专利名称：大场景360度环视动态显示方法及显示系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及三维显示装置，尤其涉及ー种360度全角度裸眼立体显示系统。
背景技术：
三维显示是物体的三維信息或数据进行记录、处理和再现的过程。人们熟悉的3D电影就是ー种三维显示技术。三维立体显示的效果比ニ维显示的效果更加形象、更加生动。观看立体影像时，画面中的人物和景象栩栩如生，有强烈的立体感和真实感。三维立体显示技术目前可以分为两类双目视差立体显示和真三维立体显示。目前真三维技术主要有全息三维显示、体三维显示。全息三维显示技术在动态显 示方面需要高分辨率、高速的空间光调制器，现有エ艺水平尚无法满足动态全息三维图像的再现要求。体三维显示技术是在立体空间进行寻址，控制相应体素的亮度，最終在三维空间扫描出立体物体，但是该显示装置结构复杂造价也比较昂贵。并且目前的体三维显示器显示面积都很小，所以一直无法进入实用阶段。现在市场中出现的立体显示器几乎都是基于双目视差原理，即通过使观众的两只眼睛分别看到有着细微差别的两幅不同图像，使观众感觉到立体感。这种立体显示器目前可分为非裸眼立体显示器与裸眼立体显示器。非裸眼立体显示器(如3D电影)通过使观众佩戴特殊的3D眼镜从而实现立体效果，这种眼镜眼镜不仅束缚观众，影响观看效果，同时长期佩戴还会引起头晕等不适症状。裸眼立体显示器(如裸眼3D电视)则主要是利用现有的柱面光栅技术，它虽然实现了裸眼立体显示，但对观众的观看角度与距离都有着极其严格的要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有立体显示技术的不足，提供ー种大场景360度环视动态显示方法及显示系统，使观众能够以裸眼的方式，360度全角度自由观看立体影像的显示系统。本发明为解决以上技术问题，采用以下技术方案
ー种大场景360度环视动态显示方法，包括以下步骤
步骤001，将待显示的物体的360度的立体三维图像划分为三至六个等份的平面ニ维图像，然后分别采用摄像机采集每个等份的平面ニ维图像；
步骤002，根据步骤001划分的平面ニ维图像的份数设置相应数量的投影仪；
步骤003，在投影仪的ー侧设置ー块投影幕布，然后在投影幕布与投影仪位置相反的一侧设置ー个由光学材料制成的空心的成像空间，该成像空间的外壁为等边多边形，所述多边形的每条边分别与投影仪一一对应；
步骤004，采用控制主机将步骤001采集的所有平面ニ维图像信息同步输送给相应的投影仪，投影仪所投射出的光线在投影幕布上进行第一次成像，形成各角度平面ニ维图像的实像；然后，投影幕布上的实像经过成像空间外壁的光学材料折射被后被投射到成像空间中形成虚像，各角度平面ニ维图像的虚像在成像空间内部相互配合，形成完整的立体图像。进ー步的，本发明的大场景360度环视动态显示方法，在步骤003中，所述成像空间的外壁与投影幕布之间形成的角度为40至50度。本发明还提供ー种三维显示系统，包含图像采集系统、由N台投影仪构成的环形投影阵列、环形投影幕布、由光学材料构成的成像空间、以及控制主机；其中，环形投影阵列与成像空间分布在投影幕布的两侧，N为3-6中的任一正整数；所述成像空间的外壁为等边多边形，并且所述多边形的每条边分别与各投影仪一一对应；
所述图像采集系统为ー个360度的立体密闭空间，在此密闭空间中均匀分布有与所述投影仪个数相对应的N台摄像机，这N台摄像机用于对放置于密闭空间中的物体进行360 度全角度采集；
所述控制主机用于控制所有投影仪同步显示不同角度的图像。进ー步的，本发明的三维显示系统，所述环形投影幕布为高透光的背投幕布，并且该环形投影幕布垂直于投影仪所投射出的光线，与成像空间的外壁成40至50度的夹角。进ー步的，本发明的三维显示系统，所述成像空间是由4块玻璃材料搭建成的空心金字塔结构，玻璃材料的反射率与透射率的比为1/1。本发明采用以上技术方案，与现有技术相比具有的有益效果是
不但大大降级了裸眼立体显示的技术难度，同时也极大降低了显示系统的实现成本。大场景环视动态显示系统具有技术领先、结构设计精度高、扩展性好、定制灵活性強、影像逼真度高等技术特色。可以360度动态展示大型空间立体图像，并可进一步实现人机交互。观众可以在360度范位内，根据自己的需要，任意选取不同角度观看。
