多投影机旋转屏的真三维显示系统，如本申请人已申请的专利，申请号200710107887.4，采用多投影机多角度投影方式，通过屏幕旋转，由投影机投射的一系列对应角度的截面图像在三维空间中构建出物体的三维图像。该系统相比上述四种真三维显示系统，具有下述优点1)突破了分辨率、灰阶和帧频的相互制约瓶颈；2)投影机可用价格低廉的LCD或LCOS做光学引擎；3)采用频闪照明，对投影机的响应时间要求降低；4)采用数据并行传输技术，使刷新率和分辨率有很大的提升空间。
上述的真三维显示系统都是基于运动屏幕，真三维显示器为减小空气阻力和保护人身安全一般要加一透明罩，使得观察者无法近距离观察和触摸真三维立体影像，也就无法实现观察者与影像之间的近距互动。旋转屏幕一般为漫散射屏，每个体像元可以向一个球空间发光，但同时屏幕也将所有照射到屏幕上的光线反射到观察者的眼中，从而降低了影像的对比度。
发明内容
本发明提出一种能近距观察并能触摸的高对比度真三维显示方法，通过光学成像装置将真三维影像悬浮于空间，并与观察者之间没有任何障碍，手可直接触摸到立体影像。光学成像装置将大部分外界光线遮挡，减少了进入显示系统内的杂光，有效地提高了立体影像的对比度。
将被显示的三维物体使用圆柱坐标系进行三维立体空间描述，解析成一系列沿直径方向呈不同角度的截面图像；使用沿圆周布置的多个投影机将截面图像投射到屏幕，当屏幕转动到垂直投影机的光轴位置时，投影机将一个对应角度的图像投射到屏幕上，屏幕由电机带动绕轴旋转，投影机随屏幕旋转依次投影，在三维空间扫掠形成立体影像。该立体影像经由设置在屏幕周围的反射镜反射后，二次成像于空间指定位置，由人眼视觉暂留效应，即可见悬浮于所述空间指定位置的三维物体的立体影像。其中反射镜除具有光学成像作用外，同时也是一个防护罩，既可保护人身安全，又可隔离空气减小空气阻力。外界杂光必须经反射镜的中心孔才能照射到屏幕上，由于中心孔的面积较小，可以遮挡大部分杂光进入，相对于半球式透明防护罩立体影像的对比度有较大提高。
为了解决上述方法对投影照明的需要，本发明还提出了一种用于所述真三维显示方法中投影机的对径交替照明光学系统。这种照明系统用于对投影机的照明，与屏幕同轴，包括了光源、第一透镜组、第二透镜组和球面反射镜，其中第一和第二透镜组关于光源对称，固定在转轴上，绕转轴随屏幕同步旋转；球面反射镜和第一、第二透镜组共光轴，并与传光束的入射端面关于光源对称；传光束与球面反射镜沿圆周交替布置，传光束的轴线与球面反射镜的光轴重合并过圆心，光源在圆心上，机械转轴也在圆心上。在某一角度第一透镜组将光源成像在传光束上，第二透镜组将光源成像在球面反射镜上，球面反射镜将光线沿原路反射，再经第二透镜组、光源、第一透镜组二次成像在传光束上，将光源反向辐射的光能量也投射到传光束中，从而提高可光照效率。当照明透镜组转到另一个角度时，第二透镜组将光源直接成像到传光束中，第一透镜组将光源成像到球面反射镜上，再经其反射将光源二次成像在传光束上。当透镜组连续转动时，对径交替照明。将传光束与球面镜紧密排列，减小无效区的面积，尽可能多的利用透镜组的投射光能量，用一个光源可实现对径交替照明。优选的，多个投影机可以共用这一照明系统以节省空间。
图1基于多投影机旋转屏的真三维显示系统示意图(反射镜未示出)； 图2本发明的可触摸真三维显示系统中反射镜与屏幕相互位置关系示意图； 图3本发明所述对径交替照明光学系统示意图； 图4本发明实施例所述的使用本发明真三维显示方法的产品展示装置中投影机位置图； 图5本发明实施例所述可采用的离轴悬浮立体成像光路示意图； 图6本发明实施例所述可采用的周视同轴悬浮立体成像光路； 图7本发明实施例所述可采用的单侧同轴悬浮立体成像光路； 图中，1-旋转屏幕、2-投影机、3-齿形带、4-电机、5-传光束、6-第一透镜组、7-光源、8-第二透镜组、9-球面反射镜、10-中心孔、11-立体影像、12-第一反射镜、13-第二反射镜、14-反射镜、15-对称轴、16-半反半透镜。
