專利名稱：基于組合屏幕的俯仰多視角懸浮式全景空間三維顯示裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于三維顯示技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及基于組合屏幕的俯仰多視角的懸浮式全景空間三維顯示裝置。
背景技術(shù)：
目前，傳統(tǒng)的二維的平板顯示及投影顯示已不能滿足人們對于顯示技術(shù)的需求， 人們需要能夠?qū)⒖陀^三維物體真實再現(xiàn)出來的新顯示技術(shù)。目前已推向市場相對比較成熟的3D電視和3D電影等多采用讓觀察者佩戴眼鏡等助視工具來提供雙目視差圖像產(chǎn)生立體視覺。這種三維顯示只為觀察者提供了兩個視角的信息，觀察者在不同位置觀看到的三維圖像是相同的，并且不能隨著位置的改變來觀察三維場景的不同側(cè)面，長時間觀看觀察者可能會出現(xiàn)頭痛、惡心等反應(yīng)?？臻g三維顯示是一種能夠在一個真正具有寬度、高度和深度的真實三維空間內(nèi)進行圖像信息再現(xiàn)的技術(shù)，是近年來蓬勃興起的一種顯示技術(shù)。空間三維顯示是通過適當方式來激勵位于透明顯示體積內(nèi)的物質(zhì)，利用可見輻射的產(chǎn)生、吸收或散射而形成體素；或者將要顯示三維場景的各個側(cè)面的圖像準確地成像到相應(yīng)的方位。以這樣的方法形成的三維圖像，就像是一個現(xiàn)實空間三維物體一樣，在空間實現(xiàn)三維顯示，不僅能自動滿足幾乎所有的生理和心理深度暗示，可多人、多角度、同時、裸眼觀察，無需任何助視儀器，符合人類在視覺觀察及深度感知方面的自然生理習(xí)慣。作為空間三維顯示的一種，體三維顯示近些年來發(fā)展較快，并首先進入商用市場。 2002年美國Actuality Systems公司研究的Perspecta 3DSystem系統(tǒng)利用高速DLP投影機，將二維截面序列投射到一個快速旋轉(zhuǎn)的散射屏上，利用視覺暫留而融合到空間三維圖像。但體三維顯示出的三維場景為透明的，不能實現(xiàn)空間消隱。全景視場空間顯示是在全空間的各個方向形成再現(xiàn)物體相應(yīng)方位的圖像，這樣三維顯示空間周圍的觀看者就可以像觀看自然的三維景物一樣看到具有空間遮擋關(guān)系的三維場景。近年來，國內(nèi)外許多研究機構(gòu)針對這一顯示方式做了許多相關(guān)研究，并研制了一些原理樣機。但現(xiàn)有技術(shù)中公開的多數(shù)樣機只具有水平360°的全景視場，而在垂直方向上沒有多個俯仰視角的信息。也即是說，目前的全景視場空間三維顯示一般只考慮水平方向的視角信息，沒有考慮垂直方向的俯仰視角。這種三維顯示是在水平360°方向顯示出一周與周圍視點位置相對應(yīng)的視場圖像序列，圖像經(jīng)定向散射屏等顯示媒介對其發(fā)光角度進行限制，來保證每一視點位置對應(yīng)的圖像只能在其視點位置附近的小范圍內(nèi)可見，通過高密度的視點分割，周圍觀察者的雙眼就能看到相對應(yīng)的不同視角圖像，產(chǎn)生立體感。綜上，現(xiàn)有技術(shù)中的空間三維顯示一般需要顯示媒介的運動來實現(xiàn)對水平360° 視場的空間掃描，且顯示的三維場景的空間位置與顯示媒介的運動區(qū)域相同或接近，造成顯示的三維的場景不能進行觸摸等交互操作，不能滿足人們對于真實感空間三維顯示的需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種基于組合屏幕的俯仰多視角懸浮式全景空間三維顯示裝置，實現(xiàn)了俯仰多視角的懸浮式360°視場空間三維顯示，可供多人俯仰多視角、水平360°全視場裸眼同時觀看，實現(xiàn)了空間遮擋消隱、且可探入觸摸交互，從而克服現(xiàn)有技術(shù)的不足。