CN101881922A

CN101881922A - 真三维显示系统

Info

Publication number: CN101881922A
Application number: CN2010101828073A
Authority: CN
Inventors: 程亚奇
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-05-26
Filing date: 2010-05-26
Publication date: 2010-11-10

Abstract

本发明提供一种真三维高性能计算机的系统和方法，该系统包括：主控制器，一组并行处理器模块，模块间的通讯，二维显示驱动，传感器阵列，三维空间鼠标，一组投影机，一个电动旋转屏。主控制器通过网络与模块组连接并实现对系统的编程和数据传输，模块由主处理器和阵列处理器和边界处理器和存储器和二维传感器接口外设等组成，模块间具有高速通讯，各模块分别在二维空间中进行计算和显示驱动，模块组形成三维空间计算，通过操作三维空间鼠标指示真三维显示器空间位置，投影机由分布式脉冲光源控制曝光时间和旋转屏的同步旋转，模块组和投影机组沿旋转屏周围依次固定形成园柱坐标系，各模块和各投影机在每一角度产生的二维图像，最后合成真三维空间动态图像。主要三维空间应用是：粒子系统，有限元，地球系统模拟，空气动力学和流体力学模拟，医学透视图像和图形处理。

Description

真三维显示系统

技术领域

本发明主要涉及三维（3D）显示领域。更具体地，本发明涉及基于多投影机旋转屏的真三维（Real3D）显示的系统和方法，其中真三维也被称之为体三维（Volumetric3D）。适合于真三维显示系统应用有：图形处理中的粒子系统计算和显示，有限元计算和显示，空气动力学和流体力学等物理模拟和显示，气象分析、地球系统模拟和显示，太空模拟和显示，医学成像中的层析图像处理（CT或MR）和显示，分子动力学模拟和显示，空中交通控制和显示等领域。

背景技术

目前三维（3D）显示技术主要三种：立体三维显示（Stereo3D）,体三维显示（Volumetric3D）,全息三维显示（Holographic3D）。

全息显示技术能够完整地再现物体的波光场的振幅和位相信息，所以再现影像与原物体有着完全相同的三维特性。从这种意义上来说，全息像才是真正的三维像。其代表了立体显示技术的未来发展方向。但由于太大的海量数据传输和存储，全息动态显示在目前的技术水平上还不现实。

类似于立体声是基于人的双耳双声道立体听觉原理，立体三维显示是基于人的双目双画面的立体视觉原理。借助于眼镜或者斜光栅屏幕的立体三维显示能提供有限的三维视觉，但人眼在观察时，画面没有真实的景深，聚焦和调节不能匹配，长时间观看容易疲劳。立体三维显示在技术实现和显示效果上都有实际意义，目前已经开始了市场推广，用于立体电视和计算机立体显示器。

体三维显示技术在真实的三维空间显示，也被称之为一种真三维，是一种直接可视、全角度可视、真实景深可视和多人可视的三维空间显示技术。在技术实现和显示效果上都比较有优势。但是，目前基于旋转屏的真三维显示技术也有局限性，主要是由于需要高速旋转，屏幕尺寸和重量不能太大；另外由于是空间显示，效果是一种透明的或半透明的图像，不适合通用显示场合。因此，真三维显示技术比较适合于一些专用场合，例如透视图像的显示，气体和液体图像的显示。这些专用场合应用最好是：图形处理中的粒子系统计算，空气动力学和流体力学等物理模拟，气象分析、地球系统模拟，太空模拟，医学成像中的三维透视图像处理，空中交通控制等领域。

自上世纪40年代起，发明家们在真三维显示方面已经做出了重大的努力。如以下部分基于旋转屏的真三维显示技术的相关专利记录：

1940,usa2189374,ApparatusForFormingThreeDimensionalImages

1961,usa2967905,ThreeDimensionalDisplayApparatus

1964,usa3140415,Three-DimensionalDisplayCathodeRayTube

1965,usa3204238,CathodeRayTubeForThree-DimensionalPresentations

1997,usa5703606，Threedimensionaldisplaysystem

2003，usa6554430，Volumetricthree-dimensionaldisplaysystem

2007，cn200710107887，基于多投影机旋转屏的体三维显示系统

2008，cn200810114457，基于多投影机旋转屏三维影像可触摸的真三维显示方法

现有比较成熟的真三维显示技术包括：基于美国德州仪器的数字微镜器件（DMD）的投影机，投影到旋转盘屏幕上实现一种球体或圆柱体的真三维显示(现实系统公司，ActualitySystemInc.)。该技术已经形成商用产品，有了市场和销售。该技术和系统如图12现实系统公司的专利示意图所示。

