本發(fā)明涉及3d顯示技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種裸眼3d地面沙盤顯示系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

裸眼3d顯示技術(shù)能夠讓觀察者無(wú)需借助任何輔助手段，就可以看到真實(shí)的三維立體場(chǎng)景。將該技術(shù)應(yīng)用到地面沙盤中，有助于城市規(guī)劃、軍事模擬、工程施工等方面的研究。裸眼3d地面沙盤顯示系統(tǒng)利用光場(chǎng)再現(xiàn)的原理，將采集圖像的不同方向的信息進(jìn)行調(diào)制后，在空間中重構(gòu)圖像中各個(gè)物體的光場(chǎng)，為觀察者提供圖像的深度信息。這種顯示系統(tǒng)必須要提供大視角和全視差，讓觀看者能夠在360度的范圍內(nèi)觀察到重構(gòu)的三維圖像。

現(xiàn)有的裸眼3d顯示系統(tǒng)大多都只提供水平視差，觀察者最終觀察的重建物體都只有水平方向的3d信息，不能夠在360度的范圍內(nèi)觀看。另外，現(xiàn)有的裸眼3d顯示系統(tǒng)不能提供與現(xiàn)實(shí)相符的真實(shí)物理深度，觀察者必須站在距離顯示器設(shè)定好的距離才能觀察到正確的3d效果，且現(xiàn)有的顯示系統(tǒng)視場(chǎng)角小且設(shè)備復(fù)雜，觀察者稍加移動(dòng)，就無(wú)法觀察到正確的三維再現(xiàn)場(chǎng)景。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種克服上述問題或者至少部分地解決上述問題的裸眼3d地面沙盤顯示系統(tǒng)，所述顯示系統(tǒng)包括：顯示裝置、透鏡陣列和具有定向擴(kuò)散功能的光學(xué)器件；其中，

所述顯示裝置用于顯示從不同角度采集到的3d圖像陣列；

所述透鏡陣列用于將顯示裝置上的圖像陣列進(jìn)行成像；

所述光學(xué)器件用于將所述透鏡陣列所成的像重構(gòu)成在360度范圍內(nèi)觀察的光場(chǎng)。

優(yōu)選地，光學(xué)器件與透鏡陣列的距離為l2，所述l2滿足如下公式：

l2＝l1*a

其中，l1為物體到透鏡陣列主平面的距離，α為透鏡的橫向放大率。

優(yōu)選地，透鏡陣列包括n組透鏡單元，其中，n值對(duì)應(yīng)于圖像陣列中圖像的幅數(shù)。

優(yōu)選地，每一個(gè)透鏡單元對(duì)應(yīng)所述圖像陣列中的每一幅圖像。

優(yōu)選地，透鏡單元為多片式組合透鏡。

優(yōu)選地，多片式組合透鏡中每片透鏡的透鏡中心位于同一光軸上。

優(yōu)選地，透鏡單元的焦距為f，所述f滿足如下公式：

tanω＝b/l1

l2＝l1*a

其中，l1為物體到透鏡陣列主平面的距離，l2為所述光學(xué)器件到透鏡陣列主平面的距離，b為圖像陣列中每一幅圖像的尺寸的1/2，ω為視場(chǎng)角的1/2，α為透鏡的橫向放大率。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，還提供了一種裸眼3d地面沙盤顯示方法，所述方法包括：

基于采集的三維場(chǎng)景的圖像陣列，利用3d地面沙盤顯示系統(tǒng)重構(gòu)沙盤的完整三維圖像。

優(yōu)選地，在采集過程中，包括使用編碼軟件將三維場(chǎng)景發(fā)出光線的方向信息編碼到圖像陣列中。

優(yōu)選地，所述3d地面沙盤顯示系統(tǒng)包括：顯示裝置、透鏡陣列和具有散射功能的光學(xué)器件；其中，

所述顯示裝置用于顯示從不同角度采集到的3d圖像陣列；

所述透鏡陣列用于將顯示裝置上的圖像陣列進(jìn)行成像；

所述光學(xué)器件用于將所述透鏡陣列所成的像重構(gòu)成3d圖像。

優(yōu)選地，所述光學(xué)器件用于將所述透鏡陣列所成的像重構(gòu)成在360度范圍內(nèi)觀察的光場(chǎng)。

相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的裸眼3d地面沙盤顯示系統(tǒng)及方法使觀察者可以從不同角度即360度范圍內(nèi)都可以觀看到正確的圖像，本發(fā)明的顯示系統(tǒng)簡(jiǎn)單，視場(chǎng)角大，為觀察者提供了完整的圖像信息。

