CN101750747B - 三维立体成像方法、系统和成像设备 - Google Patents

三维立体成像方法、系统和成像设备 Download PDF

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Abstract

本发明属于三维立体成像技术领域，涉及一种具有真实物理景深的三维立体成像方法。一种三维立体成像方法，该方法包括：按照物理景物深度将三维景物纵向分切制作成若干二维层面；将各二维层面分别显示在不同的二维显示窗口中，形成若干二维画面；使二维显示窗口发出的光线发生偏转进入人眼，人眼能够同时观察到所有二维画面的像，并使所有的二维画面的像拼合成原三维景物的像。本发明依据上述所述的方法还提供了一种三维立体成像系统和成像设备。本发明模拟人眼观看真实三维立体图像产生的真实物理景深来实现三维立体成像，无需佩戴眼镜即能观看到三位景物。同时显示色彩绚丽，清晰度高，设备结构简单。

Description

三维立体成像方法、系统和成像设备
【技术领域】
本发明属于三维立体成像技术领域，涉及一种具有真实物理景深的三维立体成像方法、系统和成像设备。
【背景技术】
三维立体成像技术不同于二维平面成像技术，将三维图像信息压缩到一个二维平面中，势必会使图像失真，不能准备的反应图像中各个像素点真实空间位置，二维平面所展示的三维图像是通过色彩的明暗、物体的大小等信息来表达的，人们通过心理暗示作用再结合二维平面中的色彩的明暗、物体的大小等信息来主观判断二维平面中的各个像素点离人眼的距离，而不是真实的物理景深。
三维显示区别于二维就是要用各种方法给观看者带来视觉的深度感知，使之自然或不自然获得画面中第三维度的信息，这种感知方法对人眼来说就是真三维和假三维的区别。所以，对于三维立体成像技术而言，还原三维立体空间中的真实物理景深非常重要，是也是使人眼能够感知到三维立体图像的最关键的因素。
人体生理学的研究表明，人眼对客观世界的三维立体感知主要来自如下四种效应：
（1）调节效应
调节效应是指人眼借助于纤毛体肌肉的拉伸来调节眼球晶状体的焦距。显然，即使用单眼观看物体时，这种调节效应也是存在的，故它属于一种单眼深度感心理暗示。但这种心理暗示只有在与双眼心理暗示共同配合下，且物体距人眼较近时才会起作用。
（2）会聚效应
会聚效应系指当用双眼观看物体上的一点时，两眼视轴所构成的角度称为会聚角。显然，当纤毛体肌肉的拉伸使眼球稍微转向内侧，以便对着一点观看时便能给出了一种深度感的心理暗示，这种双眼心理暗示便称为会聚效应。通常，调节效应与会聚效应相互关联，会聚效应亦仅在物距较近时才较为明显。
（3）双眼视差
人的双眼具有一定的空间距离，瞳孔间距约为6.5㎝，当双眼观看同一立体三维物体时，双眼是从略微不同的角度注视的，从而双眼视象会稍有差异，这种差异称为双眼视差。对于中等视距的物体，人们公认双眼视差信息是深度感最重要的心理暗示。当人眼观看物体上的一点时，从该点发出的光便聚焦于双眼视网膜的中心斑点。故可以说，一双眼内的两个中心斑点在视网膜上给出了“对应位置”，从而依据“对应位置”来确定会聚的大小。而来自注视点以外各点的光线并不总是聚焦在两视网膜的对应位置，这种效应称为双眼视差效应。现代发展起来的各种由平面二维图象产生出立体三维图象的技术也正是利用这一基本机理。
（4）单眼移动视差
当用单眼观看物体时，若眼睛位置不动，调节效应便是对深度感的唯一心理暗示，若允许观看位置移动的话，便可利用双眼视差这种效应从各个方向来观看物体，从而产生出深度感，这个效应便称为单眼移动视差。显然，单眼移动视差对静态物体就不起作用。
人眼观看一个全息再现图像宛如观看一个实际的三维物体一样，上述四种效应全部同时存在，故人眼处于自然观看的状态。
目前的“三维立体显示技术”分为需要佩戴眼镜的立体技术和裸眼立体技术。人眼观看一个立体电影（即目前普遍采用的戴眼镜式的立体电影）时，仅仅存在双眼视差这一效应。尽管它是对物体深度感至关重要的一种生理学上的心理暗示，但因不是全部的心理暗示而使人眼处于一种不十分自然的紧张状态。这种状态在短时间内观看静态的立体图像时并不明显，但当观看立体电视时，由于人眼长时间处于这种不十分自然的观看状态便会感到极不舒适及非常疲劳。所以，用红蓝眼镜或偏光眼镜所制造的立体效果是一种“欺骗眼睛的假三维”的立体效果，并不能很好的还原真实的空间感知。