现实系统公司这种显示技术是基于单投影机旋转屏的体三维显示装置。所使用的基于DMD技术的三片式投影机的帧频可以达到5KHz，体像素达到100M（一亿多体像素），体刷新率25Hz。体分辨率目前达到768×768×198，是其中二维分辨率是768×768，旋转角度分辨率是198。单投影机帧频与旋转角度分辨率和体刷新率关系是：

单投影机帧频=旋转角度分辨率x体刷新率

由于受到投影机帧频5KHz的限制，体分辨率特别是旋转角度分辨率很难进一步提高。单投影机的DMD芯片长时间处于强光照射下的发热问题导致照明光源的功率受到限制，显示图像的亮度也受到了限制。更严重的是数据量和处理器的运算量都成三次方或更高地增长，而且芯片处理器过于集中，难以实现实时动态处理和实时动态的真三维显示。

北京理工大学的发明提供了一种基于多投影机旋转屏的体三维显示系统，包括：一旋转屏；图像处理装置，在柱坐标系中将三维物体模型分解成一系列多角度的二维图像并传送给各个投影机的数据处理单元；多台投影机沿旋转屏周围固定摆放，将对应角度的一个二维图像同步投影在一个旋转屏幕上，从而重构出与真实物体相似的三维图像。该技术如图13北京理工大学专利示意图所示。

基于多投影机旋转屏的体三维显示系统，投影机的帧频等于体刷新频率，如25Hz。对于双面投影的单屏幕，投影机的帧频两倍于体刷新频率，如50Hz。目前体像素可以达到100M（一亿多体像素）以上。体分辨率可以达到1024×768×150或更高，是其中二维分辨率是1024×768，旋转角度分辨率是150或更高。多投影机帧频与旋转角度分辨率可以没有关系：

多投影机帧频=体刷新率

由于不受投影机帧频（很小）的限制，体分辨率特别是旋转角度分辨率可以进一步提高。多投影机可以采用一般投影芯片，平均功耗和亮度等性能上都具有潜力。特别是数据量和处理器的运算量都可以分布在多模块上，比较容易实现实时动态处理和实时动态的真三维显示。所以，基于多投影机旋转屏的真三维显示的系统和方法在性能上将具有明显优势。

基于多投影机旋转屏的体三维显示系统还可以分为两类：采用旋转式集中光源的和采用分布式脉冲光源。采用旋转式集中光源时，多投影机依靠机械运动和光的传导共享一个光源分时曝光。北京理工大学的发明采用了旋转式集中光源，特点是有利于提高光的效率和强度，但是旋转式集中光源增加了旋转部件的体积和重量，影响屏幕的高速旋转。采用分布式脉冲光源时，可以应用LED光源，利用脉冲电路电源控制LED光源曝光。体三维显示是三维显示技术的一类，它产生空间体积填实的图像。通常情况下，不需要额外的眼镜，它们产生的图像就是三维的。应用视觉暂留原理，集合旋转表面扫描体在不同时空位置形成的图像片，可以让观众看看到一个体积填充的三维图像，就是体三维显示技术，也叫“真三维”显示技术。

发明内容

概要

该发明的系统和方法是为了产生出体三维图像，或真三维图像。该真三维显示系统通过投影连续的二维图像到一个快速旋转的投影屏幕来产生一个体三维图像。原理是利用人类视觉系统的视觉暂留，整合这些二维图像，填充体三维空间，形成真三维图像的视觉。

一般来说，该发明的系统包括：多个投影机；多路合束器；光中继透镜；反射镜；电动机；支持结构；投影屏幕；投影镜头；三维数据处理器和一个系统控制器。在操作过程中，电动机受系统控制旋转，驱动围绕一个旋转轴的支持结构，投影屏幕，和投影镜头；数据处理器连接多个投影机形成一系列光栅化矫正的二维图像；多路合束器收到来自多个投影机分时光源的光束并传送该光束到场镜，场镜传送光束到投影镜头，将光束经过多次反射最后投影到屏幕上。其中多个投影机分别具有脉冲曝光光源并且受到分时同步控制，其特点是每一投影机的分时曝光的光束被同步传送到多路合束器，集中后再经过投影镜头分时投射到屏幕上，形成多个投影机交替投影效果。

该显示系统可能包括以下任何功能。

该显示系统可进一步包括投影镜头装在旋转轴上。

投影镜片也可以作为投影镜头。在一些实施方案，投影镜头有镜头轴，镜头轴和旋转轴定义一个可以调整的角度。该角度在0度到10度之间调整，使得在屏幕上的投影变形最小。

该显示系统可包括单面或双面的投影屏幕，固定在支持结构上，使旋转轴的在该屏幕中。该投影平面可以接收投影光线而产生漫反射或部分穿透平面后的漫反射。该投影平面也可以双面投影屏幕，正反两面都可以接收投影光线而产生漫反射。

