專利名稱：基于模塊化拼接的空間三維顯示裝置及校正方法
技術領域：
本發明涉及空間三維顯示裝置及校正方法，尤其涉及一種基于模塊化拼接的空間三維顯示裝置及校正方法。
背景技術：
三維顯示區別于傳統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。國內外眾多三維顯示技術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為未來理想的三維顯示方式，但在動態顯示方面需要高分辨的空間光調制器以及超高速的數據處理系統，這兩個因素極大地限制了這種技術的進步使其不能很好地進入實際應用。因此非全息三維顯示是目前的主流顯示技術，而實現非全息三維顯示技術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備出現，然而基于這兩種方法的顯示裝置大都依靠轉動屏幕來滿足全視角觀看的需求，所以顯示裝置結構相對復雜造價也較高。傳統的集成成像三維顯示技術則在視角數目、圖像串擾、顯示區域深度和大小等方面存在很多需要解決的問題。現有的體視三維顯示裝置大都依據在橫向或者縱向通過視場拼接的方式提供足夠多的觀察視角，讓觀察者兩只眼睛橫跨不同的視角以獲得細膩的三維感知。目前已經開發出的投影式裸眼三維顯示裝置大都結構復雜，需要大量的投影機和控制電路，因此缺乏具體的實際應用。并且單個裸眼立體顯示器顯示的圖像分辨率低、視角少而不連續、縱深感不夠等問題，更使其在虛擬現實領域應用缺乏創新。另一方面，現有的三維顯示系統往往需要采用多個顯示或光學機構，系統像差和裝配誤差將會大大影響三維顯示的圖像質量，業界缺乏一種有效、快速的圖像校正方法。本發明的主要目的在于構建一個拓展性強、成本可控，并且具有很大視角范圍的空間三維顯示裝置，且滿足多人多視角觀看的訴求。其優點在于可以產生高圖像分辨率、高視角分辨率，并且可以在弧形屏幕前觀看到具備細膩的橫向視差的三維圖像懸浮效果。另一方面，成功的三維顯示裝置需要綜合考慮圖像分辨率、三維顯示效果、計算成本等諸多方面，探求一種綜合了考慮了系統成像像差和裝置精度等問題的圖像校正方法具有很大實際應用價值。該校正方法具備較高拓展性的投影式三維顯示裝置及圖像采集識別系統，其初衷在于綜合了考慮了系統成像像差和裝置精度的問題下實現模塊化拼接空間三維顯示迅速自校正與圖像顯示，可廣泛用于基于多投影顯示或分時顯示拼接原理的體視三維顯示技術。一言以蔽之，相較于現有技術方案，基于模塊化拼接的空間三維顯示裝置及校正方法可以在更短的時間內、以更集成化的系統結構實現大尺寸空間三維顯示的圖像校正與顯示。

發明內容
本發明的目的是克服現有技術中顯示裝置和校正方法的不足，提供一種基于模塊化拼接的空間三維顯示裝置及校正方法。
所述的三維顯示裝置包括多個沿同心圓弧布置呈模塊化拼接的投影三維顯示單元、緊貼設置的電光開關調光屏和弧形定向散射屏，其中，投影顯示單元包括依次設置的二維顯示單元陣列、透鏡陣列和孔闌陣列，圖像采集系統設置于二維顯示單元陣列上方并保證對準電光開關調光屏拍攝，計算機分別與圖像采集系統和二維顯示單元陣列相連接；所有投影顯示單元中所有顯示單元顯示的圖像通過對應的透鏡陣列、孔闌陣列均投影到電光開關調光屏和弧形定向散射屏圓心0點處成像。所述的二維顯示單元陣列是單個二維顯示器或多個二維顯示器組成的陣列，其中，二維顯示器是LCD、LCOS、PDP、LED、CRT、OLED或投影機。所述的電光開關調光屏是PDLC屏或具有相似功能的可彎曲的屏幕結構。所述的投影顯示單元中的圖像采集系統是CXD或CMOS拍攝器件。所述的校正方法步驟如下
1)每個投影三維顯示單元中的圖像采集系統均設置于二維顯示單元陣列上方系統對稱中心線上，并對準電光開關調光屏拍攝；
2)電光開關調光屏斷開電源，呈現不透光的漫射特性；
3)二維顯示單元陣列中的顯示單元顯示一個坐標點(Xtl, Y0),該坐標點透過成像系統會在電光開關調光屏上投射出一個漫射亮斑；
