專利名稱：基于體視技術(shù)的全視角三維顯示系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及三維圖像顯示技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于體視技術(shù)和分時(shí)復(fù)用技術(shù) 來實(shí)現(xiàn)的互動(dòng)式360°可視三維顯示系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
由于二維顯示難以清楚準(zhǔn)確表達(dá)第三維的深度信息，人們一直在致力于研究可顯 示立體場(chǎng)景的顯示技術(shù)——三維圖像顯示技術(shù)。目前比主要的三維技術(shù)為體視三維圖像顯 示技術(shù)，通過給觀察者的雙目提供不同視角的平面圖像，由人腦合成獲取三維顯示效果。但 由于通常意義上的體視技術(shù)是一種假三維技術(shù)，存在圖像聚焦距離和匯聚距離不一致的問 題，容易造成觀察者視覺疲勞，且受顯示系統(tǒng)所能提供視差圖像數(shù)量的限制，現(xiàn)有體視技術(shù) 所能實(shí)現(xiàn)的顯示視角往往時(shí)有限的。另外一方面，就像在電腦屏幕可以使用鼠標(biāo)對(duì)顯示的 二維圖像進(jìn)行鼠標(biāo)指示和菜單操作一樣，人們希望在顯示的三維圖像也可以通過一個(gè)三維 鼠標(biāo)對(duì)顯示內(nèi)容進(jìn)行像點(diǎn)指示和菜單操作。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的技術(shù)問題是提供基于體視技術(shù)的全視角三維顯示系統(tǒng)和方法，采用 高頻的刷新頻率的光調(diào)制器器件，結(jié)合觀察者定位技術(shù)，通過投影和觀察者位置相關(guān)的視 差圖像，依靠人眼的視覺滯留，實(shí)現(xiàn)全視角的三維圖像顯示。
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是基于體視技術(shù)的全視角三維顯 示系統(tǒng)，包括一旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，繞系統(tǒng)光軸旋轉(zhuǎn)；一投影單元，其包括加載視差圖像信息的二維光調(diào)制器件、控制出射光衍射角大小的 衍射元件和放大上述光調(diào)制器件的輸出光信息并將該放大光信息投影到上述衍射元件的 轉(zhuǎn)換透鏡或轉(zhuǎn)換透鏡組，該投影單元的數(shù)量為至少一個(gè)，各組成器件根據(jù)需要固定或繞系 統(tǒng)光軸旋轉(zhuǎn)；一旋轉(zhuǎn)鏡，隨旋轉(zhuǎn)平臺(tái)繞系統(tǒng)光軸旋轉(zhuǎn)，為反射鏡或半反半透鏡，數(shù)量為至少一個(gè)；虛 置目標(biāo)三維圖像于以系統(tǒng)光軸為中心的目標(biāo)圖像顯示區(qū)域內(nèi)，在旋轉(zhuǎn)鏡旋轉(zhuǎn)到某角位置 時(shí)，虛置目標(biāo)三維圖像關(guān)于該旋轉(zhuǎn)鏡的鏡像，作為此時(shí)投影單元需要投影視差圖像的三維 圖像原型；一光路折轉(zhuǎn)單元，由至少一個(gè)反射鏡組成，各組成器件繞系統(tǒng)光軸轉(zhuǎn)動(dòng)，該光路折轉(zhuǎn)單 元的數(shù)量為至少一個(gè)，各組成器件均置于投影單元光路中，折轉(zhuǎn)投影光路的傳輸方向；一共焦透鏡單元，由共焦面的兩透鏡組成，置于投影單元的衍射元件后，對(duì)衍射元件成 像，拉大系統(tǒng)器件和旋轉(zhuǎn)鏡之間距離，為光路的折轉(zhuǎn)提供空間，該共焦透鏡單元數(shù)量為至少 一個(gè)，固定或繞系統(tǒng)光軸旋轉(zhuǎn)；在上述旋轉(zhuǎn)鏡旋轉(zhuǎn)到任一角位置時(shí)，相應(yīng)投影單元的光調(diào) 制器件投影的視差圖像被該投影單元的衍射元件衍射，并在該衍射元件附近生成一個(gè)光分 