基于混合屏的真三維顯示系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于混合屏的真三維顯示系統(tǒng)及方法，該系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)裝置、成像裝置、投影裝置和混合屏幕；混合屏幕包括多種具有不同顯示機(jī)理的顯示屏幕，該多種顯示屏幕共用驅(qū)動(dòng)裝置、成像裝置和投影裝置；驅(qū)動(dòng)裝置與混合屏幕連接，用于驅(qū)動(dòng)混合屏幕水平旋轉(zhuǎn)；成像裝置用于以預(yù)設(shè)的時(shí)序生成多幅圖像，各幅圖像包括一種或多種基于不同顯示機(jī)理的圖像內(nèi)容，每種圖像內(nèi)容與一種顯示屏幕相對(duì)應(yīng)；投影裝置與成像裝置連接且與混合屏幕相對(duì)設(shè)置，用于將各幅圖像中部分種類的圖像內(nèi)容或全部種類的圖像內(nèi)容投射至混合屏幕中對(duì)應(yīng)的顯示屏幕，以使混合屏幕只顯示部分種類的圖像內(nèi)容或者所有種類的圖像內(nèi)容。本發(fā)明能夠使觀察者感受到更真實(shí)的三維顯示效果。
【專利說明】基于混合屏的真三維顯示系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及顯示系統(tǒng)，尤其涉及一種基于混合屏的真三維顯示系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)平面顯示技術(shù)只限于二維圖像，并不能讓觀察者獲得真實(shí)的三維深度信息和完整的表面特性。二維平面成像與顯示“強(qiáng)迫”我們用“二維窗口”來觀察豐富生動(dòng)的三維世界，不僅遺失了重要的深度信息(Depth Cue)，無法準(zhǔn)確表達(dá)三維空間關(guān)系，而且只能體現(xiàn)某個(gè)角度上的物體的表面特性。傳統(tǒng)二維平面成像和顯示技術(shù)的這一根本缺陷嚴(yán)重地阻礙了人類對(duì)客觀世界的感知，影響了人類對(duì)信息獲取、處理、傳遞、人機(jī)交互和決策的準(zhǔn)確度、深度、速度和效率。
[0003]在人眼感知的最真實(shí)的完整的三維內(nèi)容信息中，不僅包含了物體的三維幾何尺度特性(長(zhǎng)、寬和深度)，而且還包含了物體表面的色彩亮度和散射屬性等表面特性，以及由于相對(duì)位置關(guān)系造成的遮擋和陰影等信息。真三維顯示技術(shù)試圖構(gòu)造新型顯示裝置，最大限度地展示三維物體的真實(shí)三維信息。所謂“真三維顯示”是指被顯示圖像每個(gè)三維像點(diǎn)(又稱“體元”(voxel))具有真實(shí)的表面特性，體元之間相對(duì)位置關(guān)系也被真實(shí)地體現(xiàn)在三維顯示裝置中，組成真正意義上的三維空間圖像，具有真實(shí)物理深度和照片質(zhì)量的表面特性。觀察者不需要任何輔助設(shè)備，就可以從360度方向任意觀察被顯示物體，感知最真實(shí)的完整的三維內(nèi)容信息。真三維顯示技術(shù)從根本上更新了信息顯示的概念，使被顯示圖像栩栩如生，向觀看者提供了完備的心理和生理的三維感知信息，為理解三維圖像和其中物體之間的空間關(guān)系提供了獨(dú)特的手段。
[0004]當(dāng)今三維顯示領(lǐng)域，多種三維顯示技術(shù)并存,在眾多的真三維顯示模式中，體三維顯不(Volumetric3D Display)模式與光場(chǎng)三維顯不(Optical Field3D Display)模式受到比較多的關(guān)注，取得了相當(dāng)不錯(cuò)的顯示效果。
[0005]一，體三維顯示技術(shù)
[0006]真三維顯示系統(tǒng)目前主要通過體元空間繪制而實(shí)現(xiàn)。其中體三維顯示包括基于發(fā)光介質(zhì)的三維顯示、基于旋轉(zhuǎn)屏或移動(dòng)屏并配合高速顯示器的三維顯示兩大類。第一類是利用發(fā)光介質(zhì)(包括特殊玻璃，氣體，液體以及空間排布的光纖等固定結(jié)構(gòu))配合激發(fā)光束的掃描與尋址，產(chǎn)生真三維顯示效果；第二類主要是通過快速轉(zhuǎn)動(dòng)或移動(dòng)各種形狀的屏幕，配合以高速的投影顯示器或其它高速顯示器，實(shí)現(xiàn)空間三維體素尋址，形成真三維顯示效果O
[0007]目前，研制出樣機(jī)的真三維顯示系統(tǒng)與技術(shù)主要有可發(fā)光介質(zhì)的空間激發(fā)掃描、基于旋轉(zhuǎn)屏、空間調(diào)制光掃描以及基于發(fā)光體旋轉(zhuǎn)的真三維顯示。
[0008]1，基于可發(fā)光介質(zhì)的空間激發(fā)掃描