4)圖像采集系統捕獲電光開關調光屏的漫射亮斑，分別記錄下捕獲的漫射亮斑在二維圖像顯示單元陣列中的坐標點信息(Xtl, Ytl)和在圖像采集系統中的坐標點信息(X1, Y1)，送入與二者相連的計算機生成相應的映射關系；循環掃描記錄坐標點映射信息直至二維顯示單元陣列中的顯示單元所有顯示點掃描結束；
5)計算機獲取三維顯示所要呈現各視角的原始圖像，根據映射關系進行從坐標點 (X11Y1) IiJ (X0, Y0)的變化，對所要呈現三維物體相應視角在二維顯示單元陣列中的圖像進行預校正；
6)所有投影顯示單元校正完成之后，電光開關調光屏接通電源，呈現透明透光的特性， 相當于僅有弧形定向散射屏起作用，每個投影顯示單元中的計算機都將預校正后的圖像送入二維顯示單元陣列中相應顯示單元并經過透鏡陣列、孔闌陣列和弧形定向散射屏作用實現空間三維顯示成像。所述的校正方法在多屏拼接的結構下是每個投影顯示單元中的圖像采集系統順次拍攝電光開關調光屏的對應部分校正，或同時拍攝校正。本發明的主要優點在于提出了一種具備普適性的、可簡單快速實現大尺寸空間三維顯示及校正，它包括具備較高拓展性的模塊化拼接空間三維顯示裝置及圖像校正方法， 顯示裝置利用模塊化拼接實現了大尺寸空間三維顯示的拓展，校正方法綜合考慮了成像像差與系統精度，可在不影響系統結構的基礎上實現圖像預校正及三維顯示的靈活切換。


下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。圖1是基于模塊化拼接的空間三維顯示裝置基本結構示意圖； 圖2是基于模塊化拼接的空間三維顯示校正方法流程示意圖3是橫向15個視角空間三維顯示裝置投影顯示單元基本結構示意圖；圖4、圖5是橫向15個視角空間三維顯示裝置對應校正方法示意圖； 圖中，投影顯示單元1、電光開關調光屏2，弧形定向散射屏3、二維圖像顯示單元陣列 4、透鏡陣列5、孔闌陣列6、圖像采集系統7、計算機8。
具體實施例方式如圖1所示，基于模塊化拼接的空間三維顯示裝置包括多個沿同心圓弧布置呈模塊化拼接的投影三維顯示單元1、緊貼設置的電光開關調光屏2和弧形定向散射屏3，其中， 投影顯示單元1包括依次設置的二維顯示單元陣列4、透鏡陣列5和孔闌陣列6，圖像采集系統7設置于二維顯示單元陣列4上方并保證對準電光開關調光屏2拍攝，計算機8分別與圖像采集系統7和二維顯示單元陣列4相連接；所有投影顯示單元1中所有顯示單元顯示的圖像通過對應的透鏡陣列5、孔闌陣列6均投影到電光開關調光屏2和弧形定向散射屏 3圓心0點處成像。所述的二維顯示單元陣列4、透鏡陣列5和孔闌陣列6是為實現橫向視差的N*1陣列，或為實現包括橫向和縱向視差的N*M陣列。所述的二維顯示單元陣列4是單個二維顯示器或多個二維顯示器組成的陣列，其中，二維顯示器是LCD、LCOS、PDP、LED、CRT、OLED或投影機。所述的電光開關調光屏2是PDLC屏或具有相似功能的可彎曲的屏幕結構。所述的投影顯示單元1中的圖像采集系統7是C⑶或CMOS拍攝器件。如圖2所示，所述的基于模塊化拼接空間三維顯示校正方法步驟如下
1)每個投影顯示單元1中的圖像采集系統7均設置于二維顯示單元陣列4上方系統對稱中心線上，并對準電光開關調光屏2拍攝；
2)電光開關調光屏2斷開電源，呈現不透光的漫射特性；
3)二維顯示單元陣列4中的顯示單元顯示一個坐標點Utl，Y0),該坐標點透過成像系統會在電光開關調光屏2上投射出一個漫射亮斑；
4)圖像采集系統7捕獲電光開關調光屏2的漫射亮斑，分別記錄下捕獲的漫射亮斑在二維圖像顯示單元陣列4中的坐標點信息(Xtl, Y0)和在圖像采集系統7中的坐標點信息 (X1, Y1),送入與二者相連的計算機8生成相應的映射關系；循環掃描記錄坐標點映射信息直至二維顯示單元陣列4中的顯示單元所有顯示點掃描結束；
5)計算機8獲取三維顯示所要呈現各視角的原始圖像，根據映射關系進行從坐標點 (X11Y1) IlJ (X0, Y0)的變化，對所要呈現三維物體相應視角在二維顯示單元陣列4中的圖像進行預校正；