布，通過光路折轉(zhuǎn)單元和共焦透鏡單元的單獨(dú)或共同作用，使該光分布或其像的分布空間覆蓋虛置目標(biāo)三維圖像關(guān)于該位置旋轉(zhuǎn)鏡的鏡像所占用空間，并使該投影單元投影的光場(chǎng)經(jīng)該位置旋轉(zhuǎn)鏡反射傳輸給觀察者；一觀察者定位單元，確定觀察者雙目相對(duì)顯示系統(tǒng)的空間位置；一空間鼠標(biāo)單元，其包括操縱手柄、帶操縱手柄的三維位移平臺(tái)、置于該平臺(tái)上的光標(biāo)單元和置于上述操縱手柄上的左右兩個(gè)功能鍵；在上述旋轉(zhuǎn)鏡和目標(biāo)圖像顯示區(qū)域空間分離的情況下，該光標(biāo)單元在目標(biāo)圖像顯示區(qū)域內(nèi)引入一個(gè)光標(biāo)，并以該光標(biāo)作為空間鼠標(biāo)對(duì)顯示的圖像內(nèi)容進(jìn)行指示，觀察者通過操縱手柄控制該三維位移平臺(tái)帶動(dòng)光標(biāo)單元在目標(biāo)圖像顯示區(qū)域內(nèi)自由移動(dòng)，將光標(biāo)單元引入的空間鼠標(biāo)指示于目標(biāo)圖像顯示區(qū)域內(nèi)的任意空間位置；一控制單元，對(duì)處于任一角位置的旋轉(zhuǎn)鏡，獲取虛置目標(biāo)三維圖像關(guān)于該旋轉(zhuǎn)鏡的鏡像，根據(jù)觀察者雙目相對(duì)顯示系統(tǒng)的空間位置，以該鏡像作為原型計(jì)算旋轉(zhuǎn)鏡旋轉(zhuǎn)到此位置時(shí)投影單元需要投影的視差圖像；當(dāng)旋轉(zhuǎn)鏡旋轉(zhuǎn)到不同角位置時(shí)，控制投影單元投影相應(yīng)的視差圖像；在系統(tǒng)引入光標(biāo)單元且觀察者單擊右功能鍵時(shí)，反饋光標(biāo)單元的空間位置， 并記錄光標(biāo)單元當(dāng)前空間位置對(duì)應(yīng)的顯示圖像的像點(diǎn)，控制投影單元投影嵌入菜單的目標(biāo)三維圖像關(guān)于旋轉(zhuǎn)鏡的鏡像的視差圖像；觀察者移動(dòng)光標(biāo)單元到顯示的菜單選項(xiàng)并單擊左功能鍵時(shí)，控制單元判定該選項(xiàng)被選定，并根據(jù)選定選項(xiàng)的要求對(duì)目標(biāo)三維圖像進(jìn)行后臺(tái)圖像處理，得到處理后的圖像作為新的目標(biāo)三維圖像，按上述方法控制投影單元投影新的視差圖像。
進(jìn)一步的，所述的投影單元的轉(zhuǎn)換透鏡可用衍射光學(xué)元件代替。
進(jìn)一步的，所述的共焦透鏡單元的透鏡可用衍射光學(xué)元件代替。
進(jìn)一步的，所述光標(biāo)單元為粗糙切割的光纖，耦合進(jìn)光纖的光束出射時(shí)在光纖斷面處形成一個(gè)發(fā)散光點(diǎn)，以該光點(diǎn)作為空間鼠標(biāo)對(duì)該光點(diǎn)所在位置光場(chǎng)內(nèi)容進(jìn)行指示。
進(jìn)一步的，所述光標(biāo)單元為可以自行發(fā)光或反射外部投射光的物點(diǎn)或具有一定幾何形狀的結(jié)構(gòu)物，如 LED、0LED、高溫金屬球或粗糙熒光球等。
基于體視技術(shù)的全視角三維顯示方法，其包括以下步驟a、建立xyz軸坐標(biāo)，z軸為系統(tǒng)光軸，目標(biāo)圖像顯示區(qū)域?yàn)橐韵到y(tǒng)光軸為中心軸的圓柱體區(qū)域，虛擬放置目標(biāo)三維圖像于該目標(biāo)圖像顯示區(qū)域內(nèi)；b、繞系統(tǒng)光軸確定N個(gè)角位置角位置1、角位置2···角位置N;旋轉(zhuǎn)鏡位于任意角位置 η時(shí)，虛置目標(biāo)三維圖像關(guān)于該旋轉(zhuǎn)鏡的鏡像為鏡像η ；C、借助光路折轉(zhuǎn)單元和共焦透鏡單元，或直接設(shè)計(jì)投影單元的光路，在旋轉(zhuǎn)鏡旋轉(zhuǎn)到角位置η時(shí)，使相應(yīng)投影單元的光調(diào)制器件投影的視差圖像被該投影單元的衍射元件衍射所生成的光分布或其像的分布空間覆蓋鏡像η所占用空間；以鏡像η為對(duì)象由控制系統(tǒng)計(jì)算對(duì)應(yīng)投影單元需要投影的視差圖像η ;當(dāng)旋轉(zhuǎn)鏡旋轉(zhuǎn)到角位置η時(shí)，對(duì)應(yīng)投影單元投影視差圖像η并被角位置η處旋轉(zhuǎn)鏡反射傳輸給觀察者；旋轉(zhuǎn)鏡旋轉(zhuǎn)速度很高時(shí)，基于視覺滯留，實(shí)現(xiàn)全視角三維圖像顯示；d、在旋轉(zhuǎn)鏡和目標(biāo)圖像顯示區(qū)域在空間上沒有重合的前提下，觀察者通過三維位移平臺(tái)可以將空間鼠標(biāo)移動(dòng)到顯示光場(chǎng)的任意位置，實(shí)現(xiàn)顯示三維圖像內(nèi)容的三維鼠標(biāo)指示；e、當(dāng)右功能鍵被單擊時(shí),控制單元記錄空間鼠標(biāo)單元此時(shí)指示顯示圖像的像點(diǎn)，并控制投影單元投影嵌入菜單圖像的目標(biāo)三維圖像關(guān)于旋轉(zhuǎn)鏡的鏡像，同步驟C，實(shí)現(xiàn)帶嵌入菜單的三維圖像的顯示；f、觀察者移動(dòng)空間鼠標(biāo)到顯示菜單的某選項(xiàng)處，單擊左功能鍵，控制單元判定該選項(xiàng)被選定，并根據(jù)選定選項(xiàng)的要求對(duì)目標(biāo)三維圖像進(jìn)行圖像處理后得到新的目標(biāo)三維圖像， 采用與步驟c同樣的處理方式，顯示新的目標(biāo)三維圖像，實(shí)現(xiàn)互動(dòng)的三維圖像顯示。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，有益效果是本發(fā)明通過衍射光柵控制投影圖像各像點(diǎn)衍射角的大小，借助于高速旋轉(zhuǎn)的半透半反鏡或反射鏡的空間掃描，基于體視技術(shù)可以在360度的范圍實(shí)現(xiàn)全視角的三維光場(chǎng)顯示。通過合理設(shè)計(jì)視差圖像投影光路，將投影視差圖像的分布空間和目標(biāo)圖像顯示區(qū)域進(jìn)行空間上的分離，并在目標(biāo)圖像顯示區(qū)域引入可以對(duì)顯示三維圖像進(jìn)行指示和菜單操作的空間鼠標(biāo)，實(shí)現(xiàn)互動(dòng)式的三維圖像顯示。


圖1是本發(fā)明的單調(diào)制器件的互動(dòng)式全視角三維顯示系統(tǒng)示意圖。
圖2是獲取視差圖像的計(jì)算方法示意圖。
圖3含選項(xiàng)圖標(biāo)的嵌入菜單。
圖4引入共焦透鏡單元的顯示系統(tǒng)部分結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5旋轉(zhuǎn)投影單元結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6多個(gè)同步旋轉(zhuǎn)的投影單元的分布示意圖。
10、10’ 投影單元 11、11’ 光調(diào)制器件 12、12’ 轉(zhuǎn)換透鏡 13、13’ 衍射元件20、旋轉(zhuǎn)平臺(tái)30、30’ 旋轉(zhuǎn)鏡40、光路折轉(zhuǎn)單元41、反射鏡50,50':共焦透鏡單元 51、51’ 透鏡 60、空間鼠標(biāo)單元61、三維位移平臺(tái)62、光標(biāo)單元63、操縱手柄64、左功能鍵65、右功能鍵70、控制單元80、觀察者定位單元具體實(shí)施方式
本發(fā)明基于體視技術(shù)和觀察者追蹤技術(shù)，通過旋轉(zhuǎn)鏡的反射掃描，設(shè)計(jì)互動(dòng)式全視角三維圖像顯示系統(tǒng)。
采用單個(gè)固定的調(diào)制器件11和單個(gè)旋轉(zhuǎn)鏡30的系統(tǒng)光路結(jié)構(gòu)如圖1所示旋轉(zhuǎn)平臺(tái)20繞系統(tǒng)光軸z軸旋轉(zhuǎn)；投影單元10由二維光調(diào)制器11、轉(zhuǎn)換透鏡12和衍射元件13 組成，用來使投影單元10的光路根據(jù)需要沿折線傳輸?shù)墓饴氛坜D(zhuǎn)單元40由插入投影單元 