一種基于組合屏幕的俯仰多視角懸浮式全景空間三維顯示裝置，包括透射組合式偏折型散射屏、高速投影機、圖像控制模塊、轉(zhuǎn)動檢測模塊、電機和傳動機構(gòu)，所述的透射組合式偏折型散射屏和傳動機構(gòu)相連，通過所述的電機的轉(zhuǎn)動，帶動所述的透射組合式偏折型散射屏轉(zhuǎn)動，所述的透射組合式偏折型散射屏的轉(zhuǎn)軸與所述的高速投影機的投影鏡頭光軸相重合；所述的高速投影機處在所述的透射組合式偏折型散射屏的下方，并往上方投影，投影圖像落在所述的透射組合式偏折型散射屏上；所述的高速投影機還依次連接有圖像控制模塊和轉(zhuǎn)動檢測模塊；所述的透射組合式偏折型散射屏由主偏折角度不同的多個透射偏折型散射子屏組合拼接而成，每個透射偏折型散射子屏對應(yīng)于一個俯仰視角；其中，每個透射偏折型散射子屏由光柵方向互相平行的透射式鋸齒型光柵和柱面光柵構(gòu)成，所述的透射式鋸齒型光柵由多個三角柱狀結(jié)構(gòu)連續(xù)排列構(gòu)成，每一個透射偏折型散射子屏中的透射式鋸齒型光柵中所有三角柱狀結(jié)構(gòu)的傾斜角相同；所述的轉(zhuǎn)動檢測模塊探測所述的透射組合式偏折型散射屏的轉(zhuǎn)速及每個透射偏折型散射子屏的起始位置，并將其探測的轉(zhuǎn)速和起始位置的信號傳給圖像控制模塊；所述的圖像控制模塊根據(jù)接收到的信號控制所述的高速投影機投影圖像序列的初始位置及所述的高速投影機的幀頻，實現(xiàn)所述的高速投影機的投影圖像序列與所述的透射組合式偏折型散射屏轉(zhuǎn)動的同步。另一種基于組合屏幕的俯仰多視角懸浮式全景空間三維顯示裝置，包括反射組合式偏折型散射屏、高速投影機、圖像控制模塊、轉(zhuǎn)動檢測模塊、電機和傳動機構(gòu)，所述的反射組合式偏折型散射屏和傳動機構(gòu)相連，通過所述的電機的轉(zhuǎn)動，帶動所述的反射組合式偏折型散射屏轉(zhuǎn)動，所述的反射組合式偏折型散射屏的轉(zhuǎn)軸與所述的高速投影機的投影鏡頭光軸相重合；所述的高速投影機處在所述的反射組合式偏折型散射屏的上方，并往下方投影，投影圖像落在所述的反射組合式偏折型散射屏上；所述的高速投影機還依次連接有圖像控制模塊和轉(zhuǎn)動檢測模塊；所述的反射組合式偏折型散射屏由主偏折角度不同的多個反射偏折型散射子屏組合拼接而成，每個反射偏折型散射子屏對應(yīng)于一個俯仰視角；其中，每個反射偏折型散射子屏由光柵方向互相平行的反射式鋸齒型光柵和柱面光柵構(gòu)成，所述的反射式鋸齒型光柵位于柱面光柵的下方，所述的反射式鋸齒型光柵由多個三角柱狀結(jié)構(gòu)連續(xù)排列構(gòu)成，每個三角柱狀結(jié)構(gòu)的表面都鍍有反射膜來實現(xiàn)對光線的反射，每個反射偏折型散射子屏中的反射式鋸齒型光柵中所有三角柱狀結(jié)構(gòu)的傾斜角相同；所述的轉(zhuǎn)動檢測模塊探測所述的反射組合式偏折型散射屏的轉(zhuǎn)速及每個反射偏折型散射子屏的起始位置，并將其探測的轉(zhuǎn)速和起始位置的信號傳給圖像控制模塊；所述的圖像控制模塊根據(jù)接收到的信號控制所述的高速投影機投影圖像序列的初始位置及所述的高速投影機的幀頻，實現(xiàn)所述的高速投影機的投影圖像序列與所述的反射組合式偏折型散射屏轉(zhuǎn)動的同步。
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本發(fā)明中，所述的圖像發(fā)生器為基于FPGA(Field Programmable Gate Array，現(xiàn)場可編程門陣列)為核心的控制模塊、基于數(shù)字信號處理器為核心的控制模塊或計算機。本發(fā)明中，所述的檢測模塊為光電傳感器或機械位置開關(guān)。本發(fā)明的基于組合屏幕的俯仰多視角懸浮式全景空間三維顯示裝置，主要利用高速投影機和組合式偏折型散射屏，顯示出同時具有水平方向360°全景視場和垂直方向多個俯仰視角的空間三維場景，并且把顯示媒介與三維顯示空間相分離，使得顯示的三維場景懸浮于空氣中。周圍不同高度的觀察者在觀看三維場景的同時，也可進行觸摸交互。與只有水平方向360°全景視場的懸浮三維顯示相比，本發(fā)明在垂直方向引入多個俯仰視角，構(gòu)造可適應(yīng)不同高度觀看的全景視場空間三維顯示，再現(xiàn)的三維物體懸浮于屏幕上方的空氣中，空間位置不隨觀察者高度的變化而變化，且不同高度的觀察者均可看到與其高度相適應(yīng)的三維圖像，從而可供不同高度的多人裸眼同時圍繞觀看，并可探入觸摸交互，更加符合人們感知真實物體的生理習(xí)慣。


