專利名稱：大場景360度環(huán)視動態(tài)顯示方法及顯示系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及三維顯示裝置，尤其涉及ー種360度全角度裸眼立體顯示系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
三維顯示是物體的三維信息或數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、處理和再現(xiàn)的過程。人們熟悉的3D電影就是ー種三維顯示技術(shù)。三維立體顯示的效果比ニ維顯示的效果更加形象、更加生動。觀看立體影像時，畫面中的人物和景象栩栩如生，有強(qiáng)烈的立體感和真實感。三維立體顯示技術(shù)目前可以分為兩類雙目視差立體顯示和真三維立體顯示。目前真三維技術(shù)主要有全息三維顯示、體三維顯示。全息三維顯示技術(shù)在動態(tài)顯 示方面需要高分辨率、高速的空間光調(diào)制器，現(xiàn)有エ藝水平尚無法滿足動態(tài)全息三維圖像的再現(xiàn)要求。體三維顯示技術(shù)是在立體空間進(jìn)行尋址，控制相應(yīng)體素的亮度，最終在三維空間掃描出立體物體，但是該顯示裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜造價也比較昂貴。并且目前的體三維顯示器顯示面積都很小，所以一直無法進(jìn)入實用階段?，F(xiàn)在市場中出現(xiàn)的立體顯示器幾乎都是基于雙目視差原理，即通過使觀眾的兩只眼睛分別看到有著細(xì)微差別的兩幅不同圖像，使觀眾感覺到立體感。這種立體顯示器目前可分為非裸眼立體顯示器與裸眼立體顯示器。非裸眼立體顯示器(如3D電影)通過使觀眾佩戴特殊的3D眼鏡從而實現(xiàn)立體效果，這種眼鏡眼鏡不僅束縛觀眾，影響觀看效果，同時長期佩戴還會引起頭暈等不適癥狀。裸眼立體顯示器(如裸眼3D電視)則主要是利用現(xiàn)有的柱面光柵技術(shù)，它雖然實現(xiàn)了裸眼立體顯示，但對觀眾的觀看角度與距離都有著極其嚴(yán)格的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于克服現(xiàn)有立體顯示技術(shù)的不足，提供ー種大場景360度環(huán)視動態(tài)顯示方法及顯示系統(tǒng)，使觀眾能夠以裸眼的方式，360度全角度自由觀看立體影像的顯示系統(tǒng)。本發(fā)明為解決以上技術(shù)問題，采用以下技術(shù)方案
ー種大場景360度環(huán)視動態(tài)顯示方法，包括以下步驟
步驟001，將待顯示的物體的360度的立體三維圖像劃分為三至六個等份的平面ニ維圖像，然后分別采用攝像機(jī)采集每個等份的平面ニ維圖像；
步驟002，根據(jù)步驟001劃分的平面ニ維圖像的份數(shù)設(shè)置相應(yīng)數(shù)量的投影儀；
步驟003，在投影儀的ー側(cè)設(shè)置ー塊投影幕布，然后在投影幕布與投影儀位置相反的一側(cè)設(shè)置ー個由光學(xué)材料制成的空心的成像空間，該成像空間的外壁為等邊多邊形，所述多邊形的每條邊分別與投影儀一一對應(yīng)；
步驟004，采用控制主機(jī)將步驟001采集的所有平面ニ維圖像信息同步輸送給相應(yīng)的投影儀，投影儀所投射出的光線在投影幕布上進(jìn)行第一次成像，形成各角度平面ニ維圖像的實像；然后，投影幕布上的實像經(jīng)過成像空間外壁的光學(xué)材料折射被后被投射到成像空間中形成虛像，各角度平面ニ維圖像的虛像在成像空間內(nèi)部相互配合，形成完整的立體圖像。進(jìn)ー步的，本發(fā)明的大場景360度環(huán)視動態(tài)顯示方法，在步驟003中，所述成像空間的外壁與投影幕布之間形成的角度為40至50度。本發(fā)明還提供ー種三維顯示系統(tǒng)，包含圖像采集系統(tǒng)、由N臺投影儀構(gòu)成的環(huán)形投影陣列、環(huán)形投影幕布、由光學(xué)材料構(gòu)成的成像空間、以及控制主機(jī)；其中，環(huán)形投影陣列與成像空間分布在投影幕布的兩側(cè)，N為3-6中的任一正整數(shù)；所述成像空間的外壁為等邊多邊形，并且所述多邊形的每條邊分別與各投影儀一一對應(yīng)；
所述圖像采集系統(tǒng)為ー個360度的立體密閉空間，在此密閉空間中均勻分布有與所述投影儀個數(shù)相對應(yīng)的N臺攝像機(jī)，這N臺攝像機(jī)用于對放置于密閉空間中的物體進(jìn)行360 度全角度采集；
