CN101630066A - 一种基于高速投影机的全景视场三维显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于高速投影机的全景视场三维显示装置。该装置包括高速投影机、透射式定向散射屏、反射镜系统、转动装置、传感器、转动同步检测模块和上位机。高速投影机将三维物体水平360°全景视场的组合图像投影到高速旋转的反射镜系统上，图像经反射镜系统实现光路转折后，投影到固定的柱面的透射式定向散射屏上。透射式定向散射屏可控制出射光的发散角度，使得观察者的左右眼看到不同视角的图像，实现三维物体在全景视场上的三维显示。转动同步检测模块检测转动信号，并与上位机通信，确保组合图像位置与旋转反射镜系统的位置同步。本发明可实现观察者在不同位置双眼看到具有双目视差的图像，实现三维显示。

Description

一种基于高速投影机的全景视场三维显示装置

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全景视场三维显示装置。

背景技术

人们对物体的三维立体感知是在多种深度暗示的基础上产生的，主要包括双目视差、运动视差、调节等暗示。能使人眼产生双目视差的光学装置或结构都能产生三维立体视觉。三维显示技术的应用也十分广泛，在医学、地理空间情报、石油勘探、制药、建筑、影视娱乐、视频通信、科学展示和商品广告等诸多领域都有不错的发展前景。目前，三维显示技术主要包括体视三维显示、自体视三维显示、全息三维显示和体三维显示。体视三维显示需要佩戴眼镜等助视工具，使观察者的双眼看到具有双目视差的图像，从而产生立体视觉。目前，这种方法主要包括互补色或偏振光，已经普遍应用在3D电影等领域。但是，这种方式需要借助外部工具实现三维感知，且不能实现360°可视，长期观看容易造成人眼的视觉疲劳等不适应状况。自体视三维显示是一种无须借助外部工具即可让双眼看到具有双目视差图像的三维显示技术。这种方法多采用视差狭缝等方式，可使观察者在固定的一些区域裸眼观看，即可产生三维立体视觉。全息三维显示是利用“干涉记录，衍射再现”的原理实现三维显示。全息三维显示保留了物光波的全部振幅和相位信息，是三维显示的一种理想方式。但全息三维显示需要海量的数据存储及传输，信息量巨大。由于技术限制，目前还没有实现动态的全息三维显示。体三维显示是通过控制体空间内分布的各个体素的亮度来实现体空间物体的三维显示。扫描体三维显示通过体扫描的方式在体空间内扫描出体空间物体的三维轮廓，由于人眼的视觉暂留作用，实现体空间物体的三维显示。这种方法，具有水平视差和垂直视差，水平方向可360°环视，适合多人裸眼环绕观看。但是体三维显示具有不可消隐的特性，即体空间内前后物体不能前后遮挡。这种方法仅能显示透明物体，不能实现空间物体的透视遮挡。随着三维显示技术的发展，结合体三维显示的方式和自体视三维显示的原理，采用其中部分部件旋转，增加显示图像的视角数量，形成了全景视场三维显示。全景视场三维显示可实现多人360°裸眼环视，且可解决体三维显示中不可消隐的问题。视角的增多提高了显示效果和图像的细腻程度。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种基于高速投影机的全景视场三维显示装置。

一种基于高速投影机的全景视场三维显示装置包括第一高速投影机、第一反射镜系统、转动装置、圆柱面透射式定向散射屏、传感器、转动同步检测模块和上位机；圆柱面透射式定向散射屏内设有转动装置，转动装置上设有第一反射镜系统，在第一反射镜系统的对应处设有第一高速投影机，转动装置设有传感器，传感器与同步检测模块、上位机、第一高速投影机依次顺序连接。

所述的第一反射镜系统为1块或多块第一反射镜，每块第一反射镜与水平面成相同角度。

一种基于高速投影机的全景视场三维显示装置包括第一高速投影机、第二反射镜系统、转动装置、圆柱面透射式定向散射屏、传感器、转动同步检测模块和上位机；转动装置上设有第二反射镜系统，在第二反射镜系统的两侧对应设有第一高速投影机和圆柱面透射式定向散射屏，转动装置设有传感器，传感器与同步检测模块、上位机、第一高速投影机依次顺序连接。

