專利名稱：一種基于投影機(jī)陣列的懸浮式360°視場三維顯示裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及顯示裝置，尤其涉及一種基于投影機(jī)陣列的懸浮式360°視場三維顯示裝置。
背景技術(shù)：
目前，隨著平板顯示、數(shù)字圖像處理等技術(shù)的發(fā)展，三維顯示技術(shù)得到了快速的發(fā)展，正在逐漸走進(jìn)我們的日常生活。三維顯示主要是通過人的視覺感知等暗示來產(chǎn)生立體視覺，從而讓人感知到顯示物體的深度信息。三維顯示技術(shù)的應(yīng)用也十分廣泛，在生物醫(yī)學(xué)、建筑規(guī)劃、影視娛樂、視頻通信、科學(xué)展示和商品廣告等許多領(lǐng)域都有很好的應(yīng)用前景。 目前已廣泛應(yīng)用并推向市場的三維顯示主要為視差型的三維顯示。在實際生活中，當(dāng)人的雙眼觀看物體時，左右眼位于左右不同的位置以稍微不同的角度來觀察，從而在視網(wǎng)膜上形成略有差異的圖像，經(jīng)人的大腦融合后便會感知到具有深度信息的三維圖像。視差型三維顯示有很多具體的實現(xiàn)方式，主要分為體視三維顯示和自動體視三維顯示。體視三維顯示需要佩戴眼鏡等助視工具，通過眼鏡和圖像的配合，來保證觀察者的雙眼看到分別對應(yīng)于左右眼的圖像，從而產(chǎn)生立體視覺。這種方法主要采用互補色、偏振光或液晶開關(guān)等，目前已經(jīng)普遍應(yīng)用于3D電影、3D電視等領(lǐng)域。但是這種方式需要借助外部工具，且不能實現(xiàn) 360°環(huán)繞觀看，長期觀看易造成人眼的視覺疲勞等不適應(yīng)狀況。自動體視三維顯示是一種無須佩戴眼鏡等輔助工具即可使雙眼看到具有雙目視差圖像的三維顯示技術(shù)。這種方法多采用視差柵欄、柱鏡光柵等結(jié)構(gòu)，使觀察者在固定的一些區(qū)域裸眼觀看，產(chǎn)生三維立體視覺?；谶@種技術(shù)的三維電視產(chǎn)品已經(jīng)商業(yè)化，并開始進(jìn)入家用市場。但這種方式也不能實現(xiàn)360°環(huán)繞觀看，且只能在固定的可視區(qū)域內(nèi)觀察，視角數(shù)較少。全景視場三維顯示是一種通過模擬人眼觀察實際三維場景的方式，在不同的視角顯示出三維場景對應(yīng)于這一視角的圖像，通過高密度的視角分割，使觀察者在一周不同位置均能看到與此位置相對應(yīng)的實際三維場景的真實三維再現(xiàn)。這種顯示方式完全符合人眼客觀觀看三維物體的方式，再現(xiàn)出具有空間透視遮擋關(guān)系的三維物體，可多人360°環(huán)繞裸眼觀看。目前，實現(xiàn)這種三維顯示多數(shù)采用顯示媒介運動的方式，并且顯示的三維物體空間與顯示媒介運動的方式基本重疊，故不能實現(xiàn)觸摸交互。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于投影機(jī)陣列的懸浮式360° 視場三維顯示裝置。一種基于投影機(jī)陣列的懸浮式360°空間三維顯示裝置包括透射式平面環(huán)型散射屏、投影機(jī)陣列、圖像分割器和計算機(jī)，其中投影機(jī)陣列位于透射式平面環(huán)型散射屏下方并垂直往上投影，投影機(jī)陣列呈圓周分布且相互之間的間隔相等，透射式平面環(huán)型散射屏把投影機(jī)陣列的投影光線往透射式平面環(huán)型散射屏的屏幕中心方向偏折；投影機(jī)陣列、圖像分割器和計算機(jī)順次相連。