具体实施例 下面结合附图对本发明所述方法在产品展示中的应用做进一步的描述。
利用本发明所述方法结合本发明所述照明装置构建的产品展示平台，可直观的展示手机、汽车等产品，利用三维制作软件，例如3DMAX之类的CAD软件对产品进行三维建模，获得在柱坐标系内将三维模型分解成的一系列多角度的二维图像；如图1所示，使用多个投影机多角度将对应角度的二维图像同步投影在屏幕上，从而重构出与真实物体相似的三维图像。旋转屏是单向漫反射屏或者双向散射屏，由电机带动旋转。光源发出的光经过如图3所示的对径交替照明光学系统由传光束投射到对应角度的投影机(投影机中预先写入图像，处于等待状态)，投影机在圆周方向布置，如图4所示，其中0°-180°为奇数角的投影机，180°-360°为偶数角的投影机，投影机所投影的是对应角度三维物体的截面图像。当屏幕转动时，奇偶投影机在对径上交替投影，屏幕转动180°，所有投影机均投影一次，完成一个三维图像刷新周期，重构出一个完整的360°观察范围的真三维图像。
上述真三维图像经由设置在屏幕周围的反射镜反射后，二次成像于空间指定位置。优选的，设置在屏幕周围的反射镜可以采用如图2所示的同轴悬浮立体成像光路。第一反射镜与第二反射镜呈半球状分布，分别位于屏幕的上方和下方。第一反射镜在屏幕的正上方布置有中心孔，一般观察者所处的位置只能经由中心孔看到经过第二反射镜反射的影像。该光路将扫掠形成的立体影像经第一反射镜成像，所成像再由第二反射镜穿过第一反射镜的中心孔后二次成像于空间指定位置，由人眼视觉暂留效应，即可见悬浮于所述空间指定位置的三维物体的立体影像。由于第一反射镜的遮挡，直接被第二反射镜接收的立体影像和直接通过中心孔出射的立体影像只能在中心孔很小的角度范围内看到，一般观察者所处位置处只能看到二次成像于空间指定位置处的图像，避免了同时看到多个影像。第一反射镜除具有光学成像作用外，同时也是一个防护罩，可以遮挡大部分杂光进入，提高影像的对比度。
除了采用图2所示同轴悬浮立体成像光路，还可以采用以下几种成像光路。
1.离轴悬浮立体成像光路 如图5所示，反射镜将偏离对称轴的旋转屏幕生成的三维立体影像成像在另一侧。
2.周视同轴悬浮立体成像光路 如图6所示，旋转屏幕生成的三维立体影像经半反半透平面镜成一虚像，再经球面反射镜成一实像，旋转屏幕上的三维立体像与悬浮立体像在同一对称轴上，并可绕对称轴360°范围观察。
3.单侧同轴悬浮立体成像光路 如图7所示，旋转屏幕上的三维立体像先经半反半透平面镜成一虚像，再经球面反射镜成一实像，旋转屏幕上的三维立体像与悬浮立体像在同一对称轴上。
产品展示系统中的图像处理装置采用PC机，由PC机完成三维建模，再在柱坐标系内将三维模型分解成一系列多角度的二维图像，然后将图像传输给投影机进行三维显示。由于产品展示不需要实时，故可以采用先将PC机中处理好的一系列图像数据传输给各个投影机的缓存后再进行显示，显示时可以通过PC机实时向各个投影机的数据处理单元传送一些信息，例如需要叠加的一些字符或者简单的图像信息等，由数据处理单元完成字符图像的叠加等。若需要实时显示三维图像，由于真三维实时显示对图像数据传输率有非常高的要求，单台PC机不可能满足数据传输的需要，应开发PCI-E接口的计算机板卡，在提高单台PC机的数据传输率的基础上，使用多台PC机并行数据传输。为了保证多台PC机在传输数据时基本同步，设置其中一台作为主控机，通过PCI-E的板卡完成对所有PC机的同步控制。
