多模式混合投影的真三维显示系统的制作方法

专利名称：多模式混合投影的真三维显示系统的制作方法
技术领域：
本发明属于三维显示技术领域，具体涉及一种真三维显示(truethree-dimensional display)系统,特别是一种多模式混合投影的真三维显示系统。
背景技术：
传统平面显示技术只限于二维图像，并不能让观察者获得真实的三维深度信息和完整的表面特性。二维平面成像与显示“强迫”我们用二维窗口来观察丰富生动的三维世界，不仅遗失了重要的深度信息(Depth Cue)，无法准确表达三维空间关系，而且只能体现某个角度上的物体的表面特性。传统二维平面成像和显示技术的这一根本缺陷严重地阻碍了人类对客观世界的感知，影响了人类对信息获取、处理、传递、人机交互和决策的准确度、深度、速度和效率。在人眼感知的最真实的完整的三维内容信息中，不仅包含了物体的三维几何尺度特性(长、宽和深度)，而且还包含了物体表面的色彩亮度和散射属性等表面特性，以及由于相对位置关系造成的遮挡和阴影等信息。真三维显示(true three-dimensionaldisplay)技术试图构造新型显示装置，最大限度地展示三维物体的真实三维信息。所谓“真三维显示”是指被显示图像每个三维像点(又称体元，voxel)具有真实的表面特性，体元之间相对位置关系也被真实地体现在三维显示装置中，组成真正意义上的三维空间图像，具有真实物理深度和照片质量的表面特性。观察者不需要任何辅助设备，就可以从360度方向任意观察被显示物体，感知最真实的完整的三维内容信息。真三维显示技术从根本上更新了信息显示的概念，使被显示图像栩栩如生，向观看者提供了完备的心理和生理的三维感知信息，为理解三维图像和其中物体之间的空间关系提供了独特的手段。真三维显示系统目前主要通过体元空间绘制而实现。在目前众多的真三维显示模式中，体元空间三维显示(Volumetric 3D Display)与光场三维显示(Optical Field 3DDisplay)受到比较多的关注，取得了相当不错的显示效果。然而这两大类三维显示模式都无法无缝地同时再现出三维物体具有遮挡效应、表面特性和可三维测量的真实物理深度信息。基于多视点的光场三维显示技术能够产生高质量表面特性和具有遮挡效应的三维图像，使观测者感受到高质量的三维场景，但是缺乏可度量的真实三维空间关系，不能在显示物体反映出准确的三维尺寸和相互空间关系；而体元空间三维显示技术可以准确反映物体尺寸和空间关系，具有宽视角，能够形成令人印象深刻可视化效果，但是不能实现遮挡，并缺乏足够的表面特性。目前，体元空间三维显示包括基于发光介质的三维显示、基于旋转屏或移动屏并配合高速显示器的三维显示两大类。第一类是利用发光介质(包括特殊玻璃，气体，液体以及空间排布的光纤等固定结构)配合激发光束的扫描与寻址，产生真三维显示效果(参见

图1);第二类主要是通过快速转动或移动各种形状的屏幕，配合以高速的投影显示器或其它高速显示器，实现空间三维体素寻址，形成真三维显示效果。(I)基于可发光介质的空间激发扫描
1996年Downing采用三对高功率红外激光束激励掺杂了镨、铒、铥的氟化物玻璃以对应产生红、绿、蓝色体素，最终在厘米级小立方体范围内实现了彩色三维显示。这类显示的缺点在于，缺乏合适的激励源和具有充分光转换效率的发光介质，体素被串行激活，体素总数不超过五十万，无法表述复杂的图像信息或活动的光点信息，诸多的物理和技术限制使建成了的实验装置显示范围小、分辨率低、局限于简单的字母或图形静态显示，近期内不可能实现大尺度、高分辨率、高亮度的真三维显示。