[0009]1996年Downing采用三對(duì)高功率紅外激光束激勵(lì)摻雜了鐠、鉺、銩的氟化物玻璃以對(duì)應(yīng)產(chǎn)生紅、綠、藍(lán)色體素，最終在厘米級(jí)小立方體范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了彩色三維顯示。這類顯示的缺點(diǎn)在于，缺乏合適的激勵(lì)源和具有充分光轉(zhuǎn)換效率的發(fā)光介質(zhì)，體素被串行激活，體素總數(shù)不超過五十萬，無法表述復(fù)雜的圖像信息或活動(dòng)的光點(diǎn)信息，諸多的物理和技術(shù)限制使建成了的實(shí)驗(yàn)裝置顯示范圍小、分辨率低、局限于簡(jiǎn)單的字母或圖形靜態(tài)顯示，近期內(nèi)不可能實(shí)現(xiàn)大尺度、高分辨率、高亮度的真三維顯示。
[0010]2，基于旋轉(zhuǎn)屏、空間調(diào)制光掃描
[0011]1996年德國D.Bahr等利用三色激光器作為光學(xué)系統(tǒng)，掃描一個(gè)快速旋轉(zhuǎn)的螺旋屏，通過調(diào)制器和掃描器作為空間光調(diào)制手段，分別控制激光的強(qiáng)度和偏轉(zhuǎn)角度，以便在螺旋屏表面上產(chǎn)生一個(gè)瞬時(shí)光點(diǎn)，隨著激光器的偏轉(zhuǎn)和螺旋屏的旋轉(zhuǎn)，就能在圓柱狀的真實(shí)三維空間內(nèi)產(chǎn)生許多光點(diǎn)，觀察者將因?yàn)橐曈X暫留而感知到一幅三維圖像。
[0012]美國NEOS Technologies公司曾與美國海軍指揮、控制及海洋監(jiān)視中心合作，建立類似的實(shí)驗(yàn)裝置，可以產(chǎn)生8萬個(gè)大小為0.7mm體素的紅、綠、黃三色圖像；德州儀器公司與美國空軍合作開發(fā)的OmniView?顯示設(shè)備，也在螺旋屏結(jié)合激光投影技術(shù)的三維顯示上進(jìn)行了嘗試。這類顯示的主要缺點(diǎn)是體素總數(shù)少，不超過五十萬，無法表述復(fù)雜動(dòng)態(tài)信息。
[0013]2002 年美國 Actuality Systems 公司研究的 Perspecta3D System 系統(tǒng)利用高速DLP (Digital Light Procession,數(shù)字光處理)投影儀,將二維截面序列投射到一個(gè)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。如圖7所示，Perspecta真三維顯示器采用了結(jié)合傾斜光學(xué)器件的非常規(guī)的離軸投影方案，以便維持貫穿投影屏掃掠范圍的良好聚焦。高壓汞弧燈經(jīng)積分棒和聚光透鏡后，照在3-SLM (Spatial Light Modulator,空間光調(diào)制器)投影儀上。SLM上的圖像被投射穿過一個(gè)敞口直流電機(jī)的中心，該電機(jī)帶動(dòng)折疊鏡、旋轉(zhuǎn)鏡組和投影屏幕旋轉(zhuǎn)。
[0014]目前，該系統(tǒng)提供直徑為10英寸的球形圖像空間，二維截面的分辨率為768 X 768，截面總數(shù)為198，體素總數(shù)最多可達(dá)I億，顯示刷新率30Hz，最高分辨率時(shí)可顯示8種顏色，體顯示系統(tǒng)360度可周視，大于180度俯仰視。這是當(dāng)時(shí)僅有的商品化的真三維顯示系統(tǒng)，該系統(tǒng)的出現(xiàn)進(jìn)一步促進(jìn)了真三維顯示技術(shù)的發(fā)展。但該設(shè)備的光學(xué)系統(tǒng)復(fù)雜、體素總數(shù)無法隨顯示空間增大而按比例增加、三維圖像分辨率與圖像顏色之間受DLP器件速度的限制，無法再提高，而且設(shè)備價(jià)格昂貴。采用單投影機(jī)方式，不旋轉(zhuǎn)投影機(jī)，旋轉(zhuǎn)反射鏡，進(jìn)行大傾斜投影。為保證各方向的投影效果一致，投影機(jī)鏡頭光軸與DMD (DigitalMicro mirror Device,數(shù)字微鏡元件)芯片中心重合并垂直,反射鏡的回轉(zhuǎn)軸、屏幕的回轉(zhuǎn)軸與投影機(jī)鏡頭光軸同軸。為保證大的俯仰視角，采用傾斜投影。但傾斜投影使圖像產(chǎn)生上下離焦，清晰度下降、上大下小產(chǎn)生梯形畸變、上暗下亮均勻性不好，雖可用圖像校正畸變，但損失分辨率，圖像需進(jìn)行梯形、旋轉(zhuǎn)和灰度修整等處理，增加運(yùn)算量。減小口徑可減小離焦對(duì)清晰度的影響，但與提高亮度相矛盾，需采用光學(xué)的方法進(jìn)行圖像亮度不均勻性的校正，有一定的難度。
[0015]3,基于發(fā)光體旋轉(zhuǎn)