圖1是本發(fā)明的基于組合屏幕的俯仰多視角懸浮式全景空間三維顯示裝置的一種實施方式的示意圖。圖2是圖1中的透射偏折型散射子屏的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是圖2中的透射式鋸齒型光柵的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是本發(fā)明的基于組合屏幕的俯仰多視角懸浮式全景空間三維顯示裝置的另一種實施方式的示意圖。圖5是圖4中的反射偏折型散射子屏的結(jié)構(gòu)示意圖。圖6是圖5中的反射式鋸齒型光柵的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖。圖中透射組合式偏折型散射屏1、高速投影機2、圖像控制模塊3、轉(zhuǎn)動檢測模塊 4、電機5、傳動機構(gòu)6、反射組合式偏折型散射屏7、透射偏折型散射子屏11、透射式鋸齒型光柵111、第一柱面光柵112、反射偏折型散射子屏71、反射式鋸齒型光柵711、第二柱面光柵 712。
具體實施例方式下面結(jié)合實施例和附圖來詳細說明本發(fā)明，但本發(fā)明并不僅限于此。實施例1如圖1所示，一種基于組合屏幕的俯仰多視角懸浮式全景空間三維顯示裝置，包括透射組合式偏折型散射屏1、高速投影機2、圖像控制模塊3、轉(zhuǎn)動檢測模塊4、電機5和傳動機構(gòu)6。透射組合式偏折型散射屏1由主偏折角度不同的多個透射偏折型散射子屏11組合拼接而成，每個透射偏折型散射子屏11對應(yīng)于一個俯仰視角。每個透射偏折型散射子屏 11的結(jié)構(gòu)如圖2所示，由透射式鋸齒型光柵111和第一柱面光柵112構(gòu)成，透射式鋸齒型光柵111位于第一柱面光柵112的下方，并且透射式鋸齒型光柵111和第一柱面光柵112的光柵方向互相平行。透射式鋸齒型光柵111的結(jié)構(gòu)如圖3所示，由多個三角柱狀結(jié)構(gòu)連續(xù)排列構(gòu)成，每一個透射偏折型散射子屏11中的透射式鋸齒型光柵111中所有三角柱狀結(jié)構(gòu)的傾斜角相同，即每一個透射偏折型散射子屏11中的透射式鋸齒型光柵111只對應(yīng)一個楔角角度，而不同透射偏折型散射子屏11中的透射式鋸齒型光柵111的楔角角度是不同的。透射組合式偏折型散射屏1和傳動機構(gòu)6相連，通過電機5的轉(zhuǎn)動，帶動透射組合式偏折型散射屏1高速轉(zhuǎn)動。傳動機構(gòu)6可采用齒輪傳動、渦輪蝸桿傳動、帶傳動等傳動方式，主要是將電機5的轉(zhuǎn)動傳遞給透射組合式偏折型散射屏1，來帶動透射組合式偏折型散射屏1的旋轉(zhuǎn)。透射組合式偏折型散射屏1的轉(zhuǎn)速取決于電機5的轉(zhuǎn)速和傳動機構(gòu)6的傳動比兩個因素。一般情況下，透射組合式偏折型散射屏1的轉(zhuǎn)軸與高速投影機2的投影鏡頭光軸相重合。高速投影機2處在透射組合式偏折型散射屏1的下方，將經(jīng)預(yù)處理后的圖像序列往上方投影，投影圖像成像于透射組合式偏折型散射屏1上。高速投影機2還依次連接有圖像控制模塊3和轉(zhuǎn)動檢測模塊4。轉(zhuǎn)動檢測模塊4 為光電傳感器或機械位置開關(guān)，可設(shè)置單個或多個，探測透射組合式偏折型散射屏1的轉(zhuǎn)速及每個透射偏折型散射子屏11的起始位置，并將其探測的轉(zhuǎn)速和起始位置的信號傳給圖像控制模塊3。