專利名稱：基于平面顯示器的懸浮式360°光場(chǎng)三維顯示裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種三維顯示裝置，特別涉及一種基于平面顯示器的懸浮式360°光場(chǎng)三維顯示裝置以及顯示方法。
背景技術(shù)：
顯示技術(shù)正朝著高清晰、三維全景顯示的方向發(fā)展。三維顯示區(qū)別于傳統(tǒng)二維顯示就是通過(guò)各種方法給觀看者帶來(lái)視覺上的深度感知，使其自然或不自然地獲得畫面中的第三維度信息。國(guó)內(nèi)外眾多三維顯示技術(shù)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(yù)為未來(lái)理想的三維顯示方式，但在動(dòng)態(tài)顯示方面需要高分辨的空間光調(diào)制器以及超高速的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，這兩個(gè)因素極大地限制了這種技術(shù)的進(jìn)步使其不能很好地進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用，目前僅適用于靜態(tài)圖像的攝取和顯示。因此非全息三維顯示 是目前的主流顯示技術(shù)，而實(shí)現(xiàn)非全息三維顯示技術(shù)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(shè)備出現(xiàn)，然后基于這兩種方法的顯示裝置大都依靠轉(zhuǎn)動(dòng)屏幕來(lái)滿足全視角觀看的需求，所以顯示裝置結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜造價(jià)也較高。傳統(tǒng)的集成成像三維顯示技術(shù)則在視角數(shù)目、圖像串?dāng)_、顯示區(qū)域深度和大小等方面存在很多需要解決的問題。公布號(hào)為“CN102183873A”的專利文獻(xiàn)公開了一種基于高速投影機(jī)的懸浮式360°視場(chǎng)空間三維顯示裝置，該裝置包括偏折型散射屏、高速投影機(jī)、圖像發(fā)生器、探測(cè)模塊、電機(jī)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。高速投影機(jī)將三維物體360°全景視場(chǎng)的組合圖像投影到高速旋轉(zhuǎn)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發(fā)散角度，使觀察者的雙眼觀察到不同視角的圖像，實(shí)現(xiàn)顯示的三維物體懸浮在偏折型散射屏的上方。裝置中具有旋轉(zhuǎn)件，在系統(tǒng)搭建、裝置各部分校準(zhǔn)時(shí)實(shí)現(xiàn)難度很大。公布號(hào)為“ CN102169283A”的專利文獻(xiàn)公開了一種基于投影機(jī)陣列的懸浮式360°視場(chǎng)三維顯示裝置，該裝置包括平面環(huán)型散射屏、投影機(jī)陣列、圖像分割器和計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)對(duì)三維模型進(jìn)行處理，通過(guò)圖像分割器進(jìn)行圖像分配，并將圖像陣列傳入投影機(jī)陣列。投影機(jī)陣列將傳入的三維物體水平360°全景視場(chǎng)的組合圖像陣列投影到平面環(huán)型散射屏上。平面環(huán)型散射屏可控制出射光線的發(fā)散角度使得觀察者的左右眼看到不同視角的圖像，實(shí)現(xiàn)顯示的三維物體懸浮在平面環(huán)型散射屏的上方。