专利名称：裸眼宽视域多投影机无扫描3d显示装置及方法
技术领域：
本发明属于三维显示领域，涉及一种视差型3D显示技术，更具体的，涉及一种裸眼宽视域多投影机无扫描3D显示技术。
背景技术：
3D显示技术在医疗、军事、交通、娱乐和媒体展示等领域有着广阔的应用前景，基于视差原理的裸眼3D显示技术具有观察方便、自然等特点，是未来3D显示技术的发展方向。目前裸眼3D显示技术可分为平面屏无扫描3D显示技术和扫描型周视3D显示技术。平面屏无扫描3D显示技术，无扫描机构使3D显示装置结构简单、可靠、成本较低，由于所产生的视差图数量较少和平面屏自身的形状所限，观察的范围有限，水平观察视域在几十度以内。扫描型周视3D显示技术，可提供大量的视差图，可实现360°周视3D观看，但由于有运动结构使得3D显示装置具有一定的振动和噪声，装置结构复杂、可靠性不高；要求所用的投影机帧频极高，投影机所能产生的灰度和色彩极少。
发明内容
针对现有3D显示技术的不足，本发明提出一种新型的多投影机无扫描3D显示方式和设备，既可大视域观看，又无需扫描运动机构，简化了装置结构，提高装置的可靠性，具有无噪声，无振动，成本较低的特点。所显示的3D影像无透视现象，分辨率高，观察视域连续，真彩色，无频闪。根据本发明的一种裸眼宽视域多投影机无扫描3D显示装置，该装置包括透射散射屏，所述透射散射屏为双向散射屏，在水平和竖直方向呈现不同的散射角；至少两台投影机，沿双向散射屏周围摆放，各投影机分别投射被显示物的各图像到所述散射屏上，所述各图像为被显示物在相应视角所呈现的图像，所述图像呈竖条状；所述各图像经所述透射散射屏散射并透射，以相互紧密接合不重叠的形式合成为一幅完整连续的图像被观察者所看到。由于散射屏在垂直方向具有相对大的散射角，在水平方向具有相对小的散射角， 相对小的水平方向的散射角可以满足水平方向上对所投出的图像散射的要求，使相邻的两图像经水平方向散射后恰好相接且不重叠，从而使投影出的图像在水平方向上呈完整连续的状态，无分割。在竖直方向上相对大的散射角可以增大观察范围，使观察者在不同竖直方向位置上均能够看到清晰的图像，并且，为了实现更好的3D显示效果，还可以对投影图像进行垂直视差编码。相应的，本发明也提出一种实现裸眼宽视域多投影机无扫描3D显示的方法，该方法包括获得被显示物在各不同视角的图像，所述图像呈竖条状；使用多个投影机分别投射出上述各视角下的被显示物图像到透射散射屏上，所述散射屏为双向散射屏，在水平和竖直方向呈现不同的散射角；透射散射屏对投射到其上的图像进行散射并透射后，被观察者所见。由于所述散射屏在水平方向上散射角相对小，观察者所见为直视各投影机的一竖条图像，来自不同投影机的各竖条状图像相互紧密接合且不重叠，合成一幅完整连续的图像，实现3D显示。
图1为裸眼宽视域多投影机无扫描3D显示装置示意图
图2为图像合成原理图
图3为图像分割视差编码
图4a-4d为散射屏横截面形状及投影机的配合排列方式
图5为散射屏的母线截面形状
图6a为单层双面屏，图6b为单面双层屏
图7为竖直柱镜栅散射特性
图8为横向柱镜栅散射特性
图9为行分割垂直视差产生原理
图10为散射屏上的垂直视差图分布
图Ila为单层场镜与散射屏组合-场镜在散射屏内侧
图lib为单层场镜与散射屏组合-场镜在散射屏外侧
图12为双场镜与散射屏组合
图13为图像水平和垂直视差编码原理
