专利名称：大尺寸空间三维影院放映光学系统及其方法
技术领域：
本发明涉及信息技术领域，尤其涉及一种大尺寸空间三维影院放映光学系统及其 方法。
背景技术：
三维显示是人们不断追求的目标，人们提出各种三维显示技术以满足人类双眼的 视觉要求。在影院级的显示技术方面，目前主要有胶片电影放映机、数字电影放映机以及三 维视差型电影放映机。目前的三维显示技术可以分成三大类第一类是基于双目视差型的 立体显示，如目前的立体电影院的三维电影，三维电视以及各种视差光栅与柱面镜阵列构 成的体视显示；第二类是基于全息原理的三维显示，如全息照片等；第三类空间三维显示 技术，如体三维显示以及旋转屏式的全景360°三维显示。目前的三维电影院的光学成像系统是基于视差原理的立体显示，他需要借助与特 殊的眼镜，将电影放映机投射的左眼与右眼的图像分开，分别相应为左眼与右眼观看，这些 眼镜可以是液晶眼镜、偏振眼镜或互补色眼镜等，各自对应于时序式的体视三维、偏振式的 体视三维以及互补色式的体视三维。在目前三维电影院中看三维电影，所有的观众是坐在 屏幕前面的区域观看的，而且所有的观众虽然在影院中的位置不同，看到的是同样的三维 场景的同样的视角。而目前可以实现全景360°三维显示多数采用旋转屏的方式，由于屏幕 或其他机构的旋转、海量数据的传输等多种问题导致其三维显示的空间比较小，不能实现 大场景的空间三维显示。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种大尺寸空间三维影院放映光学系 统及其方法。大尺寸空间三维影院放映光学系统包括环状定向散射屏、环状分布投影仪阵列、 主控计算机阵列、同步控制模块、观众区和空间三维图像显示区；主控计算机阵列与环状分 布投影仪阵列相连接；同步控制模块与环状分布投影仪阵列相连接，环状定向散射屏内外 分别设有空间三维图像显示区和观众区；当环状定向散射屏为反射式的定向散射屏时，环 状分布投影仪阵列分布于环状定向散射屏的外部；当环状定向散射屏为透射式的定向散射 屏时，环状分布投影仪阵列分布于环状定向散射屏的内部。所述的环状定向散射屏是定向散射全息屏、光栅结构的二元光学元件或一个或多 个微光学阵列的组合。所述的环状定向散射屏的形状是旋转对称结构的屏幕。所述的旋转 对称结构的屏幕是圆柱状屏或锥状屏。所述的环状排布的投影仪阵列按照视点间隔进行排 布；采用多排环状排布或斜排环状排布。所述的主控计算机阵列是单台计算机、多台计算机 或多台计算机与图像处理模块的组合。所述的主控计算机阵列与环状分布投影仪阵列的连 接方式是分量接口连接、AV接口连接、D-Sub接口连接、HDMI接口连接、USB接口连接、以太 网接口连接、1394接口连接或光纤接口连接。
大尺寸空间三维影院放映方法是主控计算机阵列对显示的三维模型或实际采集 的三维场景处理成显示的二维真彩色图像序列，并按顺序送入环状分布投影仪阵列；同步 控制模块对环状分布投影仪阵列进行同步控制，将二维真彩色图像投影到环状定向散射屏 上，并对二维真彩色图像的出射光线进行方向控制，在水平方向上的发散角度与环状分布 投影仪阵列的间隔相配合；位于观众区内的观众均能观察到位于空间三维图像显示区内的 三维场景。本发明利用二向性散射特性环状屏幕与环状分布的多台投影仪阵列配合构成空 间三维电影院型光学显示系统。基于本发明的三维显示系统，可实现空间大场景的真实三 维显示，使观察区不同位置的观察者均能裸眼观察到对应于这一视角的相应三维场景，让 观察者感受到一种身临其境的感受。