该系统可包括在支持结构上的第一个和第二个反射镜。在操作过程中，电动机绕旋转轴转动第一和第二镜反射镜。此外，第一个反射镜接收来自投影镜片的光束投射到第二个反射镜，第二个反射镜投射光束到投影屏幕。该系统可另外包括支撑结构上的第三反射镜。通过操作电动机使第三反射镜绕旋转轴旋转，第三反射镜收到第二反射镜传递来的光束并指示光束到投影屏幕。第一个反射镜还可以是一种双向反射棱镜，一个方向反射P偏振光，另一方向反射S偏振光，从而投影到正反两面投影屏幕上。第二个反射镜可以是一种带状反射镜，第三个反射镜也可以是一种带状反射镜。带状反射镜不旋转，可以减少旋转体的动量。

在一些实施方案，支持结构可为一个平台，有一个孔，投影镜头可安装在孔里。光中继可能包括中继透镜和场镜头。通过操作中继镜头接收来自光源的光束并转移到场镜头，场镜头传递光束到投影镜头。

一般来说，在另一个方面，发明包括了产生体积填充图像的方法。该方法包括：（一）绕旋转轴旋转的投影镜片和一个单面或双面的投影屏幕;（二）具有多投影机交替曝光经过光学合束器形成的光束;（三）通过投射镜片把光束经过多次反射投影到投影屏幕。

在一些实施方案中，多路合束器是一组光学器件，能够集中多个投影机的光束。多路合束器的方法可以采用：基于光谱的多路合色器；基于正交偏振光的双路合束器（PBS）或偏振光的多路合束器；基于五角棱镜的白光合束器或基于多个五角棱镜的白光多路合束器；基于旋转反射镜或反射棱镜的机械扫描多路合束装置。多路合束器还可以是由以上多路合色器，正交偏振光的双路合束器（PBS）或偏振光的多路合束器，五角棱镜的白光合束器和机械扫描多路合束器等多种合束器集成组合的多路合束装置。

一个或多个发明的实施方案，详情载于所附的图纸规定和下面的详细说明。其他特点，对象和发明优势将从权利要求和说明书和附图中得到阐述。

三维数据处理器具有多路接口，从外设或记忆设备存储读取数据和对三维维图像进行预处理，分别连接多个投影机进行交替的二维图像输出。数据处理主要方法是进行三维空间坐标到三维圆柱体坐标的转换，进行三维圆柱体坐标到沿旋转轴多个二维图像的转换，根据每一投影机相对屏幕曝光的位置和相对旋转角度，分别对每一投影机的二维图像输出作旋转等光栅化矫正，使得多投影机显示系统在统一的三维空间坐标中合成图像。

多个均匀的二维图像形成的三维圆柱体坐标系的三维空间图像的像素分布并不均匀，靠中间旋转轴分布的像素密度要大，而圆柱体周边的图像像素的密度要小很多。在三维数据处理器处理后进行交替的二维图像输出投影时，可以制定依次曝光时不同于旋转屏幕的面积覆盖。不同尺寸的面积覆盖旋转屏幕时形成圆柱体坐标空间的像素密度相对均匀，可以在同等的显示效果条件下节省三维空间的数据量和处理能力。

详细描述

本发明的体三维显示投影系统，或称为真三维显示器，包括两个基本部分：提供图像和中继的前端和把图像提供给观众的后端。前端是固定的，安装在显示体下面。它接收和处理来自计算机数据和指令，并生成图像。该电脑也是一个用户界面。后端安装或耦合在一个位于前端上面的平台上，并在操作期间随着平台转动。后端把前端提供的图像传到屏幕，屏幕也安装在平台上并随着平台转动而转动。

图1是一个多投影机旋转屏幕真三维显示器10的示意图（投影正面），说明了一项实施方案。该显示器10由前端和后端两个基本部分组成：提供图像和中继的前端；把图像提供给观众的后端。前端是固定的，安装在显示体下面，主要包括：多路合束器14，多投影机15，三维数据处理器和控制器16。三维数据处理器和控制器16主要包括分时脉冲，曝光控制，光栅矫正和数据处理等模块组成的系统，该系统接收和处理来自计算机数据和指令，并生成一系列二维图像。多投影机15接收二维图像分别形成光束。多路合束器14集中多路二维图像光束后合成一束送入系统的光中继。后端主要包括：屏幕11，平台12，平台中间的孔21，反射镜一23，反射镜二24，反射镜三25和电动机驱动装置（省略了具体描述）。后端安装或耦合在一个位于前端上面的旋转平台12上，并在操作期间随着平台12转动。后端把前端提供的图像经过反射镜一23和反射镜二24传到屏幕11，屏幕11也安装在平台上并随着平台12转动而转动。