具体实施例下面结合附图对本发明所述方法在具体实施中的应用做进一步的描述。本发明所述的多投影机无扫描3D显示装置如图1所示，在三维坐标轴中，水平面为XY平面，圆柱式投射散射屏的轴心为Z轴，将数个投影机在沿透射散射屏周围排列，投影机的位置并不限于图1所示的散射屏外周上方呈圆周设置，对于如图1所示的散射屏形式， 投影机还可以设置在散射屏的内部或下部，只要满足各投影机投影的图像透过其对应处的散射屏即可。优选的，所述各投影机采用微型投影机，可以减少间距，实现密排，并有效降低成本；各投影机分别投射出被显示物在相应视角所呈现出的图像，所述图像呈竖条状，投射出的图像经透射散射屏散射并透射，被观看者所见，即观察者相对于投射图像的投影机，在散射屏的另一侧。所述透射散射屏具有双向散射特性，所谓双向散射特性，即该屏在水平和竖直方向上均具有散射性，具体的，本发明所述双向透射散射屏，在水平方向有一较小的散射角，以满足所观看3D图像的连续性，垂直方向具有较大的散射角，以提高垂直方向的观察范围。散射屏的截面(即图1坐标轴中所示的xy截面)形状可以呈封闭式，如圆形，或者多边形，如图如和4c所示，当为圆形时对应的散射屏呈图1所示的圆柱式；也可以呈非封闭式，如弧、开口的多边形，所述开口的多边形包含至少2条边，如图4b和4d所示。上述呈闭合式的截面形状的屏幕可进行360度周视观看，非闭合式截面形状屏幕具有弧形视域。相应的，散射屏的母线截面(即图1坐标轴中所示的过Z轴截面)形状可以是类似碗形或者倒梯形、矩形等，如图5所示。使用上述所示的各非平面形状的屏幕，可以有效增加所显示的范围，这是由于非平面散射屏与平面散射屏相比，具有更大的面积，显示更多的图像内容，结合适当数量的投影机，使被显示物的3D显示效果更为细腻，实现对被显示物更
4多视角下的图像的显示。投影机将影像投射到所述具有双向散射特性的屏幕上，由于屏幕水平方向的散射角较小，人眼透过屏幕只能看到各投影机的一竖条图像，来自不同投影机的各条状图像通过散射屏在水平方向发生一定散射后，相互之间紧密接合且不重叠，恰好合成一幅完整连续的图像，如图2所示。左、右眼的图像取自不同位置的投影机所投射的图像，通过对投影图像中条形区域图像进行视差图像编码，如图3所示，可使左、右眼分别看到完整的视差图像，经大脑融合会产生3D图像。进一步，要实现更好的3D影像观看效果，对散射屏幕的散射特性具有一定的要求，散射屏幕的散射微结构为双向柱面透镜光栅，具有单层双面和双层单面两种结构，如图 6所示。以单面双层结构为例，竖直柱镜光栅进行水平方向散射，竖直柱镜宽度P1小于所在位置影像的像元尺寸h，水平散射角γ小于相邻两投影机的光轴夹角α，如图7所示；而横向柱镜光栅进行垂直方向散射，横向柱镜宽度？2大于所在位置影像的像元尺寸h，垂直散射角β大于投影机视场角ω，如图8。其中，h由投影该处图像所对应的投影机的分辨率和投影距离决定，也就是说，根据投影机的分辨率和投影距离来确定柱面透镜光栅的参数。投影机在水平方向上沿屏幕排列，给观察者带来的垂直视差感有限，为增加垂直方向视差，可以对投影机投影的图像进行垂直视差编码，通过在散射屏幕配合单向场镜，将不同垂直视差的图像依次排列在垂直方向的不同区域，如图9所示，以截面形状为示，左侧圆弧状表示以横向柱镜为代表的散射屏幕，右侧为场镜，场镜截面呈齿形微结构，是单向场镜，即其只在垂直方向具有场镜作用，水平方向不改变光线方向，场镜与散射屏的配合可以为单场镜与散射屏组合，此时场镜位于散射屏的内侧或外侧，如图11所示。也可双场镜与散射屏组合，此时在散射屏的内外侧各有一场镜，如图12所示。