图I是本发明的图像采集系统的结构示意图。图2是本发明的单角度成像光路图。图3是本发明的最终成像空间结构示意图。图4是本发明的环形投影幕布的结构示意图。
具体实施例方式本发明的大场景环视动态显示系统整体主要由数据采集模块、数据同步控制模块，数据显示模块以及交互模块构成。下面将结合附图对每ー个模块的构建进行具体介绍
(I)数据采集
根据图像数据源的不同，该系统能够实现两种不同方式的立体显示。第一种是，系统利用3D软件建立虚拟的立体模型，并得到图像数据，从而实现三维动画显示。第二种是，系统利用摄像头等数据采集设备对真实物体进行实时数据采集，数据流通过网络实时传送给控制主机，从而系统实时显示出逼真的立体图像。其中第一种我们称为虚拟立体展示，第二种称为实时直播。a.虚拟动画模型的采集通过3DMAX三维软件建立虚拟的三维模型，并以模型为中心，在O。、90°、180°、270°的地方分别设置虚拟摄像机。经过软件渲染，可分别得到虚拟模型的4个不同角度的图像。在渲染的过程中，必须将模型置于无背景的环境中。b.实时直播
如图I所不，建造Iv 2mX 2mX 2m大小的图像米集系统。我们在图像米集系统的内部均匀设置摄像头1、2、3、4。在图像采集系统的中心位置放置我们需要显示的实物模型5，模型5的前后左右分别对应着摄像头1、2、3、4。为了減少图像采集系统外部因素以及内部光线对图像采集的影响，在整个图像采集系统的外面蒙上黒色吸光材料。在系统的控制主机中，配置一个四通道的数据采集卡。利用该采集卡，实时获取实物模型4角度的图像。通过对采集到的数据进行背景过滤得到模型准确的图像数据，然后再将物体360度的图像同步输送给系统的显不模块。(2)数据同步控制 数据同步模块主要完成从采集的图形数据中提取多角度数据，按一定的顺序将多角度数据送到显示系统中，并控制多角度图像的同步播放。大场景360度环视动态显示系统采用创新性的同步思路，实现一台主机控制四台投影机同步播放四角度不同图像。系统使用ー个双头输出显卡，每个输出头通过扩展线连接两个投影机，这样系统便能够识别四台输出设备。编程实现将四台投影机当做一个超大逻辑输出面，充分利用显卡硬件自身的加速能力，使四台投影机之间的画面输出时间间隔远远小于人眼所能觉察的时间，从而实现四角度的同步输出。
(3)数据显示模块
本发明利用特殊光学材料，对成像光路进行创新性设计，并且基于该成像光路的设计，本发明成功研发出四角度拼接技木。a.成像光路设计
如图2所示，我们利用光学原理设计出复杂的二次成像光路，系统控制主机6将全角度信息输送给相应投影仪7，投影仪7所投射出的光线在特殊幕布8上进行第一次成像。然后，幕布8上的像被其正下方的特殊玻璃材料9反射，从而被反射的光线在人眼中形成虚像。由光学反射原理可知，虚像位于玻璃材料的后方。通过大量的理论计算和实验证明，幕布8与玻璃材料9必须满足ー个特殊的角度，该角度范围在40度至50度之间，以45度角为最佳选择，才能保证人眼中的虚像不发生变形。因为采集的四角度图像自身具有部分深度信息，所以在幕布8上形成的实像本身也具有一定的立体感(即具有深度信息)。基于人脑产生立体感的心理学因素，我们通过调节玻璃材料的光学特性，增强人眼在观察图像时所产生的心理学因素的作用。心理学因素主要有视网膜象的大小、线性透视、面积透视、重叠等四大重要暗示因素。调整玻璃的反射率与透射率，在保证观众清晰观看虚像的同时，也能够看到玻璃后方的真实环境。虚拟与现实在人眼中相互结合，产生了以上的心理学的暗示。b.全角度拼接技术
为了实现显示立体模型360°全角度信息，我们巧妙设计空心金字塔(四棱锥)结构做为整个系统最終的成像空间，如图3，该空间的构建使得360°全角度成像成为可能。四台投影仪构成环形投影阵列，负责向下投影模型前后左右四个角度的图像。每个投影仪的正下方对应着一个成像幕布。四块模型形成ー个环形结构，如图4。同时每块幕布的正下方对应着ー个特殊的玻璃材料，即成像空间的外壁。每块玻璃材料都与其对应的幕布成一定的角度关系，该角度范围在40度至50度之间，以45度角为最佳选择。利用控制主机按照一定的顺序将全角度信息同步输出给相应的投影仪。由四台投影仪构成的环形投影阵列实现360度全角度投影。四角度虚像最終在空心的金字塔内部实现相互配合，从而还原出完整的立体图像。本系统也能使用ー种3角度的实现方案，即将模型的360度信息均匀分割为三个部分0° 120° ,120° 240° ,240° 360°。在采集阶段以模型为中心，分别在0°、120°、240°的地方分别设置摄像头进行数据采集。将3个部分的图像，通过控制主机同步输送给3个相对应的投影仪。3个投影仪的每ー侧分别设置ー块投影幕布，然后在投影幕布与投影仪位置相反的一侧设置ー个由光学材料制成的空心的成像空间，该成像空间为ー个空心三棱锥结构，三棱锥的每个面分别与每个投影仪相对应。模型3角度图像分别在成像空间中形成虚像，各角度虚像相互配合从而还原出完整的立体模型。