圖像控制模塊3根據(jù)接收到的信號控制高速投影機2投影圖像序列的初始位置及高速投影機2的幀頻，實現(xiàn)高速投影機2的投影圖像序列與透射組合式偏折型散射屏1轉(zhuǎn)動的同步。圖像控制模塊3為基于現(xiàn)場可編程門陣列為核心的控制模塊、基于數(shù)字信號處理器為核心的控制模塊或計算機。上述的基于組合屏幕的俯仰多視角懸浮式全景空間三維顯示裝置中，透射組合式偏折型散射屏1的形狀可以為圓形、矩形或多邊形等，一般多為圓形或正多邊形等對稱結(jié)構(gòu)。設(shè)透射組合式偏折型散射屏1為圓形或正多邊形，該三維顯示裝置在垂直方向有N個俯仰視角，那么一般透射組合式偏折型散射屏1包含N個透射偏折型散射子屏11，且透射組合式偏折型散射屏1中各個透射偏折型散射子屏11平均分布，則每個透射偏折型散射子屏 11對應(yīng)的中心角為360/N。，且透射式鋸齒型光柵111和第一柱面光柵112的光柵方向均與透射偏折型散射子屏11的水平面上的對稱軸垂直。透射組合式偏折型散射屏1中，每個透射偏折型散射子屏11均位于透射組合式偏折型散射屏1的轉(zhuǎn)軸的一側(cè)，每個透射偏折型散射子屏11把高速投影機2的投影光線往透射組合式偏折型散射屏1的轉(zhuǎn)軸的另一側(cè)偏折，并且在偏折方向進行一定角度的散射，而和偏折方向垂直的方向發(fā)生小角度透射。光線的主偏折角度由每個透射偏折型散射子屏11 的特性決定，不同的透射偏折型散射子屏11具有不同的主偏折角度，每個主偏折角度與一個俯仰視角相對應(yīng)。每個透射偏折型散射子屏11中，透射式鋸齒型光柵111主要實現(xiàn)的是將高速投影機2的投影光線往透射組合式偏折型散射屏1的轉(zhuǎn)軸的另一側(cè)偏折的功能，一般通過透射或反射等實現(xiàn)光線的轉(zhuǎn)折，透射式鋸齒型光柵111的楔角角度決定了光線的偏折角度和偏折方向。第一柱面光柵112則是對投影光線在光柵方向上和垂直于光柵方向上的出射角度分別進行限制，使得光線在光柵方向上以比較小的發(fā)散角度出射，在垂直于光柵方向的方向上以一定的角度進行散射。透射偏折型散射子屏11在與偏折主光線方向垂直的水平方向上以小的發(fā)散角度出射時，該發(fā)散角度彡360/M° (M為透射組合式偏折型散射屏1轉(zhuǎn)動一周時高速投影機2投影出的圖像的數(shù)量)；透射偏折型散射子屏11在偏折方向上以一定的角度散射，散射角度大小與分離的N個環(huán)形觀察區(qū)域的位置及大小有關(guān)，須保證在分離的N個環(huán)形區(qū)域內(nèi)均能只觀察到與該俯仰視角相對應(yīng)的三維圖像而看不到其他俯仰視角的三維圖像?？梢酝ㄟ^選擇具有適當?shù)闹姘霃郊罢凵渎实牡谝恢婀鈻?12，來確定散射角度的大小。假定該三維顯示裝置在垂直方向有N個俯仰視角，則在顯示裝置周圍的觀察區(qū)域有N個分離的不同高度的環(huán)形區(qū)域供不同高度的觀察者來觀看全景視場空間三維顯示。此時，透射組合式偏折型散射屏1至少包含N個透射偏折型散射子屏11。一般情況下，透射組合式偏折型散射屏1包含N個透射偏折型散射子屏11，每個透射偏折型散射子屏11與一個俯仰視角相對應(yīng)。當透射組合式偏折型散射屏1沒有旋轉(zhuǎn)時，考察位于觀察區(qū)域中對應(yīng)于同一水平位置且分處N個分離的環(huán)形區(qū)域的不同視點所觀察到的圖像，發(fā)現(xiàn)此時只有一個環(huán)形區(qū)域區(qū)內(nèi)的視點可以觀察到與該視點處俯仰視角相對應(yīng)的透射偏折型散射子屏11上的一窄條圖像。由于對應(yīng)于同一水平位置且分處N個分離的環(huán)形區(qū)域的不同視點中每個視點均對應(yīng)于一個俯仰視角，而每個俯仰視角均對應(yīng)于一個透射偏折型散射子屏11，因此，其它環(huán)形區(qū)域內(nèi)的視點則需要等到各視點處俯仰視角所對應(yīng)的透射偏折型散射子屏11轉(zhuǎn)到與各視點相對應(yīng)的位置時，才可以觀察到相應(yīng)的窄條圖像。