CN102183873B - 基于高速投影机的悬浮式360°视场空间三维显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于高速投影机的悬浮式360°视场空间三维显示装置。该装置包括偏折型散射屏、高速投影机、图像发生器、探测模块、电机和传动机构。高速投影机将三维物体360°全景视场的组合图像投影到高速旋转的偏折型散射屏上。偏折型散射屏可控制出射光的垂直偏折角度和水平发散角度，使观察者的双眼观察到不同视角的图像，实现显示的三维物体悬浮在偏折型散射屏的上方。基于高速投影机的悬浮式360°空间三维显示可供多人360°视场裸眼同时观看，实现空间遮挡消隐并可探入触摸交互。

Description

基于高速投影机的悬浮式360°视场空间三维显示装置

技术领域

本发明涉及显示装置，尤其涉及一种基于高速投影机的悬浮式360°视场空间三维显示装置。

背景技术

人类是天生的空间思维者，如何实现真实的空间三维显示一直是人们孜孜以求的目标。目前三维显示最大的困难在于三维海量数据的获取处理与传输以及再现，尤其是再现技术。目前主要的三维显示技术有：视差型三维显示、全息三维显示以及空间三维显示等。

目前视差型三维显示是最为普及的立体显示技术，它通过特定分离方式使左、右视图分别为观察者左、右眼观察，利用双目视觉融像而产生立体感知。这种三维显示虽然能给观察者带来一种深度空间虚拟立体感，但它仅提供分立的视区和有限个数的视点，而且非自然深度感的立体显示会导致观察者在长时间观看时出现头痛、恶心等反应。全息三维显示是一种真实的空间三维显示技术。全息三维显示中再现像光波保留了原来物光波的全部振幅和位相信息，再现像与原物有着完全相同的三维特性。但全息三维显示信息量之大，对空间光调制器，存储容量的要求之高，都是目前软、硬件技术所无法实现的。体空间真三维显示是一种能够在一个真正具有宽度、高度和深度的真实三维空间内进行图像信息再现的技术，它能够使众多观察者以其习惯的观看方式同时从各个侧面观看到空间三维景象。它是利用可见辐射的产生、吸收或散射而形成体素，在空间实现三维显示，不仅能自动满足几乎所有的生理和心理深度暗示，可多人、多角度、同时、裸眼观察。但是由于发光各向同性，因此无法再现客观三维场景的各种空间透视遮拦特性。全景视场空间三维显示是在全空间的各个方向上形成再现物体相应方位的图像的一种空间三维显示。这种三维显示给出了正确的空间遮拦关系，能够正确再现空间客观三维场景，具有较高密度的视角间隔，视角数量多，但这种显示方式也需要海量的数据存储及传输，且图像的显示区域比较小。上述空间三维显示都需要依赖各种屏幕或显示媒介技术来实现，如全息需要全息图像源，体三维显示与全景三维显示需要旋转屏幕或扫描屏幕或发光介质。对于这些显示系统，观察者只能围在显示器的周边观看，没办法实现可探入式的交互。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供基于高速投影机的悬浮式360°视场空间三维显示装置。

一种基于高速投影机的悬浮式360°视场空间三维显示装置，包括透射式偏折型散射屏、高速投影机、图像发生器、探测模块、电机和传动机构。其中，透射式偏折型散射屏由透射式锯齿型光栅和柱面光栅构成，并且两者的光栅方向互相平行；高速投影机位于透射式偏折型散射屏的下方并往上方投影，投影图像落在透射式偏折型散射屏上；传动机构和透射式偏折型散射屏相连，通过电机的转动，带动偏折型散射屏转动；探测模块与图像发生器、高速投影机顺次相连；透射式偏折型散射屏把高速投影机的投影光线往一侧偏折，并且在偏折方向发生散射，而和偏折方向垂直的方向小角度透射。另一种基于高速投影机的悬浮式360°视场空间三维显示装置，包括反射式偏折型散射屏、高速投影机、图像发生器、探测模块、电机和传动机构。其中，反射式偏折型散射屏由反射式锯齿型光栅和柱面光栅构成，并且两者的光栅方向互相平行；高速投影机位于反射式偏折型散射屏的上方并往下方投影，投影图像落在反射式偏折型散射屏上；传动机构和反射式偏折型散射屏相连，通过电机的转动，反射式偏折型散射屏转动；探测模块与图像发生器、高速投影机顺次相连；反射式偏折型散射屏把高速投影机的投影光线往一侧反射偏折，并且在偏折方向发生散射，而和偏折方向垂直的方向小角度反射。所述的图像发生器包括现场可编程门阵列、IO端口和存储器；现场可编程门阵列分别和IO端口以及存储器相连，IO端口连接探测模块，现场可编程门阵列和高速投影机相连。所述的图像发生器为计算机。所述的检测模块为光电传感器或机械位置开关。