本系统也能使用ー种6角度的实现方案，即将模型的360度信息均匀分割为6个部分 O。 60°，60。 120。, 120° 180。, 180° 240。,240° 300。,300° 360。。在采集阶段以模型为中心，分别在0°、60。、120。，180。，240。，300。的地方分别设置摄像头进行数据采集。将6个部分的图像，通过控制主机同步输送给6个相对应的投影仪。6个投影仪的每ー侧分别设置ー块投影幕布，然后在投影幕布与投影仪位置相反的一侧设置ー个由光学材料制成的空心的成像空间，该成像空间为ー个空心六棱锥结构，六棱锥的每个面分别与每个投影仪相对应。模型六角度图像分别在成像空间中形成虚像，各角度虚像相互配合，从而还原出完整的立体图像。
权利要求
1.ー种大场景360度环视动态显示方法，其特征在于，包括以下步骤 步骤001，将待显示的物体的360度的立体三维图像划分为三至六个等份的平面ニ维图像，然后分别采用摄像机采集每个等份的平面ニ维图像； 步骤002，根据步骤001划分的平面ニ维图像的份数设置相应数量的投影仪； 步骤003，在投影仪的ー侧设置ー块投影幕布，然后在投影幕布与投影仪位置相反的一侧设置ー个由光学材料制成的空心的成像空间，该成像空间的外壁为等边多边形，所述多边形的每条边分别与投影仪一一对应； 步骤004，采用控制主机将步骤001采集的所有平面ニ维图像信息同步输送给相应的投影仪，投影仪所投射出的光线在投影幕布上进行第一次成像，形成各角度平面ニ维图像的实像；然后，投影幕布上的实像经过成像空间外壁的光学材料折射被后被投射到成像空间中形成虚像，各角度平面ニ维图像的虚像在成像空间内部相互配合，形成完整的立体图像。
2.根据权利要求I所述的大场景360度环视动态显示方法，其特征在干，在步骤003中，所述成像空间的外壁与投影幕布之间形成的角度为40至50度。
3.ー种实现权利要求I所述的大场景360度环视动态显示方法的三维显示系统，其特征在于，包含图像采集系统、由N台投影仪构成的环形投影阵列、环形投影幕布、由光学材料构成的成像空间、以及控制主机；其中，环形投影阵列与成像空间分布在投影幕布的两侦牝N为3-6中的任一正整数；所述成像空间的外壁为等边多边形，并且所述多边形的每条边分别与各投影仪对应； 所述图像采集系统为ー个360度的立体密闭空间，在此密闭空间中均匀分布有与所述投影仪个数相对应的N台摄像机，这N台摄像机用于对放置于密闭空间中的物体进行360度全角度采集； 所述控制主机用于控制所有投影仪同步显示不同角度的图像。
4.根据权利要求3所述的三维显示系统，其特征在于，所述环形投影幕布为高透光的背投幕布，并且该环形投影幕布垂直于投影仪所投射出的光线，与成像空间的外壁成40至50度的夹角。
5.根据权利要求3所述的三维显示系统，其特征在于，所述成像空间是由4块玻璃材料搭建成的空心金字塔结构，玻璃材料的反射率与透射率的比为1/1。
全文摘要
本发明公开了一种大场景360度环视动态显示方法及显示系统，显示方法分为采集阶段和显示阶段，在采集阶段将立体模型360°的完整信息分割成N个等份，并对各个部分分别进行提取处理和存储；在显示阶段，再通过一种特殊的投影方式，使各部分图像相互配合，重新还原出完整的立体模型；显示系统包含图像采集系统、由N台投影仪构成的环形投影阵列、环形投影幕布、由光学材料构成的成像空间、以及控制主机。本发明不但大大降级了裸眼立体显示的技术难度，同时也极大降低了显示系统的实现成本。
文档编号G03B21/56GK102692808SQ20121014143
公开日2012年9月26日 申请日期2012年5月9日 优先权日2012年5月9日
发明者刘以奋, 吴大伟, 张赵行, 沈春林, 潘文平, 王剑, 耿忠, 赵晓庚, 龙吉昌 申请人:南京航空航天大学