由于上述的各視點對應(yīng)不同的俯仰視角， 因此與不同俯仰視角對應(yīng)的透射偏折型散射子屏11也不同，而不同的透射偏折型散射子屏11具有不同的主偏折角度，所以，上述的具有相同水平位置的各視點所觀察到的窄條圖像也是略有區(qū)別的。當透射組合式偏折型散射屏1旋轉(zhuǎn)后，高速投影機2同時切換圖像，對于位于觀察區(qū)域中對應(yīng)于同一水平位置且分處N個分離的環(huán)形區(qū)域的各個視點，每個視點可觀看到投影圖像序列里供這一視點區(qū)域觀看的連續(xù)多幅圖像中不同位置窄條圖像的組合圖像。透射組合式偏折型散射屏1轉(zhuǎn)動一周，高速投影機2投影出M幅圖像，每一幅投影圖像均包含了 N個垂直俯仰視角的圖像信息。透射組合式偏折型散射屏1每轉(zhuǎn)動360/M。， 高速投影機2要切換一幅圖像。為了滿足人眼的視角暫留效應(yīng)并降低給觀察者造成的閃爍感，一般需要比較高的圖像刷新頻率。高的圖像刷新率需要透射組合式偏折型散射屏1的高速轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)。設(shè)透射組合式偏折型散射屏1的轉(zhuǎn)速為ω，則高速投影機2的幀速F為 Μω，三維場景的刷新頻率也為ω。當視角間隔足夠密的時候，人的雙眼分屬不同的水平視角區(qū)域，看到兩幅略有區(qū)別的視差圖像產(chǎn)生立體視覺，且經(jīng)雙眼融像出的三維場景懸浮于透射組合式偏折型散射屏1的上方，可供周圍的觀察者探入觸摸交互。一般每轉(zhuǎn)動一圈的投影圖像數(shù)量需200幅以上，即M > 200。若三維場景的刷新頻率ω為15r/s，則投影機的幀速F至少3000幀/s，所以需要高幀頻的投影機。由于這種俯仰多視角的三維顯示在同一時刻將針對不同俯仰視角的信息全部投影出來，即對某一俯仰視角觀察者觀察到的圖像分辨率不高。因此，要想得到更加細膩逼真的三維圖像，需提高高速投影機2的空間光調(diào)制器的像素分辨率。最為常用的高速投影機2為單片式或三片式的DMD (digital micromirror device，數(shù)字微鏡元件)投影機。實施例2如圖4所示，另一種基于組合屏幕的俯仰多視角懸浮式全景空間三維顯示裝置， 包括高速投影機2、圖像控制模塊3、轉(zhuǎn)動檢測模塊4、電機5、傳動機構(gòu)6和反射組合式偏折型散射屏7。
反射組合式偏折型散射屏7由主偏折角度不同的多個反射偏折型散射子屏71組合拼接而成，每個反射偏折型散射子屏71對應(yīng)于一個俯仰視角。每個反射偏折型散射子屏 71的結(jié)構(gòu)如圖5所示，由反射式鋸齒型光柵711和第二柱面光柵712構(gòu)成，反射式鋸齒型光柵711位于第二柱面光柵712的下方，并且反射式鋸齒型光柵711和第二柱面光柵712的光柵方向互相平行。反射式鋸齒型光柵711結(jié)構(gòu)如圖6所示，由多個三角柱狀結(jié)構(gòu)連續(xù)排列構(gòu)成，每個三角柱狀結(jié)構(gòu)的表面都鍍有反射膜來實現(xiàn)對光線的反射，每個反射偏折型散射子屏71中的反射式鋸齒型光柵711中所有三角柱狀結(jié)構(gòu)的傾斜角相同，即每一個反射偏折型散射子屏71中的反射式鋸齒型光柵711只對應(yīng)一個楔角角度，而不同反射偏折型散射子屏71中的反射式鋸齒型光柵711的楔角角度是不同的。反射組合式偏折型散射屏7和傳動機構(gòu)6相連，通過電機5的轉(zhuǎn)動，帶動反射組合式偏折型散射屏7高速轉(zhuǎn)動。傳動機構(gòu)6可采用齒輪傳動、渦輪蝸桿傳動、帶傳動等傳動方式，主要是將電機5的轉(zhuǎn)動傳遞給反射組合式偏折型散射屏7，來帶動反射組合式偏折型散射屏7的旋轉(zhuǎn)。反射組合式偏折型散射屏7的轉(zhuǎn)速取決于電機5的轉(zhuǎn)速和傳動機構(gòu)6的傳動比兩個因素。一般情況下，反射組合式偏折型散射屏7的轉(zhuǎn)軸與高速投影機2的投影鏡頭光軸相重合。