图1是大尺寸空间三维影院放映光学系统三维示意图；图2是大尺寸空间三维影院放映光学系统的俯视结构图；图3是大尺寸空间三维影院放映光学系统前投式示意图；图4是大尺寸空间三维影院放映光学系统背投式示意图；图5(a)是圆柱形环状定向散射屏结构示意图；图5(b)是锥形环状定向散射屏结构示意图；图6(a)是环状投影仪阵列等间隔排列图；图6(b)是环状投影仪阵列等间隔斜错位排列图；图7(a)是反射式环状定向散射屏光学特性示意图；图7(b)是透射式环状定向散射屏光学特性示意图；图中环状定向散射屏1、环状分布投影仪阵列2、主控计算机阵列3、同步控制模 块4、观众区5、空间三维图像显示区6。
具体实施例方式如图1、2所示，大尺寸空间三维影院放映光学系统包括环状定向散射屏1、环状分 布投影仪阵列2、主控计算机阵列3、同步控制模块4、观众区5和空间三维图像显示区6 ；主 控计算机阵列3与环状分布投影仪阵列2相连接；同步控制模块4与环状分布投影仪阵列 2相连接，环状定向散射屏1内外分别设有空间三维图像显示区6和观众区5 ；当环状定向 散射屏1为反射式的定向散射屏时，环状分布投影仪阵列2分布于环状定向散射屏1的外 部；当环状定向散射屏1为透射式的定向散射屏时，环状分布投影仪阵列2分布于环状定向 散射屏1的内部。空间影院为观众环绕一个轴旋转对称屏幕或显示区域分布的影院结构。本发明的原理是围绕屏幕环状排布的投影仪阵列将不同所要显示的空间三维场 景的各个角度投影的组合图像投影成像于中心区域的环状屏幕，该环状屏幕为二向散射特 性的屏幕，即在水平方向对入射光实施镜像的反射或者透射，但是在垂直方向对入射光实 施一定角度的散射或者说漫射。这样环状的二向散射特性屏幕就将环形排布的投影仪阵列 投影的图像转换成360°环绕可视的空间三维场景图像，供围绕在屏幕周边的观众观看。主 控计算机阵列3的作用是对环状分布投影仪阵列2进行数据传输，它将三维场景分割投影
4计算得到的对应不同视角供显示的图像传入对应的投影仪以供显示，同步控制模块4对投 影仪阵列中的不同投影仪的显示进行同步控制保证阵列里的不同投影仪显示同一时刻正 确的图像。本发明的关键是二向散射特性屏幕，该屏幕控制着观众观看到的投影仪图像，屏 幕对入射的图像光束的反射与散射特性的控制，使得观众无需其它工具，就能够看到真正 的与自己观看位置的视角相对应的空间三维显示。无论环状分布投影仪阵列2位于环状定 向散射屏1的外侧还是内侧，空间三维图像显示区6的大小仅与环状分布投影仪阵列2的 位置以及其每一个投影仪的视场角有关。假设环状分布投影仪阵列2里的每个投影仪距离 中轴的距离为D，其半视场角为θ，那么共同显示区区域(360°观众区域均能看到的空间 三维显示范围)的半径仅与D及sin θ成正比。因此可以看出要想获得大的影院式空间三 维显示的效果，就可以通过选择大的D与大视场角的投影仪来实现。这是本发明之所以可 以获得大的三维显示的理论依据。所述的主控计算机阵列3是单台计算机、多台计算机或 多台计算机与图像处理模块的组合。所述的主控计算机阵列3与环状分布投影仪阵列2的 连接方式是分量接口连接、AV接口连接、D-Sub接口连接、HDMI接口连接、USB接口连接、以 太网接口连接、1394接口连接或光纤接口连接。大尺寸空间三维影院放映方法是主控计算机阵列3对显示的三维模型或实际采 集的三维场景处理成显示的二维真彩色图像序列，并按顺序送入环状分布投影仪阵列2 ； 同步控制模块4对环状分布投影仪阵列2进行同步控制，使环状分布投影仪阵列2里的每 一个投影仪投影的图像对应于同一时刻的三维场景，环状分布投影仪阵列2将二维真彩色 图像投影到环状定向散射屏1上，并对二维真彩色图像的出射光线进行方向控制，在水平 方向上的发散角度与环状分布投影仪阵列2的间隔相配合，在垂直方向上大角度散射；位 于观众区5内的观众可以看到连续的多个投影仪的组合图像，并产生双目视差，形成立体 视觉，保证位于观众区5内的观众均能观察到位于空间三维图像显示区6内的三维场景。