[0016]早期開發(fā)的真三維顯示技術(shù)采用將發(fā)光二極管密集安裝在可旋轉(zhuǎn)平板上，控制每一個(gè)發(fā)光二極管的發(fā)光時(shí)序并將其與平板的旋轉(zhuǎn)位置同步，可以在旋轉(zhuǎn)體內(nèi)產(chǎn)生出三維圖像，這一方法最初在1963年由Schipper提出(US3, 097，261)。在1979年，Berlin發(fā)展出一個(gè)新方法，用光導(dǎo)方法解決了向旋轉(zhuǎn)面?zhèn)鬏敶罅匡@示數(shù)據(jù)的問題，并用高速LED(LightEmitter Diode)陣列取代了原來用的發(fā)光二極管(US4，160，973)，這種顯示方法采用LED陣列平板旋轉(zhuǎn)出三維顯示空間。該技術(shù)的主要缺點(diǎn)在于三維圖像的清晰度受到LED陣列密度的限制和LED開關(guān)時(shí)間的影響。同時(shí)，由于該方法受限于平板旋轉(zhuǎn)屏的結(jié)構(gòu)，三維體元的空間分布不均勻，從而影響顯示圖像質(zhì)量。
[0017]利用陰極射線球(Cathode Ray Sphere,簡(jiǎn)稱CRS)來顯示三維圖像的概念最初由Ketchpel在1960年提出，1979年，新西蘭學(xué)者Blundell在將此概念做了原理性實(shí)現(xiàn)。這一方法將熒光物質(zhì)鍍?cè)谝粋€(gè)可旋轉(zhuǎn)的屏幕上，將此可旋轉(zhuǎn)屏幕置于真空容器內(nèi)，再用電子射線束掃描處于真空中的可旋轉(zhuǎn)的屏幕，產(chǎn)生可見光點(diǎn)。如果將電子射線束的掃描時(shí)序與屏幕的旋轉(zhuǎn)同步，便可在屏幕的旋轉(zhuǎn)區(qū)域內(nèi)顯示出真三維圖像。由這種顯示方法生成的三維圖像質(zhì)量較差，受到玻璃容器壁的光線折射及旋轉(zhuǎn)屏幕透明度的影響。另外，影響像質(zhì)的因素是熒光發(fā)光物質(zhì)的發(fā)光啟動(dòng)時(shí)間和余暉。
[0018]上述體三維顯示技術(shù)可以準(zhǔn)確反映物體尺寸和空間關(guān)系，具有寬視角，能夠形成令人印象深刻可視化效果，但是不能實(shí)現(xiàn)遮擋效應(yīng)，并缺乏足夠的表面特性。
[0019]二，光場(chǎng)三維顯不
[0020]按照物理學(xué)的近距作用觀點(diǎn)，人眼之所以能看見外界物體，其直接原因并不是因?yàn)槲矬w的客觀存在，而是由于物體發(fā)出的光波到達(dá)了人眼的視網(wǎng)膜，視神經(jīng)細(xì)胞接收到物光波，從而產(chǎn)生三維空間像的視覺。通?？梢詫⑷D理解為一個(gè)大容量的存儲(chǔ)器件，存儲(chǔ)或“凍結(jié)” 了三維物體的全部信息。
[0021]為了從全息圖中提取物光波的信息，還必須用適當(dāng)?shù)墓獠ㄕ丈淙D，“解凍”或恢復(fù)原來的物光波，人眼迎著再現(xiàn)物光波觀察時(shí)，就如同通過全息圖這個(gè)窗口去觀察原來的真實(shí)物體一樣。如圖8所示，全息術(shù)是一個(gè)兩步成像過程，即物體光波的記錄(存儲(chǔ)或編碼)和再現(xiàn)(恢復(fù)或解碼)的過程，通常前一過程利用光的干涉實(shí)現(xiàn)，后一過程利用光的衍射完成。
[0022]全息三維顯示能提供一種與觀察原物時(shí)相同的視覺效果，但動(dòng)態(tài)全息圖空間光調(diào)制器的衍射角大小限制了可觀察的視場(chǎng)范圍，大場(chǎng)景全息三維顯示其信息量之大，對(duì)空間光調(diào)制器、計(jì)算機(jī)的處理速度、存儲(chǔ)容量和傳輸帶寬的要求之高，都是目前軟、硬件技術(shù)所無法實(shí)現(xiàn)的。但全息技術(shù)與計(jì)算技術(shù)相結(jié)合形成的計(jì)算全息學(xué)，為真三維顯示開辟了一個(gè)新的途徑，這也是真三維顯示在機(jī)理上不斷創(chuàng)新的源泉之一。
[0023]圖9顯示了傳統(tǒng)的多視點(diǎn)三維顯示從采集到三維顯示的過程。生成三維圖像的多視點(diǎn)光場(chǎng)三維顯示的原理比較直觀，將從某個(gè)視角采集(或計(jì)算機(jī)生成的)真實(shí)物體的三維光場(chǎng)圖像逆向投影到相同的視角。如果多視點(diǎn)系統(tǒng)能夠在顯示設(shè)備附近以正確的視差生成足夠數(shù)量的視圖，觀測(cè)者就能夠感受到被顯示物體的三維效果。通常視場(chǎng)被限制前方100
度左右。
[0024]如同全息顯示一樣,光場(chǎng)三維顯示(Light Field3D Display)技術(shù)試圖記錄和重構(gòu)物體的360度范圍光場(chǎng)，因此它不僅能夠產(chǎn)生高質(zhì)量表面特性，還能夠正確表現(xiàn)景物之間的相互遮攔關(guān)系。觀察者從不同角度可以觀察到不同的畫面，長(zhǎng)時(shí)間觀看沒有不良生理反應(yīng)。為了減少信息量，光場(chǎng)重構(gòu)時(shí)可以壓縮某一維度的信息，如垂直方向的光場(chǎng)變化信息，也可以根據(jù)人眼特性減少光場(chǎng)分布的角度精細(xì)程度，從而使信息量與全息技術(shù)相比大大減少，從而能夠?qū)崿F(xiàn)360度的動(dòng)態(tài)空間三維顯示，滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。