該裝置每個(gè)投影機(jī)顯示的圖像對(duì)應(yīng)多個(gè)視點(diǎn)，所以在圖像數(shù)據(jù)處理方面較為繁瑣，而觀察者在不同視點(diǎn)間移動(dòng)時(shí)觀察到的三維圖像會(huì)有跳變，并且由于投影機(jī)個(gè)數(shù)與視點(diǎn)個(gè)數(shù)相等因此需要使用大量投影機(jī)，系統(tǒng)的成本很高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的在于構(gòu)建一種低成本、易拼裝的可周視懸浮三維顯示裝置。一種基于平面顯示器的懸浮式360°光場(chǎng)三維顯示裝置，包括平面顯示器陣列，由若干個(gè)平面顯示器拼接組成，每個(gè)顯示器用于顯示一子圖像序列，一個(gè)子圖像序列由若干子圖像組成；第一透鏡組陣列，包含有與各平面顯示器中各子圖像一一對(duì)應(yīng)的若干第一透鏡組；第二透鏡，布置在所述各子圖像通過(guò)第一透鏡組陣列的成像位置；散射屏，采用固定安裝方式，用于將來(lái)自第二透鏡的出射光線投射至指定區(qū)域，完成所有子圖像的拼接。一種基于平面顯示器的懸浮式360°光場(chǎng)三維顯示裝置的三維顯示方法，包括以下過(guò)程a.在環(huán)繞三維對(duì)象的每個(gè)視點(diǎn)位置對(duì)應(yīng)的采集各子圖像；每一子圖像對(duì)應(yīng)一個(gè)視點(diǎn)，攝像機(jī)的每個(gè)拍攝位置對(duì)應(yīng)觀察者的一個(gè)觀察角度；b.利用平面顯示器陣列中的每個(gè)平面顯示器顯示一子圖像序列；c.各子圖像依次經(jīng)對(duì)應(yīng)的第一透鏡組以及第二透鏡投射至散射屏；d.散射屏將來(lái)自第二透鏡的出射光線按照各子圖像與三維對(duì)象的關(guān)系投射至指定區(qū)域，完成所有子圖像的拼接。具體的，由計(jì)算機(jī)根據(jù)子圖像的個(gè)數(shù)、平面顯示器的尺寸和排布方式等參數(shù)，將三維對(duì)象一周的各子圖像組合成供顯示器顯示的子圖像序列并傳入平面顯示器陣列以顯示，攝像機(jī)拍攝得到的圖像中每個(gè)子圖像與平面顯示器陣列顯示的圖像序列中的每個(gè)子圖像一一對(duì)應(yīng)。平面顯示器陣列顯示的各子圖像與第一透鏡組陣列中的各第一透鏡組一一對(duì)應(yīng)，子圖像經(jīng)其對(duì)應(yīng)的第一透鏡組放大成像至第二透鏡所在的平面上。第一透鏡組陣列中各第一透鏡組通過(guò)第二透鏡成像至人眼觀察位置。各光學(xué)部件的相對(duì)位置為平面顯示器陣列與第一透鏡組陣列的縱向距離L1、第一透鏡組陣列與第二透鏡的縱向距離L、第一透鏡組陣列中各透鏡組的焦距滿足1/U+l/L = Uf1 ;第一透鏡組陣列與第二透鏡的縱向距離L、第二透鏡與散射屏所投射的各子圖像的拼接成像區(qū)的縱向距離L2、第二透鏡的焦距f滿足1/L+1/L2 = 1/f。因此，觀察者在各視點(diǎn)看到的子圖像與平面顯示器陣列顯示的圖像序列中的各子圖像以及第一透鏡組陣列中各第一透鏡組一一對(duì)應(yīng)，即觀察者在一個(gè)視點(diǎn)只能看到一個(gè)子圖像。通過(guò)控制平面顯示器陣列顯示的子圖像個(gè)數(shù)、整個(gè)系統(tǒng)的光軸傾角、散射屏的散射角度等參數(shù)，使觀察者在觀察區(qū)內(nèi)雙眼處于不同視點(diǎn)處，從而觀察到平面顯示器陣列上顯示的兩個(gè)不同子圖像而產(chǎn)生雙目視差，達(dá)到觀看立體三維場(chǎng)景的效果。