所述控制主機(jī)用于控制所有投影儀同步顯示不同角度的圖像。進(jìn)ー步的，本發(fā)明的三維顯示系統(tǒng)，所述環(huán)形投影幕布為高透光的背投幕布，并且該環(huán)形投影幕布垂直于投影儀所投射出的光線，與成像空間的外壁成40至50度的夾角。進(jìn)ー步的，本發(fā)明的三維顯示系統(tǒng)，所述成像空間是由4塊玻璃材料搭建成的空心金字塔結(jié)構(gòu)，玻璃材料的反射率與透射率的比為1/1。本發(fā)明采用以上技術(shù)方案，與現(xiàn)有技術(shù)相比具有的有益效果是
不但大大降級了裸眼立體顯示的技術(shù)難度，同時也極大降低了顯示系統(tǒng)的實現(xiàn)成本。大場景環(huán)視動態(tài)顯示系統(tǒng)具有技術(shù)領(lǐng)先、結(jié)構(gòu)設(shè)計精度高、擴(kuò)展性好、定制靈活性強(qiáng)、影像逼真度高等技術(shù)特色?？梢?60度動態(tài)展示大型空間立體圖像，并可進(jìn)一步實現(xiàn)人機(jī)交互。觀眾可以在360度范位內(nèi)，根據(jù)自己的需要，任意選取不同角度觀看。


圖I是本發(fā)明的圖像采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明的單角度成像光路圖。圖3是本發(fā)明的最終成像空間結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是本發(fā)明的環(huán)形投影幕布的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明的大場景環(huán)視動態(tài)顯示系統(tǒng)整體主要由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)同步控制模塊，數(shù)據(jù)顯示模塊以及交互模塊構(gòu)成。下面將結(jié)合附圖對每ー個模塊的構(gòu)建進(jìn)行具體介紹
(I)數(shù)據(jù)采集
根據(jù)圖像數(shù)據(jù)源的不同，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)兩種不同方式的立體顯示。第一種是，系統(tǒng)利用3D軟件建立虛擬的立體模型，并得到圖像數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)三維動畫顯示。第二種是，系統(tǒng)利用攝像頭等數(shù)據(jù)采集設(shè)備對真實物體進(jìn)行實時數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)流通過網(wǎng)絡(luò)實時傳送給控制主機(jī)，從而系統(tǒng)實時顯示出逼真的立體圖像。其中第一種我們稱為虛擬立體展示，第二種稱為實時直播。a.虛擬動畫模型的采集通過3DMAX三維軟件建立虛擬的三維模型，并以模型為中心，在O。、90°、180°、270°的地方分別設(shè)置虛擬攝像機(jī)。經(jīng)過軟件渲染，可分別得到虛擬模型的4個不同角度的圖像。在渲染的過程中，必須將模型置于無背景的環(huán)境中。b.實時直播
如圖I所不，建造Iv 2mX 2mX 2m大小的圖像米集系統(tǒng)。我們在圖像米集系統(tǒng)的內(nèi)部均勻設(shè)置攝像頭1、2、3、4。在圖像采集系統(tǒng)的中心位置放置我們需要顯示的實物模型5，模型5的前后左右分別對應(yīng)著攝像頭1、2、3、4。為了減少圖像采集系統(tǒng)外部因素以及內(nèi)部光線對圖像采集的影響，在整個圖像采集系統(tǒng)的外面蒙上黒色吸光材料。在系統(tǒng)的控制主機(jī)中，配置一個四通道的數(shù)據(jù)采集卡。利用該采集卡，實時獲取實物模型4角度的圖像。通過對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行背景過濾得到模型準(zhǔn)確的圖像數(shù)據(jù)，然后再將物體360度的圖像同步輸送給系統(tǒng)的顯不模塊。(2)數(shù)據(jù)同步控制 數(shù)據(jù)同步模塊主要完成從采集的圖形數(shù)據(jù)中提取多角度數(shù)據(jù)，按一定的順序?qū)⒍嘟嵌葦?shù)據(jù)送到顯示系統(tǒng)中，并控制多角度圖像的同步播放。大場景360度環(huán)視動態(tài)顯示系統(tǒng)采用創(chuàng)新性的同步思路，實現(xiàn)一臺主機(jī)控制四臺投影機(jī)同步播放四角度不同圖像。系統(tǒng)使用ー個雙頭輸出顯卡，每個輸出頭通過擴(kuò)展線連接兩個投影機(jī)，這樣系統(tǒng)便能夠識別四臺輸出設(shè)備。編程實現(xiàn)將四臺投影機(jī)當(dāng)做一個超大邏輯輸出面，充分利用顯卡硬件自身的加速能力，使四臺投影機(jī)之間的畫面輸出時間間隔遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于人眼所能覺察的時間，從而實現(xiàn)四角度的同步輸出。