但是光場(chǎng)三維顯示技術(shù)缺乏可度量的真實(shí)三維空間關(guān)系，不能在顯示圖像中反映出被顯示物體準(zhǔn)確的三維尺寸和相互空間關(guān)系。[0025]可見，目前傳統(tǒng)的三維顯示技術(shù)無法無縫地同時(shí)再現(xiàn)出三維物體具有遮擋效應(yīng)、表面特性和可三維測(cè)量的真實(shí)物理深度信息，因此，開發(fā)能夠使觀察者感受到更真實(shí)的三維顯示效果的真三維顯示技術(shù)，是三維顯示領(lǐng)域的一個(gè)重要挑戰(zhàn)，對(duì)于真三維顯示技術(shù)深入到各種實(shí)際的三維數(shù)據(jù)可視化和交互應(yīng)用中具有重要的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0026]在下文中給出關(guān)于本發(fā)明的簡(jiǎn)要概述，以便提供關(guān)于本發(fā)明的某些方面的基本理解。應(yīng)當(dāng)理解，這個(gè)概述并不是關(guān)于本發(fā)明的窮舉性概述。它并不是意圖確定本發(fā)明的關(guān)鍵或重要部分，也不是意圖限定本發(fā)明的范圍。其目的僅僅是以簡(jiǎn)化的形式給出某些概念，以此作為稍后論述的更詳細(xì)描述的前序。
[0027]本發(fā)明的一個(gè)主要目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)更真實(shí)三維顯示效果的真三維顯示系統(tǒng)及真三維顯示方法。
[0028]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種基于混合屏的真三維顯示系統(tǒng)，包括:驅(qū)動(dòng)裝置、成像裝置、投影裝置和混合屏幕；
[0029]混合屏幕包括多種種類的具有不同顯示機(jī)理的顯示屏幕，多種種類的顯示屏幕共用驅(qū)動(dòng)裝置、成像裝置和投影裝置；
[0030]驅(qū)動(dòng)裝置與混合屏幕連接，用于驅(qū)動(dòng)混合屏幕水平旋轉(zhuǎn)；
[0031]成像裝置用于以預(yù)設(shè)的時(shí)序生成多幅圖像，各幅圖像包括一種或多種種類的基于不同顯示機(jī)理的圖像內(nèi)容，每種種類的圖像內(nèi)容與一種種類的顯示屏幕相對(duì)應(yīng)；
[0032]投影裝置與成像裝置連接且與混合屏幕相對(duì)設(shè)置，用于將各幅圖像中部分種類的圖像內(nèi)容或全部種類的圖像內(nèi)容投射至混合屏幕中對(duì)應(yīng)的顯示屏幕，以使混合屏幕只顯示其中部分種類的圖像內(nèi)容或者顯示所有種類的圖像內(nèi)容。
[0033]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還提供了一種基于混合屏的真三維顯示方法，包括:
[0034]驅(qū)動(dòng)步驟:驅(qū)動(dòng)包括多種種類的顯示屏幕的混合屏幕水平旋轉(zhuǎn)，多種種類的顯示屏幕具有不同顯示機(jī)理；
[0035]圖像生成步驟:以預(yù)設(shè)的時(shí)序生成多幅圖像，各幅圖像包括一種或多種種類的基于不同顯示機(jī)理的圖像內(nèi)容，每種種類的圖像內(nèi)容與一種種類的顯示屏幕相對(duì)應(yīng)；以及
[0036]投影步驟:將各幅圖像中的部分種類的圖像內(nèi)容或全部種類的圖像內(nèi)容投射至混合屏幕中對(duì)應(yīng)的顯示屏幕，以使混合屏幕只顯示其中部分種類的圖像內(nèi)容或者顯示所有種類的圖像內(nèi)容。
[0037]本發(fā)明將多種具有不同顯示機(jī)理的顯示屏幕集成在真三維顯示系統(tǒng)中，使其共用驅(qū)動(dòng)裝置、成像裝置和投影裝置，通過生成一種或多種種類的圖像內(nèi)容組合為一副圖像，并將同一圖像在不同機(jī)理下的顯示模式相結(jié)合，在混合屏幕的每次旋轉(zhuǎn)回合中，三維物體能夠被繪制一次或多次，從而使得觀察者能夠感受到更真實(shí)的三維效果。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0038]參照下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的說明，會(huì)更加容易地理解本發(fā)明的以上和其它目的、特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)。附圖中的部件只是為了示出本發(fā)明的原理。在附圖中，相同的或類似的技術(shù)特征或部件將采用相同或類似的附圖標(biāo)記來表示。[0039]圖1為本發(fā)明基于混合屏的真三維顯示系統(tǒng)的一種實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0040]圖2為圖1中的混合屏幕的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0041]圖3為圖1中投影裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0042]圖4為本發(fā)明基于快速二維投影和快速移動(dòng)屏的成像原理示意圖。