裸眼式立体显示技术可分为全息三维显示技术和体三维，体视三维显示技术等等。
全息三维技术利用镜面反射镜像的原理能够产生非常逼真的立体效果，但在动态显示方面需要非常高的空间光调制器以及超高速的数据处理系统，这两个技术限制了这种技术的发展，使之目前还不能很好的运用到现实生活中。VIZOO公司在US2008 0144175 A1公开了一种金字塔形结构的360度显示装置，该装置基于反射镜像的原理，通过4个反射镜，把反射镜上方或下方的平面图像成像在金字塔结构的中心可以实现360度的观看角度。这种简单的装置投影出来的图像仍然是一种平面图形，但给人一种“虚拟景深”或“心理景深”的效果，但无法给观众一种真实的深度信息。
体三维显示技术则与其他立体显示技术不同的是，它是真正能够实现动态效果的3D技术，它可以让你看到科幻电影中一般“悬浮”在半空中的三维透视图像。体三维显示技术目前大体可分为扫描体显示 (Swept-VolumeDisplay)、和固态体显示 (Solid-Volume Display)两种。
扫描体显示，采用的是一种柱面轴心旋转外加空间投影的结构，它由马达带动的高速旋转的直立投影屏，它由很薄的半透明塑料做成。当需要显示一个3D物体时，它将首先通过软件生成这个物体的多张剖面图(沿Z轴旋转，平均每旋转很小的角度截取一张垂直于X-Y平面的纵向剖面)，当投影屏高速旋转、多个剖面被轮流高速投影到屏上时，我们便会发现，一个可以全方位观察的自然的3D物体。扫描体显示技术一样存在着致命的弱点—“亮度”和“旋转”。全向开放外加投影的显示结构流明值较低，容易受到背景光影响；而高速的旋转则使得它对安置平台的平稳程度要求较高，其摆放的桌面不能随意晃动，否则将导致体象素显示模糊，甚至完全无法成像，因此它不能使用在宇航器、航空器及其航海船只等场合。同时，这种结构成像非常复杂，价格也非常昂贵，不适合大规模的运用。
早期的固态体显示技术，如solid FELIX，主要采用一整块立方体水晶作为显示介质，在水晶中掺杂了稀土元素，当两束相干红外线激光在水晶内部的某空间点处相交时，它们将激发该点发光，目前这套系统仍处于实验室阶段。而Depth Cube系统则代表了目前固态体显示技术的最高成就，它采用了一种很特别的方式：层叠液晶屏幕方式来实现三维体显示，它的外形就像一台80年代的电视机一样，Depth Cube的显示介质由20个液晶屏层叠而成，每一个屏的分辨率为1024×748，屏与屏之间间隔约为5mm；这些特制屏体的液晶象素具有特殊的电控光学属性，当对其加电压时，该象素的液晶体将像百叶窗的叶面一样变得平行于光束传播方式，从而令照射该点的光束透明地穿过，而当对其电压为0时，该液晶象素将变成不透明的，从而对照射光束进行漫反射，形成一个存在于液晶屏层叠体中的voxel。在任一时刻，有19个液晶屏是透明的，只有1个屏是不透明的，呈白色的漫反射状态；Depth Cube将在这20个屏上快速的切换显示3D物体截面从而产生纵深感。由于DepthCube的观察角度比较单一，主要是在显示器的正面。
上述大部分体三维显示技术都用到了投影仪，而三维图像中的每一个像素点不是自发光，所有像素点的光都是通过投影仪发出的光透射到投影屏幕上方能显示，所以体三维显示技术所显示的图像的质量都与投影屏幕的投影效果有很大关系。
同时，上述所有的体三维显示技术有其不可避免的缺陷，要显示一个物体的360度面只能产生半透明的3D透视图，这是因为，一个物体的背面光线并不能被物体正面的光线遮挡其传播。
上述三种显示技术尽管能达到实现真实立体的效果，但本身的结构复杂注定了价格必然昂贵，更多的只能运用到实验室或医疗设备，军事等需求相对高端的行业而不能大规模推广，进入到千家万户。
【发明内容】
本发明的目的就是为了解决上述技术问题，提出了一种新的三维立体成像方法、系统和成像设备。本发明通过模拟人眼观看真实三维立体图像产生的真实物理景深来实现三维立体成像，能够非常逼真的显示动态的三维景物，而且结构简单，成本低廉。
本发明提供一种三维立体成像方法，具体技术方案如下：
一种三维立体成像方法，该方法包括：
按照物理景物深度将三维景物纵向分切制作成若干二维层面；
将各二维层面分别显示出来形成二维画面，并使显示的二维画面的像拼合成原三维景物的像。
该方法中的“将各二维层面分别显示出来形成二维画面，并使显示的二维画面的像拼合成原三维景物的像”的步骤具体包括：