本发明提出了一种基于高速投影机的悬浮式360°视场空间三维显示装置，通过将高速投影机和偏折型散射屏相结合，将显示媒介与显示空间相分离，构造出悬浮在空气中的三维显示，实现可探入触摸交互的悬浮空间三维显示，再现三维场景真实、细腻。

附图说明

图1是一种基于高速投影机的悬浮式360°视场空间三维显示装置示意图；

图2是本发明的透射式偏折型散射屏的结构示意图；

图3是另一种基于高速投影机的悬浮式360°视场空间三维显示装置示意图；

图4是本发明的反射式偏折型散射屏的结构示意图；

图5是本发明的图像发生器的组成结构框图；

图中：透射式偏折型散射屏1、高速投影机2、图像发生器3、探测模块4、电机5、传动机构6、反射式偏折型散射屏7、透射式锯齿型光栅11、柱面光栅12、现场可编程门阵列31、存储器32、IO端口33、反射式锯齿型光栅71、柱面光栅72。

具体实施方式

基于高速投影机的悬浮式360°视场空间三维显示装置可以实现全景视场的空间三维显示。全景视场三维显示是在水平360°方向显示出一周离散的与周围视点位置相对应的视场图像序列。视场图像经定向散射屏对其发光角度进行限制，来保证每一幅图像只能在其视点位置附近的小范围内可见。位于周围的观察者的双眼就能看到与其双眼位置相对应的不同视场图像，产生立体感。本发明的悬浮式360°视场空间三维显示装置通过偏折型散射屏对光线的限制将显示的三维场景悬浮于屏幕上方的客观物理空间。这种方法不仅具有透视消隐、多人裸眼同时围绕观看的特点，还可以实现让周围观察者探入触摸交互再现的三维物体，更加符合人们感知真实物体的客观方式。

如图1所示，一种基于高速投影机的悬浮式360°视场空间三维显示装置，包括透射式偏折型散射屏1、高速投影机2、图像发生器3、探测模块4、电机5和传动机构6。高速投影机2位于透射式偏折型散射屏1的下方，将事先处理好的投影图像序列往上方投影，投影图像落在透射式偏折型散射屏1上。透射式偏折型散射屏1把高速投影机2的投影光线往一侧偏折，并且在偏折方向发生散射，而和偏折方向垂直的方向小角度透射。传动机构6和透射式偏折型散射屏1相连，通过电机5的转动，带动透射式偏折型散射屏1高速转动。传动机构6一般采用齿轮传动、涡轮蜗杆传动、带传动等，主要是将电机5的转动传递给透射式偏折型散射屏1，来带动透射式偏折型散射屏1的旋转。透射式偏折型散射屏1的转速由电机5的转速和传动机构6的传动比共同决定。探测模块4与图像发生器3、高速投影机2顺次相连。探测模块4检测透射式偏折型散射屏1的转动速度及其位置，并将其转速和位置信号传给图像发生器3，由图像发生器3控制高速投影机2投影图像序列的初始位置及高速投影机的帧频，以此来保证高速投影机2的投影图像序列与透射式偏折型散射屏1转动的同步。当透射式偏折型散射屏1固定时，位于观察区域的某一固定视点位置，其所观看到的图像仅为高速投影机投影图像中正对这一位置的一窄条图像。当透射式偏折型散射屏1旋转后，位于观察区域的某一固定视点位置则观看到投影图像序列里连续多幅图像中不同位置窄条的组合图像。假设透射式偏折型散射屏1旋转一周，高速投影机2投影出                                                幅图像，那么当透射式偏折型散射屏1旋转时，每转动一定角度（