所述的第二反射镜系统包括第三反射镜、第四反射镜，第三反射镜为1块反射镜或反射棱镜，第四反射镜为1块或多块反射镜或反射棱镜或反射镜与反射棱镜的组合。

一种基于高速投影机的全景视场三维显示装置包括第一高速投影机、第二高速投影机、第二反射镜系统、第三反射镜系统、转动装置、圆柱面透射式定向散射屏、传感器、转动同步检测模块和上位机；在两个转动装置上分别设有第二反射镜系统和第三反射镜系统，第二反射镜系统和第三反射镜系统之间设有圆柱面透射式定向散射屏，在两个转动装置的对应处分别设有第一高速投影机和第二高速投影机，转动装置设有传感器，传感器与同步检测模块、上位机依次顺序连接，上位机分别与第一高速投影机和第二高速投影机连接。

所述的第二反射镜系统包括第三反射镜、第四反射镜，第三反射镜为1块反射镜或反射棱镜，第四反射镜为多块反射镜或反射棱镜或反射镜与反射棱镜的组合。所述的第三反射镜系统包括第五反射镜、第六反射镜，第五反射镜为1块反射镜或反射棱镜，第六反射镜为多块反射镜或反射棱镜或反射镜与反射棱镜的组合。所述的圆柱面透射式定向散射屏为透射式全息定向散射屏、二元光学元件或光栅结构的光学元件。所述的传感器为光电传感器或机械位置开关。

本发明提出的一种基于高速投影机的全景视场三维显示装置，主要采用了三种方式实现全景视场三维显示。一种是采用单片或多片反射镜倾斜安装在转动装置上并随之旋转，实现将高速投影机的图像顺序投影在圆柱面透射式定向散射屏的不同位置上的方式；一种是采用多片反射镜、反射棱镜或两者组合固定在转动装置上并随之旋转，实现将高速投影机的图像顺序投影在圆柱面透射式定向散射屏的不同位置上的方式；另一种是采用两个高速投影机同时从上和从下两个方向投影，图像分别经上面和下面同步旋转的反射镜系统转折，投影到圆柱面透射式定向散射屏的水平方向始终相差180°的对应位置上的方式。三种方式都将高速投影机和圆柱面透射式定向散射屏作为固定部分，而只有反射镜系统作为旋转部分以实现对空间360°的扫描，从而实现全景视场三维显示。三种方法操作简单，旋转部分只有反射镜系统，高速投影机及圆柱面透射式定向散射屏均为固定部分，实现全景视场三维显示比较方便，图像畸变小且能很好地满足人们的观察需求。

附图说明

图1是一种基于高速投影机的全景视场三维显示装置三维示意图；

图2是一种基于高速投影机的全景视场三维显示装置实施例一的结构图；

图3是一种基于高速投影机的全景视场三维显示装置实施例一从下向上投影的结构示意图；

图4是单面第一反射镜系统的基本结构示意图；

图5是双面第一反射镜系统的基本结构示意图；

图6是三面第一反射镜系统的基本结构示意图；

图7是一种基于高速投影机的全景视场三维显示装置实施例二的结构示意图；

图8是一种基于高速投影机的全景视场三维显示装置实施例三的结构示意图；

图中：第一高速投影机1、第一反射镜系统2、转动装置3、圆柱面透射式定向散射屏4、传感器5、转动同步检测模块6、上位机7、第一反射镜8、第二反射镜9、第二反射镜系统10、第三反射镜11、第四反射镜12、第二高速投影机13、第三反射镜系统14、第五反射镜15、第六反射镜16。

具体实施方式

基于高速投影机的全景视场三维显示装置可以实现全景视场三维显示。全景视场三维显示是在屏幕上的不同视角显示三维物体的各个视场图像，通过系统部件的旋转实现显示一周360°视场，由于各个视场图像的发光角度的限制，使每个视场只能在相应的视场位置观察，保证左右眼看见不同视场的图像，从而让观察者产生立体视觉。这种方法具有可实现透视消隐、水平360°可视和多人裸眼围绕观看等特点。

如图1所示，一种基于高速投影机的全景视场三维显示装置主要包括固定的第一高速投影机1和圆柱面透射式定向散射屏4，旋转部分为第一反射镜系统2，其安装在转动装置3上并随之一起转动。固定的圆柱面透射式定向散射屏4既作为显示屏幕限制了出射光的发散角度来实现全景视场三维显示，又作为旋转的第一反射镜系统2的防护罩，减小旋转部分产生的风阻，降低了风噪，让旋转部分的转动更加稳定，使整个显示系统更加适合多人近距离观看。