将各二维层面分别显示在不同的二维显示窗口中，形成若干二维画面；
使二维显示窗口发出的光线发生偏转进入人眼，人眼能够同时观察到所有二维画面的像，并使所有的二维画面的像拼合成原三维景物的像。
所述显示窗口由二维显示单元组成，所述二维显示单元在不显示画面时用于传递光线，该光线从与该二维显示单元相对的显示窗口传递到与其相对的另一显示窗口中，所有二维显示单元发出的光线通过一个或者多个不显示画面的二维显示单元经一次或多次反射进入人眼。
所述二维显示单元为二维平面显示单元，所述二维平面显示单元在不显示画面时用于镜面反射光线，所述二维画面的像为正立等大的虚像。
所述二维显示单元为平面的液晶显示模块，所述液晶显示模块表面设置有半透半反光学器件，该半透半反光学器件受电信号控制，用于在显示画面时透光不显示画面时反光。
该方法中，在所述“按照物理景物深度将三维景物纵向分切制作成若干二维层面”的步骤具体包括：
在三维坐标系中对三维景物进行坐标定位，以平行物理景物深度方向的坐标轴作为Z轴，垂直于物理景物深度方向的坐标轴为X轴和Y轴；
沿着Z轴将三维景物的物理景物深度均等分切，按照切分物理景物深度的方法将该三维景物被分切成若干个二维面；
将每一个二维面上的各像素点的Z轴坐标设置相同，X轴和Y轴坐标保持不变；
保持所有的二维平面上的各像素点在X轴和Y轴上的坐标不变，填充各二维平面外的空白区域制作成等大的若干沿Z轴平行排列的二维层面。
所述“使所有二维画面的像拼合成原三维景物的像”具体步骤如下：
所述各二维画面的像的远近排列顺序与各像对应的二维层面的远近排列顺序相同；
各二维画面的像的大小与其对应的各二维平面的大小成相同的比例；
相邻的两二维画面的像的距离与其对应的两二维平面之间的距离成相同的比例。
本发明还提供一种三维立体成像系统，具体技术方案如下：
一种三维立体成像系统，包括：
像源制作设备，用于按照物理景物深度将三维景物纵向分切制作成若干二维层面；
成像设备， 用于将各二维层面分别显示出来形成二维画面，并使显示的二维画面的像拼合成原三维景物的像。
所述成像设备包括：
显示装置，用于将各二维层面分别显示在不同的二维显示窗口中，形成若干二维画面；
偏光装置，用于使二维显示窗口发出的光线发生偏转进入人眼，人眼能够同时观察到所有二维画面的像，并使显示的二维画面的像拼合成原三维景物的像。
所述显示窗口由二维显示单元组成，所述二维显示单元在不显示画面时用于传递光线，该光线从与该二维显示单元相对的显示窗口传递到与其相对的另一显示窗口中，所有二维显示单元发出的光线通过一个或者多个不显示画面的二维显示单元经一次或多次反射进入人眼。
所述二维显示单元为二维平面显示单元，所述二维平面显示单元在不显示画面时用于镜面反射光线，所述二维画面的像为正立等大的虚像。
所述二维显示单元组为平面的液晶显示模块，所述液晶显示模块表面设置有半透半反光学器件，该半透半反光学器件受电信号控制，用于在显示画面时透光不显示画面时反光。
所述的像源制作设备包括：
坐标定位单元，用于在三维坐标系中对三维景物进行坐标定位，以平行物理景物深度方向的坐标轴作为Z轴，垂直于物理景物深度方向的坐标轴为X轴和Y轴；
分切单元，用于沿着Z轴将三维景物的物理景物深度均等分切，按照切分物理景物深度的方法将该三维景物被分切成若干个二维面；
二维平面制作单元，用于将每一个二维面上的各像素点的Z轴坐标设置相同，X轴和Y轴坐标保持不变；
二维层面制作单元，用于保持所有的二维平面上的各像素点在X轴和Y轴上的坐标不变，填充各二维平面外的空白区域制作成等大的若干沿Z轴平行排列的二维层面。
本发明另外提供一种三维成像设备，具体技术方案如下：
一种三维成像设备，用于将按照三维景物的物理景物深度排列的各二维层面分别显示出来形成二维画面，并使显示的二维画面的像拼合成原三维景物的像，包括：
显示装置，用于将各二维层面分别显示在不同的二维显示窗口中，形成若干二维画面；
偏光装置，用于使二维显示窗口发出的光线发生偏转进入人眼，人眼能够同时观察到所有二维画面的像，并使显示的二维画面的像拼合成原三维景物的像。
所述显示窗口由二维显示单元组成，所述二维显示单元在不显示画面时用于传递光线，该光线从与该二维显示单元相对的显示窗口传递到与其相对的另一显示窗口中，所有二维显示单元发出的光线通过一个或者多个不显示画面的二维显示单元经一次或多次反射进入人眼。
