專利名稱：基于拼接光場的橫向大視場三維顯示方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及三維顯示方法，尤其涉及一種基于拼接光場的橫向大視場三維顯示方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
顯示技術(shù)正朝著高清晰、三維全景顯示的方向發(fā)展。三維顯示區(qū)別于傳統(tǒng)二維顯示就是通過各種方法給觀看者帶來視覺上的深度感知，使其自然與不自然地獲得畫面中的第三維度信息。國內(nèi)外眾多三維顯示技術(shù)一般可分為全息三維顯示和非全息三維顯示兩種。全息三維顯示因其是真三維的信息記錄和顯示而被譽(yù)為未來理想的三維顯示方式，但在動(dòng)態(tài)顯示方面需要高分辨的空間光調(diào)制器以及超高速的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，這兩個(gè)因素極大地限制了這種技術(shù)的進(jìn)步使其不能很好地進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用，目前僅適用于靜態(tài)圖像的攝取和顯示。因此非全息三維顯示是目前的主流顯示技術(shù)，而實(shí)現(xiàn)非全息三維顯示技術(shù)一般又可分為體三維顯示、集成成像三維顯示、體視三維顯示等。體三維顯示和體視三維顯示目前都已有較好的顯示設(shè)備出現(xiàn)，然而基于體三維顯示的顯示裝置大都依靠轉(zhuǎn)動(dòng)屏幕來滿足全視角觀看的需求，所以顯示裝置結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜造價(jià)也較高；裸眼自體視三維顯示雖然具有可觀的商業(yè)前景，但大多僅提供在有限視角范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高分辨三維顯示。傳統(tǒng)的集成成像三維顯示技術(shù)則在視角數(shù)目、圖像串?dāng)_、顯示區(qū)域深度和大小等方面存在很多需要解決的問題。目前已經(jīng)投入產(chǎn)業(yè)化的投影式裸眼三維顯示裝置大都結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要大量的投影機(jī)和控制電路，往往是大成本和復(fù)雜結(jié)構(gòu)換來橫向有限的觀察視場，因此缺乏具體的實(shí)際應(yīng)用。并且單個(gè)裸眼立體顯示器顯示的圖像分辨率低、視角少而不連續(xù)、縱深感不夠等問題，更使其在虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域應(yīng)用缺乏創(chuàng)新。本發(fā)明的主要目的在于構(gòu)建一個(gè)拓展性強(qiáng)、成本可控，并且具有很大視場范圍的空間三維顯示裝置，且滿足多人多視角觀看的訴求。其優(yōu)點(diǎn)在于可以產(chǎn)生在平面定向散射屏屏幕前觀看到具備細(xì)膩的橫向視差的三維圖像懸浮效果。 細(xì)膩的視角間隔，會(huì)給觀察者帶來連續(xù)無跳變的三維感知，減少常規(guī)三維顯示中視角不連續(xù)帶來的疲憊感。平面光場拼接投影顯示單元及平面定向散射屏幕的結(jié)構(gòu)在大大簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上擴(kuò)大了橫向視場。同時(shí)利用模塊化多屏拼接的方式實(shí)現(xiàn)橫向投影視場的擴(kuò)展,可大大增加三維圖像的橫向空間尺度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)和顯示方法的不足，提供一種基于拼接光場的橫向大視場三維顯示方法及系統(tǒng)?；谄唇庸鈭龅臋M向大視場三維顯示方法的步驟如下