如图2所示，一种基于高速投影机的全景视场三维显示装置，其特性在于包括第一高速投影机1、第一反射镜系统2、转动装置3、圆柱面透射式定向散射屏4、传感器5、转动同步检测模块6和上位机7；圆柱面透射式定向散射屏4内设有转动装置3，转动装置3上设有第一反射镜系统2，在第一反射镜系统2的对应处设有第一高速投影机1，转动装置3设有传感器5，传感器5与同步检测模块6、上位机7、第一高速投影机1依次顺序连接。第一反射镜系统2位于圆柱面透射式定向散射屏4的内侧，并随转动装置3一起转动。上位机7对已事先建模的三维物体场景获取水平方向360°不同视角的图像并进行处理，以适合显示系统用于显示。第一高速投影机1将经处理好的组合图像顺序投影在高速旋转的第一反射镜系统2中，光路通过第一反射镜系统2中的第一反射镜8转折，将图像顺序投影到圆柱面透视式定向散射屏4的不同位置上，以满足不同视角的观察需要。由于当第一反射镜系统2旋转一周，三维图像才完成360°全景视场的一次刷新，所以第一反射镜系统2的转速越快，所获得的三维图像会更加稳定。一般当转动装置达到15转以上，刷新频率也在15Hz以上，显示的三维图像会减小闪烁，更加稳定。这种三维显示采用了固定的圆柱面透视式定向散射屏4，屏幕为透射式全息定向散射屏、二元光学元件或光栅结构的光学元件。屏幕对光线的发光角度进行了限制，在竖直方向透过并散射，在水平方向直接透射，这样保证在水平方向不同的视角位置上只能看到供这一视角上可以观看的图像。当显示图像设置的视角越多，显示的三维图像越逼真、细腻。所述的传感器5为光电传感器或机械位置开关；转动同步检测模块6其主要控制器为单片机、CPLD、FPGA或其他可编程逻辑控制器。传感器5检测转动装置的转速以及位置，将机械信号或光信号等转化为电信号，由转动同步控制模块6接收并进行处理，并通过通讯接口(如串口等)将其传输到上位机7。上位机7对接收到的转速以及初始位置等信息进行处理，并对第一高速投影机1进行控制，使第一高速投影机1的图像刷新帧速与旋转的第一反射镜系统2的转速相匹配，以实现图像与转动的同步，确定整个图像显示的方位并保证显示三维图像的稳定。

如图3所示，一种基于高速投影机的全景视场三维显示装置也可以将第一高速投影机1置于系统下方，将经上位机7处理后的组合图像从下向上投到高速旋转的第一反射镜系统2的第二反射镜9上，光路经转折后投影到固定的圆柱面透射式定向散射屏4上。第一反射镜系统2的高速旋转保证了全景视场三维图像在水平方向360°的刷新。不同的安装方式对于全景视场三维显示装置适应不同环境及场景带来了便捷。

所述的第一反射镜系统2由1块或多块第一反射镜8组成，倾斜安装在旋转装置3上，且与水平面成相同夹角。当由3块以上第一反射镜8组成时，第一反射镜系统2成多棱锥状。如图4所示，所述的第一反射镜系统2为单面式反射镜结构。第一反射镜8倾斜安装在转动装置3上，随转动装置3一起转动。采用这种方式，第一高速投影机1投影出对应于单一视角的组合图像，经单面反射镜反射到圆柱面透射式定向散射屏4上。第一反射镜系统2旋转一圈，即可对水平方向360°的全景视场进行一次刷新。如图5所示，所述的第一反射镜系统2为双面式反射镜结构，两面第一反射镜8倾斜安装在转动装置3上且以转轴中心对称安装，两面第一反射镜8的镜面与水平面均成相同夹角。采用这种方式，第一高速投影机1投出的图像为相差180°原两幅投影图像的组合，即在圆柱面透射式定向散射屏4上同时投出了相差180°两个视角的图像。这样第一反射镜系统2旋转半圈，即旋转180°即可对水平方向360°的全景视场进行一次刷新。如图6所示，所述的第一反射镜系统2为三面式反射镜结构，三面第一反射镜8倾斜安装在转动装置3上且以转轴中心对称安装，三面第一反射镜8的镜面与水平面均成相同夹角，成三棱锥状。采用这种方式，第一高速投影机1投出的图像为相差120°原三幅投影图像的组合，即在圆柱面透射式定向散射屏4上同时投出了相差120°三个视角的图像。这样第一反射镜系统2旋转1/3圈，即旋转120°即可对水平方向360°的全景视场进行一次刷新。随着第一反射镜系统2反射镜数量的增多，全景视场三维图像刷新一次所需转动转置旋转的圈数减小。假设第一反射镜系统2由n(n≥1)块反射镜组成，在相同转速条件下，n面式第一反射镜系统2的图像刷新频率将是单面式第一反射镜系统2图像刷新频率的n倍。实际上，采用多面式第一反射镜系统2可以有效的提高图像的刷新频率，且降低转动装置高速旋转说带来机械上的难度。

