本發明涉及三維顯示技術領域，特別是一種基于反射四棱錐與多層半透明結構的三維顯示裝置和方法。

背景技術：

三維顯示技術在近幾年來獲得了來自學術界與工業界廣泛的關注，其目標是使觀察者在不佩戴任何輔助設備的情況下，直接使用裸眼觀察到與現實中物體近乎一致的三維圖像。工業界提出的解決方案大多數是通過使雙眼觀察到不同圖像來形成三維感的，如任天堂公司推出的3ds游戲機便是使用了視差光柵的原理。然而視差光柵由于使用了光柵將一部分光遮擋，其屏幕的亮度受到了限制，能耗也相應增大。學術界在近幾年提出了多層結構的三維顯示模型。這種模型可以在一定的視場角范圍內顯示出三維場景；相比于之前的視差光柵、集成成像等技術，這種方法效率高、對比度高，并且繞過了空間分辨率與角分辨率的權衡，分辨率也很高。但是由于其結構所決定的可觀察視場角十分有限，因此仍沒有得到廣泛的應用。

另外，在市場上也存在一些低成本的三維顯示，如“偽全息投影”。其本質是使用反射四棱錐將普通屏幕上的圖像反射上來，使觀察者看起來物體有如浮在空中一樣。由于僅僅是反射普通屏幕上的內容，它并不能給人以三維感，但是由于反射后的圖像浮在空中，會給人一種在空氣中成像的假象。

技術實現要素：

本發明的目的是克服現有三維顯示技術十分有限的可觀察視場角以及所能提供的三維感等一系列顯示效果問題，提出一種基于反射四棱錐與多層半透明結構的三維顯示裝置和方法。

本發明所提供的基于反射四棱錐與多層半透明結構的三維顯示裝置，包括均勻平面背光源、相互交替的多層半透明結構和之間的分隔板、以及置于多層結構之上的反射四棱錐。

其中，所述的均勻平面背光源發出各向同性均勻的白光。所述的多層半透明結構與其之間的分隔板交替放置，至少由兩層半透明結構組成；各個半透明結構相互平行，間隔相等。所述的半透明結構上的圖案可以被控制，在rgb三個通道上其透光率可以在0％到100％之間選擇。通過控制器對所述多層半透明結構上的圖案進行控制，根據所需顯示的三維場景計算各層半透明結構所應顯示的像素信息，將像素信息組合成顯示圖像送入對應的半透明結構中進行顯示；或者利用帶有其他圖案的多層半透明結構進行替換來實現控制。所述的分隔板為全透明，且不易因施加外力而產生形變。

進一步地，所述的反射四棱錐的外表面由反射率大于40％的材料構成，其各表面與下方多層半透明結構均成45度角。四棱錐無頂角，頂端所形成的正方形與底端的正方形，以及多層半透明結構相互平行。

本發明還提供了一種基于反射四棱錐與多層半透明結構的三維顯示方法。所述顯示方法包含如下步驟：

(1)確定需要顯示的三維場景以及其在空間中的成像位置；

(2)根據三維場景在空間中的成像位置，渲染出三維場景通過反射四棱錐各個面反射后的從不同角度觀察到的圖像；

(3)將多層半透明結構所需顯示的三維圖像通過算法解析成各層半透明結構所需顯示的像素值；

(4)將計算出的各層像素值送入對應半透明結構；

(5)各層半透明結構顯示的像素值疊加產生的三維圖像通過反射四棱錐反射后成像在反射四棱錐中央的對應位置。

本發明的主要優點在于提出了一種可以有效增大三維顯示的可觀察視場角的基于反射四棱錐與多層半透明結構的三維顯示裝置與方法。它包括可以將平面內容反射到半空中的反射四棱錐，以及可以顯示三維圖像的多層半透明結構。其優勢在于可以在保證分辨率的前提下，將視場角與三維感大幅提升，可以廣泛應用于真三維立體顯示。

附圖說明

圖1是本發明基于反射四棱錐與多層半透明結構的三維顯示裝置結構示意圖；

圖2是三維場景通過反射四棱錐各個面反射后從不同角度觀察到的圖像；

圖3是算法解析出的各層半透明結構所需顯示的像素值。

具體實施方式

以下結合附圖，結合具體實施例來對本發明作進一步闡述。

如圖1所示，一種基于反射四棱錐與多層半透明結構的三維顯示裝置沿光路方向依次為：均勻平面背光源1、相互交替的半透明結構2和之間的分隔板3、反射四棱錐4。根據半透明結構是否可控，還可以增加與半透明結構相連的控制器5。

需要說明的是，本發明至少包括至少兩層半透明結構。層數越多，其展示出的三維感越強。在實際應用中，考慮到系統的厚度與大小，通常選擇3～5層半透明結構。半透明結構可以選用透明打印紙圖案，或者液晶顯示面板。本實施例采用五層透明打印紙圖案為例來對本發明進行具體的闡述。

具體地，間隔板3是厚度為2mm的透明亞克力板，均勻平面背光源使用了發出白光的平板電腦。由于使用透明打印紙圖案作為半透明結構，因此在本例中沒有控制器5。

以圖1所示的三維顯示裝置為例，本發明還提供了一種基于反射四棱錐與多層半透明結構的三維顯示方法，包含如下步驟：

(1)確定需要顯示的三維場景以及其在空間中的成像位置：在這里，我們將一個龍的三維模型擺放在反射四棱錐中央；

(2)根據三維場景在空間中的成像位置，渲染出三維場景通過反射四棱錐各個面反射后的從不同角度觀察到的圖像，如圖2所示；

(3)將多層半透明結構所需顯示的三維圖像通過算法解析成各層半透明結構所需顯示的像素值，如圖3所示；

(4)將計算出的各層像素值送入對應半透明結構；

(5)各層半透明結構顯示的像素值疊加產生的三維圖像通過反射四棱錐反射后成像在反射四棱錐中央的對應位置。

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，只要沒有脫離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。

技術特征：

技術總結
本發明公開了一種將反射四棱錐與多層半透明結構相結合的三維顯示裝置，所述三維顯示裝置由均勻平面背光源、交替放置的多層半透明結構和之間的分隔板以及置于多層結構之上的反射四棱錐構成，多層半透明結構可被控制。本發明同時公開了相應的三維顯示方法：將三維場景渲染為反射四棱錐各個面的投影圖像，通過優化算法計算出各層顯示圖像分別送入半透明結構。光線從背光源均勻射出后，與光線方向上多層半透明結構的像素值依次相乘，再經過反射四棱錐反射，成像于反射四棱錐中央。本發明利用多層半透明結構的三維成像能力，通過反射四棱錐進行反射，實現真三維立體顯示。

技術研發人員：顧華榮;孫天成
受保護的技術使用者：清華大學
技術研發日：2017.07.13
技術公布日：2017.10.17