所述二维显示单元为二维平面显示单元，所述二维平面显示单元在不显示画面时用于镜面反射光线，所述二维画面的像为正立等大的虚像。
所述二维显示单元为平面的液晶显示模块，所述液晶显示模块表面设置有半透半反光学器件，该半透半反光学器件受电信号控制，用于在显示画面时透光不显示画面时反光。
本发明的有益的技术效果在于：
本发明能够动态的显示不同的三维景物，而且本发明显示的三维景物色彩艳丽，清晰度高。
同时，本发明模拟人眼观看真实三维立体图像产生的真实物理景深来实现三维立体成像，无需佩戴眼镜即能观看到三位景物。
本发明的三维设备结构简单，成本低廉。
由于采用LCD而不是投影仪的方案，不需要过多的考虑箱体的体积，灯泡的寿命以及灯泡散热的问题，使用装置小型化并进入普通家庭成为可能。
【说明书附图】
图1为本发明三维立体成像方法的主要方法流程图；
图2为本发明三维立体成像方法中分切三维景物方法示意图；
图3为本发明三维立体成像方法中将二维面修正为二维平面的方法示意图；
图4为本发明三维立体成像方法中各二维平面相对位置关系示意图；
图5为本发明三维立体成像方法的详细方法流程图；
图6为本发明三维立体成像方法中二维平面显示窗口的排列示意图；
图7为本发明三维立体成像方法各二维平面的成像示意图；
图8为本发明各二维平面显示单元的大小以及排列示意图；
图9为本发明三维立体成像系统的结构框图。
【具体实施方式】
传统的体三维显示技术的原理在于，让各个像素点发出的光线直接沿着直线传播进入人眼，一个静态的三维景物虽然只是一个三维空间表面的表达，但是如果需要显示动态的三维景物，则需要一个能够显示三维空间的每一个像素点的装置，如此，则每一个像素点所在的显示单元发出的光线就有可能被前面的显示单元遮挡住，传统的解决方法是运用人眼的视觉暂留原理，让各个像素点依次在很短的时间内快速发光，从而形成一个整体的三维景物，即使这样做还存在很多如背景技术中所存在的缺点。
而本发明一改以往让光线沿直线传播的思路，让每一个发光的元素并不需要按照三维景物的各像素点的排列，其排列非常自由，只要满足每一个发光的像素点发出的光线不被其前面的像素点或者物体挡住即可，而当该像素点发出光线之后，通过一定的光学系统改变其光线传输路径，只要满足人眼观看到的所有像素点的像的相对位置关系和原三维景物的相对位置关系相同即可。这样的话，就可以采用液晶显示模块来显示每一个像素点，使得显示的色彩艳丽，清晰度高，避开了传统的投影显示的诸多缺点。
本发明依据上述的原理和思想，提出了一种三维立体成像方法、系统以及成像设备。而本发明所采用的像素点的显示单元正是目前技术比较成熟而且显示效果非常好的液晶显示模块。
下面结合具体实施例和说明书附图对本发明做进一步的阐述和说明：
如图1所示，一种三维立体成像方法，该方法包括：
101．按照物理景物深度将三维景物纵向分切制作成若干平行等大的二维层面；
102．将各二维层面分别显示出来形成二维画面，并使显示的二维画面的像拼合成原三维景物的像。
一个三维立体空间可视为是无数个不同的二维面组成的，而人眼所看到的真实的三维景物实际上是一个三维立体空间的表面，而非整个三维立体空间的透视图，这是由于真实的三维景物在光路上不可能存在两个点，处在光路前面的像素点会阻挡住光线的传播。
依据上述原理，如图2所示，在一个三维坐标系中对一个三维景物ABCDEF进行坐标定位，三维景物的每一个像素点都有其准确的坐标位置（X，Y，Z），在图中给出的实线轮廓，是从倾斜于XOY平面的方向看过去的，而假设人眼沿Z轴方向去观看该三维景物，则该三维景物的每一个像素点发出的光线均沿Z轴传播到达人眼，那么人眼看到的只是该三维景物的ABCD曲面，将该ABCD曲面沿着Z轴均等细分成无限份，则细分的每一份为一条线。而当将ABCD曲面沿着Z轴均等分成有限份，例如4份时， bc、fg、jk为ABCD曲面的分界线，则分成的每一份实际上还是一个该abcd曲面的一部分，如图所示，也即为一个三维立体空间表面的一段，如果将每一个被分切的二维曲面分别显示在不同的二维显示单元上，则有限个二维显示单元显示的二维画面拼合起来则形成一个完整的三维景物。
而需要显示的是动态的三维景物，则二维显示单元的大小和形状应该不受所细分的二维面所限制，即一个二维显示单元能够显示一个三维景物的任何一个位置的像素点，理想的情况是，所有的二维显示单元均为同一形状和大小相同并且形状规则的二维面，可为曲面也可为平面。