如图7所示，一种基于高速投影机的全景视场三维显示装置包括第一高速投影机1、第二反射镜系统10、转动装置3、圆柱面透射式定向散射屏4、传感器5、转动同步检测模块6和上位机7；转动装置3上设有第二反射镜系统10，在第二反射镜系统10的两侧对应设有第一高速投影机1和圆柱面透射式定向散射屏4，转动装置3设有传感器5，传感器5与同步检测模块6、上位机7、第一高速投影机1依次顺序连接。第二反射镜系统10安装在圆柱面透射式定向散射屏4的上方或下方，并随转动装置3一起转动。上位机7对已事先建模的三维物体场景获取水平方向360°不同视角的图像并进行处理，以适合显示系统用于显示。第一高速投影机1将经处理好的组合图像顺序投影在高速旋转的第二反射镜系统10中，通过第二反射镜系统10的第三反射镜11和第四反射镜12将光路转折后，将图像顺序投影到圆柱面透视式定向散射屏4的不同位置上，以满足不同视角的观察需要。第一高速投影机1和第二反射镜系统10可以安装在系统上方或下方，两种方式均可将图像投影到圆柱面透视式定向散射屏4上。这种方式采用的同样是将第一高速投影机1和圆柱面透视式定向散射屏4作为固定部分，而第二反射镜系统10为转动部分。转动部件比较少，操作相对简单。这种三维显示采用了圆柱面透视式定向散射屏4，屏幕对光线的发光角度进行了限制，在竖直方向透过并散射，在水平方向直接透射，这样保证在水平方向不同的视角位置上只能看到供这一视角上可以观看的图像。所述的第二反射镜系统10包括第三反射镜11、第四反射镜12，第三反射镜11为1块反射镜或反射棱镜，第四反射镜12为1块或多块反射镜、反射棱镜或反射镜与反射棱镜的组合，其主要作用是将固定的第一高速投影机1投出的图像经光路转折后投影到圆柱面透射式定向散射屏4上。第二反射镜系统10通过旋转，实现三维图像在360°全景视场上的刷新。第二反射镜系统10的转速越快，所获得的三维图像会愈加稳定。传感器5检测转动装置的转速以及位置，将机械信号或光信号等转化为电信号，由转动同步控制模块6接收并进行处理，并通过通讯接口(如串口等)将其传输到上位机7。上位机7对接收到的转速和位置信息进行处理，并对第一高速投影机1进行控制，实现投影图像与系统转动之间的同步，确定三维图像的显示方位并保证显示的三维图像稳定。

如图8所示，另一种基于高速投影机的全景视场三维显示装置，其特性在于包括第一高速投影机、第二高速投影机、第二反射镜系统、第三反射镜系统、转动装置、圆柱面透射式定向散射屏、传感器、转动同步检测模块和上位机；在两个转动装置上分别设有第二反射镜系统和第三反射镜系统，在第二反射镜系统和第三反射镜系统之间设有圆柱面透射式定向散射屏，在两个转动装置的对应处分别设有第一高速投影机和第二高速投影机，转动装置设有传感器，传感器与同步检测模块、上位机依次顺序连接，上位机分别与第一高速投影机和第二高速投影机连接。第一高速投影机1和第二高速投影机13分别安装在系统的下方和上方。第一高速投影机1将已由上位机7处理的组合图像从上方转轴中心投影出来，图像经第二反射镜系统10中的第三反射镜11后，再经第四反射镜12转折投影到圆柱面透射式定向散射屏4上；而第二高速投影机13将已由上位机7处理的组合图像从下方转轴中心投影出来，图像经第三反射镜系统14中的第五反射镜15后，再经第六反射镜16转折投影到圆柱面透射式定向散射屏4与第一高速投影机1投出图像在水平360°方向上相差180°的位置上。在某一时刻，在圆柱面透射式定向散射屏4上同时投出了相差180°两个视角的图像。随着转动装置3带动第二反射镜系统10和第三反射镜系统14的同步高速旋转，实现在360°全景视场上各个视场的刷新。所述的第二反射镜系统10包括第三反射镜11、第四反射镜12，第三反射镜11为1块反射镜或反射棱镜，第四反射镜12为1块或多块反射镜、反射棱镜或反射镜与反射棱镜的组合，；所述的第三反射镜系统14包括第五反射镜15、第六反射镜16，第五反射镜15为1块反射镜或反射棱镜，第六反射镜16为1块或多块反射镜、反射棱镜或反射镜与反射棱镜的组合，第二反射镜系统10和第三反射镜系统14其主要作用均是将固定的第一高速投影机1和第二高速投影机13投出的图像分别经光路转折后投影到圆柱面透射式定向散射屏4相对应的位置上。这种方式与采用单个高速投影机的方式相比，系统只需旋转半圈，即可实现三维图像在360°全景视场上的刷新。在相同转速条件下，采用双高速投影机的方式与采用单高速投影机的方式，其三维图像的刷新频率提高一倍。这样无疑提高了显示图像的刷新频率和稳定程度，并降低了转动装置高速旋转说带来机械上的难度。这种装置同样需要转动同步检测模块6检测转动装置转速以及位置，由上位机7处理并控制第一高速投影机1和第二高速投影机13，保证其系统转动与显示三维图像之间的同步，来确定三维图像显示方位以及保证三维图像的稳定性。