所述的透射式平面環(huán)型散射屏是由環(huán)狀鋸齒型光柵屏和環(huán)狀柱面光柵屏上下組合而成。所述的透射式平面環(huán)型散射屏是全息透射屏。另一種基于投影機(jī)陣列的懸浮式360°空間三維顯示裝置包括投影機(jī)陣列、圖像分割器、計算機(jī)和反射式平面環(huán)型散射屏，其中投影機(jī)陣列位于反射式平面環(huán)型散射屏上方并垂直往下投影，投影機(jī)陣列呈圓周分布且相互之間的間隔相等，反射式平面環(huán)型散射屏把投影機(jī)陣列的投影光線往反射式平面環(huán)型散射屏的屏幕中心方向反射偏折；投影機(jī)陣列、圖像分割器和計算機(jī)順次相連。所述的反射式平面環(huán)型散射屏是由環(huán)狀柱面光柵屏和環(huán)狀反射式鋸齒型光柵屏上下組合而成。所述的反射式平面環(huán)型散射屏是全息反射屏。所述的圖像分割器包括現(xiàn)場可編程門陣列、存儲器和數(shù)字/模擬視頻轉(zhuǎn)換器陣列；其中現(xiàn)場可編程門陣列分別連接存儲器和數(shù)字/模擬視頻轉(zhuǎn)換器陣列。
本發(fā)明提出一種基于投影機(jī)陣列的360°視場空間顯示裝置，該顯示裝置通過利用透射式/反射式平面環(huán)形散射屏來實現(xiàn)懸浮式空間三維顯示，實現(xiàn)了實際顯示媒介與三維顯示空間的分離，顯示的三維場景懸浮于透射式/反射式平面環(huán)形散射屏上方，可探入進(jìn)行觸摸交互，以便實現(xiàn)交互性的三維顯示。


圖1是一種基于投影機(jī)陣列的懸浮式360°空間三維顯示裝置結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是本發(fā)明的透射式平面環(huán)型散射屏的結(jié)構(gòu)圖3是另一種基于投影機(jī)陣列的懸浮式360°空間三維顯示裝置結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4是本發(fā)明的反射式平面環(huán)型散射屏的結(jié)構(gòu)圖； 圖5是本發(fā)明的圖像分割器的組成模塊及數(shù)據(jù)關(guān)系框圖中透射式平面環(huán)型散射屏1、投影機(jī)陣列2、圖像分割器3、計算機(jī)4、反射式平面環(huán)型散射屏5、環(huán)狀鋸齒型光柵屏11、環(huán)狀柱面光柵屏12、現(xiàn)場可編程門陣列31、存儲器32、數(shù)字/模擬視頻轉(zhuǎn)換器陣列33、環(huán)狀柱面光柵屏51、環(huán)狀反射式鋸齒型光柵屏52。
具體實施例方式基于投影機(jī)陣列的懸浮式360°空間三維顯示裝置可以實現(xiàn)懸浮式可觸摸的全景視場三維顯示。懸浮式全景視場空間三維顯示通過投影機(jī)陣列將不同視角顯示三維物體的各個視場圖像投影到平面環(huán)型散射屏上。由于平面環(huán)型散射屏對各個視場圖像發(fā)光角度的限制，使得周圍的觀察者的左右眼看見不同的圖像，從而產(chǎn)生立體視覺。采用這種方法的顯示物體懸浮于平面環(huán)型散射屏上方，可探入觸摸交互，并且具有透視消隱、水平360°視場多人裸眼同時觀看等特點。如圖1所示，一種基于投影機(jī)陣列的懸浮式360°空間三維顯示裝置，包括透射式平面環(huán)型散射屏1、投影機(jī)陣列2、圖像分割器3和計算機(jī)4。其中，投影機(jī)陣列2位于透射式平面環(huán)型散射屏1下方并垂直往上投影，將三維場景經(jīng)處理后各個視場的圖像投影到透射式平面環(huán)型散射屏1上。透射式平面環(huán)型散射屏1控制投影機(jī)陣列2的投影光線的出射角度。在垂直方向上，透射式平面環(huán)型散射屏1把透射的投影機(jī)陣列2的投影光線往透射式平面環(huán)型散射屏1的屏幕中心方向偏折；在水平方向上，以比較小的發(fā)散角度出射，其角度大小由投影機(jī)陣列2的位置和角度間隔、透射式平面環(huán)型散射屏1的偏折角度以及觀察者的位置等多個系統(tǒng)參數(shù)決定。