本领域技术人员可以理解，本发明所述方法不限于上述实施例的表述，如获得被显示物二维截面图像还可以采用CT扫描后进行三维重构；投影机的位置可以根据被显示物的外形而确定，不限于圆周布置方式；屏幕可以为矩形、扇形等平面图形形状，或螺旋曲面等曲面图形形状；在不背离本发明的原理和范围情况下，根据设计需要和其他因素而可能发生的改进、结合、部分结合以及修正，均在本发明的权利要求或其等同内容的保护范围内。
权利要求
1.一种基于多投影机旋转屏三维影像可触摸的真三维显示方法，包括以下步骤
(1)将被显示的三维物体使用圆柱坐标系进行三维立体空间描述，解析成一系列沿直径方向不同角度的截面图像；
(2)使用沿圆周布置的多台投影机随屏幕旋转依次投影，将截面图像投射到屏幕形成立体影像；
(3)将上述立体影像经由设置在屏幕周围的反射镜，二次成像于空间指定位置，实现可触摸。
2.如权利要求1所述的真三维显示方法，其特征在于所述截面图像采用三维建模获得。
3.如权利要求1所述的真三维显示方法，其特征在于所述屏幕是单向漫反射屏或者双向散射屏，由电机带动绕轴旋转。
4.如权利要求1所述的真三维显示方法，其特征在于所述反射镜与屏幕的相对位置包括同轴悬浮立体成像光路形式、离轴悬浮立体成像光路形式、周视同轴悬浮立体成像光路形式、单侧同轴悬浮立体成像光路形式。
5.如权利要求4所述的真三维显示方法，其特征在于所述同轴悬浮立体成像光路形式包括两组半球状反光镜，分别位于旋转屏幕的上方和下方，在屏幕正上方布置有中心孔，观察者所处的位置只能经由中心孔看到经过下方反射镜反射的影像。
6.如权利要求4所述的真三维显示方法，其特征在于所述离轴悬浮立体成像光路形式通过球面反射镜将偏离对称轴的旋转屏幕生成的三维立体影像成像在另一侧。
7、如权利要求4所述的真三维显示方法，其特征在于所述周视同轴悬浮立体成像光路形式包括位于屏幕上方的半反半透平面镜和屏幕下方的球面反射镜，旋转屏幕生成的三维立体影像经半反半透平面镜成一虚像，再经球面反射镜成一实像，旋转屏幕上的三维立体像与悬浮立体像在同一对称轴上，并可绕对称轴360°范围观察。
8、如权利要求4所述的真三维显示方法，其特征在于所述单侧同轴悬浮立体成像光路形式包括放置在屏幕上方的半反半透平面镜和球面镜，旋转屏幕上的三维立体像先经半反半透平面镜成一虚像，再经球面反射镜成一实像，旋转屏幕上的三维立体像与悬浮立体像在同一对称轴上。
9、一种用于基于多投影机旋转屏三维影像可触摸的真三维显示方法的对径交替照明系统，其特征在于照明系统与屏幕同轴，包括光源、第一透镜组、第二透镜组和球面反射镜，其中第一和第二透镜组关于光源对称，固定在转轴上，绕转轴随屏幕同步旋转；球面反射镜和第一、第二透镜组共光轴，并与传光束的入射端面关于光源对称；传光束与球面反射镜沿圆周交替布置，传光束的轴线与球面反射镜的光轴重合并过圆心，光源在圆心上，机械转轴也在圆心上；当第一和第二透镜组连续转动时，第一透镜组将光源成像在传光束上，第二透镜组将光源成像在球面反射镜上，球面反射镜将光线沿原路反射，再经第二透镜组、光源、第一透镜组二次成像在传光束上，将光源反向辐射的光能量也投射到传光束中，实现对径交替照明。
全文摘要
本发明提供一种基于多投影机旋转屏三维影像可触摸的真三维显示方法，包括以下步骤(1)将被显示的三维物体使用圆柱坐标系进行三维立体空间描述，解析成一系列沿直径方向不同角度的截面图像；(2)使用沿圆周布置的多台投影机随屏幕旋转依次投影，将截面图像投射到屏幕形成立体影像；(3)将上述立体影像经由设置在屏幕周围的反射镜，二次成像于空间指定位置，实现可触摸。使用本发明的方法，手可直接触摸到立体影像，同时有效地提高了立体影像的对比度。本发明还提出了一种用于所述方法中投影机的对径交替照明光学系统，用一个光源可实现对径交替照明。
文档编号G03B35/18GK101290467SQ20081011445
公开日2008年10月22日 申请日期2008年6月5日 优先权日2008年6月5日
发明者朱秋东, 王涌天, 涛 黄 申请人:北京理工大学