10光路中的兩個(gè)反射鏡41組成，其中衍射元件13和光路折轉(zhuǎn)單元40隨旋轉(zhuǎn)平臺(tái)20同步旋轉(zhuǎn)；衍射元件13的出射光被隨旋轉(zhuǎn)平臺(tái)20同步旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)鏡30反射給觀察者,該旋轉(zhuǎn)鏡30為半反半透鏡；在旋轉(zhuǎn)鏡30位于任意角位置η時(shí)，各旋轉(zhuǎn)器件均繞系統(tǒng)光軸位于同樣的角位置η，此時(shí)，定義平行入射光中過轉(zhuǎn)換透鏡12中心的光束為主光束，其傳輸路徑位于同一平面內(nèi)，定義此平面為主平面Sn，該平行入射光經(jīng)轉(zhuǎn)換透鏡12匯聚于點(diǎn)Pn ;設(shè)計(jì)各光學(xué)器件的空間位置，使衍射元件13關(guān)于旋轉(zhuǎn)鏡30的鏡像處于以光軸為中心軸的柱體目標(biāo)圖像顯示區(qū)域，且旋轉(zhuǎn)鏡30占用的空間和目標(biāo)圖像顯示區(qū)域在空間上沒有重合。
觀察者定位系統(tǒng)80確定觀察者距離系統(tǒng)光軸距離為d，其雙目相對(duì)于原點(diǎn)所在的高度為h。以系統(tǒng)光軸上距原點(diǎn)高度為h的點(diǎn)為圓心，以d為半徑做圓，此圓為觀察者的觀察位置圓。沿光路折轉(zhuǎn)單元40兩個(gè)反射鏡41的反射面和旋轉(zhuǎn)鏡30的反射面對(duì)光路經(jīng)進(jìn)行折疊，如圖2，其中Pn’為圖1中的Pn點(diǎn)經(jīng)上述三個(gè)反射面反射得到的像點(diǎn)。連接Pn’和二維光調(diào)制器11的放大像上的像素點(diǎn)Pixelm，包含Pn’ Pixelm且平行于z軸的平面交觀察位置圓于V點(diǎn)。連接點(diǎn)Pixeln^P V，交虛置待顯示三維圖像關(guān)于對(duì)應(yīng)位置旋轉(zhuǎn)鏡30的鏡像于PmA，則Pm點(diǎn)在Pixelm上的投影在二維光調(diào)制器11上的對(duì)應(yīng)值即為需要投影的像素值。 對(duì)其它像素點(diǎn)同樣處理，即可獲得旋轉(zhuǎn)鏡30在角位置η時(shí)投影單元10需要投影的視差圖像。
選擇衍射元件13，使其在包含ζ軸的垂直平面內(nèi)有較大的衍射角，在垂直于ζ軸的水平面內(nèi)具確定的衍射角360° /N，N為正整數(shù)。設(shè)定N個(gè)角位置，各角位置的間距為 360° /N。在不同角位置時(shí)，按上述方法獲取對(duì)應(yīng)的視差圖像。
各繞系統(tǒng)光軸旋轉(zhuǎn)的器件同步旋轉(zhuǎn)到不同角位置時(shí)，投影單元10投影對(duì)應(yīng)的視差圖像，當(dāng)各器件的旋轉(zhuǎn)速度和光調(diào)制器件11的刷新頻率都很高時(shí)，基于視覺滯留效應(yīng)， 實(shí)現(xiàn)全視角的三維圖像顯示。
由于目標(biāo)圖像顯示區(qū)域和旋轉(zhuǎn)鏡30在空間上時(shí)分離的，可以在無實(shí)物存在的目標(biāo)圖像顯示區(qū)域內(nèi)引入一個(gè)耦合了光束的光纖頭。該光纖頭作為光標(biāo)單元62由三維位移平臺(tái)61承載在目標(biāo)圖像顯示區(qū)的三維空間內(nèi)自由移動(dòng)。光標(biāo)單元62的出射光形成一個(gè)向四周散射的光點(diǎn)，可以對(duì)顯示于目標(biāo)圖像顯示區(qū)域的虛目標(biāo)三維圖像進(jìn)行空間內(nèi)容的三維指示，就像我們?cè)陔娔X屏幕上用二維鼠標(biāo)對(duì)二維顯示內(nèi)容進(jìn)行指示一樣。三維位移平臺(tái)61 的操縱手柄63上設(shè)有兩個(gè)控制鍵左控制鍵64和右控制鍵65。移動(dòng)光標(biāo)單元62指示于顯示光場(chǎng)的某空間位置時(shí)，控制單元70記錄該位置光標(biāo)單元所指示顯示圖像的像點(diǎn)。單擊右功能鍵65，控制單元70控制系統(tǒng)顯示嵌入了空間菜單的目標(biāo)三維圖像。