附圖說明

圖1為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的裸眼3d地面沙盤顯示系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中針對(duì)單個(gè)圖像單元透鏡的參數(shù)圖；

圖3為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中所使用的三片式組合透鏡的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中所使用的三片式組合透鏡的裝置示意圖；

圖5為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的圖像采集原理圖；

圖6為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的圖像再現(xiàn)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說明本發(fā)明，但不用來(lái)限制本發(fā)明的范圍。

本發(fā)明的裸眼3d地面沙盤顯示系統(tǒng)包括顯示裝置、透鏡陣列和具有定向擴(kuò)散功能的光學(xué)器件；其中，

顯示裝置用于顯示從不同角度采集到的3d圖像陣列；

透鏡陣列用于將顯示裝置上的圖像陣列進(jìn)行成像；

光學(xué)器件用于將所述透鏡陣列所成的像重構(gòu)成在360度范圍內(nèi)觀察的光場(chǎng)。

其中，顯示裝置為顯像內(nèi)容的載體，它顯示的是采集到的圖像陣列。在現(xiàn)有技術(shù)中，能顯像內(nèi)容的顯示裝置均可以用于本發(fā)明的技術(shù)方案中。本發(fā)明更優(yōu)選使用的是液晶顯示屏。

透鏡陣列用于對(duì)圖像陣列進(jìn)行成像。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，用于對(duì)液晶顯示屏上的圖案進(jìn)行成像。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，透鏡陣列為組合透鏡陣列，使得成像更加清楚，視場(chǎng)角更易調(diào)節(jié)。更優(yōu)選地，透鏡陣列布置在液晶顯示屏的上方。

具有定向擴(kuò)散功能的光學(xué)器件通常指對(duì)入射光具有定向擴(kuò)散功能，并具有調(diào)制波前的作用。在現(xiàn)有技術(shù)中，能實(shí)現(xiàn)上述功能的所有光學(xué)器件均可用于本發(fā)明的技術(shù)方案中。本發(fā)明中更優(yōu)選使用全息功能屏，一種對(duì)入射光具有定向擴(kuò)散作用的光學(xué)薄膜，具有調(diào)制波前的作用。

本發(fā)明中的具有定向擴(kuò)散功能的光學(xué)器件有兩個(gè)主要的作用，一是對(duì)射入的光線進(jìn)行波前調(diào)制，補(bǔ)全光學(xué)信息；二是作為重構(gòu)三維圖像的呈接面，為人眼提供聚焦的位置。

在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，透鏡陣列與具有定向擴(kuò)散功能的光學(xué)器件布置在同一個(gè)平面。更優(yōu)選地，光學(xué)器件布置在透鏡陣列的上方。

在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，如圖1所示，本發(fā)明的裸眼3d地面沙盤顯示系統(tǒng)包括液晶顯示屏、組合微透鏡陣列、全息功能屏。使用采集裝置如相機(jī)對(duì)原始的三維場(chǎng)景進(jìn)行采集，得到圖像陣列，該圖像陣列在液晶屏幕上顯示出來(lái)，然后經(jīng)過上方的組合微透鏡陣列成像。在透鏡陣列像平面的位置放置全息功能屏，它對(duì)圖像經(jīng)過透鏡陣列所得的像進(jìn)行調(diào)制。其中，本文中所述的組合微透鏡陣列即為組合透鏡陣列。

在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，光學(xué)器件與透鏡陣列的距離為l2，所述l2滿足如下公式：

l2＝l1*a

其中，l1為物體到透鏡陣列主平面的距離，α為透鏡的橫向放大率。

在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，透鏡陣列包括n組透鏡單元，n值對(duì)應(yīng)于所述圖像陣列中圖像的幅數(shù)。