Claims (9)

1.一种基于高速投影机的全景视场三维显示装置，其特性在于包括第一高速投影机(1)、第一反射镜系统(2)、转动装置(3)、圆柱面透射式定向散射屏(4)、传感器(5)、转动同步检测模块(6)和上位机(7)；圆柱面透射式定向散射屏(4)内设有转动装置(3)，转动装置(3)上设有第一反射镜系统(2)，在第一反射镜系统(2)的对应处设有第一高速投影机(1)，转动装置(3)设有传感器(5)，传感器(5)与同步检测模块(6)、上位机(7)、第一高速投影机(1)依次顺序连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于高速投影机的全景视场三维显示装置，其特性在于所述的第一反射镜系统(2)为1块或多块第一反射镜(8)，每块第一反射镜(8)与水平面成相同角度。

3.一种基于高速投影机的全景视场三维显示装置，其特性在于包括第一高速投影机(1)、第二反射镜系统(10)、转动装置(3)、圆柱面透射式定向散射屏(4)、传感器(5)、转动同步检测模块(6)和上位机(7)；转动装置(3)上设有第二反射镜系统(10)，在第二反射镜系统(10)的两侧对应设有第一高速投影机(1)和圆柱面透射式定向散射屏(4)，转动装置(3)设有传感器(5)，传感器(5)与同步检测模块(6)、上位机(7)、第一高速投影机(1)依次顺序连接。

4.根据权利要求3所述的一种基于高速投影机的全景视场三维显示装置，其特性在于所述的第二反射镜系统(10)包括第三反射镜(11)、第四反射镜(12)；第三反射镜(11)为1块反射镜或反射棱镜，第四反射镜(12)为1块或多块反射镜、反射棱镜或反射镜与反射棱镜的组合。

5.一种基于高速投影机的全景视场三维显示装置，其特性在于包括第一高速投影机(1)、第二高速投影机(13)、第二反射镜系统(10)、第三反射镜系统(14)、转动装置(3)、圆柱面透射式定向散射屏(4)、传感器(5)、转动同步检测模块(6)和上位机(7)；在两个转动装置(3)上分别设有第二反射镜系统(10)和第三反射镜系统(14)，在第二反射镜系统(10)和第三反射镜系统(14)之间设有圆柱面透射式定向散射屏(4)，在两个转动装置(3)的对应处分别设有第一高速投影机(1)和第二高速投影机(13)，转动装置(3)设有传感器(5)，传感器(5)与同步检测模块(6)、上位机(7)依次顺序连接，上位机(7)分别与第一高速投影机(1)和第二高速投影机(13)连接。

6.根据权利要求5所述的一种基于高速投影机的全景视场三维显示装置，其特性在于所述的第二反射镜系统(10)包括第三反射镜(11)、第四反射镜(12)，第三反射镜(11)为1块反射镜或反射棱镜，第四反射镜(12)为1块或多块反射镜、反射棱镜或反射镜与反射棱镜的组合。

7.根据权利要求5所述的一种基于高速投影机的全景视场三维显示装置，其特性在于所述的第三反射镜系统(14)包括第五反射镜(15)、第六反射镜(16)，第五反射镜(15)为1块反射镜或反射棱镜，第六反射镜(16)为1块或多块反射镜、反射棱镜或反射镜与反射棱镜的组合。

8.根据权利要求1、3或5所述的一种基于高速投影机的全景视场三维显示装置，其特性在于所述的圆柱面透射式定向散射屏(4)为透射式全息定向散射屏、二元光学元件或光栅结构的光学元件。

9.根据权利要求1、3或5所述的一种基于高速投影机的全景视场三维显示装置，其特性在于所述的传感器(5)为光电传感器或机械位置开关。

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