對于投影機(jī)陣列2中的一臺投影機(jī)，觀察者在某一固定的視點上觀看，只能看到這臺投影機(jī)投出圖像的一部分窄條。而對于這一視點觀看的實際圖像則為投影機(jī)陣列2中連續(xù)多臺投影機(jī)投出窄條圖像的組合圖像。當(dāng)視角間隔足夠密的時候，人的雙眼分別位于兩個不同的視角，則看到不同的圖像，從而產(chǎn)生立體視覺。投影機(jī)陣列2呈圓周分布且相互之間角度間隔相等，其中軸與透射式平面環(huán)型散射屏1的中軸重合。 當(dāng)投影機(jī)陣列2分布的角度間隔越小，顯示三維場景的視角數(shù)越多，每一視角所觀察到的圖像越細(xì)膩。投影機(jī)陣列2的分布可為單層或多層結(jié)構(gòu)。若為單層結(jié)構(gòu)，投影機(jī)陣列2按同一個圓周分布，保證能覆蓋整個透射式平面環(huán)型散射屏1。由于投影機(jī)的尺寸限制或屏幕較大等原因，要保證覆蓋整個透射式平面環(huán)形散射屏1且有較小的角度間隔，投影機(jī)陣列2 的分布可為多層結(jié)構(gòu)，可按多個同心的圓周分布，在徑向上將投影機(jī)錯開。投影機(jī)陣列2、圖像分割器3和計算機(jī)4順次相連。計算機(jī)4對需要顯示的三維場景進(jìn)行處理計算得到供投影機(jī)陣列2投影的圖像，并將這些圖像數(shù)據(jù)打包傳入圖像分割器3。圖像分割器3將這些打包的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分割并分配傳輸給投影機(jī)陣列2中的各個投影機(jī)。如圖2所示，所述的透射式平面環(huán)型散射屏1是由環(huán)狀鋸齒型光柵屏11和環(huán)狀柱面光柵屏12上下組合而成。透射式平面環(huán)型散射屏1主要是用于控制出射光的角度，保證周圍的觀察者的雙眼看到對應(yīng)于其位置的圖像來產(chǎn)生雙目視差。在垂直方向上，透射式平面環(huán)型散射屏1把透射的投影機(jī)陣列2的投影光線往透射式平面環(huán)型散射屏1的屏幕中心方向偏折；在水平方向上，以比較小的發(fā)散角度出射，其角度大小由投影機(jī)陣列2的位置和角度間隔、透射式平面環(huán)型散射屏1的偏折角度以及觀察者的位置等多個系統(tǒng)參數(shù)決定。 環(huán)狀鋸齒型光柵屏11主要用于將投影機(jī)陣列2的投影光線往屏幕中心方向偏折，實現(xiàn)透射光線在垂直方向上的角度限制。環(huán)狀柱面光柵屏12主要用于將投影機(jī)陣列2的投影光線均以小角度出射，實現(xiàn)透射光線在水平方向上的發(fā)散角度限制。投影光線通過環(huán)狀鋸齒型光柵屏11和環(huán)狀柱面光柵屏12的角度限制，保證觀察者在每個視點位置都能觀察到對應(yīng)于這一位置的視差圖像。如圖3所示，一種基于投影機(jī)陣列的懸浮式360°空間三維顯示裝置，包括投影機(jī)陣列2、圖像分割器3、計算機(jī)4和反射式平面環(huán)型散射屏5。其中，投影機(jī)陣列2位于反射式平面環(huán)型散射屏5上方并垂直往下投影，將三維場景經(jīng)處理后各個視場的圖像投影到反射式平面環(huán)型散射屏5上。反射式平面環(huán)型散射屏5控制投影機(jī)陣列2的投影光線反射后的出射角度。在垂直方向上，反射式平面環(huán)型散射屏5把反射的投影機(jī)陣列2的投影光線往反射式平面環(huán)型散射屏5的屏幕中心方向偏折；在水平方向上，反射后以比較小的發(fā)散角度出射，其角度大小由投影機(jī)陣列2的位置和角度間隔、反射式平面環(huán)型散射屏5的偏折角度以及觀察者的位置等多個系統(tǒng)參數(shù)決定。對于投影機(jī)陣列2中的一臺投影機(jī)，觀察者在某一固定的視點上觀看，只能看到這臺投影機(jī)投出圖像的一部分窄條。