在图9中，以三种不同的线条表示对应投影机所投影出的图像的不同行，这些行依次分布在图像的垂直方向上，由于散射屏幕呈柱镜光栅的形式，在光栅的作用，经散射屏幕和场镜后，图像的各行在不同高度，如H、M、L三种高度上会聚，即将图像上紧密排列的各行分散开，图像的各行呈现周期性分布，通过垂直编码方法，当观察者观察时，根据观察者在垂直方向上的高度，将看到会聚后的分布在不同垂直视角下的图像。散射屏幕上的垂直视差图分布如图10所示。所述的垂直视差编码方式为，对投影机投影出图像的各行根据不同的垂直视角间隔排列，同一行所表示的垂直视差相同，若使观察者可获得的垂直视差图个数为n，则投影机投影出的图像上，对应的隔n-1行的图像处于同一垂直视差图中以组成完整的一幅视差图。若是一个投影机提供包含η个垂直视差的图像(Α0，Al，Α2，An-I)，图像总行数为VP， χ = VP/n，则投影机上的图像垂直方向按行依次排列为A0-0，Al-0，A2-0. . . An-l-O，A0-1， A1-1,A2-1. . . Αη-1-1,Α0-2,Α1-2,Α2-2. . . An-1-2. · · Α0-χ-1，Α1-χ-1，Α2-χ_1· . . Αη-1-χ-10 即每行为一幅垂直视差图上的一部分，χ为一个投影机上每幅垂直视差图占有的行数，从而垂直视差图的垂直方向分辨率变为了原来的1/η。横向柱镜宽度P2 = nh，随着垂直视差图个数η的增加，3D影像的垂直分辨率下降，η应为一合理的范围，1 < η < 10。举例来说，如图13所示，图13(a)中A、B、C、D分别表示相邻的四个投影机投出的图像，每个被投影出的图像按照行分成6行4列，对于由这四个投影机投出的图像，图13 (b) 中图像V00-V13为观察者在不同水平位置和垂直位置观察时所看到的视差图，这些视差图构成一个与观察位置对应的矩阵，眼睛在不同的位置观察时，可以看到该矩阵中不同位置处的图像，该矩阵提供两垂直视差和四水平视差的显示，根据上述垂直视差编码方法，投影机A上的图像仅为视差图VOO提供一个窄条，且该窄条由隔行出现的图像块A00、A20...构成，投影机A上的其余图像窄条提供给相邻的其他视差图使用，VOO和VlO构成垂直方向上相邻的两幅视差图，VOO和VOl构成水平方向上相邻的两幅视差图。类似的，图13(c)中，同样也给出由多个视差图构成的与观察位置对应的矩阵，该矩阵提供三垂直视差和四水平视差的显示，根据上述垂直视差编码方法，投影机A上的图像仅为视差图V00’提供一个窄条， 且该窄条由隔2行出现的图像块A00、A30...构成，投影机A上的其余图像窄条提供给相邻的其他视差图使用，VOO ’、VlO ’和V20’构成垂直方向的相邻的三幅视差图，V00’、V01’、 V02’和V03’构成水平方向上相邻的四幅视差图。同时，水平方向上也进行了编码，编码方式如图13(a)、(b)图所示。相应的，上述显示装置可实现本发明的裸眼宽视域多投影机无扫描3D显示方法， 该方法包括获得被显示物在各不同视角的图像，所述图像呈竖条状；使用多个投影机分别投射出上述各视角下的被显示物图像到一透射散射屏上，所述散射屏为双向散射屏，在水平和竖直方向呈现不同的散射角；透射散射屏对投射到其上的图像进行散射并透射后， 被观察者所见。由于所述散射屏在水平方向上散射角相对小，观察者所见为直视各投影机的一竖条图像，来自不同投影机的各竖条状图像相互紧密接合且不重叠，合成一幅完整连续的图像，实现3D显不。虽然已经详细示出了本发明的实施例，但是应当明白，本领域的技术人员可以想到对这些实施例的修改和调整，而不脱离如所附权利要求所提出的本发明的范围。
