CN102026006B - 真实再现3d立体显示技术 - Google Patents

Abstract

一种适合裸眼观看的可以真实再现实物场景的3D立体显示技术方案，通过实时调制3D显示矩阵中每一个像素的色彩和像距，再通过投影的方式投射到显像镜片上成像来实现真实场景还原的3D立体显示技术和设备。

Description

真实再现3D立体显示技术

所属技术领域

本发明涉及一种适合裸眼观看的真实再现实物场景的3D立体显示技术方案，尤其是通过实时调制显示矩阵中每一个像素的色彩和像距来实现对真实场景还原的3D立体显示技术方案。

背景技术

目前，公知的立体显示技术常见以下几种：1、偏振光分离立体显示技术；2、分场扫描立体显示技术；3、左右移位立体显示技术；4、红绿色分离立体显示技术；5、全息照相立体显示技术；6、格栅偏移立体显示技术；7、棱镜偏移立体显示技术。其中1、2、3、4都需要佩戴眼镜，5、6、7不需要配戴眼镜。下面将对以上的各种实现技术作对比说明。

前四种技术都需要佩戴专用眼镜，其中1、2两种显示效果较好，3的效果中等，4的效果较差。但佩戴立体眼镜一方面会使观看者感觉不方便；另一方面由于其满足心理和生理景深暗示(cue)---双目视差(binocular display)和会聚(convergence)，从而导致与其他景深暗示，如适应性和运动视差间的差异。这种差异将导致人体产生疲劳和头晕，不适合长时间观看，更不利于一些人群，如老人、小孩观看。因此佩戴眼镜的3D显示被称为“十分钟媒体(ten minutesmedia)”。人们需要减少制约、更自然、更贴近生活方式的3D显示技术。

后三种技术不需要佩戴眼镜，其中5的效果最好，但是结构极其复杂、实现成本巨大、数据量超大而难以实用化。6已见应用于立体液晶显示器，效果较好，但是视角窄，立体效果限定在较窄的距离、角度范围内，观看人数和位置受很多限制。7多用于玩具和要求不高的静止画面，图像质量较差。

以上所列技术所描述的立体显示方法，存在着或必须佩戴眼镜或效果较差或难以实现的问题，不能满足人们实际应用的需要。

发明内容

为了克服现有立体显示技术的弊病以及实现更好的显示效果，本发明提供一种通过实时调制显示矩阵中每一个像素的像距来实现真实场景还原的3D立体显示技术方案。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：实时调制显示矩阵中的每一个像素的色彩和像距，并通过投影镜头的投影来实现对立体场景的真实还原，其原理近似于摄像的逆原理，具体解释如下：

在摄像的时候，通过摄像镜头把实物景象投影到感光器上，对感光器的读取和记录就实现了摄像过程。在普通摄像过程中，采用了大景深的镜头来尽量满足图像的全景清晰度，并且只记录光数据，不记录景象的距离数据。

在实际的凸透镜成像的光路中，立体场景中每一个点成像的像距是不同的，根据光路可逆原理，如果能复原成像位置的每一个像素的色彩和像距，反向投影的话将再现原场景每一部分的色彩和距离。因此，如果能得到视频文件的成像距离数据，然后在投影的时候把成像距离的变化通过实时调制像素元件高度的方式表现在成像平面上，对图像的每个像素分别调焦，同时对其正面投影对应的动态彩色图像，那么在镜头的另一端，将能再现原景实物的色彩和距离，然后再通过显像的方法显示出来，让人们能通过裸眼直接观看。这种光路的成像距离完全正比于摄像时的实物距离，因此产生的立体效果也最接近真实场景。

下面参照附图来说明工作原理：

一、3D立体图像的获取：通过左右放置的两个相同摄像机同时摄录立体目标图像。完成一个摄录任务后，通过专用软件对两个视频文件逐行进行对比、分析、计算。对两个视频对应的同一行像素进行曲线分析和移位对比，令两个视频的同一行像素曲线尽量重合，此时根据每个像素的移位量和镜头焦距、距离、角度能计算出相应像素的成像距离和亮度，把计算结果存入新的视频文件，新视频文件包括每个像素的色值和像距值。也可以分开存储为色值视频文件(普通动态彩色图像)和像距视频文件。在应用中，色值视频文件和像距视频文件同步播放，以实现色彩和像距的同时还原。也可以采用其他方式来获取视频图像的像距信息，比如通过计算来得到3D电脑动画的成像距离信息以及其他任何立体图像类型和距离信息的获取方式。