(2)基于旋转屏和空间调制光扫描1996年德国D. Bahr等利用三色激光器作为光学系统，扫描一个快速旋转的螺旋屏，通过调制器和扫描器作为空间光调制手段，分别控制激光的强度和偏转角度，以便在螺旋屏表面上产生一个瞬时光点(参见图2)，随着激光器的偏转和螺旋屏的旋转，就能在圆柱状的真实三维空间内产生许多光点，观察者将因为视觉暂留而感知到一幅三维图像。美国NEOS Technologies公司与美国海军指挥、控制及海洋监视中心合作，建立类似的实验装置，可以产生8万个大小为O. 7mm体素的红、绿、黄三色图像；德州仪器公司与美国空军合作开发的OmniView 显示设备，也在螺旋屏加激光投影技术的组合三维显示上进行了尝试。这类显示的主要缺点是体素总数不超过五十万，无法表述复杂动态信息。2002 年美国 Actuality Systems 公司研究的 Perspecta 3D System 系统利用高速DLP投影仪，将二维截面序列投射到一个快速旋转的散射屏上，利用视觉暂留而融合到空间三维图像。如图3所示，Perspecta 真三维显示器采用了结合倾斜光学器件的非常规的离轴投影方案，以便维持贯穿投影屏扫掠范围的良好聚焦。高压汞弧灯经积分棒和聚光透镜后，照在3-SLM投影仪上。SLMs上的图像被投射穿过一个敞口直流电机的中心，该电机带动折叠镜和屏幕旋转。目前，该系统提供直径为10英寸的球形图像空间，二维截面的分辨率为768 X 768，截面总数为198，体素总数最多可达I亿，显示刷新率30Hz，最高分辨率时可显示8种颜色，体显示系统360度可周视，大于180度俯仰视。这是国际上唯一的一台商品化的真三维显示系统，该系统的出现进一步促进了真三维显示技术的发展。但该设备(参见图3a)的光学系统复杂(参见图3b)、体素总数无法随显示空间增大而按比例增加、三维图像分辨率与图像颜色之间受DLP器件速度的限制，无法再提高，而且设备价格昂贵。采用的单投影机方式，投影机不转，旋转反射镜，大倾斜投影。为保证各方向的投影效果一致，投影机镜头光轴与DMD芯片中心重合并垂直，反射镜的回转轴、屏幕的回转轴与投影机镜头光轴同轴。为保证大的俯仰视角，采用倾斜投影。但倾斜投影使图像产生上下离焦，清晰度下降、上大下小产生梯形畸变、上暗下亮均匀性不好，虽可用图像校正畸变，但损失分辨率，图像需进行梯形、旋转和灰度修整等处理，增加运算量。减小口径可减小离焦对清晰度的影响，但与提高亮度相矛盾，需采用光学的方法进行图像亮度不均匀性的校正，有一定的难度。(3)基于发光体旋转早期开发的真三维显示技术采用将发光二极管密集安装在可旋转平板上，控制每一个发光二极管的发光时序并将其与平板的旋转位置同步，可以在旋转体内产生出三维图像，这一方法最初在1963年由Schipper提出(US 3，097，261)。在1979年，Berlin发展出一个新方法，用光导方法解决了向旋转面传输大量显示数据的问题，并用高速LED(LightEmitterDiode)阵列取代了原来用的发光二极管(US 4，160，973)，这种显示方法采用LED阵列平板旋转出三维显示空间。该技术的主要缺点在于三维图像的清晰度受到LED阵列密度的限制和LED开关时间的影响。同时，由于该方法受限于平板旋转屏的结构，三维体元的空间分布不均匀，从而影响显示图像质量。利用阴极射线球(Cathode Ray Sphere,简称CRS)来显示三维图像的概念最初由Ketchpel在1960年提，1979年，新西兰学者Blundell在将此概念做了原理性实现。这一方法将荧光物质镀在一个可旋转的屏幕上，将此可旋转屏幕置于真空容器内，再用电子射线束扫描处于真空中的可旋转的屏幕，产生可见光点。如果将电子射线束的扫描时序与屏幕的旋转同步，便可在屏幕的旋转区域内显示出真三维图像。