）切换一幅图像。为了满足人眼的视觉暂留，需提高图像的刷新频率，这就要求提高透射式偏折型散射屏1的转速。设透射式偏折型散射屏1的转速为

，则高速投影机2的帧频

为，三维场景的刷新频率也为

。当视角间隔足够密的时候，人的双眼分别位于两个不同的视角，则看到不同的图像，从而产生立体视觉，且再现的三维场景悬浮于透射式偏折型散射屏1的上方。每周的投影图像数量一般需200幅以上，即

。若系统刷新频率为15r/s,则投影机的帧频

至少3000帧，所以需要高帧频的投影机。最为常用的高速投影机1为单片式或三片式的DMD投影机。

如图2所示，透射式偏折型散射屏1由透射式锯齿型光栅11和柱面光栅12构成，并且两者的光栅方向互相平行。透射式偏折型散射屏1把高速投影机2的投影光线往一侧偏折，并且在偏折方向发生散射，而和偏折方向垂直的方向小角度透射。透射式锯齿型光栅11将透射的高速投影机2的投影主光线往一侧偏折，锯齿型光栅11的锯齿楔角决定了对投影光线的偏折角度，锯齿型光栅11的锯齿方向决定了对投影主光线的偏折方向；柱面光栅12将投影在其上的图像在光栅方向上和垂直于光栅方向上分别对其出射角度进行限制，在光栅方向上以比较小的发散角度出射，在垂直于光栅方向上以比较大的角度进行散射。透射式偏折型散射屏1在和偏折方向垂直的水平方向上以小角度出射，其角度大小一般小于

。而透射式偏折型散射屏1在偏折方向发生以大角度散射，但其散射上端的最边缘光线的水平方向与偏折方向的水平分量方向相同，否则在偏折方向另外一侧也能看到部分的图像。

如图3所示，另一种基于高速投影机的悬浮式360°视场空间三维显示装置，包括高速投影机2、图像发生器3、探测模块4、电机5、传动机构6和反射式偏折型散射屏7。高速投影机2位于反射式偏折型散射屏7的上方，将事先处理好的投影图像序列往下方投影，投影图像落在反射式偏折型散射屏7上。反射式偏折型散射屏7把高速投影机2的投影光线后往一侧反射偏折，并且在偏折方向发生散射，而和偏折方向垂直的方向小角度反射。传动机构6和反射式偏折型散射屏7相连，通过电机5的转动，带动反射式偏折型散射屏7高速转动。传动机构6主要是将电机5的转动传递给反射式偏折型散射屏7，来带动反射式偏折型散射屏7的旋转。探测模块4与图像发生器3、高速投影机2顺次相连。探测模块4检测反射式偏折型散射屏7的转动速度及其位置，并将其转速和位置信号传给图像发生器3，由图像发生器3控制高速投影机2投影图像序列的初始位置及高速投影机的帧频，以此来保证高速投影机2的投影图像序列与反射式偏折型散射屏7转动的同步。当反射式偏折型散射屏7固定时，位于观察区域的某一固定视点位置，其所观看到的图像仅为高速投影机投影图像中正对这一位置的一窄条图像。当反射式偏折型散射屏7旋转后，位于观察区域的某一固定视点位置则观看到投影图像序列里连续多幅图像中不同位置窄条的组合图像。假设反射式偏折型散射屏7旋转一周，高速投影机2投影出

幅图像，那么当反射式偏折型散射屏7旋转时，每转动一定角度（

）切换一幅图像。设反射式偏折型散射屏7的转速为

，则高速投影机2的帧频

为

，三维场景的刷新频率也为

。当视角间隔足够密的时候，人的双眼分别位于两个不同的视角，则看到不同的图像，从而产生立体视觉，且再现的三维场景悬浮于反射式偏折型散射屏7的上方。最为常用的高速投影机1为单片式或三片式的DMD投影机。