二、系统构成：参照图1，本系统最基本的结构由3D像素矩阵(1)、图像投影机(2)、单焦点投影镜头(3)和相应的配件组成，下面将分别说明。

三、3D像素矩阵的结构和控制原理1：参照图2，3D像素矩阵是由多个独立的像素组件组合成的矩阵，其每一个像素组件包括像素元件(4)、基板部分(5)、存储和驱动电路部分(6)，每个像素元件(4)的高度都可以单独被调制。参照图3，图3(a)是像素组件的平面结构图，中间是像素元件，像素元件包括显像部分(7)和弹簧部分(8)，显像部分(7)正面有反光层，用于反射投射在其上的像素图像。弹簧(8)的两端分别连接于显像部分(7)和基板(5)，在电路板(6)上制作有存储和驱动电路矩阵，以对应驱动每一个像素元件。在弹簧的作用下，显像部分可以在一定范围内上下移动。图3(b)是前视剖面图，图3(c)是驱动后弹簧变形的效果图。调制像素元件高度的方法很多，比如：电场力调制、电磁调制、热变形调制等等，凡是能实现可控制微变形的技术大都能用于对像素元件的高度进行实时调制。对像素元件高度的调制在本系统中相对于镜头也是调焦行为，具体结构和实现方法将在下面作分别说明。矩阵中像素元件的调制频率高于视频显示的场扫描频率，现有的以上所说的调制技术都远远超过这个参数，技术上很容易实现。

四、3D像素矩阵的结构和控制原理2：参照图4，像素组件包括像素元件(4)和基板(5)，像素元件(4)包括显像部分(7)和双金属弹簧部分(8)。基板使用透明导热材料或像素单元镂空的导热材料，每个像素元件的正面制作反光层，背面做有吸热层，分别如图4(a)(b)所示。图4(c)为被热光源调制的原理图，当投射到每个像素单元背面的热像(9)亮度不同时，像素元件的吸热层产生不同热量，导致双金属片相应变形，驱动显像部分相对于基板前后移动，从而实现对像素元件的高度调制，在3D像素矩阵中，这种调制后的变化表现在成像平面上，实现了对成像平面中像素的分别调焦。图5(a)(b)分别是一个3D像素矩阵实例的正面和背面效果图。总光路图参照图6，由普通投影机(2)把色值视频投射到3D像素矩阵正面成像。在本申请文件中，这种把平面影像投影到3D像素矩阵正面的投影设备称作图像投影机。由红外线投影或激光投影等热光源投影机(10)把像距视频文件投影在3D像素矩阵背面成像，则对应的像素元件将被所照射的热光亮度产生的热调制，像距视频的亮度信号对应于像距，因此，整个3D像素矩阵的所有像素都将被调制到对应的成像位置，根据光路可逆原理，分别被色值视频和像距视频调制后，3D像素矩阵表面形成的立体彩色动态图像被反向投影(相对于摄像)后将再现摄像原景的色彩和距离。在本申请文件中，这种把像距视频调制的热光图像投影到3D像素矩阵背面的投影机称作调焦投影机。把由图像投影机、调焦投影机、3D像素矩阵、投影镜头和必要的附属部分等的组合结构称作3D立体投影机。在工作中由于基板承受元件的热量和自身吸收热量，需要对基板降温并保持恒定的温度，可以使用电子制冷元件和风扇来实现。

五、显示部分：由3D投影机投射出的3D立体动态影像，再经一组显像镜片显示成像，人们即能通过裸眼来看到3D立体动态影像，显像镜片可以是凹面镜、凹透镜、菲涅尔透镜、凸透镜、凸面镜等单个镜片或镜片组合。