高速投影機2處在反射組合式偏折型散射屏7的上方，將經(jīng)預(yù)處理后的圖像序列往下方投影，投影圖像成像于反射組合式偏折型散射屏7上。高速投影機2還依次連接有圖像控制模塊3和轉(zhuǎn)動檢測模塊4。轉(zhuǎn)動檢測模塊4 為光電傳感器或機械位置開關(guān)，可設(shè)置單個或多個，探測反射組合式偏折型散射屏7的轉(zhuǎn)速及每個反射偏折型散射子屏71的起始位置，并將其探測的轉(zhuǎn)速和起始位置的信號傳給圖像控制模塊3。圖像控制模塊3根據(jù)接收到的信號控制高速投影機2投影圖像序列的初始位置及高速投影機2的幀頻，實現(xiàn)高速投影機2的投影圖像序列與反射組合式偏折型散射屏7轉(zhuǎn)動的同步。圖像控制模塊3為基于現(xiàn)場可編程門陣列為核心的控制模塊、基于數(shù)字信號處理器為核心的控制模塊或計算機。上述的基于組合屏幕的俯仰多視角懸浮式全景空間三維顯示裝置中，反射組合式偏折型散射屏7的形狀可以為圓形、矩形或多邊形等，一般多為圓形或正多邊形等對稱結(jié)構(gòu)。設(shè)反射組合式偏折型散射屏7為圓形或正多邊形，該三維顯示裝置在垂直方向有N個俯仰視角，那么一般反射組合式偏折型散射屏7包含N個反射偏折型散射子屏71，且反射組合式偏折型散射屏7中各個反射偏折型散射子屏71平均分布，則每個反射偏折型散射子屏 71對應(yīng)的中心角為360/N。，且反射式鋸齒型光柵711和第二柱面光柵712的光柵方向均與反射偏折型散射子屏71的水平面上的對稱軸垂直。反射組合式偏折型散射屏7中，每個反射偏折型散射子屏71均位于反射組合式偏折型散射屏7的轉(zhuǎn)軸的一側(cè)，每個反射偏折型散射子屏71把高速投影機2的投影光線往反射組合式偏折型散射屏7的轉(zhuǎn)軸的另一側(cè)反射偏折，并且在偏折方向進行一定角度的散射，而和偏折方向垂直的方向發(fā)生小角度反射。光線的主偏折角度由每個反射偏折型散射子屏71的特性決定，不同的反射偏折型散射子屏71具有不同的主偏折角度，每個主偏折角度與一個俯仰視角相對應(yīng)。每個反射偏折型散射子屏71中，反射式鋸齒型光柵711主要實現(xiàn)的是將高速投影機2的投影光線往反射組合式偏折型散射屏7的轉(zhuǎn)軸的另一側(cè)偏折的功能，一般通過表面
9的反射實現(xiàn)光線的轉(zhuǎn)折，反射式鋸齒型光柵711的楔角角度決定了光線的偏折角度和偏折方向。第二柱面光柵712則是對投影光線在光柵方向上和垂直于光柵方向上的出射角度分別進行限制，在光柵方向上以比較小的發(fā)散角度出射，在垂直于光柵方向上以一定的角度進行散射。反射偏折型散射子屏71在偏折主光線方向垂直的水平方向上以小的發(fā)散角度出射時，該發(fā)散角度< 360/M° (M為反射組合式偏折型散射屏7轉(zhuǎn)動一周時高速投影機2 投影出的圖像的數(shù)量)；反射偏折型散射子屏71在偏折方向上以一定的角度散射，散射角度大小與分離的N個環(huán)形觀察區(qū)域的位置及大小有關(guān)，須保證在分離的N個環(huán)形區(qū)域內(nèi)均能只觀察到與該俯仰視角相對應(yīng)的三維圖像而看不到其他俯仰視角的三維圖像?？梢酝ㄟ^選擇具有適當?shù)闹姘霃郊罢凵渎实牡诙婀鈻?12，來確定散射角度的大小。假定該三維顯示裝置在垂直方向有N個俯仰視角，則在顯示裝置周圍的觀察區(qū)域有N個分離的不同高度的環(huán)形區(qū)域供不同高度的觀察者來觀看全景視場空間三維顯示。此時，反射組合式偏折型散射屏7至少包含N個反射偏折型散射子屏71。一般情況下，反射組合式偏折型散射屏7包含N個反射偏折型散射子屏71，每個反射偏折型散射子屏71與一個俯仰視角相對應(yīng)。