所述的平面顯示器為液晶顯示器、等離子顯示板、陰極射線管顯示器、發(fā)光二極管顯示屏或有機(jī)發(fā)光顯示器。使用投影機(jī)代替所述的平面顯示器也可實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的，但是成本相對(duì)較高。360°全息三維顯示裝置可以顯示三維對(duì)象360° —周的像，現(xiàn)有技術(shù)中通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)部件獲得一周的圖像，采用轉(zhuǎn)動(dòng)部件不僅成本高、不易安裝而且觀察者在不同視點(diǎn)間移動(dòng)時(shí)觀察到的三維圖像會(huì)有跳變，本發(fā)明采用多個(gè)平面顯示器顯示三維對(duì)象一周各子圖像，并通過(guò)與各子圖像一一對(duì)應(yīng)的第一透鏡組將三維對(duì)象一周的各子圖像同時(shí)輸入三維顯示裝置并最終通過(guò)散射屏控制光線方向?qū)崿F(xiàn)各子圖像的無(wú)縫拼接。作為優(yōu)選方案，所述的平面顯示器陣列中各平面顯示器顯示的各子圖像采用多排錯(cuò)位環(huán)狀排布。顯示圖像的環(huán)狀區(qū)域切向方向上相鄰的圖像對(duì)于圓心的角度間隔相等或相近，而且各排子圖像尺寸相近，使用多排錯(cuò)位排列可以提高三維顯示區(qū)內(nèi)三維圖像的角分辨率。本發(fā)明的基于平面顯示器的懸浮式360°光場(chǎng)三維顯示裝置中的第一透鏡組陣列中各第一透鏡組的作用在于將與其對(duì)應(yīng)的的子圖像進(jìn)行放大，為有效放大各子圖像，所述的第一透鏡組陣列中的每個(gè)第一透鏡組至少由一個(gè)透鏡組成。作為優(yōu)選方案，所述的第一透鏡組陣列中的各第一透鏡組呈環(huán)形排布，便于實(shí)現(xiàn)各子圖像的無(wú)縫拼接。本發(fā)明的基于平面顯示器的懸浮式360°光場(chǎng)三維顯示裝置中的第二透鏡起轉(zhuǎn)折光路的作用，作為優(yōu)選，所述的第二透鏡為單片菲涅爾透鏡或由兩片相同菲涅爾透鏡膠合而成的透鏡組。優(yōu)選的，所述的散射屏在以其中心為圓心的圓切向方向的散射角為0-5°，徑向方向散射角大于60°。切向散射角越大,觀察者在一個(gè)視點(diǎn)上觀察到一個(gè)子圖像的切向?qū)挾仍酱螅菀讓?shí)現(xiàn)觀察者在觀察區(qū)內(nèi)雙眼處于不同視點(diǎn)處，從而觀察到平面顯示器陣列上顯示的兩個(gè)不同子圖像而產(chǎn)生雙目視差，達(dá)到觀看立體三維場(chǎng)景的效果，但是切向方向散射角過(guò)大會(huì)導(dǎo)致相鄰兩子圖像串?dāng)_。徑向散射角越大，觀察者在一個(gè)視點(diǎn)上觀察到的子圖像徑向?qū)挾仍酱螅瑥较蛏⑸浣谴笥?0°可實(shí)現(xiàn)多排錯(cuò)位環(huán)狀排布的子圖像的拼接。本發(fā)明的懸浮式360°光場(chǎng)三維顯示裝置，主要組成部分是由平面顯示器組合而成的平面顯示器陣列，顯示區(qū)域的每一個(gè)子圖像對(duì)應(yīng)一個(gè)視點(diǎn)，整個(gè)裝置無(wú)旋轉(zhuǎn)件。周圍的觀察者可觀察到擁有高圖像分辨率、高視角分辨率的三維圖像，細(xì)膩的視角間隔，給觀察者帶來(lái)連續(xù)無(wú)跳變的三維感知，克服了傳統(tǒng)三維顯示技術(shù)的缺點(diǎn)。本發(fā)明的基于平面顯示器的懸浮式360°光場(chǎng)三維顯示裝置 設(shè)計(jì)可以廣泛應(yīng)用于軍事沙盤推演、醫(yī)學(xué)模擬、圓桌會(huì)議、樓盤銷售演示等領(lǐng)域。