图2是一个多投影机旋转屏幕真三维显示器10的示意图（投影侧面），从侧面视角更进一步说明了图1的实施方案。该显示器10由前端和后端两个部分组成。三维数据处理器和控制器16接收和处理来自计算机数据和指令，并生成一系列二维图像。多投影机15接收二维图像分别形成光束。多路合束器14集中多路二维图像光束后合成一束送入系统的光中继而进入显示器后端。前端提供的图像光束经过平板12中间的孔21，被反射镜一23反射到反射镜二24，又紧接反射到反射镜三25，然后再投影到旋转的屏幕11。屏幕11和三个反射镜（23，24，25）都安装在平台12上并随着平台12转动而转动。

图3是一个多投影机旋转屏幕真三维显示器30的示意图（投影正面，带状反射镜），说明了图1和图2的实施方案的另一种选择：用不旋转的带状反射镜31取代旋转的反射镜二24。该显示器30同样由前端和后端两个部分组成。前端提供的图像光束经过平板12中间的孔21，被反射镜一23反射到带状反射镜31，然后投影到旋转的屏幕11。屏幕11和反射镜一23安装在平台12上并随着平台12转动而转动。但是带状反射镜31不安装在平台12上，因此不旋转。这种实施方案可以减小后端显示器的旋转质量，以减轻电动机的负荷和显示器30的可能震动。

图4是一个多投影机旋转屏幕真三维显示器30的示意图（投影侧面，带状反射镜），从侧面视角更进一步说明了图3的实施方案：用不旋转的带状反射镜31和带状反射镜32取代旋转的反射镜二24和反射镜二25。该显示器30同样由前端和后端两个部分组成。前端提供的图像光束经过平板12中间的孔21，被反射镜一23反射到带状反射镜31，又反射到带状反射镜32，然后投影到旋转的屏幕11。屏幕11和反射镜一23安装在平台12上并随着平台12转动而转动。但是带状反射镜31和带状反射镜32不安装在平台12上，因此不旋转。这种实施方案可以减小后端显示器的旋转质量，以减轻电动机的负荷和显示器30的可能震动。

图5是一种双投影机旋转屏幕真三维显示器50的示意图（偏振光合束器51），说明了一项采用偏振光合束器51的实施方案。该显示器50由前端和后端两个基本部分组成：提供图像和中继的前端；把图像提供给观众的后端。前端是固定的，安装在显示体下面，主要包括：偏振合束器（PBS）51，P偏振投影机一52，S偏振投影机二53，偏振分束器（PBS）54，三维数据处理器和控制器16。三维数据处理器和控制器16主要包括分时脉冲，曝光控制，光栅矫正和数据处理等模块组成的系统，该系统接收和处理来自计算机数据和指令，并生成一系列二维图像。由控制器16输出的分时脉冲和曝光控制驱动偏振分束器（PBS）54，形成P偏振光和S偏振光，然后分别进入P偏振投影机一52和S偏振投影机二53，两个偏振投影机交替输出两路二维图像的光束，经过偏振合束器（PBS）51合成单路二维图像的光束，最后送入系统的光中继和显示器50后端。后端显示原理与图1和图2中的后端相同。

图6是一种双投影机旋转屏幕真三维显示器60的示意图（偏振光合束器51，双屏幕），说明了一项具有双屏幕的偏振光合束器51实施方案。该显示器60由前端和后端两个基本部分组成：提供图像和中继的前端；把图像提供给观众的后端。前端与图5中的显示器50的前端相同，包括：偏振合束器（PBS）51，P偏振投影机一52，S偏振投影机二53，偏振分束器（PBS）54，三维数据处理器和控制器16。显示器60的后端主要包括：屏幕11，平台12，平台中间的孔21，双向反射镜一63，两个反射镜二24，两个反射镜三25。后端安装或耦合在一个位于前端上面的旋转平台12上，并在操作期间随着平台12转动。屏幕11的投影平面有正反双面投影屏幕，正反两面都可以接收投影光线而产生漫反射。前端提供的图像光束进入后端显示器，经过平板12中间的孔21，被双向反射镜一63分别朝不同方向反射到两个反射镜二24，又紧接反射到两个反射镜三25，然后再分别投影到旋转的屏幕11的正反两面。屏幕11和五个反射镜（一个双向反射镜一63，两个反射镜二24，两个反射镜三25）都安装在平台12上并随着平台12转动而转动。

图7是一种双投影机旋转屏幕真三维显示器70的示意图（五角棱镜合束器71），说明了一项采用五角棱镜合束器71的实施方案。该显示器70由前端和后端两个基本部分组成：提供图像和中继的前端；把图像提供给观众的后端。前端是固定的，安装在显示体下面，主要包括：五角棱镜合束器71，投影机一72，投影机二73，三维数据处理器和控制器16。三维数据处理器和控制器16主要包括分时脉冲，曝光控制，光栅矫正和数据处理等模块组成的系统，该系统接收和处理来自计算机数据和指令，并生成一系列二维图像。由控制器16输出的分时脉冲和曝光控制驱动投影机一72和投影机二73，两个投影机交替输出两路二维图像的光束，经过五角棱镜合束器71合成单路二维图像的光束，最后送入系统的光中继和显示器70后端。后端显示原理与图1和图2中的后端相同。