當反射組合式偏折型散射屏7沒有旋轉(zhuǎn)時，考察位于觀察區(qū)域中對應(yīng)于同一水平位置且分處N個分離的環(huán)形區(qū)域的不同視點所觀察到的圖像，發(fā)現(xiàn)此時只有一個環(huán)形區(qū)域區(qū)內(nèi)的視點可以觀察到與該視點處俯仰視角相對應(yīng)的反射偏折型散射子屏71上的一窄條圖像，由于對應(yīng)于同一水平位置且分處N個分離的環(huán)形區(qū)域的不同視點中每個視點均對應(yīng)于一個俯仰視角，而每個俯仰視角均對應(yīng)于一個反射偏折型散射子屏71，因此，其它環(huán)形區(qū)域區(qū)內(nèi)的視點則需要等到與各視點處俯仰視角所對應(yīng)的反射偏折型散射子屏71轉(zhuǎn)到與各視點相對應(yīng)的位置時，才可以觀察到相應(yīng)的窄條圖像。由于上述的各視點對應(yīng)不同的俯仰視角，因此與不同俯仰視角對應(yīng)的反射偏折型散射子屏71也不同，而不同的反射偏折型散射子屏71具有不同的主偏折角度，所以，上述的具有相同水平位置的各視點所觀察到的窄條圖像也是略有區(qū)別的。當反射組合式偏折型散射屏7旋轉(zhuǎn)后，高速投影機2同時切換圖像，位于觀察區(qū)域中對應(yīng)于同一水平位置且分處N個分離的環(huán)形區(qū)域的各個視點，每個視點可觀看到投影圖像序列里供這一視點區(qū)域觀看的連續(xù)多幅圖像中不同位置窄條圖像的組合圖像。反射組合式偏折型散射屏7轉(zhuǎn)動一周，高速投影機2投影出M幅圖像，每一幅投影圖像均包含了 N個垂直俯仰視角的圖像信息。反射組合式偏折型散射屏7每轉(zhuǎn)動360/M。， 高速投影機2要切換一幅圖像。為了滿足人眼的視角暫留效應(yīng)并降低給觀察者造成的閃爍感，一般需要比較高的圖像刷新頻率。高的圖像刷新率需要反射組合式偏折型散射屏7的高速轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)。設(shè)反射組合式偏折型散射屏7的轉(zhuǎn)速為ω，則高速投影機2的幀速F為 Μω，三維場景的刷新頻率也為ω。當視角間隔足夠密的時候，人的雙眼分屬不同的水平視角區(qū)域，看到兩幅略有區(qū)別的視差圖像產(chǎn)生立體視覺，且經(jīng)雙眼融像出的三維場景懸浮于反射組合式偏折型散射屏7的上方，可供周圍的觀察者探入觸摸交互。一般每轉(zhuǎn)動一圈的投影圖像數(shù)量需200幅以上，即M > 200。若三維場景的刷新頻率ω為15r/s，則投影機的幀速F至少3000幀/s，所以需要高幀頻的投影機。由于這種俯仰多視角的三維顯示在同一時刻將針對不同俯仰視角的信息全部投影出來，即對某一俯仰視角觀察者觀察到的圖像分辨率不高。因此，要想得到更加細膩逼真的三維圖像，需提高高速投影機2的空間光調(diào)制器的像素分辨率。最為常用的高速投影機2為單片式或三片式的DMD (digital micromirror device，數(shù)字微鏡元件)投影機。
權(quán)利要求
1.一種基于組合屏幕的俯仰多視角懸浮式全景空間三維顯示裝置，其特征在于，包括 透射組合式偏折型散射屏、高速投影機、圖像控制模塊、轉(zhuǎn)動檢測模塊、電機和傳動機構(gòu)，所述的透射組合式偏折型散射屏和傳動機構(gòu)相連，通過所述的電機的轉(zhuǎn)動，帶動所述的透射組合式偏折型散射屏轉(zhuǎn)動，所述的透射組合式偏折型散射屏的轉(zhuǎn)軸與所述的高速投影機的投影鏡頭光軸相重合；所述的高速投影機處在所述的透射組合式偏折型散射屏的下方，并往上方投影，投影圖像落在所述的透射組合式偏折型散射屏上；所述的高速投影機還依次連接有圖像控制模塊和轉(zhuǎn)動檢測模塊；所述的透射組合式偏折型散射屏由主偏折角度不同的多個透射偏折型散射子屏組合拼接而成，每個透射偏折型散射子屏對應(yīng)于一個俯仰視角；其中，每個透射偏折型散射子屏由光柵方向互相平行的透射式鋸齒型光柵和柱面光柵構(gòu)成，所述的透射式鋸齒型光柵由多個三角柱狀結(jié)構(gòu)連續(xù)排列構(gòu)成，每一個透射偏折型散射子屏中的透射式鋸齒型光柵中所有三角柱狀結(jié)構(gòu)的傾斜角相同；所述的轉(zhuǎn)動檢測模塊探測所述的透射組合式偏折型散射屏的轉(zhuǎn)速及每個透射偏折型散射子屏的起始位置，并將其探測的轉(zhuǎn)速和起始位置的信號傳給圖像控制模塊；所述的圖像控制模塊根據(jù)接收到的信號控制所述的高速投影機投影圖像序列的初始位置及所述的高速投影機的幀頻，實現(xiàn)所述的高速投影機的投影圖像序列與所述的透射組合式偏折型散射屏轉(zhuǎn)動的同步。