圖1為本發(fā)明懸浮式360°光場(chǎng)三維顯示裝置的三維示意圖；圖2為本發(fā)明懸浮式360°光場(chǎng)三維顯示裝置的俯視結(jié)構(gòu)圖；圖3為針對(duì)三維對(duì)象的子圖像采集原理圖；圖4為本發(fā)明懸浮式360°光場(chǎng)三維顯示裝置的工作原理圖；圖5(a)為平面顯示器陣列及其顯示圖像的一種排布方式的示意圖；圖5(b)為平面顯示器陣列及其顯示圖像的另一種排布方式的示意圖；圖6(a)為散射屏結(jié)構(gòu)示意圖；圖中，η表示以散射屏中心為圓心的圓的徑向方向，t表示以散射屏中心為圓心的圓的切線方向，ζ表示分別與n、t垂直的方向；圖6(b)為散射屏徑向方向光學(xué)特性示意圖；圖6(c)為散射屏切向方向光學(xué)特性示意圖。
具體實(shí)施例方式如圖1，圖2所示，本實(shí)施例的基于平面顯示器的懸浮式360°光場(chǎng)三維顯示裝置包括平面顯示器陣列1、第一透鏡組陣列2、第二透鏡3、散射屏4。其中，本實(shí)施例的平面顯示器陣列1，如圖5所示，由多個(gè)平面顯示器排列組成。平面顯示器為液晶顯示器(LCD)、等離子顯示板(PDP)、陰極射線管顯示器(CRT)、發(fā)光二極管顯示屏(LED)或有機(jī)發(fā)光顯示器(OLED)。圖5(a)、圖5(b)中，陰影區(qū)域是圖像顯示區(qū)域，由與各視點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的子圖像構(gòu)成，如圖所示，圖像顯示區(qū)域的特點(diǎn)是呈環(huán)狀分布，以提供360°多視角顯示。平面顯示器所顯示的子圖像按照視點(diǎn)間隔進(jìn)行排布，采用多排錯(cuò)位環(huán)狀排布，其特點(diǎn)是在顯示圖像的環(huán)狀區(qū)域切向方向上相鄰的圖像對(duì)于圓心的角度間隔相等或相近，而且各排子圖像尺寸相近，可以提高三維顯示區(qū)內(nèi)的三維圖像的角分辨率，使觀察者產(chǎn)生雙目視差。第一透鏡組陣列2，包含有與各平面顯示器顯示的各子圖像一一對(duì)應(yīng)的若干第一透鏡組，構(gòu)成第一透鏡組陣列2的各第一透鏡組呈環(huán)狀分布，為圖2中豎線陰影區(qū)域。第二透鏡3，布置在各子圖像通過(guò)第一透鏡組陣列2的成像位置，即各子圖像通過(guò)第一透鏡組陣列2成像至第二透鏡3上；每個(gè)第一透鏡組通過(guò)第二透鏡3所成的像對(duì)應(yīng)一個(gè)視點(diǎn)位置。各子圖像通過(guò)各第一透鏡組成像至第二透鏡3上構(gòu)成空間三維圖像顯示區(qū)
6。空間三維圖像顯示區(qū)6在散射屏4的邊緣的內(nèi)部，為圖2中斜線陰影區(qū)域。散射屏4，采用固定安裝方式，通過(guò)對(duì)第二透鏡3的出射光線進(jìn)行方向控制，使各出射圖像無(wú)縫拼接在一起，各出射圖像分布的區(qū)域即為觀察區(qū)5。如圖6(a)、圖6(b)、圖6(c)所示，散射屏4為二向透射散射特性屏幕，具有在以其中心為圓心的圓形的切向方向上對(duì)照射其上的光束按照透射關(guān)系透射，而在徑向方向上按照一定的散射(漫射)方式在一定角度范圍實(shí)現(xiàn)均勻散射。其切向方向的發(fā)散角與視點(diǎn)間隔分布相配合。該二向透射散射特性屏可用特殊設(shè)計(jì)的微光學(xué)結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，如同心圓環(huán)光柵結(jié)構(gòu)，圓環(huán)的寬度決定徑向方向散射角度的大小，切向方向由于沒有調(diào)制，光束依然按照透射規(guī)律傳播。