一种基于圆周式屏扫描的体三维显示装置及方法与流程

本发明涉及三维显示技术领域，尤其涉及一种基于圆周式屏扫描的体三维显示装置及方法。

背景技术：

近几年以来，三维显示技术和装备作为各发达国家大力发展的下一代新型显示技术，日益成为热门的前沿科技领域。与二维显示相比，三维立体显示更具有深度感，层次感和真实感，使观察者通过视觉感知产生心理认知，获取更加丰富的信息。三维立体显示技术在机器视觉，虚拟显示与增强现实，3d电视，3d电影，3d游戏，甚至军事，医疗影像，教育及航空航天等领域，具有广阔的应用前景。

如果显示器本身就是立体的，从而使得呈现的三维物体有物理景深。那么在显示时不需要任何辅助设备（如眼镜，头盔等）来帮助人们观察三维图像，这样人们就可以像在现实生活中一样直接360°全视角观察到“真实”的立体图像了，这种技术称为真三维技术。现有的真三维显示技术包括全息三维显示技术、集成成像三维显示技术、光场三维显示技术以及体三维显示技术等。全息三维显示利用干涉记录衍射再现的方法，记录并重构了目标光线的强度、相位以及波长等全部波前信息。集成成像三维显示通过液晶面板与柱面光栅(或柱面透镜阵列)组合实现，引导包含具体信息的光线进入特定观察区，产生与各视点相对应的图像，实现三维显示。光场三维显示通过投影技术和定向屏幕控制光线的信息和出射方向，实现目标物体的光场重构，相较于全息显示，依赖于pc机渲染技术的光场三维显示可以实现高分辨率动态且具有复杂纹理的三维场景。

体三维显示（volumetric3ddisplay）是一种能够在在一个真正具有宽度，高度和深度的真实三维空间内进行图像信息再现的技术，也称空间加载显示（spacefillingdisplay）。体三维显示包括动态扫描式和静态发光式。从屏幕发光方式又可分为主动发光和被动发光方式，主动发光方式包括led阵列旋转扫描或平移扫描的，多层液晶层叠方式，基于上转换体荧光材料发光方式等；被动发光方式包括激光扫描或者高速投影到平面屏或者螺旋屏的方式重构全角度发光的体素，重构的三维物体是透明的。

在扫描式体三维显示中，不论是屏主动发光还是被动发光，均需要快速的平移屏幕或者旋转屏幕，并高速的变换二维屏的显示内容，以实现体素（voxel）显示。利用平移屏的体扫描显示是实现方法之一。其原理如图1所示。

如图2所示，动态平移体扫描显示中，把要显示的立体图像用二维切片的方式投影到一个平移运动的屏幕上，该屏幕以观察者无法察觉的速度在运动，由于人眼的视觉暂留，从而在人眼中形成三维物体。因此使用这种技术的立体显示系统可以实现图像的真三维显示。平移体扫描显示技术是屏幕用平移运动构造成像空间，就是一个平面屏幕沿着垂直它平面的轴做往复运动构造成像空间，运动的幅度决定了成像空间的景深。

相对于旋转式屏幕，这种平移往复运动扫描可以保证三维显示的体素大小均匀，没有中心轴和死区，且图像直接投影，不易产生误差，可以很好的提高图像质量，减小系统复杂度。

但是屏幕往复运动扫描的一个问题是，屏幕的运动过程不是匀速运动，往复需要不停的加减速过程，加减速时体素更新频率要匹配匀速运动时的体素更新频率以保证三维显示不失真。因此高速投影装置的投影频率也要经过精确的计算，以匹配屏的往复运动轨迹，增加了系统复杂度。或者只在如上图所示在匀速区进行投影，这样浪费了大量的三维显示景深，使体素点数降低。

技术实现要素：

本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种基于圆周式屏扫描的体三维显示装置及方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于圆周式屏扫描的体三维显示装置，包括有高速投影装置、屏幕转动传送装置、屏幕组、转速检测装置、中心控制模块和pc机，所述的屏幕组包括有多个屏幕，多个屏幕固定安装在屏幕转动传送装置上，屏幕转动传送装置的上面的水平段为成像空间，高速投影装置位于成像空间的正前方，多个屏幕之间的距离要求一个屏幕位于成像空间时，其余屏幕不会遮挡成像空间的成像光路，所述的转速检测装置安装在屏幕转动传送装置上，检测屏幕转动传送装置的转速，所述的pc机分别连接中心控制模块和高速投影装置，高速投影装置和转速检测装置均与中心控制模块连接。