[0043]圖5為本發(fā)明基于多視點(diǎn)三維顯示的原理示意圖。
[0044]圖6為本發(fā)明基于混合屏的真三維顯示方法的一種實(shí)施例的流程圖。
[0045]圖7為現(xiàn)有技術(shù)中結(jié)合旋轉(zhuǎn)平面屏幕和投影系統(tǒng)的真三維顯示系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0046]圖8為現(xiàn)有技術(shù)中全息顯示系統(tǒng)的原理圖。
[0047]圖9為現(xiàn)有技術(shù)中多視點(diǎn)三維顯示系統(tǒng)的原理圖。
【具體實(shí)施方式】
[0048]下面參照附圖來說明本發(fā)明的實(shí)施例。在本發(fā)明的一個(gè)附圖或一種實(shí)施方式中描述的元素和特征可以與一個(gè)或更多個(gè)其它附圖或?qū)嵤┓绞街惺境龅脑睾吞卣飨嘟Y(jié)合。應(yīng)當(dāng)注意，為了清楚的目的，附圖和說明中省略了與本發(fā)明無關(guān)的、本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的部件和處理的表示和描述。
[0049]本發(fā)明提供了一種基于混合屏的真三維顯示系統(tǒng)，包括驅(qū)動(dòng)裝置、成像裝置、投影裝置和混合屏幕；
[0050]混合屏幕包括多種種類的具有不同顯示機(jī)理的顯示屏幕，多種種類的顯示屏幕共用驅(qū)動(dòng)裝置、成像裝置和投影裝置；
[0051]驅(qū)動(dòng)裝置與混合屏幕連接，用于驅(qū)動(dòng)混合屏幕水平旋轉(zhuǎn)；
[0052]成像裝置用于以預(yù)設(shè)的時(shí)序生成多幅圖像，各幅圖像包括一種或多種種類的基于不同顯示機(jī)理的圖像內(nèi)容，每種種類的圖像內(nèi)容與一種種類的顯示屏幕相對(duì)應(yīng)；
[0053]投影裝置與成像裝置連接且與混合屏幕相對(duì)設(shè)置，用于將各幅圖像中部分種類的圖像內(nèi)容或全部種類的圖像內(nèi)容投射至混合屏幕中對(duì)應(yīng)的顯示屏幕，以使混合屏幕只顯示其中部分種類的圖像內(nèi)容或者顯示所有種類的圖像內(nèi)容。
[0054]可選地，混合屏幕包括定向反射屏和螺旋屏。
[0055]可選地，定向反射屏和螺旋屏固定在一起。
[0056]可選地，定向反射屏沿水平方向傾斜放置，螺旋屏包括支撐軸，支撐軸的一端固定在定向反射屏上，另一端受驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)以帶動(dòng)混合屏幕水平旋轉(zhuǎn)。
[0057]可選地，成像裝置生成的各圖像包括被顯示物體的體三維圖像和/或被顯示物體的三維光場(chǎng)圖像，投影裝置將各幅圖像中的體三維圖像和/或三維光場(chǎng)圖像投射至對(duì)應(yīng)的顯示屏幕，以使混合屏幕單獨(dú)顯示體三維圖像、單獨(dú)顯示三維光場(chǎng)圖像、或者顯示包括體三維圖像和三維光場(chǎng)圖像的合成圖像。
[0058]可選地，成像裝置生成的各幅圖像中的光場(chǎng)三維圖像由多個(gè)從不同觀察視場(chǎng)采集的二維圖像組合而成。
[0059]可選地，成像裝置生成的各幅圖像中的體三維圖像由多層二維圖像切片堆積而成。
[0060]可選地，還包括控制裝置，與成像裝置連接，用于控制成像裝置選擇性地生成一種或多種種類的基于不同顯示機(jī)理的圖像內(nèi)容。
[0061]可選地，投影裝置包括:
[0062]光源，用于發(fā)射光線；
[0063]濾波器，用于對(duì)光源發(fā)射的光線進(jìn)行過濾；
[0064]光學(xué)準(zhǔn)直透鏡，用于對(duì)過濾后的光線進(jìn)行光學(xué)準(zhǔn)直；
[0065]極性化分光器，用于對(duì)光學(xué)準(zhǔn)直后的光線進(jìn)行分光生成極性化光線，并反射極性化光線；
[0066]空間光調(diào)制器，具有多個(gè)像素單元，各像素單元用于接收極性化分光器反射的極性化光線，并在被開啟時(shí)將接收的極性化光線反射回極性化分光器形成各圖像的光束；以及
[0067]光學(xué)器件，用于將各圖像的光束投射至混合屏幕。