六、真实再现：在实现3D视频重现时，色值视频通过3D投影机内图像投影机投射到3D像素矩阵的正面反光层上，实现对像素矩阵的色彩还原。像距视频通过3D像素矩阵的存储和驱动电路来驱动调制像素矩阵或者通过后置的调焦投影机投射到3D像素矩阵的背面吸热层上来进行热光调制像素矩阵，实现对像素矩阵的像距还原。每一个像素，既反射了图像的色彩和亮度，又调整了图像像素的成像距离。在3D像素矩阵正面被投影和调制后形成3D立体彩色动态实像，根据光路可逆原理，此立体实像被投影后将再现摄像原景的色彩和距离。通过投影镜头投影到显像镜片上，使投影后的像距变化位于显像镜片的成像范围内，这样，观看者就可以用裸眼通过显像镜片看到3D立体彩色动态影像。其光路图参看一个凹面镜的实例图7，凹面镜有放大作用，投射到凹面镜焦距内的图像被放大成正立的虚像。3D投影机投射出的会聚光点分别位于凹面镜的焦点和镜面之间不同位置，所成的虚像点也将对应地被放大到不同位置，在投影机侧可以通过裸眼直接观看。根据凹面镜成像公式：1/u+1/v＝1/f，投影的像点相对于焦点f的距离u不同，所成的虚像距离v也不同，距离焦点越近，所成的虚像像点越远。凹面镜内所成的图像是3D立体图像。每个观看者所处的位置不同，所看到的图像大小角度也略有差异，本发明真实地实现了原景再现。

七、3D像素矩阵的加工：3D像素矩阵的加工工艺可以采用集成电路制作工艺，或者其他微机电加工工艺，这种技术已经相当成熟，3D像素矩阵的结构简单，容易加工。

八、3D像素矩阵的结构和驱动方法1——单独驱动：像素组件的结构参照图3，像素组件分为像素元件(4)、基板部分(5)和电路部分(6)。像素元件(4)包括显像部分(7)、弹簧部分(8)；基板部分(5)用于承载像素元件；电路部分(6)包括存储单元和驱动单元，存储单元用于存储像距视频中的像距数据，驱动单元用于驱动像素元件移动。像素元件(4)的形状可以做成圆形、矩形、多边形或其他适合的形状，像素元件正面有反光层。弹簧部分可以做成单层、多层、螺旋或其它结构形状，位于像素部分的周围、两侧、下方。整个3D立体成像器件可以封装于透明真空环境中，以减少空气的影响。像素组件有很多种适合的结构和驱动方法，说明如下：

1.静电场驱动①：参照图8(a)，像素元件包括导电显像部分(7)和导电弹簧部分(8)，像素元件下方电路板(6)上对应做有和像素元件相同形状的导电平面(14)，弹簧(8)连接显像部分(7)和基板(5)，并分别与显像部分(7)和导电平面(14)电连接，显像部分(7)和导电平面(14)平行且距离在微米范围。当导电平面通入一定电压的时候，根据库仑定律，显像部分和导电平面将产生斥力，斥力推动显像部分(7)移动到弹簧的平衡位置，从而实现对像素像距的调制。相对于投影镜头，也就是实现了对单个像素的调焦。

2.静电场驱动②：参照图8(b)，像素元件包括静电显像部分(7)和弹簧部分(8)，静电显像部分(7)是存有高压负电荷的绝缘材料，像素元件下方电路板(6)上对应做有和显像部分(7)相同形状的导电平面(14)，像素元件上方有透明基板(15)，透明基板(15)下表面对应做有与(14)相同形状的导电平面(16)。导电平面(14)(16)形成近似匀强电场。存储和驱动电路(6)对导电平面(14)和(16)通入对称正负电压，静电显像部分(7)携带的负电荷在两个导电平面形成的电场中受到电场力作用，驱动静电显像部分(7)向上或向下移动，从而实现对像素像距的调制。

3.电磁驱动：参照图8(c)，像素元件包括永磁显像部分(7)和弹簧部分(8)，永磁显像部分的磁场垂直于平面，像素元件下方电路板(6)上做有相同大小的电磁线圈(14)，弹簧(8)连接显像部分(7)和基板(5)，当电磁线圈通入一定方向和大小的电流的时候，电磁线圈的磁场对像素元件产生吸力或斥力，吸力或斥力推动像素元件移动到平衡位置，从而实现对像素像距的调制。

4.热变形驱动①：参照图9，像素元件包括显像部分(7)和双金属弹簧部分(8)，双金属弹簧(8)可做成单层、多层或其它结构形状以实现受热变形来驱动显像部分。显像部分连接有多个双金属片，双金属片另一端连接基板部分，双金属片受热后向上或向下弯曲变形，变形时推远或拉近显像部分和基板的距离。把双金属片做成偶数条阻抗性元件，直接对双金属片对称通入调制的电流，双金属片产生电阻热而变形，驱动显像部分移动，从而实现对像素像距的调制。图9(a)是调制前的效果，图9(b)是被一定电流调制后的效果。图9(d)是驱动电路原理。