2.如權(quán)利要求1所述的基于組合屏幕的俯仰多視角懸浮式全景空間三維顯示裝置，其特征在于，所述的圖像發(fā)生器為基于現(xiàn)場可編程門陣列為核心的控制模塊、基于數(shù)字信號處理器為核心的控制模塊或計算機。
3.如權(quán)利要求1所述的基于組合屏幕的俯仰多視角懸浮式全景空間三維顯示裝置，所述的檢測模塊為光電傳感器或機械位置開關(guān)。
4.一種基于組合屏幕的俯仰多視角懸浮式全景空間三維顯示裝置，其特征在于，包括 反射組合式偏折型散射屏、高速投影機、圖像控制模塊、轉(zhuǎn)動檢測模塊、電機和傳動機構(gòu)，所述的反射組合式偏折型散射屏和傳動機構(gòu)相連，通過所述的電機的轉(zhuǎn)動，帶動所述的反射組合式偏折型散射屏轉(zhuǎn)動，所述的反射組合式偏折型散射屏的轉(zhuǎn)軸與所述的高速投影機的投影鏡頭光軸相重合；所述的高速投影機處在所述的反射組合式偏折型散射屏的上方，并往下方投影，投影圖像落在所述的反射組合式偏折型散射屏上；所述的高速投影機還依次連接有圖像控制模塊和轉(zhuǎn)動檢測模塊；所述的反射組合式偏折型散射屏由主偏折角度不同的多個反射偏折型散射子屏組合拼接而成，每個反射偏折型散射子屏對應(yīng)于一個俯仰視角；其中，每個反射偏折型散射子屏由光柵方向互相平行的反射式鋸齒型光柵和柱面光柵構(gòu)成，所述的反射式鋸齒型光柵位于柱面光柵的下方，所述的反射式鋸齒型光柵由多個三角柱狀結(jié)構(gòu)連續(xù)排列構(gòu)成，每個三角柱狀結(jié)構(gòu)的表面都鍍有反射膜，每個反射偏折型散射子屏中的反射式鋸齒型光柵中所有三角柱狀結(jié)構(gòu)的傾斜角相同；所述的轉(zhuǎn)動檢測模塊探測所述的反射組合式偏折型散射屏的轉(zhuǎn)速及每個反射偏折型散射子屏的起始位置，并將其探測的轉(zhuǎn)速和起始位置的信號傳給圖像控制模塊；所述的圖像控制模塊根據(jù)接收到的信號控制所述的高速投影機投影圖像序列的初始位置及所述的高速投影機的幀頻，實現(xiàn)所述的高速投影機的投影圖像序列與所述的反射組合式偏折型散射屏轉(zhuǎn)動的同步。
5.如權(quán)利要求4所述的基于組合屏幕的俯仰多視角懸浮式全景空間三維顯示裝置，其特征在于，所述的圖像發(fā)生器為基于現(xiàn)場可編程門陣列為核心的控制模塊、基于數(shù)字信號處理器為核心的控制模塊或計算機。
6.如權(quán)利要求4所述的基于組合屏幕的俯仰多視角懸浮式全景空間三維顯示裝置，所述的檢測模塊為光電傳感器或機械位置開關(guān)。
全文摘要
本發(fā)明公開了基于組合屏幕的俯仰多視角懸浮式全景空間三維顯示裝置，包括組合式偏折型散射屏、高速投影機、圖像控制模塊、轉(zhuǎn)動檢測模塊、電機和傳動機構(gòu)。高速投影機把三維物體不同俯仰視角的水平360°視場組合圖像同時投影到組合式偏折型散射屏上的不同區(qū)域。組合式偏折型散射屏的每個區(qū)域均可控制不同角度入射光線的垂直偏折及發(fā)散角度和水平發(fā)散角度，保證圍繞觀看的不同高度的觀察者的雙眼都能觀察到與其視點位置相符合的立體圖像，實現(xiàn)再現(xiàn)的三維場景懸浮于組合式偏折型散射屏的上方。本發(fā)明中俯仰多視角懸浮式全景空間三維顯示具有供多人俯仰多視角、水平360°全視場裸眼同時觀看、空間遮擋消隱、可探入觸摸交互等特點。
文檔編號G02B27/22GK102279514SQ201110246498
公開日2011年12月14日 申請日期2011年8月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月24日
發(fā)明者劉旭, 夏新星, 李海峰, 鄭臻榮 申請人:浙江大學(xué)