图8是一个多投影机旋转屏幕真三维显示器80的示意图（旋转式时分合束器81），说明了一项采用旋转式时分合束器81的实施方案。该显示器80由前端和后端两个基本部分组成：提供图像和中继的前端；把图像提供给观众的后端。前端安装在显示体下面，主要包括：小平台82，多投影机83，三维数据处理器和控制器16。旋转式时分合束器81由小平台82和多投影机83组成，小平台82旋转时，位于小平台82中心的反射器一起旋转，同时依次接收对应周围每一个投影机的光束，形成多投影机83多路光束的旋转式时分合束器81。三维数据处理器和控制器16主要包括分时脉冲，曝光控制，光栅矫正和数据处理等模块组成的系统，该系统接收和处理来自计算机数据和指令，并生成一系列二维图像。由控制器16输出的分时脉冲和曝光控制，依次驱动多投影机83，多投影机83交替输出多路二维图像的光束，经过旋转的小平台82上的反射器合成单路二维图像的光束，最后送入系统的光中继和显示器80的后端。显示器80的后端显示原理与图1和图2中的后端相同。

图9是一种双投影机交替脉冲曝光的示意图90。双投影机方案有多种：图5中所述的一种双投影机旋转屏幕真三维显示器50，说明了一项采用偏振光合束器51的实施方案。图6中所述的一种双投影机旋转屏幕真三维显示器60，说明了一项具有双屏幕的偏振光合束器51实施方案。图7中所述的一种双投影机旋转屏幕真三维显示器，说明了一项采用五角棱镜合束器71的实施方案。如图9示意图90所示，列出了单投影机91的幅度和曝光脉冲宽度的波形，同时对比列出了双投影机一92和双投影机二93的幅度和曝光脉冲宽度的波形。在单个投影机额定功率相同的情况下（相同的功耗和散热），双投影机一92和双投影机二93的幅度要比单投影机91的幅度高出一倍，频率快一倍（曝光脉冲宽度更窄）。也就是说，没有提高单个投影机的功率情况下，双投影机交替脉冲曝光亮度可以增加一倍；双投影机一92和双投影机二93合成输出时，刷新帧速率或切片分辨率可以提高一倍。

图10是一种多投影机交替脉冲曝光的示意图100。图8中所述的一个多投影机旋转屏幕真三维显示器80，说明了一项采用旋转式时分合束器81的实施方案。如图10示意图100所示，假设显示器系统有n个投影机，列出了单投影机101的幅度和曝光脉冲宽度的波形，同时对比列出了多投影机一102，多投影机二103，和多投影机n104的幅度和曝光脉冲宽度的波形。在每一个投影机额定功率相同的情况下（相同的功耗和散热），每一个投影机的幅度要比单投影机101的幅度高出n倍，频率快n倍（曝光脉冲宽度更窄）。也就是说，没有提高投影机的功率情况下，n个投影机交替脉冲曝光的亮度在理论上可以增加n倍；n个多投影机合成输出时，刷新帧速率或切片分辨率也在理论上有可以提高n倍。

图11是一种多投影机交替投影的示意图110。图1，图2，图3，图4，图5，图6，图7和图8中所述的多种多投影机旋转屏幕真三维显示器10，30，50，60，70，80等多种实施方案均可以采用图11示意图110中描述的交替投影方法。该方法如图11所示，屏幕11可以是一个矩形，围绕着中心轴旋转；屏幕11旋转时形成一系列的切片，如旋转屏幕俯视图111所示；如果像素均匀分布在屏幕11的矩形投影面上，旋转时形成的圆柱体三维空间像素就不均匀了，靠近中心旋转轴附近的像素密度很大，而在圆柱体三维空间周边的像素密度就很小。或者说，旋转屏幕覆盖面积与投影面相同，圆柱体显示像素密度不均匀。为了旋转时形成的圆柱体三维空间像素的均匀化，本发明提出了不等投影面积交替投影方法：投影到屏幕11上的投影面积可以是屏幕11的等同面积，也可以是交替投影面113不等同面积，各种不等同面积的投影依次交替地投影到屏幕11上。当旋转时，就形成了投影密度变化的圆柱体三维空间图像，如旋转屏幕俯视图112所示。交替投影面与旋转屏幕覆盖面依次减小，圆柱体显示像素密度就比较均匀。

具体实施方式

各种体三维显示器的具体结构实施方案包括底板，底板上安装了多路合束器14，多投影机15，三维数据处理器和控制器16。前端投影光学，电子系统（未显示），电动机（未显示）。电脑通过接口和电子系统控制器16连接。

圆形平台12位于多投影机15和前端投影光学之上。平台12同心地安装在电动机的环行轴上。在操作过程中，电动机旋转轴和平台12围绕中心轴旋转。后端投影光学部分和投影屏幕11安装在平台12上，在操作期间也围绕中心轴旋转。一个透明的圆顶覆盖投影屏幕11和后端光学（如反射镜等）。如果选择不旋转的带状反射镜31和带状反射镜32，该带状反射镜可以安装在不旋转的透明圆顶内侧。

图1，图2，图3，图4，图5，图6，图7和图8中所述的多种多投影机旋转屏幕真三维显示器10，30，50，60，70，80等工作过程如下：外接计算机通过接口发送图像数据和命令到三维数据处理器和控制器16。三维数据处理器和控制器16把这个信息处理成三维像素数据，并把该数据存储在图形内存中，直到它需要被显示。当需要时，三维数据处理器和控制器16把图像信息发送给多个投影机15，多投影机15通过空间调制光束把它转换成光学信息。光束离开单个投影机，前端投影光学引导光束到多路合束器14，集中多路二维图像光束后合成一束送入系统的光中继而进入显示器后端中心轴并通向平台12。前端各投影机包含一系列透镜和反射镜，使光束经过投影镜头聚焦，前端各投影机安装在电动机的环形轴和平台12的一个孔21上。安装在平台12上的一系列反射镜将光束中转到投影屏幕11上，光束在那里形成一系列的二维图像。

电动机以至少每分钟600转的转速转动平台12、后端反射镜和投影屏幕11，以形成至少每秒10次的体刷新率，如果是双面投影，则可以达到每秒20次的体刷新率。电动机使所有这些组件以相同的角速度转动。三维数据处理器和控制器16和每个投影机15以至少每秒钟几千次的速度刷新二维图像。每个二维图像形成三维体图像的一个“图像切片”。在这种投影和旋转速率中，人类视觉系统感知地融合“图像切片”，把它们转变成了体积填充的三维图像。

需要用软件设计预失真该图像，以弥补在图像平面的梯形失真。该软件还要修正了图像数据反向旋转所造成的图像旋转。投影屏幕11，这是旋转轴为中心，通常由一漫反射材料构成。这种材料反射入射光各向同性，在向前和向后两个方向。这确保了二维图像片中像素对应部分的光将能被几乎所有显示器周围的观察者收到，尽量减少三维图像的“视觉盲区”的黑暗带区。把投影屏幕设计得尽量薄也能减少视觉盲区。

此外，平台12并不限于上述的圆形平台。一般来说，这个平台可以是任何支撑结构，或支持结构的组合体，足以机械的链接后端的反射镜等光学仪器和投影屏幕11到电动机。在实施方案，该平台12包括了一系列放射状延长的臂使安装在后端的光学镜片适应传递光线从投影镜头到投影屏幕，同时又使得臂结构简单轻巧。一般来说，电动机可以是能连接到后端光学仪器和投影屏幕11，能使后端反射镜等光学仪器和投影屏幕11按描述的比率旋转的任何电动机。在一些实施方案，例如，该平台是由带或齿轮连接到电动机的，电动机定位远离旋转轴。

附图说明：

图1是一个多投影机旋转屏幕真三维显示器的示意图（投影正面）。

该显示器10由前端和后端两个基本部分组成。前端是固定的，安装在显示体下面，主要包括：多路合束器14，多投影机15，三维数据处理器和控制器16。后端主要包括：屏幕11，平台12，平台中间的孔21，反射镜一23，反射镜二24，反射镜三25和电动机驱动装置（省略了具体描述）。后端安装或耦合在一个位于前端上面的旋转平台12上，并在操作期间随着平台12转动。后端把前端提供的图像经过反射镜一23和反射镜二24传到屏幕11，屏幕11也安装在平台上并随着平台12转动而转动。

图2是一个多投影机旋转屏幕真三维显示器的示意图（投影侧面）。

该显示器10由前端和后端两个部分组成。三维数据处理器和控制器16接收和处理来自计算机数据和指令，并生成一系列二维图像。多投影机15接收二维图像分别形成光束。多路合束器14集中多路二维图像光束后合成一束送入系统的光中继而进入显示器后端。前端提供的图像光束经过平板12中间的孔21，被反射镜一23反射到反射镜二24，又紧接反射到反射镜三25，然后再投影到旋转的屏幕11。屏幕11和三个反射镜（23，24，25）都安装在平台12上并随着平台12转动而转动。