也可以制備全息散射屏，使得全息屏在中心為圓心的圓形的切向方向上不散射而在徑向方向散射來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于本套系統(tǒng)，所述的定向透射散射屏在其中心為圓心的圓形的徑向方向上散射角最好大于60°。整個(gè)系統(tǒng)的孔徑光闌為第一透鏡組陣列2的各第一透鏡組，各第一透鏡組通過(guò)第二透鏡3所成的像為出瞳，所在位置即視點(diǎn)。本實(shí)施例的各光學(xué)部件的相對(duì)位置關(guān)系為平面顯示器陣列與第一透鏡組陣列的縱向距離L1、第一透鏡組陣列與第二透鏡的縱向距離L、第一透鏡組陣列中各透鏡組的焦距4滿足1/U+l/L = Uf1 ;第一透鏡組陣列與第二透鏡的縱向距離L、第二透鏡與散射屏所投射的各子圖像的拼接成像區(qū)的縱向距離L2、第二透鏡的焦距 f 滿足1/L+1/L2 = 1/f。如圖4所示，本實(shí)施例的基于平面顯示器的懸浮式360°光場(chǎng)三維顯示方法為子圖像a通過(guò)第一透鏡組a成像至第二透鏡3所在平面，第一透鏡組a通過(guò)第二透鏡3和散射屏4成像至人眼觀察的位置，即視點(diǎn)a，觀察者在視點(diǎn)a處可以看到圖像a。綜上所述，平面顯示器陣列I顯示的圖像序列中各子圖像、第一透鏡組陣列2中各第一透鏡組以及觀察區(qū)5的各視點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)。同理，觀察者在視點(diǎn)b處可以看到圖像b，在視點(diǎn)c處可以看到圖像C，依此類推，觀察者在每個(gè)視點(diǎn)可以看到一個(gè)相應(yīng)的子圖像。通過(guò)散射屏4對(duì)照射在其上的光線在以屏幕中心為圓心的圓形徑向方向上實(shí)現(xiàn)大角度均勻散射，第一透鏡組陣列2的各出瞳可以無(wú)縫拼接在一起構(gòu)成觀察區(qū)5。通過(guò)控制平面顯示器陣列I顯示的子圖像個(gè)數(shù)、整個(gè)系統(tǒng)的光軸傾角、散射屏4的散射角度等參數(shù)，可以使觀察者在觀察區(qū)5內(nèi)雙眼處于不同視點(diǎn)處，從而觀察到平面顯示器陣列I上顯示的兩個(gè)不同子圖像而產(chǎn)生雙目視差，達(dá)到觀看立體三維場(chǎng)景的效果。
權(quán)利要求
1.一種基于平面顯示器的懸浮式360°光場(chǎng)三維顯示裝置，其特征在于，包括 平面顯示器陣列(I)，由若干個(gè)平面顯示器拼接組成，每個(gè)顯示器用于顯示一子圖像序列，一個(gè)子圖像序列由若干子圖像組成； 第一透鏡組陣列(2)，包含有與各平面顯示器中的各子圖像一一對(duì)應(yīng)的若干第一透鏡組； 第二透鏡(3)，布置在所述各子圖像通過(guò)第一透鏡組陣列(2)的成像位置； 散射屏(4)，采用固定安裝方式，用于將來(lái)自第二透鏡(3)的出射光線投射至指定區(qū)域，完成所有子圖像的拼接。
2.如權(quán)利要求1所述的基于平面顯示器的懸浮式360°光場(chǎng)三維顯示裝置，其特征在于，所述的平面顯示器為液晶顯示器、等離子顯示板、陰極射線管顯示器、發(fā)光二極管顯示屏或有機(jī)發(fā)光顯示器。
3.如權(quán)利要求1所述的基于平面顯示器的懸浮式360°光場(chǎng)三維顯示裝置，其特征在于，所述的平面顯示器陣列(I)中各子圖像采用多排錯(cuò)位環(huán)狀排布。
4.如權(quán)利要求1所述的基于平面顯示器的懸浮式360°光場(chǎng)三維顯示裝置，其特征在于，所述的第一透鏡組陣列(2)中的每個(gè)第一透鏡組由至少一個(gè)透鏡組成。