而由于三维景物被切分后的二维面的形状与二维显示单元的形状不同，则需要将切分后的二维面的形状纠正为与二维显示单元相似的形状。方法为将该二维面修正为所述二维面在该二维显示单元上的投影。
本实施例采用的二维显示单元为二维平面显示单元， 三维景物被均等分为4个，所述二维平面显示单元的个数也为4个，而每一个二维平面显示单元需要显示不在同一平面的二维面，则需要将该不在同一平面的二维面修正为二维平面，其具体的修正方法如图3所示，在图2中的像素点b、c、f、g在一个被分切的二维面上，它们的坐标分别为（xb、yb、zb）、（xc、yc、zc）、（xf、yf、zf）、（xg、yg、zg），在Z轴方向上统一各点的坐标，即使zb 、zc 、zf 、zg统一成一个特定的值，则b、c、f、g各点在同一二维平面内。该平面上的其他像素点在Z轴方向上的坐标也统一成该值，则该二维面上的所有的像素点均在一个二维平面上，修正后的二维平面为mnfg。
如图4所示，通过上述方法可将所述的三维景物分切成4个在XOY平面内位置不同的二维平面：abcd、mfgn、ojkp和qDCr，填充各二维平面外的空白区域制作成等大的4纵向平行排列的二维层面，分别为：astd、euvh、iwxl和EDCF，则每个二维平面在每个二维层面中的位置可以确定，即所述二维层面上的像素点的坐标在X轴和Y轴上保持不变。
所以，如图4所示，上述101步骤：“按照物理景物深度将三维景物纵向分切制作成若干平行等大的二维层面”具体包括如下步骤，如图5所示：
1011．在三维坐标系中对三维景物进行坐标定位，以平行物理景物深度方向的坐标轴作为Z轴，垂直于物理景物深度方向的坐标轴为X轴和Y轴；
1012．沿着Z轴将三维景物的物理景物深度均等分切，按照切分物理景物深度的方法将该三维景物被分切成若干段二维面；
1013．将每一个二维面上的各像素点的Z轴坐标设置相同，X轴和Y轴坐标保持不变，则所生成的新的像素点的集合为所述二维面在与Z轴垂直的平面上的投影。也即是使不在同一平面上的二维面的像素点压缩到纵向坐标相同的同一二维平面上。
为了保证相邻的二维平面上的像素点在纵向上的坐标间隔相同的距离，每个二维面上的像素点在纵向上的坐标设置方法应相同，可全部设置成与人眼距离最近的像素点相同，也可全部设置成与人眼距离最远的像素点相同，也可取其距离的中间值。
1014．保持所有的二维平面上的各像素点在X轴和Y轴上的坐标不变，填充各二维平面外的空白区域制作成等大的若干沿Z轴平行排列的二维层面。
所述102步骤：“将各二维层面分别显示出来形成二维画面，并使显示的二维画面的像拼合成原三维景物的像”的步骤具体包括：
1021．将各二维层面分别显示在不同的二维显示窗口中，形成若干二维画面；
1022．使二维显示窗口发出的光线发生偏转进入人眼，人眼能够同时观察到所有二维画面的像，且所述各二维画面的像的相对位置与对应各二维平面的相对位置相同。
所述相对位置相同是指各二维画面的像的排列顺序与对应的各二维平面的排列顺序相同，各两两相邻的像之间的距离与对应的两二维平面之间的距离成相同的比例，并且各像的大小与对应的各二维平面的大小成相同的比例。
所述显示窗口包括二维显示单元，所述的二维显示单元的正面显示二维层面，光线只能从所述二维显示单元的正面发出，并不能从背面发出，其背面也不能透射光线，所以所述的二维显示单元的排列顺序不能与图4中的二维层面的排列顺序相同，而且二维显示单元发出的光线不能被其他的二维显示单元阻挡，所以即使所有的二维显示单元同时显示二维层面，人眼也可以同时观察到若干二维画面。此种显示方法模拟真实的物体发光原理，无需利用视觉暂留的原理，减轻了人眼的视觉负担。
图4中的二维层面的排列顺序为纵向排列，而二维显示窗口需要横向排列才能够使其发出的光线不被光路前面的二维显示窗口所遮挡，二维显示窗口的横向排列方式不同，则每个二维显示窗口发出的光线发生偏转的量也不同，只要满足使人眼通过成像窗口能够观察到所有二维画面的像即可。
在本实施例中，所述二维显示窗口包括4个二维平面显示窗口，其排列方式如图6所示，所述二维显示窗口61分成两组，每一组显示窗口在同一平面内，且两组显示窗口所在的平面平行，不同组相邻的两个显示窗口平行倾斜相对，且倾斜角度相同，所述的倾斜角度相同时指两个平面显示单元的中心相对的倾斜角度相同，同组相邻的两个显示单元中心的距离相同。