5.热变形驱动②：参照图9(c)，像素元件包括显像部分(7)和双金属弹簧部分(8)，在每一个像素元件下设置一个发热元件(14)，存储单元和驱动电路通过驱动发热元件来实现对像素元件的调制。发热元件可以是电热元件、红外LED、激光LED等能通过电流产生热量的元件。每个像素元件的正面制作反光层，背面做有吸热层，分别如图4(a)(b)所示。图4(c)为被热光源调制的原理图，当发热元件通入一定的电流时，投射到像素单元背面的热光亮度不同，像素元件的吸热层产生不同热量，导致双金属片相应变形，驱动显像部分相对于基板前后移动，从而实现对像素像距的调制。

九、3D像素矩阵的结构和驱动方法2——集体驱动：采用热光源对像距视频投影的方式集体驱动3D像素矩阵的方法已经在“四、3D像素矩阵的结构和控制原理2”中说明，不再复述。

本发明的有益效果是：1、显示效果真实；2、不需要佩戴眼镜；3、显示立体视场范围宽；4、采用自然成像原理，观看时感觉自然、愉悦，不存在合成立体图像产生的不适感；5、实现成本低。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明一个实例的构造原理图。

图2是3D像素矩阵的总体构造图。

图3是像素组件的构造原理图。

图4是热成像驱动方式像素组件的构造原理图。

图5是热成像驱动方式3D像素矩阵的正反面视图。

图6是热成像驱动方式3D立体投影机的构造原理框图。

图7是3D立体投影、观看的原理图。

图8是几种单独驱动的像素组件的构造原理图。

图9是采用双金属弹簧的像素组件的构造原理图。

在图1中：1.3D像素矩阵；2.图像投影机；3.单焦点投影镜头。

在图2中：4.像素元件；5.基板；6.存储和驱动电路。

在图3中：7.显像部分；8.弹簧部分。

在图4中：9.热光源成像。

在图6中：10.调焦投影机。

在图7中：11.3D立体投影机；12.凹面镜；13.观众。

在图8中：14.驱动元件；15.透明基板；16.驱动电极。

具体实施方式

下面参照附图来说明本发明的一个实施例：

采用集成电路制作工艺或其他微机电加工工艺，在36mm*24mm的绝缘基板上制作800*530个等距像素元件和相应的存储驱动电路。每个像素所占的空间为45μm*45μm，参照图3的结构制作像素元件、基板镂空，像素元件厚度在2μm-10μm之间，根据实际驱动效果确定最佳厚度。参照图8(a)的结构制作驱动元件和相应的存储驱动电路。3D像素矩阵的存储驱动电路可以采用普通投影机基本电路，只是对一路像距视频进行存储和驱动，以实现对像素元件的调焦。色值视频也就是彩色图像视频通过普通投影机(2)投影到3D像素矩阵正面，3D像素矩阵正面形成的立体动态彩色图像通过投影镜头再次投影到大凹面镜(12)的焦距以内成像，观众从凹面镜正面即可通过裸眼看到被放大的3D立体彩色动态图像。

Claims (10)

1.一种3D立体成像器件，其包括由多个像素组件组成的3D像素矩阵，所述像素组件包括像素元件(4)、基板(5)、存储和驱动电路(6)和驱动元件(10、14、15或16)；

所述像素元件(4)包括显像部分(7)和弹簧部分(8)，

所述显像部分(7)正面有反光层，用于反射投射在其上的像素图像，

所述弹簧部分(8)的两端分别连接于所述显像部分(7)和基板(5)；

所述驱动元件包括光热元件、电热元件、电磁元件或静电元件；

所述像素组件根据驱动元件不同而有不同的驱动结构；

所述矩阵中的每个显像部分(7)的高度可以单独被调制。

2.如权利要求1所述的3D立体成像器件，所述的驱动结构是光热驱动结构：所述的弹簧部分(8)为双金属弹簧，所述像素元件(4)背面具有吸热层，用于吸收调焦投影机(10)投影的热光热量使所述弹簧部分(8)变形，从而驱动显像部分(7)相对于基板(5)前后移动，所述基板(5)是导热材料，是透明材料或者像素单元镂空的结构。