如图3所示，大尺寸空间三维影院放映光学系统，所述的环状定向散射屏1是反射 式的定向散射屏。环状分布投影仪阵列2分布于环状定向透射屏1的外部其分布与屏幕同 样旋转对称中心。环状定向散射屏将投影机阵列投射其上的图像反射出来，在水平方向小 角度出射，在垂直方向以大的发散角度散射。在观察区的每一个位置仅能看到对应于这个 位置的一个投影仪投射出的小窄条图像，而每一个位置能看到多个投影仪投射出的多个窄 条图像的组合图像形成这一位置完整的画面。而在观众区5的不同位置上均能看到对应于 相应位置的不同图像，这就能保证在观众区5人的双眼看到的两幅图像是不同的，通过双 目视差形成三维视觉。如图4所示，大尺寸空间三维影院放映光学系统，所述的环状定向散射屏1是透射 式的定向散射屏。环状分布投影仪阵列2分布于定向透射屏的内部且其分布与屏幕同样旋 转对称中心。环状定向散射屏1将内部的环状分布投影机阵列2投射其上的图像透射出来， 在水平方向小角度出射，在垂直方向以大的发散角度散射。在外部的观察区的每一个位置 仅能看到对应于这个位置的一个投影仪投射出的小窄条图像，而每一个位置能看到多个投 影仪投射出的多个窄条图像的组合图像形成这一位置完整的画面。而在观众区5的不同位 置上均能看到对应于相应位置的不同图像，这就能保证在观众区5人的双眼看到的两幅图 像是不同的，通过双目视差形成三维视觉。如图5所示，环状定向散射屏1的形状是旋转对称结构的屏幕。所述的旋转对称结构的屏幕是圆柱状屏或锥状屏。在前述讨论的系统均是采用圆柱型环状二向反射式散射 特性屏来进行讨论及说明的。我们也可以采用锥状二向反射式散射特性屏或其它旋转对称 结构的屏幕实现类似的显示效果。不同的是，由于锥面反射以及屏幕散射特性的原因，在采 用锥面屏的系统中观众最佳的观看角度是与锥面垂直的角度，因此位于观众区5的观众需 要俯视空间显示的三维场景，当然俯视的角度由锥面屏幕的锥角所决定。如图6所示，环状排布的投影仪阵列2按照视点间隔进行排布；采用多排环状排布 或斜排环状排布以保证观察区的观察者产生双目视差。环状投影仪阵列的排布可以有两大 类排布模式等间隔环状排布(单圈或多圈环状排布)或等间隔斜错位环状排布(也可以 单圈或多圈环状等间隔斜错位环状排布)。对于不同的应用场合，环状投影仪阵列需要采 用不同的排列方式。前一种适合于投影仪较小的场合，即相邻投影仪的轴线间距很小的场 合；对于大空间三维场景必须采用较大功率的投影仪，这是投影仪投影轴的间距比较大，为 了保证三维显示的视角数，需要较小的投影仪间隔，这是就可以采用斜错位环状排布投影 仪的方法，减小投影仪的间距。通过错位排列克服因投影仪自身导致的间距不能减小的缺 点ο如图7所示，环状定向散射屏1是定向散射全息屏、光栅结构的二元光学元件或一 个或多个微光学阵列的组合。所述的环状定向散射屏1为二向反射或者透射散射特性屏 幕，具有水平方向符合对照射其上的光束按照反射或透射关系反射与透射，而在垂直方向 上则按照一定的散射(漫射)方式在一定的角度范围实现均勻散射。其水平方向的发散角 与视点间隔分布相配合。该二向反射或透射散射特性屏可以用特殊设计的微光学结构来实 现，如水平方向一定周期的光栅结构，光栅的周期长度决定垂直方向散射角度的大小，水 平方向由于没有调制，光束依然按照反射与透射规律传播。也可以从微透镜阵列来构造散 射屏，通过保持微透镜在水平方向无焦距而在垂直方向的焦距按照特定的散射角来设计， 就可以获得本发明中需要的屏幕。也可以利用两个不同方向的透镜阵列调节透镜阵列之间 的距离来实现对垂直方向散射光角度的控制。还可以制备全息散射屏，使得全息屏在水平 方向不散射，而在垂直方向散射来实现。对于单俯仰视角的空间三维显示，所述的定向透射 与定向反射屏在垂直方向散射角应该大于60°以上，最好大于90°的散射角；对于多俯仰 视角的空间三维显示，如η个俯仰视角的空间三维显示系统，所述的定向透射与定向反射 屏在垂直方向散射角应设定在90° /n以上。