所述二维平面显示窗口61还包括二维平面反射单元，用于反射光线，所述二维平面反射单元分布在所述二维平面显示单元的周围，并且与所有的二维反射显示单元与所述的二维平面显示单元在同一平面，所述二维平面反射单元用于使与其相对的二维平面显示单元发出的光线62反射到与其相对的另一二维平面显示窗口中的二维平面反射单元上，或者用于使传递与其相对的二维平面反射单元反射的光线到与其相对的另一二维平面显示窗口中的二维平面反射单元上，二维平面显示单元发出的光线经一次或多次反射进入人眼63。
由于要显示的是动态的三维景物，每个二维平面显示单元显示的二维画面的位置每时每刻都不相同，而如果二维平面反射单元的位置是固定的话，则会导致反射的光线的不能进入人眼，所以也需要二维平面反射单元的位置是随着二维画面位置的变动而变动的。
当所述显示窗口由二维显示单元组成，所述二维显示单元在不显示画面时用于传递光线，则该光线从与该二维显示单元相对的显示窗口传递到与其相对的另一显示窗口中，所有二维显示单元发出的光线通过一个或者多个不显示画面的二维显示单元经一次或多次反射进入人眼。
本发明的设计的巧妙之处在于，每一个二维层面上面的像素点与其他二维层面上的像素点的在X轴和Y轴的坐标均不相同，也即是说，当一个二维层面在二维显示单元中显示时，则其他二维层面与其在X轴和Y轴坐标相同的区域不显示，如图4所示，而这一不显示的部分刚好作为二维平面反射单元，反射与其相对的另一二维显示单元中显示的二维画面，而且该二维显示单元发出的光线经连续的多次反射从两组二维显示窗口的一端射出，即该二维显示单元显示的二维画面在连续的多个二维反射单元中成像后，最终在人眼能够观察到的其中的一个二维显示窗口中成像，成一个正立的等大的虚像71，如图7所示。而该二维显示窗口即为成像窗口，该二维显示窗口还能够显示二维画面，即该二维画面是实际的物体，而非像，所以在该成像窗口中既能观察到虚像又能看到实物，而普通的技术人员能够很容易想到在该成像窗口的斜对面放置一反光镜，只要该反光镜在每一个二维画面的成像光路上即可，通过该反光镜也可以看到所有二维画面的像，此种结构也应在本专利的保护范围之内。
在图7中，每个二维显示窗口61的大小一样，二维显示单元的大小也一样，而每个二维层面的大小在制作时也是一样的，所以每个二维显示单元显示的二维画面的大小与原三维景物被切分的二维平面的大小相同，则各二维画面的像的大小与原三维景物被切分的二维平面的大小相同，如果两组二维显示窗口61的距离有一定的距离，则各二维画面的像之间也有一定的距离，而人眼在看物体的时候，远处的物体在人眼中的成像会比相同大小的近处物体要小，而在制作二维层面时，原三维景物中的各物体大小已经按照实际人眼看到的大小作了放大和缩小的处理，如果人眼从成像窗口中看到的各二维平面的像的大小又产生了变化，则会使人眼观看到的三维景物失真。
所以在需要对每个二维显示窗口的大小进行重新设置，如图8所示，每个二维显示窗口面积按照离成像窗口81的远近顺序依次同步放大，各二维显示窗口的面积大小分别是所述成像窗口81面积的4倍、9倍、16倍。
在本实施例中给出的三维景物的近景和远景处的视野是相同的，而实际生活中人们观看一个三维景物中，相同的物体放在近处时，其视野很窄，即可能只可以看到物体的一部分，而放在远处时，其视野变得很宽，就有可能可以看到物体的全部，所以实际人眼观看到的三维景物是一个锥形体的表面，而不是一个长方体的表面。所以将三维景物分切成若干二维平面时，每个二维平面的体积大小是不相同的，如均等切分4分，则远处的三份二维平面的面积分别是最近处的二维平面面积的4倍、9倍、16倍。
依据上述方法，本发明提供了一种三维成像系统，如图9所示，包括：
像源制作设备91，用于按照物理景物深度将该三维景物纵向分切制作成若干平行等大的二维层面；
所述像源制作设备91包括：
坐标定位单元911，用于在三维坐标系中对三维景物进行坐标定位，以平行物理景物深度方向的坐标轴作为Z轴，垂直于物理景物深度方向的坐标轴为X轴和Y轴；
分切单元912，用于沿着Z轴将三维景物的物理景物深度均等分切，按照切分物理景物深度的方法将该三维景物被分切成若干个二维面；
二维平面制作单元913，用于将每一个二维面上的各像素点的Z轴坐标设置相同，X轴和Y轴坐标保持不变；