由这种显示方法生成的三维图像质量较差，受到玻璃容器壁的光线折射，及旋转屏幕透明度的影响。另外，影响像质的因素是荧光发光物质的发光启动时间和余晖。(4)光场三维显不光场三维显示(Light Field 3D Display)技术试图记录和重构物体的360度范围光场，如同全息显示一样，因此它不仅可以真实再现三维景物的空间特性，而且能够正确表现景物之间的相互遮拦关系。观察者从不同角度可以观察到不同的画面，长时间观看没有不良生理反应。为了减少信息量，光场重构时可以压缩某一维度的信息，如垂直方向的光场变化信息，也可以根据人眼特性减少光场分布的角度精细程度，从而使信息量与全息技术相比大大减少，从而能够实现360度的动态空间三维显示，满足实际应用的需要。生成三维图像的多视点光场三维显示的原理比较直观，将从某个视角采集(或计算机生成的)真实物体的三维视差图像逆向投影到相同的视角。如果多视点系统能够在显示设备附近以正确的视差生成足够数量的视图，观测者就能够感受到被显示物体的三维效果。图4显示了传统的多视点三维显示从采集到三维显示的过程。通常视场被限制前方100度左右。利用旋转屏幕，可以将多视点光场三维显示的视场扩展环形360度到视场角，如图5所示。图5的左边的图描绘了生成360度环绕视场角的多视点图像的机理，而右边的图形描述了利用具有方向性的投影机制来产生在360度范围内每个视角的方向图片。一个高速的投影成像引擎将多视点光场图像投影到45度倾角的旋转屏。投影的图像序列与屏幕的旋转角同步。对于一个特定的视角，被投影的图像就是从这个视角采集到的对应图像。旋转屏幕采用平面，使用具有方向性的定向反射材料构成。这种特殊的各向异性的反射材料可以使得反射出来的光线在垂直方向具有较大的散射角，保证足够视场角，而水平方向只有非常窄的视角(大约I度)。这个独特的光学特性给我们提供了一个完美的机制向在特定观察角度的观察者显示出高质量的具有表面纹理和遮挡特性的彩色图像，而处在其他角度的观察者则看到不同的图像。因此，从不同视场角的观测者可以看到的对应这个特定视场角的具有正确视差的图像。其结果是周围的观测者都能够感受到三维视差效应。与在对应的三维位置上绘制一个体元的体三维显示方法相比，多视点光场三维显示方法产生与不同的视角相对于的多幅光场图像。这种方法并不提供体元的真三维位置，但是能够生成被显示物体的照片的纹理表面特性，并且可以生成显示的三维物体之间的遮挡效应。(5)动态全息三维显示
按照物理学的近距作用观点，人眼之所以能看见外界物体，其直接原因并不是因为物体的客观存在，而是由于物体发出的光波到达了人眼的视网膜，视神经细胞接收到物光波，从而产生三维空间像的视觉。通常可以将全息图理解为一个大容量的存储器件，存储或“冻结” 了三维物体的全部信息。为了从全息图中提取物光波的信息，还必须用适当的光波照射全息图，“解冻”或恢复原来的物光波，人眼迎着再现物光波观察时，就如同通过全息图这个窗口去观察原来的真实物体一样。全息术是一个两步成像过程，即物体光波的记录(存储或编码)和再现(恢复或解码)的过程，通常前一过程利用光的干涉实现，后一过程利用光的衍射完成。全息显示原理如图6所示。图6是多模式混合投影真三维显示系统的基于快速二维投影仪和快速移动屏多平面的体扫描三维显示模式的原理图。如图6所示，假定一个扫描屏以较快的循环周期在Z轴上来回移动(比如大于24Hz)。在扫描运动的每个时间周期内，通过高速投影仪将N幅二维图像模式朝移动平面进行投影，移动屏与二维图像投影在Z轴的不同位置上相交，在真三维空间形成二维图像栈。如果移动屏的循环周期足够高，在每趟运动中二维投影仪能够产生足够数量的二维图像切片，由于人眼的视觉暂留效应，观测者就能够感受到一个真三维图像悬浮在三维空间中，没有抖动。在真三维显示系统中，一个高速成像引擎和一个光学投影系统被使用来生成超高速的图像模式并投影(每秒几千幅)到一多模式混合旋转屏的螺旋屏。投影图像模式与螺旋表面在不同的高度上相交(取决于螺旋面的不同旋转角度)，于是螺旋面的每次旋转能够在这个三维显示空间内生成三维像素。螺旋表面的每个部分能够使用数学方程描述