6)所有投影顯示單元1校正完成之后，電光開關調光屏2接通電源，呈現透明透光的特性，相當于僅有弧形定向散射屏3起作用，每個投影顯示單元1中的計算機8都將預校正后的圖像送入二維顯示單元陣列4中相應顯示單元并經過透鏡陣列5、孔闌陣列6和弧形定向散射屏3作用實現空間三維顯示成像。所述的校正方法在多屏拼接的結構下是每個投影顯示單元1中的圖像采集系統7 順次拍攝電光開關調光屏2的對應部分校正，或同時拍攝校正。
實施例
一種基于模塊化拼接的空間三維顯示裝置及校正方法可用于基于多投影顯示或分時顯示拼接原理的體視三維顯示裝置，下面結合具體實施例

本發明的工作過程如下
此處以模塊化拼接中的單個模塊單元，即一個包含15個橫向拼接圖像的視場拼接三維顯示裝置圖像顯示及校正為示例，其余的模塊均可類推得到。系統結構如圖1所示，二維顯示單元陣列4包括錯位排布的15個投影機，如圖3所示，所謂投影機由二維顯示單元陣列4的一部分、一個透鏡和一個孔闌組成，孔闌緊貼在透鏡前方；弧形定向散射屏3設置在以系統中心0點為圓心，在縱向散射光線，橫向不散射光線，而弧形顯示區域也提供了足夠的課探入顯示空間。電光開關調光屏2也彎成弧形，附在弧形定向散射屏3靠近投影顯示裝置一側。本例中采用PDLC (聚合物分散液晶)作為調光屏材料，其特性在于在無外加電壓的情形下，膜間不能形成有規律的電場，液晶微粒的光軸取向隨機，呈現無序狀態，其有效折射率no不與聚合物的折射率nP匹配，入射光線被強烈散射；施加了外電壓，液晶微粒的光軸垂直于薄膜表面排列，即與電場方向一致。微粒之尋常光折射率與聚合物的折射率基本匹配，無明顯介面，構成了基本均勻的介質，所以入射光不會發生散射，薄膜呈透明狀。通過電光開關調光屏2的作用，即可在不改變裝置結構的情況下實現圖像校正和顯示的自由切換。15個投影機在水平方向上對準設定的系統中心0，垂直方向上對準弧形定向散射屏 3上的同一高度。根據視場拼接的基本原理，裝置工作圖像顯示模式下，15個投影機投影的圖像均經過弧形定向散射屏3在縱向展開，從而在另一側觀察區域可以看到諸多長條形圖像，15幅圖像正好在橫向拼接成一整幅完整圖像。顯示圖像之前首先需要進行圖像定標及校正。首先將電光開關調光屏2斷開電源，呈現不透光的漫射特性。在二維顯示單元陣列4上顯示一個白點，坐標為(Xtl, Ytl),則白點通過投影機成像在電光開關調光屏2上。從二維顯示單元陣列4的左上角開始將白點逐行掃描，如圖4所示；若二維顯示單元陣列4采用的是發出有偏振態光線的顯示器，如LCD 顯示器，則需要在圖像采集系統7前附加線偏振片，偏振方向與LCD顯示器發出光線的偏振方向垂直，作用在于過濾除電光開關調光屏2表面漫射發出的光線之外的其他雜散光，以保證圖像采集系統7能準確捕獲投影空間位置關系。圖像采集系統7在白點每移動一個像素就實時捕獲一幅圖像，分析獲得的圖像中白點的位置，通過幾何關系計算出白點在電光開關調光屏2上的實際位置坐標(X1, Y1)，如圖5所示，并與二維顯示單元陣列4中白點的坐標O^Ytl)建立映射關系。這樣當二維顯示單元陣列4上所有的像素點都被掃描過后，圖像采集系統7捕獲的區域內的所有白點的實際位置(X11Y1)都映射到二維顯示單元陣列4上相應的(Xci, Ytl),這樣就完成定標。定標完成之后，在系統參數不改變的情況下即可根據已經獲得的映射關系生成圖像而無需再次定標。將最終要顯示的三維模型或場景縮放至系統可以顯示的范圍大小，將模型根據空間映射關系映射到弧形定向散射屏3上，然后根據(X1J1)與(H)的映射關系映射到二維顯示單元陣列4上，最終可以得到整個二維顯示單元陣列4需要顯示的圖像。 只要在二維顯示單元陣列4上顯示最終校正過的圖像，并接通電光開關調光屏2的電源，在觀察區域就可以看到三維模型或場景。雖然這里是通過示意和舉例的方式對本發明進行進一步描述的，但應該認識到， 本發明并不局限于上述實施方式和實施例，前文的描述只被認為是說明性的，而非限制性的，本領域技術人員可以做出多種變換或修改，只要沒有離開所附權利要求中所確立的范圍和精神實質，均視為在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.