为了保证相邻的二维平面上的像素点在纵向上的坐标间隔相同的距离，每个二维面上的像素点在纵向上的坐标设置方法应相同，可全部设置成与人眼距离最近的像素点相同，也可全部设置成与人眼距离最远的像素点相同，也可取其距离的中间值。
二维层面制作单元914，用于保持所有的二维平面上的各像素点在X轴和Y轴上的坐标不变，填充各二维平面外的空白区域制作成等大的若干沿Z轴平行排列的二维层面。
成像设备92， 用于将各二维层面分别显示出来形成二维画面，并使显示的二维画面的像拼合成原三维景物的像。
所述成像设备92包括：
显示装置921，用于将各二维层面分别显示在不同的二维显示窗口中，形成若干二维画面；
偏光装置922，用于使二维显示窗口发出的光线发生偏转进入人眼，人眼能够同时观察到所有二维画面的像；
且所述各二维画面的像的相对位置与对应各二维平面的相对位置相同。
如图8所示，所述显示装置921包括4个二维平面显示单元，所述4个二维平面显示单元分成两组，每一组平面显示单元在同一平面内，且两组平面显示单元所在的平面平行，不同组相邻的两个平面显示单元平行倾斜相对，且倾斜角度相同，所述的倾斜角度相同时指两个平面显示单元的中心相对的倾斜角度相同，同组相邻的两个显示单元中心的距离相同。
为了减少因两组平面显示单元距离造成的像在人眼中的大小失真，所以所述各二维平面显示单元的大小不一样，离人眼最近的二维平面显示单元为成像窗口，离成像窗口由远及近的各二维平面显示单元的面积大小分别是成像窗口大小的16倍、9倍和4倍。
所述二维平面显示单元的排列方式不同，则所述偏光装置922针对每个二维平面显示单元的偏光程度不同，目的在于使二维平面显示单元显示的二维画面的像归位，所有像的相对位置与所述二维平面的相对位置相同。实际上，如果所述二维平面显示单元的排列方式不够理想，则使偏光装置922变的非常复杂，甚至无论怎么样设置偏光装置都难以使二维画面的像的相对位置与所述二维平面的相对位置相同，本发明的巧妙之处在于：
由于所述二维平面显示单元两两相对，且所述二维平面显示单元不显示二维画面时则反射光线，此时该二维平面显示单元实则为二维平面反射单元，当与所述二维平面显示单元相对的二维平面反射单元将所述二维平面显示单元发出的光线反射到与其相对的另一二维平面反射单元，当所述二维平面显示单元发出的光线被一连串的二维平面反射单元连续反射最终从两组二维平面反射单元的一端射出进入人眼，则该二维平面显示单元显示的二维画面则会在最后一个二维平面反射单元中成像，而本发明的结构刚好满足这一条件，其原因在上述方法中已经讲述，在此不再赘述。
而在本发明中，所述二维反射单元实际上是起到偏光的作用，使二维显示窗口发出的光线发生偏转进入人眼，所以所述显示装置921在不显示二维画面时为偏光装置922。
所述二维显示单元为平面的液晶显示模块，所述液晶显示模块表面设置有半透半反光学器件，该半透半反光学器件受电信号控制，用于在显示画面时透光不显示画面时反光。
本发明所述的像源制作设备91和成像设备92可独立工作，实际上像源制作设备91制作的二维层面也能够在其他的体三维显示设备中播放，如背景技术中所述的Depth Cube系统。而且其体三维显示技术制作的二维层面也同样能够在本发明的成像设备92中播放，所以本发明的成像设备92可独立保护。
上述实施例中重点对本发明的设计原理和设计思想做了详细的说明，同时也列举了一些具体的技术方案对其设计原理和设计思想的支持，本领域的技术人员很容易通过上述的说明对本发明做一些简单改进和优化，毫无疑问的是，这些简单的改进和优化应在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种三维立体成像方法，该方法包括：
按照物理景物深度将三维景物纵向分切制作成若干二维层面；
将各二维层面分别显示在不同的二维显示窗口中，形成若干二维画面；
使二维显示窗口发出的光线发生偏转进入人眼，人眼能够同时观察到所有二维画面的像，并使所有的二维画面的像拼合成原三维景物的像；所述显示窗口由二维显示单元组成，所述二维显示单元在不显示画面时用于反射光线，该光线从与该二维显示单元相对的显示窗口反射到与该二维显示单元相对的另一显示窗口中，所有二维显示单元发出的光线通过一个不显示画面的二维显示单元经一次反射进入人眼，或者通过多个不显示画面的二维显示单元经多次反射进入人眼。