而對于這一視點觀看的實際圖像則為投影機(jī)陣列2中連續(xù)多臺投影機(jī)投出窄條圖像的組合圖像。投影機(jī)陣列2呈圓周分布且相互之間角度間隔相等，其中軸與反射式平面環(huán)型散射屏5的中軸重合。 當(dāng)投影機(jī)陣列2分布的角度間隔越小，顯示三維場景的視角數(shù)越多，每一視角所觀察到的圖像越細(xì)膩。投影機(jī)陣列2的分布可為單層或多層結(jié)構(gòu)，保證能覆蓋整個反射式平面環(huán)型散射屏5。投影機(jī)陣列2、圖像分割器3和計算機(jī)4順次相連。計算機(jī)4對需要顯示的三維
5場景進(jìn)行處理計算得到供投影機(jī)陣列2投影的圖像，并將這些圖像數(shù)據(jù)傳入圖像分割器3。 圖像分割器3將這些圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分配傳輸給投影機(jī)陣列2中的各個投影機(jī)。如圖4所示，所述的反射式平面環(huán)型散射屏5由環(huán)狀柱面光柵屏51和環(huán)狀反射式鋸齒型光柵屏52上下組合而成。反射式平面環(huán)型散射屏5主要是用于控制出射光的角度， 保證周圍的觀察者的雙眼看到對應(yīng)于其位置的圖像來產(chǎn)生雙目視差。在垂直方向上，反射式平面環(huán)型散射屏5把反射的投影機(jī)陣列2的投影光線往屏幕中心方向偏折；在水平方向上，反射后以比較小的發(fā)散角度出射，其角度大小由投影機(jī)陣列2的位置和角度間隔、透射式平面環(huán)型散射屏1的偏折角度以及觀察者的位置等多個系統(tǒng)參數(shù)決定。環(huán)狀柱面光柵屏 51主要用于將投影機(jī)陣列2的投影光線均以小角度出射，實現(xiàn)透射光線在水平方向上的發(fā)散角度限制。環(huán)狀反射式鋸齒型光柵屏52主要用于將投影機(jī)陣列2的投影光線往屏幕中心方向反射偏折，實現(xiàn)反射光線在垂直方向上的角度限制。如圖5所示，所述的圖像分割器3包括現(xiàn)場可編程門陣列31、存儲器32和數(shù)字/ 模擬視頻轉(zhuǎn)換器陣列33。其中現(xiàn)場可編程門陣列31分別連接存儲器32和數(shù)字/模擬視頻轉(zhuǎn)換器陣列33。計算機(jī)4對需要顯示的三維場景進(jìn)行處理計算得到供投影機(jī)陣列2投影的圖像，并將這些圖像數(shù)據(jù)打包傳入現(xiàn)場可編程門陣列31?，F(xiàn)場可編程門陣列31對傳入的打包數(shù)據(jù)進(jìn)行解壓縮、解碼等處理并可存入存儲器32以供靜態(tài)的三維場景的再現(xiàn)。在實際的顯示過程中，現(xiàn)場可編程門陣列31將傳入的圖像數(shù)據(jù)或已存入存儲器32的數(shù)據(jù)根據(jù)投影機(jī)陣列2的投影機(jī)數(shù)量進(jìn)行分割并分配，再將數(shù)字信號傳入數(shù)字/模擬視頻轉(zhuǎn)換器陣列33 進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換來適應(yīng)投影機(jī)陣列2的接口模式。數(shù)字/模擬視頻轉(zhuǎn)換器陣列33將數(shù)字信號進(jìn)行處理后傳入投影機(jī)陣列2，并控制投影機(jī)陣列2中各個投影機(jī)的同步顯示來實現(xiàn)動態(tài)三維場景的再現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種基于投影機(jī)陣列的懸浮式360°空間三維顯示裝置，其特征在于包括透射式平面環(huán)型散射屏(1)、投影機(jī)陣列O)、圖像分割器(3)和計算機(jī)G)，其中投影機(jī)陣列(2)位于透射式平面環(huán)型散射屏(1)下方并垂直往上投影，投影機(jī)陣列( 