所述的屏幕是漫射屏或者定向散射屏或者主动发光屏。

所述的定向散射屏是反射性定向散射屏或者透射性定向散射屏。

所述的多个屏幕在屏幕转动传送装置一周上等距离固定，多个屏幕的装配高度、大小和材质完全一致，屏幕转动传送装置的传送速度是匀速可调的，并且屏幕位于成像空间中的一段是直线的匀速运动。

一种基于圆周式屏扫描的体三维显示方法，所述的高速投影装置根据屏幕的光学特性得到二维图像序列，并在确定时刻将其投影到屏幕的相应位置，配合屏幕的转动实现三维图像显示，所述的成像空间是三维显示区域；在任意一时刻只有一个屏幕位于成像空间内，成像空间的切片截面大小是屏幕大小，成像区域的深度代表着三维立体成像的景深，成像空间的三维场景的体素数量由高速投影装置的刷新频率、投影图像分辨率、屏幕传动速度参数决定，所述的pc机根据三维模型、高速投影装置与屏幕的距离、色彩深度参数，计算产生时序二维投影图像，并传给中心控制模块，中心控制模块根据高速投影装置图像分辨率和屏幕转动传动装置的空间转动速率，构建投影三通道图像序列；屏幕组安装在屏幕转动传送装置上并由其带动旋转，转速检测装置检测屏幕转动传送装置的转速信号并传输给中心控制模块，高速投影机根据中心控制模块的指令同步更新投影图像。

根据要显示的三维图像把成像空间分成多个切片，每个体素说明符都分配在相应的切片中。在屏幕运动的每个时刻，把相应的二维图像切片投影到屏幕上，即激活切片上对应位置的体素，就生成了三维场景的一个离散表示。当屏幕完整的运动完一周后，一系列的二维离散切片就显示出完整的三维立体图像。考虑到屏幕的运动速度，利用人眼的视觉暂留就形成空间连续的真三维图像。

本发明的优点是：本发明保证在成像空间屏幕始终以匀速单向运动，大大减少成像复杂度，并可以实现较大景深，单向转动式的屏幕扫描，相对于往复式屏幕平移扫描，没有加减速过程，可以很容易提高扫描速率，大大提高三维成像的体素点数，从而提高三维成像分辨率，避免了往复运动的加减速也可以使装置的硬件和结构部分振动和损耗减小，延长装置的寿命。

附图说明

图1为平移扫描式体三维显示原理示意图。

图2为平移扫描式体三维显示的屏幕往复运动轨迹图。

图3为本发明工作原理图。

具体实施方式

如图3所示，一种基于圆周式屏扫描的体三维显示装置，包括有高速投影装置1、屏幕转动传送装置2、屏幕组、转速检测装置3、中心控制模块4和pc机5，所述的屏幕组包括有多个屏幕6，多个屏幕6固定安装在屏幕转动传送装置2上，屏幕转动传送装置2的上面的水平段为成像空间7，高速投影装置1位于成像空间7的正前方，多个屏幕6之间的距离要求一个屏幕6位于成像空间7时，其余屏幕不会遮挡成像空间7的成像光路，所述的转速检测装置3安装在屏幕转动传送装置2上，检测屏幕转动传送装置2的转速，所述的pc机5分别连接中心控制模块4和高速投影装置1，高速投影装置1和转速检测装置3均与中心控制模块4连接。

所述的屏幕6是漫射屏或者定向散射屏或者主动发光屏。

所述的定向散射屏是反射性定向散射屏或者透射性定向散射屏。

所述的多个屏幕6在屏幕转动传送装置2一周上等距离固定，多个屏幕的装配高度、大小和材质完全一致，屏幕转动传送装置的传送速度是匀速可调的，并且屏幕位于成像空间中的一段是直线的匀速运动。

一种基于圆周式屏扫描的体三维显示方法，所述的高速投影装置1根据屏幕的光学特性得到二维图像序列，并在确定时刻将其投影到屏幕的相应位置，配合屏幕的转动实现三维图像显示，所述的成像空间7是三维显示区域；在任意一时刻只有一个屏幕位于成像空间内，成像空间的切片截面大小是屏幕大小，成像区域的深度代表着三维立体成像的景深，成像空间7的三维场景的体素数量由高速投影装置的刷新频率、投影图像分辨率、屏幕传动速度参数决定，所述的pc机5根据三维模型、高速投影装置1与屏幕的距离、色彩深度参数，计算产生时序二维投影图像，并传给中心控制模块4，中心控制模块4根据高速投影装置1图像分辨率和屏幕转动传动装置的空间转动速率，构建投影三通道图像序列；屏幕组安装在屏幕转动传送装置2上并由其带动旋转，转速检测装置3检测屏幕转动传送装置的转速信号并传输给中心控制模块，高速投影机1根据中心控制模块的指令同步更新投影图像。