5.如權(quán)利要求3所述的基于平面顯示器的懸浮式360°光場(chǎng)三維顯示裝置，其特征在于，所述的第一透鏡組陣列(2)中的各第一透鏡組環(huán)形排布。
6.如權(quán)利要求1所述的基于平面顯示器的懸浮式360°光場(chǎng)三維顯示裝置，其特征在于，所述的第二透鏡(3)為單片菲涅爾透鏡或由兩片相同菲涅爾透鏡膠合而成的透鏡組。
7.如權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述的基于平面顯示器的懸浮式360°光場(chǎng)三維顯示裝置，其特征在于，所述的散射屏(4)在以其中心為圓心的圓切向方向的散射角為0-5°，徑向方向散射角大于60°。
8.如權(quán)利要求7所述的基于平面顯示器的懸浮式360°光場(chǎng)三維顯示裝置，其特征在于，所述平面顯示器陣列(I)、第一透鏡組陣列(2)以及第二透鏡(3)沿縱向由下至上的依次排布，且同時(shí)滿足l/Li+1/L = Hfl 和 1/L+1/L2 = 1/f ； 其中 L1為平面顯示器陣列(I)與第一透鏡組陣列(2)的縱向距離； L為第一透鏡組陣列(2)與第二透鏡(3)的縱向距離； L2為第二透鏡(3)與散射屏(4)所投射的各子圖像的拼接成像區(qū)的縱向距離； f為第一透鏡組陣列(2)中各透鏡組的焦距； f為第二透鏡的焦距。
9.一種利用如權(quán)利要求1所述懸浮式360°光場(chǎng)三維顯示裝置的三維顯示方法，包括以下過(guò)程 a.在環(huán)繞三維對(duì)象的每個(gè)視點(diǎn)位置對(duì)應(yīng)采集各子圖像； b.利用平面顯示器陣列(I)中的各平面顯示器顯示各子圖像； c.各子圖像依次經(jīng)對(duì)應(yīng)的第一透鏡組⑵以及第二透鏡(3)投射至散射屏⑷； d.散射屏(4)將來(lái)自第二透鏡(3)的出射光線按照各子圖像與三維對(duì)象的關(guān)系投射至指定區(qū)域，完成所有子圖像的拼接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于平面顯示器的懸浮式360°光場(chǎng)三維顯示裝置，包括依次放置的平面顯示器陣列、第一透鏡組陣列、第二透鏡與散射屏，其中平面顯示器陣列由若干平面顯示器拼接而成，每個(gè)平面顯示器用于顯示三維對(duì)象一周360°各子圖像的其中一部分，即一個(gè)子圖像序列，平面顯示器陣列顯示的圖像序列中各子圖像、第一透鏡組陣列中各第一透鏡組以及觀察區(qū)的各視點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)。觀察者在一個(gè)視點(diǎn)只能看到一個(gè)子圖像。通過(guò)控制平面顯示器陣列顯示的子圖像個(gè)數(shù)、整個(gè)系統(tǒng)的光軸傾角、散射屏的散射角度等參數(shù)，使觀察者在觀察區(qū)內(nèi)雙眼處于不同視點(diǎn)處，從而觀察到平面顯示器陣列上顯示的兩個(gè)不同子圖像而產(chǎn)生雙目視差，達(dá)到觀看立體三維場(chǎng)景的效果。
文檔編號(hào)G03B35/18GK103048866SQ20121054142
公開日2013年4月17日 申請(qǐng)日期2012年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月13日
發(fā)明者李海峰, 王涵, 劉旭, 夏新星, 彭祎帆 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)