嵌入菜單的目標(biāo)三維圖像，采用如下方法獲得當(dāng)系統(tǒng)各旋轉(zhuǎn)器件同步旋轉(zhuǎn)到任意角位置η時(shí)，在虛置目標(biāo)三維圖像中過系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)軸且垂直于主平面Sn插入一個(gè)平面Ρη，Ρη 中沿ζ軸方向畫有二維菜單的選項(xiàng)圖標(biāo)。簡單以含有放大、縮小、前進(jìn)到下一項(xiàng)操作和返回到前一項(xiàng)操作四個(gè)選項(xiàng)的菜單為例，如圖3所示?？紤]遮掩效應(yīng)，目標(biāo)三維圖像中對(duì)嵌入菜單的選項(xiàng)圖案有遮掩作用的部分需要去除，即得到位置η對(duì)應(yīng)的嵌入菜單的目標(biāo)三維圖像 η。嵌入菜單的目標(biāo)三維圖像η關(guān)于角位置η處旋轉(zhuǎn)鏡30的鏡像，作為三維模型，采用圖2 所示解釋的方法獲得旋轉(zhuǎn)鏡30在角位置η時(shí)投影單元10需要投影的嵌入菜單的三維圖像的視差圖像。
不同角位置對(duì)應(yīng)的二維菜單的選項(xiàng)圖標(biāo)相同，對(duì)應(yīng)的嵌入菜單的目標(biāo)三維圖像是不同的。觀察者觀察時(shí)雙眼看到的菜單圖案完全一致，會(huì)產(chǎn)生一定的重影，但由于各圖案在空間位置上比較接近，其重影的程度可以為系統(tǒng)容忍。則各繞系統(tǒng)光軸旋轉(zhuǎn)的器件同步高速旋轉(zhuǎn)到不同角位置時(shí)，投影單元10投影對(duì)應(yīng)的嵌入菜單的三維圖像的視差圖像，基于視覺滯留效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)全視角的嵌入菜單的三維圖像顯示。
對(duì)每個(gè)菜單選項(xiàng)，其繞ζ軸旋轉(zhuǎn)掃描過的空間作為該選項(xiàng)的有效空間。移動(dòng)光標(biāo)單元62到某菜單選項(xiàng)的有效空間并單擊左功能鍵64時(shí)，控制單元70判定該選項(xiàng)被選定，并以控制單元70上次記錄的光標(biāo)單元62所指示的顯示圖像的像點(diǎn)為中心,后臺(tái)按選定選項(xiàng)的要求對(duì)目標(biāo)三維圖像做電子圖像處理。處理后得到的新的三維圖像作為新的三維圖像，由系統(tǒng)按同樣的方法進(jìn)行顯示，完成互動(dòng)式的三維圖像顯示。
在圖1中，受旋轉(zhuǎn)鏡30和相鄰光學(xué)元件衍射元件13之間有限空間的限制，當(dāng)觀察者的位置相對(duì)于目標(biāo)圖像顯示區(qū)域沿ζ軸負(fù)方向移動(dòng)時(shí)，旋轉(zhuǎn)鏡30可能會(huì)部分遮擋顯示的三維圖像。如圖4所示，在衍射元件13后沿光路設(shè)置共焦透鏡單元50，可以拉大旋轉(zhuǎn)鏡30 和相鄰光學(xué)元件之間的空間，此時(shí)該相鄰元件為共焦透鏡單元50的透鏡51。這種光路設(shè)計(jì)，可以沿ζ軸方向?yàn)橛^察者獲得更大的觀察區(qū)域。
在圖4中，旋轉(zhuǎn)鏡30沿光路位于衍射元件13的后面，目標(biāo)圖像顯示區(qū)內(nèi)顯示的圖像為虛像，同時(shí)為了保證觀察者可以看到引入的光標(biāo)單元62，該旋轉(zhuǎn)鏡30要為半透半反鏡。若空間允許，沿光路置旋轉(zhuǎn)鏡30位于衍射元件13前面，可以將衍射光線會(huì)聚目標(biāo)圖像顯示區(qū)，沿光束傳輸方向，在目標(biāo)圖像顯示區(qū)內(nèi)衍射元件13的后面，得到實(shí)的顯示圖像，此時(shí)的旋轉(zhuǎn)鏡30可以采用反射鏡，降低半透半反鏡對(duì)系統(tǒng)入射光強(qiáng)的浪費(fèi)。若在目標(biāo)圖像顯示區(qū)內(nèi)衍射元件13的前面部分也由圖像顯示，此部分圖像為虛像，則整個(gè)目標(biāo)圖像顯示區(qū)內(nèi)顯示的圖像為部分實(shí)像和部分虛像的合成。
對(duì)于系統(tǒng)中的衍射元件13，在圖4中，可以采用以系統(tǒng)光軸為中心的一個(gè)靜止的圓·環(huán)型衍射光柵，其衍射特性為在包含系統(tǒng)光軸的平面內(nèi)衍射角較大，在繞旋系統(tǒng)光軸的切平面內(nèi)衍射角為360° /N。其尺寸需要保證各角位置時(shí)光調(diào)制器件11的放大像完全可以投影到該圓環(huán)型衍射光柵上。