图3是一个多投影机旋转屏幕真三维显示器的示意图（投影正面，带状反射镜）。

该显示器30同样由前端和后端两个部分组成。前端提供的图像光束经过平板12中间的孔21，被反射镜一23反射到带状反射镜31，然后投影到旋转的屏幕11。屏幕11和反射镜一23安装在平台12上并随着平台12转动而转动。但是带状反射镜31不安装在平台12上，因此不旋转。

图4是一个多投影机旋转屏幕真三维显示器的示意图（投影侧面，带状反射镜）。

该显示器30同样由前端和后端两个部分组成。前端提供的图像光束经过平板12中间的孔21，被反射镜一23反射到带状反射镜31，又反射到带状反射镜32，然后投影到旋转的屏幕11。屏幕11和反射镜一23安装在平台12上并随着平台12转动而转动。但是带状反射镜31和带状反射镜32不安装在平台12上，因此不旋转。

图5是一种双投影机旋转屏幕真三维显示器的示意图（偏振光合束器）

该显示器50由前端和后端两个基本部分组成：前端是固定的，安装在显示体下面，主要包括：偏振合束器（PBS）51，P偏振投影机一52，S偏振投影机二53，偏振分束器（PBS）54，三维数据处理器和控制器16。后端显示原理与图1和图2中的后端相同。

图6是一种双投影机旋转屏幕真三维显示器的示意图（偏振光合束器，双屏幕）

该显示器60由前端和后端两个基本部分组成。前端与图5中的显示器50的前端相同，包括：偏振合束器（PBS）51，P偏振投影机一52，S偏振投影机二53，偏振分束器（PBS）54，三维数据处理器和控制器16。显示器60的后端主要包括：屏幕11，平台12，平台中间的孔21，双向反射镜一63，两个反射镜二24，两个反射镜三25。后端安装或耦合在一个位于前端上面的旋转平台12上，并在操作期间随着平台12转动。前端提供的图像光束进入后端显示器，经过平板12中间的孔21，被双向反射镜一63分别朝不同方向反射到两个反射镜二24，又紧接反射到两个反射镜三25，然后再分别投影到旋转的屏幕11的正反两面。

图7是一种双投影机旋转屏幕真三维显示器的示意图（五角棱镜合束器）

该显示器70由前端和后端两个基本部分组成。前端是固定的，安装在显示体下面，主要包括：五角棱镜合束器71，投影机一72，投影机二73，三维数据处理器和控制器16。两个投影机交替输出两路二维图像的光束，经过五角棱镜合束器71合成单路二维图像的光束，最后送入系统的光中继和显示器70后端。后端显示原理与图1和图2中的后端相同。

图8是一个多投影机旋转屏幕真三维显示器的示意图（旋转式时分合束器）。

该显示器80由前端和后端两个基本部分组成。前端安装在显示体下面，主要包括：小平台82，多投影机83，三维数据处理器和控制器16。旋转式时分合束器81由小平台82和多投影机83组成，小平台82旋转时，位于小平台82中心的反射器一起旋转，同时依次接收对应周围每一个投影机的光束，形成多投影机83多路光束的旋转式时分合束器81。多投影机83交替输出多路二维图像的光束，经过旋转的小平台82上的反射器合成单路二维图像的光束，最后送入系统的光中继和显示器80的后端。显示器80的后端显示原理与图1和图2中的后端相同。

图9是一种双投影机交替脉冲曝光的示意图

示意图90列出了单投影机91的幅度和曝光脉冲宽度的波形，同时对比列出了双投影机一92和双投影机二93的幅度和曝光脉冲宽度的波形。

图10是一种多投影机交替脉冲曝光的示意图

示意图100列出了单投影机101的幅度和曝光脉冲宽度的波形，同时对比列出了多投影机一102，多投影机二103，和多投影机n104的幅度和曝光脉冲宽度的波形。

图11是一种多投影机交替投影的示意图

屏幕11旋转时形成一系列的切片，如旋转屏幕俯视图111所示。投影到屏幕11上的投影面积可以是屏幕11的等同面积，也可以是交替投影面113不等同面积，各种不等同面积的投影依次交替地投影到屏幕11上。当旋转时，就形成了投影密度变化的圆柱体三维空间图像，如旋转屏幕俯视图112所示。交替投影面与旋转屏幕覆盖面依次减小，圆柱体显示像素密度就比较均匀。

图12现实系统公司的专利示意图

现实系统公司这种显示技术是基于单投影机旋转屏的体三维显示装置。

图13北京理工大学的专利示意图

北京理工大学的发明提供了一种基于多投影机旋转屏的体三维显示系统，包括：一旋转屏；图像处理装置，在柱坐标系中将三维物体模型分解成一系列多角度的二维图像并传送给各个投影机的数据处理单元；多台投影机沿旋转屏周围固定摆放，将对应角度的一个二维图像同步投影在一个旋转屏幕上，从而重构出与真实物体相似的三维图像。