(3)數(shù)據(jù)顯示模塊
本發(fā)明利用特殊光學(xué)材料，對成像光路進(jìn)行創(chuàng)新性設(shè)計，并且基于該成像光路的設(shè)計，本發(fā)明成功研發(fā)出四角度拼接技木。a.成像光路設(shè)計
如圖2所示，我們利用光學(xué)原理設(shè)計出復(fù)雜的二次成像光路，系統(tǒng)控制主機(jī)6將全角度信息輸送給相應(yīng)投影儀7，投影儀7所投射出的光線在特殊幕布8上進(jìn)行第一次成像。然后，幕布8上的像被其正下方的特殊玻璃材料9反射，從而被反射的光線在人眼中形成虛像。由光學(xué)反射原理可知，虛像位于玻璃材料的后方。通過大量的理論計算和實驗證明，幕布8與玻璃材料9必須滿足ー個特殊的角度，該角度范圍在40度至50度之間，以45度角為最佳選擇，才能保證人眼中的虛像不發(fā)生變形。因為采集的四角度圖像自身具有部分深度信息，所以在幕布8上形成的實像本身也具有一定的立體感(即具有深度信息)?；谌四X產(chǎn)生立體感的心理學(xué)因素，我們通過調(diào)節(jié)玻璃材料的光學(xué)特性，增強(qiáng)人眼在觀察圖像時所產(chǎn)生的心理學(xué)因素的作用。心理學(xué)因素主要有視網(wǎng)膜象的大小、線性透視、面積透視、重疊等四大重要暗示因素。調(diào)整玻璃的反射率與透射率，在保證觀眾清晰觀看虛像的同時，也能夠看到玻璃后方的真實環(huán)境。虛擬與現(xiàn)實在人眼中相互結(jié)合，產(chǎn)生了以上的心理學(xué)的暗示。b.全角度拼接技術(shù)
為了實現(xiàn)顯示立體模型360°全角度信息，我們巧妙設(shè)計空心金字塔(四棱錐)結(jié)構(gòu)做為整個系統(tǒng)最終的成像空間，如圖3，該空間的構(gòu)建使得360°全角度成像成為可能。四臺投影儀構(gòu)成環(huán)形投影陣列，負(fù)責(zé)向下投影模型前后左右四個角度的圖像。每個投影儀的正下方對應(yīng)著一個成像幕布。四塊模型形成ー個環(huán)形結(jié)構(gòu)，如圖4。同時每塊幕布的正下方對應(yīng)著ー個特殊的玻璃材料，即成像空間的外壁。每塊玻璃材料都與其對應(yīng)的幕布成一定的角度關(guān)系，該角度范圍在40度至50度之間，以45度角為最佳選擇。利用控制主機(jī)按照一定的順序?qū)⑷嵌刃畔⑼捷敵鼋o相應(yīng)的投影儀。由四臺投影儀構(gòu)成的環(huán)形投影陣列實現(xiàn)360度全角度投影。四角度虛像最終在空心的金字塔內(nèi)部實現(xiàn)相互配合，從而還原出完整的立體圖像。本系統(tǒng)也能使用ー種3角度的實現(xiàn)方案，即將模型的360度信息均勻分割為三個部分0° 120° ,120° 240° ,240° 360°。在采集階段以模型為中心，分別在0°、120°、240°的地方分別設(shè)置攝像頭進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。將3個部分的圖像，通過控制主機(jī)同步輸送給3個相對應(yīng)的投影儀。3個投影儀的每ー側(cè)分別設(shè)置ー塊投影幕布，然后在投影幕布與投影儀位置相反的一側(cè)設(shè)置ー個由光學(xué)材料制成的空心的成像空間，該成像空間為ー個空心三棱錐結(jié)構(gòu)，三棱錐的每個面分別與每個投影儀相對應(yīng)。模型3角度圖像分別在成像空間中形成虛像，各角度虛像相互配合從而還原出完整的立體模型。
本系統(tǒng)也能使用ー種6角度的實現(xiàn)方案，即將模型的360度信息均勻分割為6個部分 O。 60°，60。 120。, 120° 180。, 180° 240。,240° 300。,300° 360。。在采集階段以模型為中心，分別在0°、60。、120。，180。，240。，300。的地方分別設(shè)置攝像頭進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。將6個部分的圖像，通過控制主機(jī)同步輸送給6個相對應(yīng)的投影儀。6個投影儀的每ー側(cè)分別設(shè)置ー塊投影幕布，然后在投影幕布與投影儀位置相反的一側(cè)設(shè)置ー個由光學(xué)材料制成的空心的成像空間，該成像空間為ー個空心六棱錐結(jié)構(gòu)，六棱錐的每個面分別與每個投影儀相對應(yīng)。模型六角度圖像分別在成像空間中形成虛像，各角度虛像相互配合，從而還原出完整的立體圖像。