3.如权利要求1所述的3D立体成像器件，所述的驱动结构是光热驱动结构：所述的弹簧部分(8)为双金属弹簧，在每一个像素元件(4)下对应一个发热元件，通过调制的电流驱动发热元件时，投射到像素元件(4)背面的热光亮度不同，像素元件(4)的吸热层产生不同热量，导致双金属弹簧(8)相应变形，驱动显像部分(7)相对于基板(5)作前后移动，所述基板(5)是导热材料。

4.如权利要求1所述的3D立体成像器件，所述的驱动结构是电热驱动结构：所述弹簧部分(8)是双金属弹簧，显像部分(7)连接多个双金属弹簧，双金属弹簧另一端连接基板(5)，所述基板(5)是导热材料，双金属弹簧通入调制的电流后产生电阻热向上或向下弯曲变形，驱动显像部分(7)相对于基板(5)移动。

5.如权利要求1所述的3D立体成像器件，所述的驱动结构是静电场驱动结构：所述的像素元件(4)包括导电显像部分(7)和导电弹簧部分(8)，所述像素元件(4)下方电路板上对应做有和显像元件相同形状的导电平面(14)，弹簧部分(8)连接导电显像部分(7)和基板(5)，并分别与显像部分(7)和导电平面(14)电连接，通过对导电平面(14)通入一定电压，利用同性电荷的斥力推动导电显像部分(7)相对于基板(5)移动。

6.如权利要求1所述的3D立体成像器件，所述的驱动结构是静电场驱动结构，

所述的像素元件(4)包括静电显像部分(7)和弹簧部分(8)，静电显像部分是存有高压负电荷的绝缘材料，

所述的基板包括上基板(15)和下基板(5)，分别位于静电显像部分(7)的上方和下方，上基板为透明材料，上基板和下基板靠近静电显像部分(7)的一侧都做有和静电显像部分(7)相同形状的导电平面(16，14)，存储和驱动电路(6)对上下两个导电平面(16，14)分别通入对称正负电压，静电显像部分(7)携带的高压负电荷在两个导电平面形成的近似匀强电场中受到电场力作用，驱动静电显像部分(7)相对于基板(5)移动。

7.如权利要求1所述的3D立体成像器件，所述的驱动结构是电磁驱动结构，像素元件(4)包括永磁显像部分(7)和弹簧部分(8)，永磁显像部分的磁场垂直于平面，像素元件下方电路板上做有相同大小的电磁线圈(14)，弹簧部分(8)连接显像部分(7)和基板(5)，当电磁线圈(14)通入一定方向和大小的电流的时候，产生的磁场对永磁显像部分(7)产生吸力或斥力，驱动永磁显像部分(7)相对于基板(5)移动。

8.一种获取立体图像视频的方法，立体图像视频包括所拍对象的色值视频和像距视频，通过使用水平双镜头摄像机拍摄，获取两个不同角度的视频文件，对两个视频文件对应的同一行像素值进行曲线分析和移位对比，使两个视频文件的同一行像素值形成的曲线尽量重合，根据每个像素的移位量和镜头焦距、距离、角度能计算出相应像素的成像距离和色彩亮度，从而获得图像的色值视频和像距视频。

9.一种3D立体图像显示方法，利用图像投影机(2)将如权利要求8所述方法中的色值视频投射到如权利要求1或2所述的3D立体成像器件的正面，所述3D立体成像器件的所述显像部分(7)对所述方法中的色值视频的图像进行反射；

同时，利用调焦投影机(10)将如权利要求8所述方法中的像距视频用热光源投射到如权利要求1或2所述3D立体成像器件的背面，所述3D立体成像器件的所述显像部分(7)受热光照射产生对应于权利要求8所述方法中的像距视频的对应像素信号强度的位移，在3D立体成像器件表面形成对应于权利要求8所述方法中的色值视频和像距视频的立体彩色动态图像，将所述立体彩色动态图像投影到显像镜片(12)上，观看者通过肉眼可以看见立体图像。

10.一种3D立体图像显示方法，利用图像投影机(2)将如权利要求8所述方法中的色值视频投射到如权利要求1所述的3D立体成像器件的正面，所述3D立体成像器件的所述显像部分(7)对权利要求8所述方法中色值视频的图像进行反射；

同时，利用所述的驱动结构，用如权利要求8所述方法中的像距视频驱动所述的显像部分(7)产生相应的位移，在3D立体成像器件表面形成对应于权利要求8所述方法中的色值视频和像距视频的立体彩色动态图像，将所述立体彩色动态图像投影到显像镜片(12)上，观看者通过用肉眼可以看见立体图像。