1)將被顯示的三維場景使用空間光場追跡的方法進(jìn)行三維立體空間描述，解析成一系列沿橫向不同視點(diǎn)位置正對平面定向散射屏觀看所需的平行投影圖像源；
2)使用沿同一平面橫向布置的多投影顯示單元投影，將對應(yīng)視點(diǎn)觀看所需的圖像源正對平面定向散射屏投影到平面定向散射屏的背側(cè)，形成一系列豎條影像；
3)多投影顯示單元正對投影的影像成像于空間指定位置，觀察區(qū)域內(nèi)任一視點(diǎn)所處的位置，觀察者只能觀看到由人眼視角范圍內(nèi)的一部分投影顯示單元正對投影的豎條影像拼接而成的三維場景橫向一部分，沿觀察區(qū)域橫向移動(dòng)不同視點(diǎn)位置，觀察者可以觀看到不同投影顯示單元正對投影的豎條影像拼接而成的三維場景橫向不同部分，實(shí)現(xiàn)橫向大視場三維顯示?；谄唇庸鈭龅臋M向大視場三維顯示系統(tǒng)包括多個(gè)在同一平面沿直線布置呈模塊化拼接的投影三維顯示單元、平面定向散射屏和控制計(jì)算機(jī)，其中，投影顯示單元包括依次設(shè)置的二維顯示單元陣列、透鏡陣列和孔闌陣列，控制計(jì)算機(jī)與二維顯示單元陣列相連接；多個(gè)投影顯示單元中顯示單元顯示的圖像通過對應(yīng)的透鏡陣列、孔闌陣列均正對平面定向散射屏投影到平面定向散射屏背側(cè)成像，供觀察區(qū)域的橫向多個(gè)視點(diǎn)同時(shí)觀看，在任一視點(diǎn)位置觀看到的圖像由投影三維顯示單元中一部分顯示單元提供。所述的平面定向散射屏是透射式柱面光柵或具有相同縱向散射特性的光學(xué)全息屏幕，透射式柱面光柵柵線方向?yàn)闄M向。所述的二維顯示單元是^0、10)5、^^、1^0、0 1\ OLED或投影機(jī)。所述的透鏡陣列單元可以是單片透鏡或多片透鏡組合或其他光學(xué)成像器件。本發(fā)明可以構(gòu)建一個(gè)拓展性強(qiáng)、成本可控，并且具有很大視場范圍的空間三維顯示裝置，且滿足多人多視角觀看的訴求。其優(yōu)點(diǎn)在于可以產(chǎn)生在平面定向散射屏屏幕前觀看到具備細(xì)膩的橫向視差的三維圖像懸浮效果。細(xì)膩的視角間隔，會(huì)給觀察者帶來連續(xù)無跳變的三維感知，減少常規(guī)三維顯示中視角不連續(xù)帶來的疲憊感。平面光場拼接投影顯示單元及平面定向散射屏幕的結(jié)構(gòu)在大大簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上擴(kuò)大了橫向視場。同時(shí)利用模塊化多屏拼接的方式實(shí)現(xiàn)橫向投影視場的擴(kuò)展，可大大增加三維圖像的橫向空間尺度。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。圖I是基于拼接光場的橫向大視場三維三維顯示系統(tǒng)整體示意圖2是基于拼接光場的橫向大視場三維三維顯示系統(tǒng)成像原理俯視圖3是橫向三個(gè)不同觀察視點(diǎn)觀察平面定向散射屏的觀察效果示意圖。圖中，投影三維顯示單元I、平面定向散射屏2、控制計(jì)算機(jī)3、二維顯示單元陣列
4、透鏡陣列5、孔闌陣列6、觀察區(qū)域7。
具體實(shí)施例方式基于拼接光場的橫向大視場三維顯示方法的步驟如下
1)將被顯示的三維場景使用空間光場追跡的方法進(jìn)行三維立體空間描述，解析成一系列沿橫向不同視點(diǎn)位置正對平面定向散射屏觀看所需的平行投影圖像源；
2)使用沿同一平面橫向布置的多投影顯示單元投影，將對應(yīng)視點(diǎn)觀看所需的圖像源正對平面定向散射屏投影到平面定向散射屏的背側(cè)，形成一系列影像，影像在通過平面定向散射屏后只沿縱向散射，使得人眼只能觀察到一系列豎條影像；3)多投影顯示單元正對投影的影像成像于空間指定位置，觀察區(qū)域內(nèi)任一視點(diǎn)所處的位置，觀察者只能觀看到由人眼視角范圍內(nèi)的一部分投影顯示單元正對投影的豎條影像拼接而成的三維場景橫向一部分，沿觀察區(qū)域橫向移動(dòng)不同視點(diǎn)位置，觀察者可以觀看到不同投影顯示單元正對投影的豎條影像拼接而成的三維場景橫向不同部分，實(shí)現(xiàn)橫向大視場