[0068]參考圖1和圖2，本發(fā)明的基于混合屏的真三維顯示系統(tǒng)用于對(duì)被顯示物體進(jìn)行三維顯示，其一種實(shí)施例包括成像裝置10、投影裝置12、混合屏幕14和驅(qū)動(dòng)裝置16?；旌掀聊?4包括螺旋屏141和定向反射屏142，螺旋屏141是一種曲面狀的成像屏幕，其各成像點(diǎn)的高度漸變。定向反射屏142是指反射光線沿固定方向射出的屏幕，其可為平面反射屏幕。螺旋屏141和定向反射屏142的結(jié)構(gòu)和工作原理均為現(xiàn)有技術(shù)，不再贅述。上述螺旋屏141和定向反射屏142僅是為了說明本發(fā)明的工作原理進(jìn)行的示例性描述，在其他實(shí)施例中，混合屏幕還可包括具有其它顯示機(jī)理的顯示屏幕，只要能夠顯示三維圖像即可；同理，混合屏幕中顯示屏幕的數(shù)量也不限于兩個(gè)。
[0069]成像裝置10可為高速成像引擎，其可以預(yù)設(shè)時(shí)序高速生成多幅圖像，各幅圖像包括兩種種類的圖像內(nèi)容，其中一種為被顯示物體的體三維圖像，另一種為被顯示物體的三維光場(chǎng)圖像。該兩種種類的圖像內(nèi)容也可為基于其它顯示機(jī)理的圖像內(nèi)容，只要能夠被投射至合適的顯示屏幕進(jìn)行三維顯示即可，同理，各幅圖像中圖像內(nèi)容的種類不限于兩種。
[0070]投影裝置12用于將生成的各幅圖像投射至混合屏幕上，其中，被顯示物體的提三維圖像被投射在混合屏幕14的螺旋屏141上，被顯示物體的三維光場(chǎng)圖像被投射在定向反射屏142上。也就是說，投影裝置12將各種種類的圖像內(nèi)容投射至對(duì)應(yīng)的顯示屏幕上。
[0071]本實(shí)施例中，投影裝置12可設(shè)于混合屏幕14的上方，用于豎直向下投射圖像光束，則驅(qū)動(dòng)裝置16用于驅(qū)動(dòng)混合屏幕14高速水平旋轉(zhuǎn)，混合屏幕14在高速旋轉(zhuǎn)的過程中，其螺旋屏141接收被顯示物體的體三維圖像，定向反射屏142接收被顯示物體的三維光場(chǎng)圖像。
[0072]本實(shí)施例中，還可包括位置傳感器和同步器件，位置傳感器檢測(cè)混合屏幕14的位置信息，同步器件根據(jù)混合屏幕14的位置信息對(duì)成像裝置10進(jìn)行同步控制以使其生成與混合屏幕14的旋轉(zhuǎn)位置相對(duì)應(yīng)的圖像，使得各種圖像內(nèi)容能夠投射至對(duì)應(yīng)的顯示屏幕上。對(duì)旋轉(zhuǎn)屏幕和圖像引擎進(jìn)行同步控制的技術(shù)是本領(lǐng)域的公知常識(shí)，不再贅述。
[0073]如圖2所示，混合屏幕14的具體結(jié)構(gòu)可為:將定向反射屏142沿水平方向傾斜設(shè)置，傾斜角度可為例如45度，螺旋屏141的支撐軸1410的一端固定在定向反射屏142上，另一端可連接至驅(qū)動(dòng)裝置16的機(jī)械部件上，以受驅(qū)動(dòng)裝置16驅(qū)動(dòng)以帶動(dòng)螺旋屏141和定向反射屏142同步水平旋轉(zhuǎn)。根據(jù)三維顯示的空間范圍、顯示圖像質(zhì)量或顯示圖像大小的不同，也可將螺旋屏141和定向反射屏142以其它方式相結(jié)合或固定在一起。[0074]經(jīng)驗(yàn)證，螺旋屏141和定向反射屏142以上述方式相集成，具有較好的顯示效果。
[0075]可選地，本實(shí)施例中，還可包括控制裝置(圖中未示出)，用以控制成像裝置10生成被顯示物體的體三維圖像和/或被顯示物體的三維光場(chǎng)圖像。也就是說，可以選擇需要的顯示模式，例如，當(dāng)控制成像裝置10不生成被顯示物體的三維光場(chǎng)圖像，而只生成被顯示物體的體三維圖像時(shí)，顯示僅由二維圖像切片構(gòu)建的真三維圖像，能夠?qū)崿F(xiàn)被顯示物體的遮擋效應(yīng)并較好地反映其表面特性，但是不能準(zhǔn)確反映物體尺寸和空間關(guān)系；當(dāng)控制成像裝置10只生成被顯示物體的三維光場(chǎng)圖像時(shí)，顯示僅由三維體素構(gòu)成的真三維圖像，能夠反映可三維測(cè)量的真實(shí)物理深度信息，但不能實(shí)現(xiàn)遮擋效應(yīng)和反映物體表面特性；當(dāng)同時(shí)生成被顯示物體的三維光場(chǎng)圖像和對(duì)應(yīng)的體三維圖像時(shí)，顯示的真三維圖像既能夠?qū)崿F(xiàn)被顯示物體的遮擋效應(yīng)、較好地反映其表面特性，也能夠準(zhǔn)確反映物體的尺寸和空間關(guān)系。用戶可通過控制裝置在多個(gè)模式之間進(jìn)行切換。該控制裝置可為，例如計(jì)算機(jī)。
[0076]可選地，本實(shí)施例中，還可包括透明保護(hù)罩18，設(shè)于混合屏幕14的外圍以對(duì)混合屏幕14起到保護(hù)作用，防止混合屏幕14被損壞。