呈圓周分布且相互之間的間隔相等，透射式平面環(huán)型散射屏(1)把投影機(jī)陣列( 的投影光線往透射式平面環(huán)型散射屏(1)的屏幕中心方向偏折；投影機(jī)陣列O)、圖像分割器(3)和計算機(jī)(4)順次相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于投影機(jī)陣列的懸浮式360°空間三維顯示裝置，其特征在于所述的透射式平面環(huán)型散射屏(1)是由環(huán)狀鋸齒型光柵屏(11)和環(huán)狀柱面光柵屏(12)上下組合而成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于投影機(jī)陣列的懸浮式360°空間三維顯示裝置，其特征在于所述的透射式平面環(huán)型散射屏(1)是全息透射屏。
4.一種基于投影機(jī)陣列的懸浮式360°空間三維顯示裝置，其特征在于包括投影機(jī)陣列O)、圖像分割器(3)、計算機(jī)和反射式平面環(huán)型散射屏(5)，其中投影機(jī)陣列(2)位于反射式平面環(huán)型散射屏(5)上方并垂直往下投影，投影機(jī)陣列(2)呈圓周分布且相互之間的間隔相等，反射式平面環(huán)型散射屏(5)把投影機(jī)陣列(2)的投影光線往反射式平面環(huán)型散射屏(5)的屏幕中心方向反射偏折；投影機(jī)陣列O)、圖像分割器(3)和計算機(jī)(4)順次相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于投影機(jī)陣列的懸浮式360°空間三維顯示裝置，其特征在于所述的反射式平面環(huán)型散射屏(5)是由環(huán)狀柱面光柵屏(51)和環(huán)狀反射式鋸齒型光柵屏(5 上下組合而成。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于投影機(jī)陣列的懸浮式360°空間三維顯示裝置，其特征在于所述的反射式平面環(huán)型散射屏(5)是全息反射屏。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的一種基于投影機(jī)陣列的懸浮式360°空間三維顯示裝置，其特征在于所述的圖像分割器C3)包括現(xiàn)場可編程門陣列(31)、存儲器(3 和數(shù)字/ 模擬視頻轉(zhuǎn)換器陣列(3 ；其中現(xiàn)場可編程門陣列(31)分別連接存儲器(3 和數(shù)字/模擬視頻轉(zhuǎn)換器陣列(33)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于投影機(jī)陣列的懸浮式360°視場三維顯示裝置。該裝置包括平面環(huán)型散射屏、投影機(jī)陣列、圖像分割器和計算機(jī)。計算機(jī)對三維模型進(jìn)行處理，通過圖像分割器進(jìn)行圖像分配，并將圖像陣列傳入投影機(jī)陣列。投影機(jī)陣列將傳入的三維物體水平360°全景視場的組合圖像陣列投影到平面環(huán)型散射屏上。平面環(huán)形散射屏可控制出射光線的發(fā)散角度，使得觀察者的左右眼看到不同視角的圖像，實現(xiàn)顯示的三維物體懸浮在平面環(huán)型散射屏的上方?；谕队皺C(jī)陣列的懸浮式360°視場三維顯示可供多人360°環(huán)繞裸眼觀看，實現(xiàn)空間消隱并可探入觸摸交互。
文檔編號G02B27/22GK102169283SQ201110097780
公開日2011年8月31日 申請日期2011年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月19日
發(fā)明者劉旭, 夏新星, 彭祎帆, 李海峰, 鄭臻榮 申請人:浙江大學(xué)