每一個(gè)透鏡單元對(duì)應(yīng)所述圖像陣列中的每一幅圖像，每一組透鏡單元下面覆蓋著圖像陣列中的一幅圖像，三維場(chǎng)景中的每一個(gè)點(diǎn)的重構(gòu)，都需要每一幅圖像中相應(yīng)的像素點(diǎn)為之做出貢獻(xiàn)。

在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，本發(fā)明的系統(tǒng)應(yīng)用于地面沙盤中，與觀看電視屏幕不同，該系統(tǒng)需要被放置在地面上，便于觀察者在四周觀察，在地面沙盤顯示領(lǐng)域，本發(fā)明的顯示系統(tǒng)需要提供更大的視場(chǎng)角?，F(xiàn)有技術(shù)中視場(chǎng)角通常為45度以上，優(yōu)選為70度以上。為了進(jìn)一步提高本顯示系統(tǒng)的視場(chǎng)角，每個(gè)透鏡單元為多片式組合單元透鏡。

更加優(yōu)選地是，所述透鏡單元的焦距為f，所述f滿足如下公式：

tanω＝b/l1

l2＝l1*a

其中，l1為物體到透鏡陣列主平面的距離，l2為所述光學(xué)器件到透鏡陣列主平面的距離，b為圖像陣列中每一幅圖像的尺寸的1/2，ω為視場(chǎng)角的1/2，α為透鏡的橫向放大率。

在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，例如，所使用的單元透鏡直徑為9mm，基元圖像的尺寸為11mm*11mm。以顯示系統(tǒng)的視場(chǎng)角達(dá)到70°為例，為滿足這一要求，根據(jù)圖2，計(jì)算出所需參數(shù)。其中，b＝5.5mm,ω＝35，由tanω＝b/l1，得到物距l(xiāng)1＝7.85mm。透鏡的橫向放大率為12，所以像距l(xiāng)2＝12·l1＝94.2mm。再根據(jù)透鏡成像公式計(jì)算得出，單元透鏡的焦距f為7.5mm。

在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，本發(fā)明所用的組合透鏡陣列中包含多片式組合透鏡，可達(dá)到較單透鏡更高的成像質(zhì)量，視場(chǎng)角更大。其中，多片單元透鏡的透鏡中心位于同一光軸上。其中多片式包括2片以上，更優(yōu)選3片及以上，以三片為例，參見圖3。根據(jù)上述參數(shù)值，組合透鏡的參數(shù)為焦距為7.5mm，橫向放大率為12，視場(chǎng)角為70°，0.7視場(chǎng)的彌散斑為1.34mm。

如圖4所示，本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，將三片式組合透鏡中三片單透鏡放置在塑料筒里，每?jī)蓚€(gè)透鏡之間用塑料套圈隔開，塑料套圈的高度由透鏡之間的間隔參數(shù)決定。其中，透鏡之間的間隔參數(shù)根據(jù)組合透鏡的參數(shù)來(lái)設(shè)定。中間的單透鏡先放在塑料套圈里面，再將其放置在鏡筒里，從而使得該透鏡中心與其他透鏡位于同一光軸上。其它多片式組合透鏡的裝配參見上述方法。

在本發(fā)明的另一個(gè)方面，本發(fā)明的裸眼3d地面沙盤顯示方法，包括，基于采集的三維場(chǎng)景的圖像陣列，利用3d地面沙盤顯示系統(tǒng)重構(gòu)沙盤的完整三維圖像。

在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，本發(fā)明的一種裸眼3d地面沙盤顯示系統(tǒng)，包括:顯示裝置、透鏡陣列和具有定向擴(kuò)散功能的光學(xué)器件；其中，顯示裝置用于顯示從不同角度采集到的3d圖像陣列；所述透鏡陣列用于將顯示裝置上的圖像陣列進(jìn)行成像；所述光學(xué)器件用于將所述透鏡陣列所成的像重構(gòu)成在360度范圍內(nèi)觀察的光場(chǎng)。

其中，將采集到的圖像陣列顯示到顯示裝置，通過透鏡陣列成像，再經(jīng)過上述光學(xué)器件的調(diào)制和重構(gòu)，還原三維場(chǎng)景的光場(chǎng)。