权利要求
一种大尺寸空间三维影院放映光学系统，其特性在于包括环状定向散射屏(1)、环状分布投影仪阵列(2)、主控计算机阵列(3)、同步控制模块(4)、观众区(5)和空间三维图像显示区(6)；主控计算机阵列(3)与环状分布投影仪阵列(2)相连接；同步控制模块(4)与环状分布投影仪阵列(2)相连接，环状定向散射屏(1)内外分别设有空间三维图像显示区(6)和观众区(5)；当环状定向散射屏(1)为反射式的定向散射屏时，环状分布投影仪阵列(2)分布于环状定向散射屏(1)的外部；当环状定向散射屏(1)为透射式的定向散射屏时，环状分布投影仪阵列(2)分布于环状定向散射屏(1)的内部。
2.根据权利要求1所述的一种大尺寸空间三维影院放映光学系统，其特性在于所述的 环状定向散射屏(1)是定向散射全息屏、光栅结构的二元光学元件或一个或多个微光学阵 列的组合。
3.根据权利要求1所述的一种大尺寸空间三维影院放映光学系统，其特性在于所述的 环状定向散射屏(1)的形状是旋转对称结构的屏幕。
4.根据权利要求3所述的一种大尺寸空间三维影院放映光学系统，其特性在于所述的 旋转对称结构的屏幕是圆柱状屏或锥状屏。
5.根据权利要求1所述的一种大尺寸空间三维影院放映光学系统，其特性在于所述的 环状排布的投影仪阵列(2)按照视点间隔进行排布；采用多排环状排布或斜排环状排布。
6.根据权利要求1所述的一种大尺寸空间三维影院放映光学系统，其特性在于所述的 主控计算机阵列(3)是单台计算机、多台计算机或多台计算机与图像处理模块的组合。
7.根据权利要求1所述的一种大尺寸空间三维影院放映光学系统，其特性在于所述的 主控计算机阵列(3)与环状分布投影仪阵列(2)的连接方式是分量接口连接、AV接口连接、 D-Sub接口连接、HDMI接口连接、USB接口连接、以太网接口连接、1394接口连接或光纤接口 连接。
8. 一种使用如权利要求1所述系统的大尺寸空间三维影院放映方法，其特性在于主 控计算机阵列(3)对显示的三维模型或实际采集的三维场景处理成显示的二维真彩色图 像序列，并按顺序送入环状分布投影仪阵列(2)；同步控制模块(4)对环状分布投影仪阵列 (2)进行同步控制，将二维真彩色图像投影到环状定向散射屏(1)上，并对二维真彩色图像 的出射光线进行方向控制，在水平方向上的发散角度与环状分布投影仪阵列(2)的间隔相 配合；位于观众区(5)内的观众均能观察到位于空间三维图像显示区(6)内的三维场景。
全文摘要
本发明公开了一种大尺寸空间三维影院放映光学系统及其方法。方法是主控计算机阵列对显示的三维模型或实际采集的三维场景处理成显示的二维真彩色图像序列，并按顺序送入环状分布投影仪阵列；同步控制模块对环状分布投影仪阵列进行同步控制，将二维真彩色图像投影到环状定向散射屏上，并对二维真彩色图像的出射光线进行方向控制，在水平方向上的发散角度与环状分布投影仪阵列的间隔相配合；位于观众区内的观众均能观察到位于空间三维图像显示区内的三维场景。本发明可实现空间大场景的真实三维显示，使观察区不同位置的观察者均能裸眼观察到对应于这一视角的相应三维场景，让观察者感受到一种身临其境的感受。
文档编号G03B21/60GK101982806SQ201010285539
公开日2011年3月2日 申请日期2010年9月17日 优先权日2010年9月17日
发明者刘旭, 夏新星, 李海峰, 颜才杰 申请人:浙江大学