如图4所示，反射式偏折型散射屏7由反射式锯齿型光栅71和柱面光栅72构成，并且两者的光栅方向互相平行。反射式偏折型散射屏7把高速投影机2的投影光线往一侧反射偏折，并且在偏折方向发生散射，而和偏折方向垂直的方向小角度反射。反射式锯齿型光栅71将透射的高速投影机2的投影主光线往一侧反射偏折，反射式锯齿型光栅71的锯齿楔角决定了对投影光线的偏折角度，反射式锯齿型光栅71的锯齿方向决定了对投影主光线的偏折方向；柱面光栅72将投影其上的图像在光栅方向上和垂直于光栅方向上分别对其出射角度进行限制，在光栅方向上以比较小的发散角度出射，在垂直于光栅方向上以比较大的角度进行散射。反射式偏折型散射屏7在和偏折方向垂直的水平方向上以小角度出射，其角度大小一般小于

。而反射式偏折型散射屏7在偏折方向发生以大角度散射，但其散射上端的最边缘光线的水平方向与偏折方向的水平分量方向相同，否则在偏折方向另外一侧也能看到部分的图像。

如图5所示，所述的图像发生器3包括现场可编程门阵列31、IO端口33和存储器32；现场可编程门阵列31分别和IO端口33以及存储器32相连，IO端口33)连接探测模块4，现场可编程门阵列31和高速投影机2相连。在系统显示过程中，现场可编程门阵列31将事先存储在存储器32中的投影图像序列读出并传入高速投影机2以供显示。而在实际显示过程中，高速投影机2的投影图像序列需与偏折型散射屏转动保持同步。检测模块4为光电传感器或机械位置开关，用来检测偏折型散射屏的转速及其位置，并将其转速和位置信号传给图像发生器3的IO端口33。现场可编程门阵列31检测到IO端口33上传入的转速和位置信号，经处理再对高速投影机2的投影图像的帧频以及起始位置进行控制来保持同步。所述的图像发生器3也可以为计算机。

Claims (5)

1.一种基于高速投影机的悬浮式360°视场空间三维显示装置，其特性在于它包括透射式偏折型散射屏(1)、高速投影机(2)、图像发生器(3)、探测模块(4)、电机(5)和传动机构(6)；其中，透射式偏折型散射屏(1)由透射式锯齿型光栅(11)和柱面光栅(12)构成，并且两者的光栅方向互相平行；高速投影机(2)位于透射式偏折型散射屏(1)的下方并往上方投影，投影图像落在透射式偏折型散射屏(1)上；传动机构(6)和透射式偏折型散射屏(1)相连，通过电机(5)的转动，带动偏折型散射屏(1)转动；探测模块(4)与图像发生器(3)、高速投影机(2)顺次相连；透射式偏折型散射屏(1)把高速投影机(2)的投影光线往一侧偏折，并且在偏折方向发生散射，而和偏折方向垂直的方向小角度透射。

2.一种基于高速投影机的悬浮式360°视场空间三维显示装置，其特性在于它包括高速投影机(2)、图像发生器(3)、探测模块(4)、电机(5)、传动机构(6)和反射式偏折型散射屏(7)；其中，反射式偏折型散射屏(7)由反射式锯齿型光栅(71)和柱面光栅(72)构成，并且两者的光栅方向互相平行；高速投影机(2)位于反射式偏折型散射屏(7)的上方并往下方投影，投影图像落在反射式偏折型散射屏(7)上；传动机构(6)和反射式偏折型散射屏(7)相连，通过电机(5)的转动，带动反射式偏折型散射屏(7)转动；探测模块(4)与图像发生器(3)、高速投影机(2)顺次相连；反射式偏折型散射屏(7)把高速投影机(2)的投影光线往一侧反射偏折，并且在偏折方向发生散射，而和偏折方向垂直的方向小角度反射。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于高速投影机的悬浮式360°视场空间三维显示装置，其特性在于所述的图像发生器(3)包括现场可编程门阵列(31)、IO端口(33)和存储器(32)；现场可编程门阵列(31)分别和IO端口(33)以及存储器(32)相连，IO端口(33)连接探测模块(4)，现场可编程门阵列(31)和高速投影机(2)相连。

4.根据权利要求1或2所述的一种基于高速投影机的悬浮式360°视场空间三维显示装置，其特性在于所述的图像发生器(3)为计算机。

5.根据权利要求1或2所述的基于高速投影机的悬浮式360°视场空间三维显示装置，其特性在于所述的探测模块(4)为光电传感器或机械位置开关。

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