在采集過程中，包括使用計(jì)算機(jī)編碼軟件將三維場(chǎng)景發(fā)出光線的方向信息編碼到圖像陣列中。在現(xiàn)有技術(shù)中已知的圖像編碼軟件均能用于本發(fā)明中。

在采集過程中，為了更好的還原三維場(chǎng)景的光場(chǎng)，根據(jù)觀察者位置和所需再現(xiàn)的三維場(chǎng)景的物理信息對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行采集，得到該場(chǎng)景不同方向的圖像，組成圖像陣列。

在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，本發(fā)明的圖像采集借助計(jì)算機(jī)軟件完成，以圖5為例，在距離三維場(chǎng)景一定距離的地方，排列著多個(gè)相機(jī)，示意圖中僅畫出了四個(gè)相機(jī)作為說明。在拍攝過程中，每個(gè)相機(jī)拍攝到不同角度的三維場(chǎng)景，得到一幅相對(duì)應(yīng)的圖像，組成圖像陣列。

以三維場(chǎng)景中的點(diǎn)a為例，對(duì)其進(jìn)行成像分析。選取0號(hào)相機(jī)的鏡頭中心點(diǎn)o為坐標(biāo)原點(diǎn)，該相機(jī)標(biāo)號(hào)n＝0，其上方的相機(jī)標(biāo)號(hào)依次取n＝1,2,3...，其下方的相機(jī)標(biāo)號(hào)依次為n＝-1,-2,-3...。設(shè)|ab|＝a，采集到的圖像的邊長(zhǎng)大小為p，則第n個(gè)相機(jī)采集的圖像中相對(duì)應(yīng)的an點(diǎn)的縱坐標(biāo)為

由以上分析可知，點(diǎn)a位于三維場(chǎng)景中的固定位置，而在由不同的相機(jī)采集得到的圖像中，點(diǎn)a的位置發(fā)生了變化。因此，三維圖像發(fā)出光線的方向信息被編碼在圖像陣列中，圖像陣列存儲(chǔ)了三維場(chǎng)景的深度信息。

在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，本發(fā)明的圖像重構(gòu)部分以圖6為例解釋說明。以重構(gòu)的像點(diǎn)a'為例，圖像陣列中每一個(gè)像素點(diǎn)an發(fā)出的光線經(jīng)過其上方相對(duì)應(yīng)的透鏡單元組后，經(jīng)過全息功能屏的調(diào)制，最終重構(gòu)為像點(diǎn)a'。同理，可以得到重構(gòu)的整個(gè)三維圖像。

本發(fā)明的裸眼3d地面沙盤顯示系統(tǒng)及其方法能夠讓觀察者360度觀看到重構(gòu)的3d場(chǎng)景，本系統(tǒng)中所使用的組合透鏡陣列提高了成像質(zhì)量，增大了視場(chǎng)角。使用本發(fā)明的顯示系統(tǒng)不要求觀察者必須站在距離顯示器設(shè)定好的距離才能觀察到正確的3d效果圖，觀察者在360度范圍內(nèi)均能觀察到正確的三維再現(xiàn)場(chǎng)景。

本文涉及的技術(shù)術(shù)語(yǔ)如下：

光場(chǎng)：將某個(gè)三維場(chǎng)景的光場(chǎng)通過某種方式進(jìn)行重構(gòu)，若重構(gòu)的光場(chǎng)與原光場(chǎng)一致，則重構(gòu)的圖像與原圖像相同

視場(chǎng)角：能夠觀察到正確的重構(gòu)圖像的角度范圍

組合透鏡：由多片單透鏡組成的透鏡組

像平面：成像物體經(jīng)過透鏡后所成的像所在的平面

物距：物體到透鏡物方主平面的距離

像距：像到透鏡像方主平面的距離

橫向放大率：像高與物高的比值

彌散斑：物點(diǎn)經(jīng)過透鏡成像后，無(wú)法匯聚成一個(gè)點(diǎn)，而是一個(gè)散斑。

最后，雖然結(jié)合附圖描述了本發(fā)明的實(shí)施方式，但是凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，本領(lǐng)域技術(shù)人員所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。