權(quán)利要求
1.ー種大場景360度環(huán)視動態(tài)顯示方法，其特征在于，包括以下步驟 步驟001，將待顯示的物體的360度的立體三維圖像劃分為三至六個等份的平面ニ維圖像，然后分別采用攝像機(jī)采集每個等份的平面ニ維圖像； 步驟002，根據(jù)步驟001劃分的平面ニ維圖像的份數(shù)設(shè)置相應(yīng)數(shù)量的投影儀； 步驟003，在投影儀的ー側(cè)設(shè)置ー塊投影幕布，然后在投影幕布與投影儀位置相反的一側(cè)設(shè)置ー個由光學(xué)材料制成的空心的成像空間，該成像空間的外壁為等邊多邊形，所述多邊形的每條邊分別與投影儀一一對應(yīng)； 步驟004，采用控制主機(jī)將步驟001采集的所有平面ニ維圖像信息同步輸送給相應(yīng)的投影儀，投影儀所投射出的光線在投影幕布上進(jìn)行第一次成像，形成各角度平面ニ維圖像的實像；然后，投影幕布上的實像經(jīng)過成像空間外壁的光學(xué)材料折射被后被投射到成像空間中形成虛像，各角度平面ニ維圖像的虛像在成像空間內(nèi)部相互配合，形成完整的立體圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的大場景360度環(huán)視動態(tài)顯示方法，其特征在干，在步驟003中，所述成像空間的外壁與投影幕布之間形成的角度為40至50度。
3.ー種實現(xiàn)權(quán)利要求I所述的大場景360度環(huán)視動態(tài)顯示方法的三維顯示系統(tǒng)，其特征在于，包含圖像采集系統(tǒng)、由N臺投影儀構(gòu)成的環(huán)形投影陣列、環(huán)形投影幕布、由光學(xué)材料構(gòu)成的成像空間、以及控制主機(jī)；其中，環(huán)形投影陣列與成像空間分布在投影幕布的兩偵牝N為3-6中的任一正整數(shù)；所述成像空間的外壁為等邊多邊形，并且所述多邊形的每條邊分別與各投影儀對應(yīng)； 所述圖像采集系統(tǒng)為ー個360度的立體密閉空間，在此密閉空間中均勻分布有與所述投影儀個數(shù)相對應(yīng)的N臺攝像機(jī)，這N臺攝像機(jī)用于對放置于密閉空間中的物體進(jìn)行360度全角度采集； 所述控制主機(jī)用于控制所有投影儀同步顯示不同角度的圖像。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的三維顯示系統(tǒng)，其特征在于，所述環(huán)形投影幕布為高透光的背投幕布，并且該環(huán)形投影幕布垂直于投影儀所投射出的光線，與成像空間的外壁成40至50度的夾角。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的三維顯示系統(tǒng)，其特征在于，所述成像空間是由4塊玻璃材料搭建成的空心金字塔結(jié)構(gòu)，玻璃材料的反射率與透射率的比為1/1。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種大場景360度環(huán)視動態(tài)顯示方法及顯示系統(tǒng)，顯示方法分為采集階段和顯示階段，在采集階段將立體模型360°的完整信息分割成N個等份，并對各個部分分別進(jìn)行提取處理和存儲；在顯示階段，再通過一種特殊的投影方式，使各部分圖像相互配合，重新還原出完整的立體模型；顯示系統(tǒng)包含圖像采集系統(tǒng)、由N臺投影儀構(gòu)成的環(huán)形投影陣列、環(huán)形投影幕布、由光學(xué)材料構(gòu)成的成像空間、以及控制主機(jī)。本發(fā)明不但大大降級了裸眼立體顯示的技術(shù)難度，同時也極大降低了顯示系統(tǒng)的實現(xiàn)成本。
文檔編號G03B21/56GK102692808SQ20121014143
公開日2012年9月26日 申請日期2012年5月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月9日
發(fā)明者劉以奮, 吳大偉, 張趙行, 沈春林, 潘文平, 王劍, 耿忠, 趙曉庚, 龍吉昌 申請人:南京航空航天大學(xué)