三維顯示。如圖I所示，基于拼接光場的橫向大視場三維顯示系統(tǒng)包括多個(gè)在同一平面沿直線布置呈模塊化拼接的投影三維顯示單元I、平面定向散射屏2和控制計(jì)算機(jī)3，其中，投影顯示單元I包括依次設(shè)置的二維顯示單元陣列4、透鏡陣列5和孔闌陣列6，控制計(jì)算機(jī)3 與二維顯示單元陣列4相連接；多個(gè)投影顯示單元I中顯示單元顯示的圖像通過對應(yīng)的透鏡陣列5、孔闌陣列6均正對平面定向散射屏2投影到平面定向散射屏2背側(cè)成像，供觀察區(qū)域7的橫向多個(gè)視點(diǎn)同時(shí)觀看，在任一視點(diǎn)位置觀看到的圖像由投影三維顯示單元I中一部分顯示單元提供。所述的平面定向散射屏2是透射式柱面光柵或具有相同縱向散射特性的光學(xué)全息屏幕，透射式柱面光柵柵線方向?yàn)闄M向。所述的二維顯示單元是IXD、LCOS、roP、LED、CRT、 OLED或投影機(jī)。所述的透鏡陣列單元可以是單片透鏡或多片透鏡組合或其他光學(xué)成像器件。本發(fā)明的工作過程如下
以3個(gè)液晶顯示器同一平面沿直線拼接組成的模塊形式為例，如圖I所示。實(shí)施基于拼接光場的橫向大視場三維顯示方法的三維顯示系統(tǒng)設(shè)置有投影三維顯示單元I、平面定向散射屏2和控制計(jì)算機(jī)3，其中，投影顯示單元I包括依次設(shè)置的二維顯示單元陣列4、透鏡陣列5和孔闌陣列6，透鏡陣列5中的所有透鏡和孔闌陣列6中的所有孔闌依次在縱向上錯(cuò)位排列，在橫向上拼接排列?？刂朴?jì)算機(jī)3與二維顯示單元陣列4中的每個(gè)液晶顯示器相連接，每個(gè)液晶顯示器可以由單個(gè)計(jì)算機(jī)整體控制或多個(gè)計(jì)算機(jī)分別控制。所有投影鏡組依次在縱向上錯(cuò)位排列，為充分利用二維顯示器的顯示區(qū)域空間， 且保證透鏡陣列5和孔闌陣列6布置的一致性和可操作性，本實(shí)施例中采用縱向錯(cuò)位1/3 的方式進(jìn)行排布，最終構(gòu)造出由3個(gè)模塊完整組合成的投影顯示裝置。如圖2所示，根據(jù)光場拼接的成像原理，首先用計(jì)算機(jī)圖像處理方法獲取顯示所需的圖像源，多個(gè)投影顯示單元I中顯示單元陣列4顯示的圖像通過對應(yīng)的透鏡陣列5、孔闌陣列6均正對平面定向散射屏2投影到平面定向散射屏2背側(cè)成像，所有投影光瞳都被平面定向散射屏2在縱向展開成豎條圖像，供觀察區(qū)域7的橫向多個(gè)視點(diǎn)同時(shí)觀看。平面定向散射屏2橫向尺寸需至少滿足所有構(gòu)造投影單元在橫向?qū)挾戎?，任一視點(diǎn)位置觀看到的圖像由投影三維顯示單元I中一部分顯示單元提供的一系列豎條圖像在橫向拼接構(gòu)成。如圖3所示，由于人眼的觀看視角和投影張角有限，在觀察區(qū)域7橫向3個(gè)不同視點(diǎn)位置觀看該三維顯示裝置，看到的是整個(gè)三維場景橫向不同部分的圖像，這里設(shè)定三維場景含有多個(gè)橫向分布的物體，則觀察者需沿橫向移動(dòng)可以觀看到完整的、連續(xù)的三維場景，以此實(shí)現(xiàn)橫向大視場三維顯示。