权利要求
1.一种多模式混合投影的真三维显示系统，其特征在于，包括成像引擎、光学投影系统、机械和电子模块、多模式混合旋转屏， 所述成像引擎用于产生切片图像序列的投影光； 所述光学投影系统用于接收来由成像引擎产生的切片图像序列的投影光，并将其投影到多模式混合屏上； 所述机械和电子模块用于控制所述多模式混合旋转屏幕的旋转运动； 所述多模式混合旋转屏包括一个定向反射屏和ー个螺旋屏，该定向反射屏用于生成光场三维图像，该螺旋屏用于生成真三维体扫描图像。
2.如权利要求1所述的多模式混合投影的真三维显示系统，其特征在于，所述成像引擎包括光源、准直透镜、极性化分光器和空间光调制器，其中， 所述光源用于产生光线； 所述准直透镜用于将所述光线准直并投射到所述极性化分光器上； 所述极性化分光器用于反射所述极性化的光线至所述空间光调制器； 所述空间光调制器用于根据所述极性化的光线产生所述图像切片的投影光。
3.如权利要求2所述的多模式混合投影的真三维显示系统，其特征在于，所述光学投影系统包括投影光学器件，所述投影光学器件用于将经空间光调制器生成的图像切片进行调整并消除像差，然后投射到所述多模式旋转混合屏上。
4.如权利要求3中任一项所述的多模式混合投影的真三维显示系统，其特征在于，所述多模式显示屏幕由两部分组成，第一部分是体三维显示屏幕，第二部分是光场三维显示屏幕。
5.如权利要求4所述的多模式混合投影的真三维显示系统，其特征在于，所述光源为RGB三色光源。
6.如权利要求4所述的多模式混合投影的真三维显示系统，其特征在干，屏幕材料选为主动电子切换屏幕。
7.如权利要求4所述的多模式混合投影的真三维显示系统，其特征在于，所述空间光调制器的最高变换率不低于毎秒32，OOO帧。
8.如权利要求4所述的多模式混合投影的真三维显示系统，其特征在干，还包括控制主机6，其用于控制空间光调制器5的图像信息和时序，进而调制空间光调制器5，当所述空间光调制器5上的像素被开启时，通过该像素的光线便被反射回所述极性化分光器。
9.如权利要求4所述的多模式混合投影的真三维显示系统，其特征在于，所述成像引擎产生的图像投影光的速度高于每秒3000幅。
10.如权利要求1-9中任一项所述的多模式混合投影的真三维显示系统，其特征在干，还包括透明保护罩，其设置于所述多模式混合旋转屏幕的外围，用于保护所述多模式混合旋转屏。
全文摘要
本发明公开了一种多模式混合投影的真三维显示系统，包括成像引擎、光学投影系统、机械和电子模块、多模式混合旋转屏，所述成像引擎用于产生切片图像序列的投影光；所述光学投影系统用于接收来由成像引擎产生的切片图像序列的投影光，并将其投影到多模式混合屏上；所述机械和电子模块用于控制所述多模式混合旋转屏幕的旋转运动；所述多模式混合旋转屏包括一个定向反射屏和一个螺旋屏，该定向反射屏用于生成光场三维图像，该螺旋屏用于生成真三维体扫描图像。本发明将多种三维显示模式有机地融合到一个集成的显示系统中，利用切换控制技术，凸显各种显示模式的优异性能，弥补各自的不足，从而形成一种崭新的真三维显示系统。
文档编号G02B27/22GK103048867SQ201210593038
公开日2013年4月17日 申请日期2012年12月31日 优先权日2012年12月31日
发明者耿征 申请人:中国科学院自动化研究所