基于模塊化拼接的空間三維顯示裝置，其特征在于所述的三維顯示裝置包括多個沿同心圓弧布置呈模塊化拼接的投影三維顯示單元(1)、緊貼設置的電光開關調光屏(2)和弧形定向散射屏(3)，其中，投影顯示單元(1)包括依次設置的二維顯示單元陣列(4)、透鏡陣列(5)和孔闌陣列(6)，圖像采集系統(7)設置于二維顯示單元陣列(4)上方并保證對準電光開關調光屏(2)拍攝，計算機(8)分別與圖像采集系統(7)和二維顯示單元陣列(4)相連接；所有投影顯示單元(1)中所有顯示單元顯示的圖像通過對應的透鏡陣列(5)、孔闌陣列(6)均投影到電光開關調光屏(2)和弧形定向散射屏(3)圓心0點處成像。
2.根據權利要求1所述的基于模塊化拼接的空間三維顯示裝置，其特征在于所述的二維顯示單元陣列(4)是單個二維顯示器或多個二維顯示器組成的陣列，其中，二維顯示器是 LCD、LCOS、PDP、LED、CRT、OLED 或投影機。
3.根據權利要求1所述的基于模塊化拼接的空間三維顯示裝置，其特征在于所述的電光開關調光屏(2)是PDLC屏或具有相似功能的可彎曲的屏幕結構。
4.根據權利要求1所述的基于模塊化拼接的空間三維顯示裝置，其特征在于所述的圖像采集系統(7)是CXD或CMOS拍攝器件。
5.一種使用如權利要求1所述裝置的基于模塊化拼接的空間三維顯示校正方法，其特征在于方法的步驟如下1)每個投影顯示單元(1)中的圖像采集系統(7)均設置于二維顯示單元陣列(4)上方系統對稱中心線上，并對準電光開關調光屏(2)拍攝；2)電光開關調光屏(2)斷開電源，呈現不透光的漫射特性；3)二維顯示單元陣列(4)中的顯示單元顯示一個坐標點Utl，Y0),該坐標點透過成像系統會在電光開關調光屏(2)上投射出一個漫射亮斑；4)圖像采集系統(7)捕獲電光開關調光屏(2)的漫射亮斑，分別記錄下捕獲的漫射亮斑在二維圖像顯示單元陣列(4)中的坐標點信息(Xtl, Ytl)和在圖像采集系統(7)中的坐標點信息(X1, Y1),送入與二者相連的計算機(8)生成相應的映射關系；循環掃描記錄坐標點映射信息直至二維顯示單元陣列(4)中的顯示單元所有顯示點掃描結束；5)計算機(8)獲取三維顯示所要呈現各視角的原始圖像，根據映射關系進行從坐標點 (X1, Y1)到(Xtl, Ytl)的變化，對所要呈現三維物體相應視角在二維顯示單元陣列(4)中的圖像進行預校正；6)所有投影顯示單元(1)校正完成之后，電光開關調光屏(2)接通電源，呈現透明透光的特性，相當于僅有弧形定向散射屏(3)起作用，每個投影顯示單元(1)中的計算機(8)都將預校正后的圖像送入二維顯示單元陣列(4)中相應顯示單元并經過透鏡陣列(5)、孔闌陣列(6)和弧形定向散射屏(3)作用實現空間三維顯示成像。
6.根據權利要求5所述的基于模塊化拼接的空間三維顯示校正方法，其特征在于所述的方法在多屏拼接的結構下是每個投影顯示單元(1)中的圖像采集系統(7)順次拍攝電光開關調光屏(2)的對應部分校正，或同時拍攝校正。
全文摘要
本發明公開了一種基于模塊化拼接的空間三維顯示裝置及校正方法，用于光場重建和視場拼接原理三維顯示技術的圖像校正與顯示。顯示裝置包括模塊化拼接的二維顯示單元陣列、透鏡陣列、孔闌陣列、電光開關調光屏、定向散射屏、圖像采集系統及計算機。校正方法步驟包括斷開調光屏電源；循環掃描顯示點；圖像采集系統捕獲；獲取映射坐標關系；視角圖像預校正；接通調光屏電源并導入預校正后圖像實現三維顯示。本發明可用于基于平板顯示器或多投影三維顯示技術中圖像預校正與顯示。該裝置利用模塊化拼接實現了大尺寸空間三維顯示的拓展，校正方法綜合考慮了成像像差與系統精度，可在不影響系統結構的基礎上實現圖像預校正及三維顯示的靈活切換。
文檔編號G03B35/20GK102566251SQ20121000614
公開日2012年7月11日 申請日期2012年1月6日 優先權日2012年1月6日
發明者劉旭, 彭祎帆, 李海峰, 鐘擎 申請人:浙江大學