[0077]參考圖3，本實(shí)施例中，投影裝置12可包括光源121、濾波器122、光學(xué)準(zhǔn)直透鏡123、極性化分光器124、空間光調(diào)制器125和光學(xué)器件126。光源121可為RGB (紅綠藍(lán))三色光源或者白色光源，其發(fā)出的光線經(jīng)濾波器122過濾掉紅外、紫外等不可見光，并通過光學(xué)準(zhǔn)直透鏡123進(jìn)行光學(xué)準(zhǔn)直后投射到極性化分光器124上，光線經(jīng)極性化分光器124分光后形成極性化光線被反射至空間光調(diào)制器125的相應(yīng)像素單元上。通過成像裝置10產(chǎn)生高速變換的圖像流調(diào)制空間光調(diào)制器125，當(dāng)空間光調(diào)制器125上的像素單元被開啟時(shí)，通過該像素單元的光線便被反射回極性化分光器125 ;當(dāng)空間光調(diào)制器125上的像素單元被關(guān)閉時(shí)，通過該像素單元的光線便被極性化分光器125吸收。利用成像裝置10產(chǎn)生的高速變換的圖像流控制空間光調(diào)制器125上的像素單元的開啟和關(guān)閉，可以控制各像素單元向極性化分光器125反射光線，從而調(diào)制出高速變換的圖像，形成該圖像的光束經(jīng)過極性化分光器125和光學(xué)器件126被投射到混合屏幕14上，投射到定向反射屏142上的光束會(huì)形成對(duì)應(yīng)各個(gè)觀察視場(chǎng)的三維光場(chǎng)圖像，而投射到螺旋屏141上的光束被螺旋面截獲，在截獲處形成可見光點(diǎn)，形成真三維體元分布。在混合屏幕14高速旋轉(zhuǎn)的過程中，觀察者肉眼便可感受連續(xù)顯示的真三維圖像和多視點(diǎn)三維圖像。
[0078]本實(shí)施例中，通過高速生成被顯示物體的二維圖像切片，結(jié)合高速旋轉(zhuǎn)的螺旋屏141來使觀察者在視覺上感受到三維物體。具體原理如下:
[0079]如圖4所示，基于快速二維投影和快速移動(dòng)屏的成像原理.假定一個(gè)掃描屏以較快的循環(huán)頻率在Z軸上來回移動(dòng)(比如大于24Hz )，在掃描運(yùn)動(dòng)的每個(gè)時(shí)間周期內(nèi)，通過高速投影儀將N幅二維圖像朝移動(dòng)平面進(jìn)行投影，掃描屏與二維圖像投影在Z軸的不同位置上相交，在真三維空間形成二維圖像棧。當(dāng)掃描屏的循環(huán)頻率足夠高，在每趟運(yùn)動(dòng)中二維投影儀能夠產(chǎn)生足夠數(shù)量的二維圖像切片，觀測(cè)者就能夠由于人眼的視覺暫留效應(yīng)感受到一個(gè)真三維圖像懸浮在三維空間中，沒有抖動(dòng)。
[0080]本實(shí)施例中，利用一個(gè)高速的成像裝置10和光學(xué)投影裝置10來輸出超高速的圖像(每秒幾千幅)并將其投影到高速旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)的螺旋屏141上。投影圖像與螺旋屏141表面在不同的高度上相交(取決于螺旋面的不同旋轉(zhuǎn)角度)，于是螺旋屏141每次旋轉(zhuǎn)能夠在其旋轉(zhuǎn)所構(gòu)成的柱面三維顯示空間內(nèi)生成三維像素。螺旋屏141表面的每個(gè)部分能夠使用數(shù)學(xué)方程描述:
[0081]
【權(quán)利要求】
1.一種基于混合屏的真三維顯示系統(tǒng)，其特征在于，包括驅(qū)動(dòng)裝置、成像裝置、投影裝置和混合屏幕； 所述混合屏幕包括多種種類的具有不同顯示機(jī)理的顯示屏幕，所述多種種類的顯示屏幕共用所述驅(qū)動(dòng)裝置、成像裝置和投影裝置； 所述驅(qū)動(dòng)裝置與所述混合屏幕連接，用于驅(qū)動(dòng)所述混合屏幕水平旋轉(zhuǎn)； 所述成像裝置用于以預(yù)設(shè)的時(shí)序生成多幅圖像，各幅圖像包括一種或多種種類的基于不同顯示機(jī)理的圖像內(nèi)容，每種種類的圖像內(nèi)容與一種種類的顯示屏幕相對(duì)應(yīng)； 所述投影裝置與所述成像裝置連接且與所述混合屏幕相對(duì)設(shè)置，用于將各幅圖像中部分種類的圖像內(nèi)容或全部種類的圖像內(nèi)容投射至所述混合屏幕中對(duì)應(yīng)的顯示屏幕，以使所述混合屏幕只顯示其中部分種類的圖像內(nèi)容或者顯示所有種類的圖像內(nèi)容。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于混合屏的真三維顯示系統(tǒng)，其特征在于，所述混合屏幕包括定向反射屏和螺旋屏。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于混合屏的真三維顯示系統(tǒng)，其特征在于，所述定向反射屏和所述螺旋屏固定在一起。