2.根据权利要求1所述的三维立体成像方法，其特征在于，所述二维显示单元为二维平面显示单元，所述二维平面显示单元在不显示画面时用于镜面反射光线，所述二维画面的像为正立等大的虚像。
3.根据权利要求2所述的三维立体成像方法，其特征在于，所述二维显示单元为平面的液晶显示模块，所述液晶显示模块表面设置有半透半反光学器件，该半透半反光学器件受电信号控制，用于在显示画面时透光不显示画面时反光。
4.根据权利要求1-3任一所述的三维立体成像方法，其特征在于，该方法中，在所述“按照物理景物深度将三维景物纵向分切制作成若干二维层面”的步骤具体包括：
在三维坐标系中对三维景物进行坐标定位，以平行物理景物深度方向的坐标轴作为Z轴，垂直于物理景物深度方向的坐标轴为X轴和Y轴；
沿着Z轴将三维景物的物理景物深度均等分切，按照切分物理景物深度的方法将该三维景物被分切成若干个二维面；
将每一个二维面上的各像素点的Z轴坐标设置相同，X轴和Y轴坐标保持不变；
保持所有的二维平面上的各像素点在X轴和Y轴上的坐标不变，填充各二维平面外的空白区域制作成等大的若干沿Z轴平行排列的二维层面。
5.一种三维立体成像系统，包括：
像源制作设备，用于按照物理景物深度将三维景物纵向分切制作成若干二维层面；
成像设备， 用于将各二维层面分别显示出来形成二维画面，并使显示的二维画面的像拼合成原三维景物的像，所述成像设备包括：
显示装置，用于将各二维层面分别显示在不同的二维显示窗口中，形成若干二维画面；
偏光装置，用于使二维显示窗口发出的光线发生偏转进入人眼，人眼能够同时观察到所有二维画面的像，并使显示的二维画面的像拼合成原三维景物的像；
所述显示窗口由二维显示单元组成，所述二维显示单元在不显示画面时用于反射光线，该光线从与该二维显示单元相对的显示窗口反射到与该二维显示单元相对的另一显示窗口中，所有二维显示单元发出的光线通过一个不显示画面的二维显示单元经一次反射进入人眼，或者通过多个不显示画面的二维显示单元经多次反射进入人眼。
6.根据权利要求5所述的三维立体成像系统，其特征在于，所述二维显示单元为二维平面显示单元，所述二维平面显示单元在不显示画面时用于镜面反射光线，所述二维画面的像为正立等大的虚像。
7.根据权利要求6所述的三维立体成像系统，其特征在于，所述二维显示单元为平面的液晶显示模块，所述液晶显示模块表面设置有半透半反光学器件，该半透半反光学器件受电信号控制，用于在显示画面时透光不显示画面时反光。
8.根据权利要求5-7任一所述的三维立体成像系统，其特征在于，所述像源制作设备包括：
坐标定位单元，用于在三维坐标系中对三维景物进行坐标定位，以平行物理景物深度方向的坐标轴作为Z轴，垂直于物理景物深度方向的坐标轴为X轴和Y轴；
分切单元，用于沿着Z轴将三维景物的物理景物深度均等分切，按照切分物理景物深度的方法将该三维景物被分切成若干个二维面；
二维平面制作单元，用于将每一个二维面上的各像素点的Z轴坐标设置相同，X轴和Y轴坐标保持不变；
二维层面制作单元，用于保持所有的二维平面上的各像素点在X轴和Y轴上的坐标不变，填充各二维平面外的空白区域制作成等大的若干沿Z轴平行排列的二维层面。
9.一种三维成像设备，用于将按照三维景物的物理景物深度排列的各二维层面分别显示出来形成二维画面，并使显示的二维画面的像拼合成原三维景物的像，包括：
显示装置，用于将各二维层面分别显示在不同的二维显示窗口中，形成若干二维画面；
偏光装置，用于使二维显示窗口发出的光线发生偏转进入人眼，人眼能够同时观察到所有二维画面的像，并使显示的二维画面的像拼合成原三维景物的像；所述显示窗口由二维显示单元组成，所述二维显示单元在不显示画面时用于反射光线，该光线从与该二维显示单元相对的显示窗口反射到与该二维显示单元相对的另一显示窗口中，所有二维显示单元发出的光线通过一个不显示画面的二维显示单元经一次反射进入人眼，或者通过多个不显示画面的二维显示单元经多次反射进入人眼。
10.根据权利要求9所述的三维立体成像设备，其特征在于，所述二维显示单元为二维平面显示单元，所述二维平面显示单元在不显示画面时用于镜面反射光线，所述二维画面的像为正立等大的虚像，所述二维显示单元为平面的液晶显示模块，所述液晶显示模块表面设置有半透半反光学器件，该半透半反光学器件受电信号控制，用于在显示画面时透光不显示画面时反光。
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