雖然這里是通過示意和舉例的方式對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步描述的，但應(yīng)該認(rèn)識到， 本發(fā)明并不局限于上述實(shí)施方式和實(shí)施例，前文的描述只被認(rèn)為是說明性的，而非限制性的，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以做出多種變換或修改，只要沒有離開所附權(quán)利要求中所確立的范圍和精神實(shí)質(zhì)，均視為在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種基于拼接光場的橫向大視場三維顯示方法，其特征在于方法的步驟如下1)將被顯示的三維場景使用空間光場追跡的方法進(jìn)行三維立體空間描述，解析成一系列沿橫向不同視點(diǎn)位置正對平面定向散射屏觀看所需的平行投影圖像源；2)使用沿同一平面橫向布置的多投影顯示單元投影，將對應(yīng)視點(diǎn)觀看所需的圖像源正對平面定向散射屏投影到平面定向散射屏的背側(cè)，形成一系列豎條影像；3)多投影顯示單元正對投影的影像成像于空間指定位置，觀察區(qū)域內(nèi)任一視點(diǎn)所處的位置，觀察者只能觀看到由人眼視角范圍內(nèi)的一部分投影顯示單元正對投影的豎條影像拼接而成的三維場景橫向一部分，沿觀察區(qū)域橫向移動(dòng)不同視點(diǎn)位置，觀察者可以觀看到不同投影顯示單元正對投影的豎條影像拼接而成的三維場景橫向不同部分，實(shí)現(xiàn)橫向大視場三維顯示。
2.—種實(shí)施如權(quán)利要求I所述方法的基于拼接光場的橫向大視場三維顯不系統(tǒng)，其特征在于包括多個(gè)在同一平面沿直線布置呈模塊化拼接的投影三維顯示單元(I)、平面定向散射屏(2)和控制計(jì)算機(jī)(3)，其中，投影顯示單元(I)包括依次設(shè)置的二維顯示單元陣列(4)、透鏡陣列(5)和孔闌陣列(6)，控制計(jì)算機(jī)(3)與二維顯示單元陣列(4)相連接；多個(gè)投影顯示單元(I)中顯示單元顯示的圖像通過對應(yīng)的透鏡陣列(5)、孔闌陣列(6)均正對平面定向散射屏(2)投影到平面定向散射屏(2)背側(cè)成像，供觀察區(qū)域(7)的橫向多個(gè)視點(diǎn)同時(shí)觀看，在任一視點(diǎn)位置觀看到的圖像由投影三維顯示單元(I)中一部分顯示單元提供。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于拼接光場的橫向大視場三維顯不系統(tǒng),其特征在于所述的平面定向散射屏(2)是透射式柱面光柵或具有相同縱向散射特性的光學(xué)全息屏幕， 透射式柱面光柵柵線方向?yàn)闄M向。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于拼接光場的橫向大視場三維顯不系統(tǒng),其特征在于所述的二維顯示單元是LCD、LCOS, PDP, LED、CRT、OLED或投影機(jī)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于拼接光場的橫向大視場三維顯示方法及系統(tǒng)。方法步驟包括獲取三維場景橫向不同視點(diǎn)正對觀看所需圖像源；使用多投影顯示單元正對平面定向散射屏投影；觀察者沿橫向移動(dòng)可以觀看到不同投影顯示單元正對投影的豎條影像拼接而成的三維場景橫向不同部分，實(shí)現(xiàn)橫向大視場三維顯示。系統(tǒng)包括投影三維顯示單元、平面定向散射屏及控制計(jì)算機(jī)。采用二維顯示單元像素區(qū)域分割與正前方對應(yīng)的透鏡和孔闌陣列構(gòu)造投影單元并正對平面定向散射屏投影。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是可以產(chǎn)生在橫向很大視場范圍都能觀察到細(xì)膩橫向視差的三維圖像。相對于單個(gè)裸眼立體顯示器，多屏拼接的設(shè)置可實(shí)現(xiàn)視角的拓展，增加三維圖像的空間尺度及觀賞范圍。
文檔編號G03B35/18GK102591124SQ20121003915
公開日2012年7月18日 申請日期2012年2月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月21日
發(fā)明者劉旭, 彭祎帆, 李海峰, 鐘擎 申請人:浙江大學(xué)