受調(diào)制器件11刷新頻率的限制，為實(shí)現(xiàn)沒有明顯閃爍效應(yīng)的三維圖像，圖1所示系統(tǒng)選用的角位置數(shù)目不能很高，影響系統(tǒng)顯示質(zhì)量。采用多個(gè)投影單元10’，可以降低對(duì)系統(tǒng)調(diào)制器件11刷新頻率的要求。如圖5，以單個(gè)投影單元10’、一個(gè)共焦透鏡單元50’和一個(gè)旋轉(zhuǎn)鏡30’組合作為一個(gè)旋轉(zhuǎn)單元，它們共同繞系統(tǒng)光軸同步旋轉(zhuǎn)，此處的旋轉(zhuǎn)鏡30’ 為半透半反鏡。
在不同角位置時(shí)，采用如上述的同樣的方法，獲得該位置對(duì)應(yīng)的目標(biāo)三維圖像和嵌入菜單的目標(biāo)三維圖像在此角位置對(duì)應(yīng)的視差圖像。設(shè)計(jì)M個(gè)旋轉(zhuǎn)單元繞系統(tǒng)光軸對(duì)稱分布，如圖6，則在同一時(shí)刻，M各旋轉(zhuǎn)單元各自旋轉(zhuǎn)到某一角位置，各自投影其角位置對(duì)應(yīng)的視差圖像，可以同時(shí)顯示M各視差圖像，對(duì)調(diào)制器件11’刷新頻率的要求下降了 M倍。 采用多個(gè)投影單元的顯示系統(tǒng)，和圖1所示一樣，可以引入空間鼠標(biāo)單元60，采用同樣的方法，實(shí)現(xiàn)互動(dòng)式的三維圖像顯示。
以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，對(duì)發(fā)明的技術(shù)方案可以做若干適合實(shí)際情況的改進(jìn)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于此，本領(lǐng)域中的技術(shù)人員任何基于本發(fā)明技術(shù)方案上非實(shí)質(zhì)性變更均包括在本發(fā)明保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.基于體視技術(shù)的全視角三維顯示系統(tǒng)，其特征在于，包括一旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，繞系統(tǒng)光軸旋轉(zhuǎn)；一投影單元，其包括加載視差圖像信息的二維光調(diào)制器件、控制出射光衍射角大小的衍射元件和放大上述光調(diào)制器件的輸出光信息并將該放大光信息投影到上述衍射元件的轉(zhuǎn)換透鏡或轉(zhuǎn)換透鏡組，該投影單元的數(shù)量為至少一個(gè)，各組成器件根據(jù)需要固定或繞系統(tǒng)光軸旋轉(zhuǎn)；一旋轉(zhuǎn)鏡，隨旋轉(zhuǎn)平臺(tái)繞系統(tǒng)光軸旋轉(zhuǎn)，為反射鏡或半反半透鏡，數(shù)量為至少一個(gè)；虛置目標(biāo)三維圖像于以系統(tǒng)光軸為中心的目標(biāo)圖像顯示區(qū)域內(nèi)，在旋轉(zhuǎn)鏡旋轉(zhuǎn)到某角位置時(shí)，虛置目標(biāo)三維圖像關(guān)于該旋轉(zhuǎn)鏡的鏡像，作為此時(shí)投影單元需要投影視差圖像的三維圖像原型；一光路折轉(zhuǎn)單元，由至少一個(gè)反射鏡組成，各組成器件繞系統(tǒng)光軸轉(zhuǎn)動(dòng)，該光路折轉(zhuǎn)單元的數(shù)量為至少一個(gè)，各組成器件均置于投影單元光路中，折轉(zhuǎn)投影光路的傳輸方向；一共焦透鏡單元，由共焦面的兩透鏡組成，置于投影單元的衍射元件后，對(duì)衍射元件成像，拉大系統(tǒng)器件和旋轉(zhuǎn)鏡之間距離，為光路的折轉(zhuǎn)提供空間，該共焦透鏡單元數(shù)量為至少一個(gè)，固定或繞系統(tǒng)光軸旋轉(zhuǎn)；在上述旋轉(zhuǎn)鏡旋轉(zhuǎn)到任一角位置時(shí)，相應(yīng)投影單元的光調(diào)制器件投影的視差圖像被該投影單元的衍射元件衍射，并在該衍射元件附近生成一個(gè)光分布，通過光路折轉(zhuǎn)單元和共焦透鏡單元的單獨(dú)或共同作用，使該光分布或其像的分布空間覆蓋虛置目標(biāo)三維圖像關(guān)于該位置旋轉(zhuǎn)鏡的鏡像所占用空間，并使該投影單元投影的光場(chǎng)經(jīng)該位置旋轉(zhuǎn)鏡反射傳輸給觀察者；一觀察者定位單元，確定觀察者雙目相對(duì)顯示系統(tǒng)的空間位置；一空間鼠標(biāo)單元，其包括操縱手柄、帶操縱手柄的三維位移平臺(tái)、置于該平臺(tái)上的光標(biāo)單元和置于上述操縱手柄上的左右兩個(gè)功能鍵；在上述旋轉(zhuǎn)鏡和目標(biāo)圖像顯示區(qū)域空間分離的情況下，該光標(biāo)單元在目標(biāo)圖像顯示區(qū)域內(nèi)引入一個(gè)光標(biāo)，并以該光標(biāo)作為空間鼠標(biāo)對(duì)顯示的圖像內(nèi)容進(jìn)行指示，觀察者通過操縱手柄控制該三維位移平臺(tái)帶動(dòng)光標(biāo)單元在目標(biāo)圖像顯示區(qū)域內(nèi)自由移動(dòng)，將光標(biāo)單元引入的空間鼠標(biāo)指示于目標(biāo)圖像顯示區(qū)域內(nèi)的任意空間位置；一控制單元，對(duì)處于任一角位置的旋轉(zhuǎn)鏡，獲取虛置目標(biāo)三維圖像關(guān)于該旋轉(zhuǎn)鏡的鏡像，根據(jù)觀察者雙目相對(duì)顯示系統(tǒng)的空間位置，以該鏡像作為原型計(jì)算旋轉(zhuǎn)鏡旋轉(zhuǎn)到此位置時(shí)投影單元需要投影的視差圖像；當(dāng)旋轉(zhuǎn)鏡旋轉(zhuǎn)到不同角位置時(shí)，控制投影單元投影相應(yīng)的視差圖像；在系統(tǒng)引入光標(biāo)單元且觀察者單擊右功能鍵時(shí)，反饋光標(biāo)單元的空間位置， 并記錄光標(biāo)單元當(dāng)前空間位置對(duì)應(yīng)的顯示圖像的像點(diǎn)，控制投影單元投影嵌入菜單的目標(biāo)三維圖像關(guān)于旋轉(zhuǎn)鏡的鏡像的視差圖像；觀察者移動(dòng)光標(biāo)單元到顯示的菜單選項(xiàng)并單擊左功能鍵時(shí)，控制單元判定該選項(xiàng)被選定，并根據(jù)選定選項(xiàng)的要求對(duì)目標(biāo)三維圖像進(jìn)行后臺(tái)圖像處理，得到處理后的圖像作為新的目標(biāo)三維圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于體視技術(shù)的全視角三維顯示系統(tǒng)，其特征在于所述的投影單元的轉(zhuǎn)換透鏡可用衍射光學(xué)元件代替。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于體視技術(shù)的全視角三維顯示系統(tǒng)，其特征在于所述的共焦透鏡單元的透鏡可用衍射光學(xué)元件代替。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于體視技術(shù)的全視角三維顯示系統(tǒng)，其特征在于所述的光標(biāo)單元為粗糙切割的光纖，耦合進(jìn)光纖的光束出射時(shí)在光纖斷面處形成一個(gè)發(fā)散光點(diǎn)， 以該光點(diǎn)作為空間鼠標(biāo)對(duì)該光點(diǎn)所在位置光場(chǎng)內(nèi)容進(jìn)行指示。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于體視技術(shù)的全視角三維顯示系統(tǒng)，其特征在于所述的光標(biāo)單元為自行發(fā)光或反射外部投射光的物點(diǎn)或具有一定幾何形狀的結(jié)構(gòu)物。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于體視技術(shù)的全視角三維顯示系統(tǒng)，其特征在于所述的自行發(fā)光的物點(diǎn)為LED或OLED。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于體視技術(shù)的全視角三維顯示系統(tǒng)，其特征在于所述的自行發(fā)光的物點(diǎn)為高溫金屬球。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于體視技術(shù)的全視角三維顯示系統(tǒng)，其特征在于所述的反射外部投射光的物點(diǎn)為粗糙熒光球。