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于混合屏的真三維顯示系統(tǒng)，其特征在于，所述定向反射屏沿水平方向傾斜放置，所述螺旋屏包括支撐軸，所述支撐軸的一端固定在所述定向反射屏上，另一端受所述驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)以帶動(dòng)所述混合屏幕水平旋轉(zhuǎn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于混合屏的真三維顯示系統(tǒng)，其特征在于，所述成像裝置生成的各所述圖像包括被顯示物體的體三維圖像和/或被顯示物體的三維光場(chǎng)圖像，所述投影裝置將各幅圖像中的體三維圖像和/或三維光場(chǎng)圖像投射至對(duì)應(yīng)的顯示屏幕，以使所述混合屏幕單獨(dú)顯示體三維圖像、單獨(dú)顯示三維光場(chǎng)圖像、或者顯示包括所述體三維圖像和三維光場(chǎng)圖像的 合成圖像。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于混合屏的真三維顯示系統(tǒng)，其特征在于，所述成像裝置生成的各幅圖像中的光場(chǎng)三維圖像由多個(gè)從不同觀察視場(chǎng)采集的二維圖像組合而成。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于混合屏的真三維顯示系統(tǒng)，其特征在于，所述成像裝置生成的各幅圖像中的體三維圖像由多層二維圖像切片堆積而成。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7任一項(xiàng)所述的基于混合屏的真三維顯示系統(tǒng)，其特征在于，還包括控制裝置，與所述成像裝置連接，用于控制所述成像裝置選擇性地生成所述一種或多種種類的基于不同顯示機(jī)理的圖像內(nèi)容。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-7任一項(xiàng)所述的基于混合屏的真三維顯示系統(tǒng)，其特征在于，所述投影裝置包括: 光源，用于發(fā)射光線； 濾波器，用于對(duì)所述光源發(fā)射的光線進(jìn)行過濾； 光學(xué)準(zhǔn)直透鏡，用于對(duì)過濾后的光線進(jìn)行光學(xué)準(zhǔn)直； 極性化分光器，用于對(duì)光學(xué)準(zhǔn)直后的光線進(jìn)行分光生成極性化光線，并反射所述極性化光線； 空間光調(diào)制器，具有多個(gè)像素單元，各像素單元用于接收所述極性化分光器反射的極性化光線，并在被開啟時(shí)將接收的極性化光線反射回所述極性化分光器形成各所述圖像的光束；以及光學(xué)器件，用于將各所述圖像的光束投射至所述混合屏幕。
10.一種基于混合屏的真三維顯示方法，其特征在于，包括: 驅(qū)動(dòng)步驟:驅(qū)動(dòng)包括多種種類的顯示屏幕的混合屏幕水平旋轉(zhuǎn)，所述多種種類的顯示屏幕具有不同顯示機(jī)理； 圖像生成步驟:以預(yù)設(shè)的時(shí)序生成多幅圖像，各幅圖像包括一種或多種種類的基于不同顯示機(jī)理的圖像內(nèi)容，每種種類的圖像內(nèi)容與一種種類的顯示屏幕相對(duì)應(yīng)；以及 投影步驟:將各幅圖像中的部分種類的圖像內(nèi)容或全部種類的圖像內(nèi)容投射至所述混合屏幕中對(duì)應(yīng)的顯示屏幕，以使所述混合屏幕只顯示其中部分種類的圖像內(nèi)容或者顯示所有種類的圖像內(nèi)容。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的基于混合屏的真三維顯示方法，其特征在于，所述混合屏幕包括定向反射屏和螺旋屏。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的基于混合屏的真三維顯示方法，其特征在于，所述圖像生成步驟中生成的各所述圖像包括被顯示物體的體三維圖像和/或被顯示物體的三維光場(chǎng)圖像，所述投影步驟將各幅圖像中的體三維圖像和/或三維光場(chǎng)圖像投射至對(duì)應(yīng)的顯示屏幕，以使所述混合屏幕單獨(dú)顯示體三維圖像、單獨(dú)顯示三維光場(chǎng)圖像、或者顯示包括所述體三維圖像和三維光場(chǎng)圖像的合成圖像。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的基于混合屏的真三維顯示方法，其特征在于，各所述圖像中的光場(chǎng)三維圖像由多個(gè)從不同觀察視場(chǎng)采集的二維圖像組合而成。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的基于混合屏的真三維顯示方法，其特征在于，各所述圖像中的體三維圖像由多層二維圖 像切片堆積而成。
【文檔編號(hào)】H04N13/04GK103885280SQ201210564562
【公開日】2014年6月25日 申請(qǐng)日期:2012年12月21日 優(yōu)先權(quán)日:2012年12月21日
【發(fā)明者】耿征 申請(qǐng)人:耿征