Claims

1.一个系统包括：多个投影机；一套多路合束器；一套光中继有一组中继透镜和一个场镜头；一组反射镜；一个电动机；一个耦合电动机上的支持结构；一个连接该支持结构的投影屏幕；一个旋转轴上的投影镜头；一个三维数据处理器和一个系统控制器。在操作过程中，电动机受系统控制旋转，驱动围绕一个旋转轴的支持结构，投影屏幕，和投影镜头；数据处理器连接多个投影机形成一系列光栅化矫正的二维图像；多路合束器收到来自多个投影机分时曝光的光束并传送该光束到场镜，场镜传送光束到投影镜头，将光束经过多次反射最后投影到屏幕上。

2.在权力要求1系统，其中投影屏幕是一个平面，该平面可以是矩形或圆形，投影屏幕连接支持结构，使得旋转轴在这个平面中心，该投影平面可以接收投影光线而产生漫反射或部分穿透平面后的漫反射。该投影平面也可以双面投影屏幕，正反两面都可以接收投影光线而产生漫反射。

3.权力要求1系统，其中投影屏幕固定在旋转平台上，该平台有一个孔，投影镜头安装在这个孔里。其特点是绕旋转轴旋转的投影镜头有一个镜头轴，该镜头轴和旋转轴定义一个角度，角度可以在0度到15度之间调整，固定光源的光线通过倾斜的投影镜头把光束投影到投影屏幕上，设计或者安装调整适当的倾斜角度使得投影变形最小。

4.权力要求1系统，其中多个投影机分别具有脉冲曝光光源并且受到分时同步控制，其特点是每一投影机的分时曝光的光束被同步传送到多路合束器，集中后再经过投影镜头分时投射到屏幕上，形成多个投影机交替投影效果。

5.在权利要求1系统，其中第一个反射镜位于支持结构的中心并连接，第二个反射镜位于面对第一个反射镜的旋转轴的一侧，第三个反射镜位于旋转轴的另一侧，三个反射镜均与屏幕和支持结构一起旋转。其特点是：第一个反射镜接收来自投影镜头光束，并传递光束到第二个反射镜，由传递到对面的第三个反射镜，最后传送光束到投影屏幕。第一个反射镜还可以是一种双向反射棱镜，一个方向反射P偏振光，另一方向反射S偏振光，从而投影到正反两面投影屏幕上。第二个反射镜可以是一种带状反射镜，第三个反射镜也可以是一种带状反射镜，其特点是：带状反射镜不旋转，可以减少旋转体的动量。

6.权力要求1系统，其中多路合束器是一组光学器件，其特点是能够集中多个投影机的光束。多路合束器可以是：基于光谱的多路合色器；基于正交偏振光的双路合束器（PBS）或偏振光的多路合束器；基于五角棱镜的白光合束器或基于多个五角棱镜的白光多路合束器；基于旋转反射镜或反射棱镜的机械扫描多路合束装置。多路合束器还可以是由多路合色器，正交偏振光的双路合束器（PBS）或偏振光的多路合束器，五角棱镜的白光合束器和机械扫描多路合束器等多种合束器集成组合的多路合束装置。

7.权力要求6系统，其中采用偏振光合束器的系统包括：偏振合束器（PBS），P偏振投影机，S偏振投影机，偏振分束器（PBS），三维数据处理器和控制器16，，显示器后端的双向反射镜，和正反双面投影屏幕。其特点是双向反射镜分别朝不同方向反射P偏振光和S偏振光。

8.权力要求6系统，其中采用旋转式时分合束器的系统主要包括：小平台，多投影机，三维数据处理器和控制器16。其特征是小平台旋转时，位于小平台中心的反射器一起旋转，同时依次接收对应周围每一个投影机的光束，形成多投影机多路光束的旋转式时分合束器。

9.权力要求1系统，其中三维数据处理器具有多路接口，从外设或记忆设备存储读取数据和对三维维图像进行预处理，分别连接多个投影机进行交替的二维图像输出。其数据处理主要特点是进行三维空间坐标到三维圆柱体坐标的转换，进行三维圆柱体坐标到沿旋转轴多个二维图像的转换，根据每一投影机相对屏幕曝光的位置和相对旋转角度，分别对每一投影机的二维图像输出作旋转等光栅化矫正，使得多投影机显示系统在统一的三维空间坐标中合成图像。

10.权力要求9系统中三维数据处理器，其中处理后的交替的二维图像输出的投影可以定义为旋转屏幕同等面积覆盖，还可以制定依次曝光时不同于旋转屏幕的面积覆盖。主要特征是不同尺寸的面积覆盖旋转屏幕时形成圆柱体坐标空间的像素密度相对均匀，可以在同等的显示效果条件下节省三维空间的数据量和处理能力。