9.基于體視技術(shù)的全視角三維顯示方法，其特征在于包括權(quán)利要求1一 8任一所述的基于體視技術(shù)的全視角三維顯示系統(tǒng)，包括以下步驟a、建立xyz軸坐標(biāo)，z軸為系統(tǒng)光軸，目標(biāo)圖像顯示區(qū)域?yàn)橐韵到y(tǒng)光軸為中心軸的圓柱體區(qū)域，虛擬放置目標(biāo)三維圖像于該目標(biāo)圖像顯示區(qū)域內(nèi)；b、繞系統(tǒng)光軸確定N個(gè)角位置角位置1、角位置2···角位置N;旋轉(zhuǎn)鏡位于任意角位置 η時(shí)，虛置目標(biāo)三維圖像關(guān)于該旋轉(zhuǎn)鏡的鏡像為鏡像η ；C、借助光路折轉(zhuǎn)單元和共焦透鏡單元，或直接設(shè)計(jì)投影單元的光路，在旋轉(zhuǎn)鏡旋轉(zhuǎn)到角位置η時(shí)，使相應(yīng)投影單元的光調(diào)制器件投影的視差圖像被該投影單元的衍射元件衍射所生成的光分布或其像的分布空間覆蓋鏡像η所占用空間；以鏡像η為對(duì)象由控制系統(tǒng)計(jì)算對(duì)應(yīng)投影單元需要投影的視差圖像η ;當(dāng)旋轉(zhuǎn)鏡旋轉(zhuǎn)到角位置η時(shí)，對(duì)應(yīng)投影單元投影視差圖像η并被角位置η處旋轉(zhuǎn)鏡反射傳輸給觀察者；旋轉(zhuǎn)鏡旋轉(zhuǎn)時(shí)，基于視覺滯留，實(shí)現(xiàn)全視角三維圖像顯示；d、觀察者通過三維位移平臺(tái)可以將空間鼠標(biāo)移動(dòng)到顯示光場(chǎng)的任意位置，實(shí)現(xiàn)顯示三維圖像內(nèi)容的三維鼠標(biāo)指示；e、當(dāng)右功能鍵被單擊時(shí),控制單元記錄空間鼠標(biāo)單元此時(shí)指示顯示圖像的像點(diǎn)，并控制投影單元投影嵌入菜單圖像的目標(biāo)三維圖像關(guān)于旋轉(zhuǎn)鏡的鏡像，同步驟C，實(shí)現(xiàn)帶嵌入菜單的三維圖像的顯示；f、觀察者移動(dòng)空間鼠標(biāo)到顯示菜單的某選項(xiàng)處，單擊左功能鍵，控制單元判定該選項(xiàng)被選定，并根據(jù)選定選項(xiàng)的要求對(duì)目標(biāo)三維圖像進(jìn)行圖像處理后得到新的目標(biāo)三維圖像， 采用與步驟c同樣的處理方式，顯示新的目標(biāo)三維圖像，實(shí)現(xiàn)互動(dòng)的三維圖像顯示。
全文摘要
本發(fā)明涉及三維圖像顯示技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于體視技術(shù)和分時(shí)復(fù)用技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的互動(dòng)式360°可視三維顯示系統(tǒng)和方法?；隗w視技術(shù)的全視角三維顯示系統(tǒng)，包括一旋轉(zhuǎn)平臺(tái)、一投影單元、一旋轉(zhuǎn)鏡、一光路折轉(zhuǎn)單元、一共焦透鏡單元、一觀察者定位單元、一空間鼠標(biāo)單元、一控制單元，通過合理設(shè)計(jì)視差圖像投影光路，將投影視差圖像的分布空間和目標(biāo)圖像顯示區(qū)域進(jìn)行空間上的分離，并在目標(biāo)圖像顯示區(qū)域引入可以對(duì)顯示三維圖像進(jìn)行指示和菜單操作的空間鼠標(biāo)，實(shí)現(xiàn)互動(dòng)式的三維圖像顯示。
文檔編號(hào)G02B27/22GK103019023SQ20121047479
公開日2013年4月3日 申請(qǐng)日期2012年11月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月21日
發(fā)明者劉立林 申請(qǐng)人:中山大學(xué)