权利要求
1.一种裸眼宽视域多投影机无扫描3D显示装置，该装置包括透射散射屏，所述透射散射屏为双向散射屏，在水平和竖直方向呈现不同的散射角；至少两台投影机，沿双向散射屏周围摆放，各投影机分别投射被显示物的各图像到所述散射屏上，所述各图像为被显示物在相应视角所呈现的图像，所述图像呈竖条状；所述各图像经所述透射散射屏散射并透射后，紧密相接且不重叠，合成为一幅完整连续的图像。
2.根据权利要求1所述的显示装置，其特征在于所述双向散射屏为双向柱面透镜光栅，在垂直方向具有相对大的散射角，在水平方向具有相对小的散射角。
3.根据权利要求2所述的显示装置，所述双向柱面透镜光栅呈单层双面或单面双层结构。
4.根据权利要求1所述的显示装置，其特征在于所述的散射屏的截面形状为封闭式或非封闭式。
5.根据权利要求4所述的显示装置，所述的封闭式截面形状为圆形或多边形，所述的非封闭式截面形状呈弧形或开口多边形，其中开口多边形至少包括两条边。
6.根据权利要求1所述的显示装置，还设置有与所述散射屏组合使用的场镜，所述场镜为截面为齿形微结构单向场镜，只在垂直方向具有场镜作用，水平方向不改变光线方向。
7.根据权利要求6所述的显示装置，所述场镜与散射屏的组合为单场镜置于散射屏的内侧或外侧，或双场镜置于散射屏的内外两侧。
8.一种使用如权利要求1所述装置实现裸眼宽视域多投影机无扫描3D显示的方法，包括获得被显示物在多个各视角的图像，所述图像呈竖条状；使用多个投影机分别投射出上述各视角下的被显示物图像到一透射散射屏上，所述散射屏为双向散射屏，在水平和竖直方向呈现不同的散射角；透射散射屏对投射到其上的图像进行散射并透射后，被观察者所见；所述散射屏在水平方向上散射角相对小，观察者所见为直视各投影机的一竖条图像， 来自不同投影机的各竖条状图像相互紧密接合且不重叠，合成一幅完整连续的图像，实现 3D显不。
9.根据权利要求8所述的3D显示的方法，还包括利用散射屏对投影机投影出图像的进行垂直编码，所述垂直编码的方式为将投影机投影出图像的各行根据不同的垂直视角间隔排列，同一行所表示的垂直视差相同，若使观察者可获得的垂直视差图个数为n，则投影机投影出的图像上，对应的隔n-1行的图像处于同一垂直视差图中以组成完整的一幅视差图。
全文摘要
本发明涉及一种裸眼宽视域多投影机无扫描3D显示装置以及方法，所述的显示装置包括双向透射散射屏和多架投影机，投影机沿散射屏排列，人眼与投影机在散射屏的两侧，投影机将影像投射到屏幕上，由于散射屏幕水平方向的散射角较小，人眼只能看到直视各投影机的一竖条图像，来自不同投影机的部分条状图像合成一幅完整的图像。左、右眼的图像取自投影机的不同位置，通过对投影图像中条形区域图像进行视差图像编码，可使左、右眼分别看到完整的视差图像，经大脑融合会产生3D图像。为增加垂直方向视差，将投影图像按行进行垂直视差编码，通过横向柱镜光栅配合单向场镜，将不同垂直视差图像依次排列在垂直方向的不同区域，从而在不增加投影机数量的前提下可提供垂直方向不同观看角度的图像。本发明的显示装置既可大视域观看，又无扫描机构，结构简化，可靠性高，无噪声，无振动，成本较低，所显示的3D影像无透视现象，分辨率高，观察视域连续，真彩色，无频闪。
文档编号G02B27/22GK102346367SQ20101024280
公开日2012年2月8日 申请日期2010年8月3日 优先权日2010年8月3日
发明者朱秋东, 王涌天, 黄涛 申请人:北京理工大学