CN102116938A - 一种基于柱面会聚定向屏的全景视场三维显示装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于柱面会聚定向屏的全景视场三维显示装置，该装置包括柱面显示屏、柱面会聚定向屏、旋转装置、同步控制器。柱面显示屏有两种结构，一种是柱面分布的LED阵列，另一种是投影机投影柱面分布的图像。柱面会聚定向屏为柱面分布的柱透镜阵列，由多个子柱透镜圆周分布组成。部分柱面显示屏的显示图像经过柱面会聚定向屏的限光作用，会聚于某一视点区。本发明控制所有柱面显示图像的发光方向，经过一周360°视场的扫描，实现水平方向可周视的三维显示，便于人们在不同位置环绕多人裸眼观看。本发明装置所需要显示图像可以直接拍摄获得，更有利于三维场景的实时采集实时显示。
Description
技术领域
本发明涉及一种三维显示装置，尤其涉及一种基于柱面会聚定向屏的全景视场三维显示装置。
背景技术
在实际生活中，对一个显示的三维物体绕其一周观看是很有必要的，比如艺术品展示、医学三维图像的再现，普通的多视角三维显示无法实现360°可周视的三维显示。扫描体三维显示可以实现水平360°的观察范围，但是无法实现遮挡效果。它在显示三维图像时，其前后表面为同时可见，在一定程度上影响了人们的观看效果。为了解决不可遮挡的问题，人们提出了一种新型的全景视场三维显示。全景视场三维显示是一种360°可周视的三维显示。它是模拟人们对一个三维物体的实际观看效果。当观察者围绕一个物体观看的时候，观察者的双眼看到了不同的视图，从而在大脑中产生物体的三维空间感。当观察者围绕物体移动时，所看到的物体视角也随之变化。因此，如果我们能够用一个三维显示系统将围绕三维场景的各个视场图像逐一按照视场的次序展示出来，人们便可看到再现三维场景的360°视场。只要再现图像的发光角度足够小、一周再现的视图足够多，我们位于不同位置的双眼就可以观察到两幅具有双眼视差的视图，从而逼真地再现出三维场景。为了满足双眼看到了不同的视场景象，全景视场三维显示必须严格控制显示图像的发光角度，使得图像在水平方向小角度发光，所以双眼所看到的是具有正确视差的双目视场图像以形成正确的立体视差效果，实现空间全景视差三维显示。Susumu Tachi等人在专利US 2008/0043014 A1中提出了基于旋转LED阵列的全景视场三维显示装置，由低速旋转的线阵LED和高速旋转的柱面狭缝光栅组成。低速旋转的线阵LED显示各个视角的图像，高速旋转的狭缝光栅控制LED每次显示的发光角度和发光方向，通过转动狭缝分时扫描出各个视图。由于狭缝光栅透光较小，大大限制了显示图像的亮度。此外，该装置显示图像生成较为复杂，一般需要先拍摄三维场景一周的视场，然后再根据旋转狭缝对LED限制的发光方向从拍摄图像中提取显示像素的图像。故而，显示图像生成过程复杂，不利于三维场景的实时获取实时显示。为了很好的解决上述两个问题，我们提出了一种基于柱面会聚定向屏的全景视场三维显示装置，其显示图像处理较为简单，有利于三维场景的实时拍摄实时显示。该全景视场三维显示发明装置具有立体视差、移动视差和会聚暗示，适合多人同时环绕观看，可以很好地满足人们观看的需求。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供基于柱面会聚定向屏的全景视场三维显示装置。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种基于LED柱面会聚定向屏的全景视场三维显示装置包括LED柱面显示屏、柱面会聚定向屏、旋转装置；LED柱面显示屏位于柱面会聚定向屏的内侧，LED柱面显示屏和柱面会聚定向屏固定在旋转装置上，LED柱面显示屏为柱面分布的水平方向定向发光的LED阵列。
另一种基于投影式柱面会聚定向屏的全景视场三维显示装置包括柱面会聚定向屏、旋转装置、圆周投影系统、柱面垂直散射屏；圆周投影系统位于柱面垂直散射屏内侧，柱面垂直散射屏位于柱面会聚定向屏的内侧，柱面会聚定向屏固定在旋转装置上，柱面垂直散射屏为垂直方向散射的柱面光栅、二元光学元件或全息柱面定向屏。
所述柱面会聚定向屏由圆周分布的多个子柱透镜组成。其中，所述的子柱透镜为菲涅尔透镜、二元光学元件或全息透镜。
本发明涉及的基于柱面会聚定向屏的全景视场三维显示装置，采用旋转柱面会聚定向屏实现一周的视图显示。每一个子柱透镜对应使得显示图像会聚于一个视点。故而该时刻的显示图像即为该视点拍摄三维场景的视图，只需要从拍摄视图中按显示像素的分布提取显示图像，数据处理简单、方便，适合三维图像的实时获取实时显示。人们不用借助任何工具，就可以在围绕该显示装置的360°任意位置用裸眼观看到彩色空间三维图像，而且能够实现空间三维场景消隐的三维显示效果。
附图说明
图1是一种基于LED柱面会聚定向屏的全景视场三维显示装置结构示意图；
图2是一种基于投影式柱面会聚定向屏的全景视场三维显示装置；
图3是LED柱面显示屏的水平方向定向发光示意图；
图4是柱面会聚定向屏会聚原理图；
图5是基于投影式柱面会聚定向屏的全景视场三维显示装置俯视图；
图6是基于单台投影机和柱面会聚定向屏的全景视场三维显示装置俯视图；
图中：1、LED柱面显示屏，2、柱面会聚定向屏，3、旋转装置，4、圆周投影系统，5、柱面垂直散射屏，6、子柱透镜，7、柱面分布的LED阵列，8、水平方向小角度发光的定向屏，9、投影机，10、旋转反射镜。
具体实施方式
本发明的全景视场三维显示原理就是模拟人们对一个三维物体的实际观看。人们观看三维空间物体，当观看者围绕一个物体观看的时候能够观察到一周连续的视场图像，每一幅视场图像对应于一个观察点。由于人的左、右眼相隔6-7cm，所以左、右眼分别看到不同视点的视场图像。该全景视场三维显示装置在水平360°方向投射出一周离散分布的视图，且每一幅图像分别对应一个视点。只要离散的视场图像数量足够多，我们围绕物体移动时就可以观察到不同的视场图像。由于视场图像投影到柱面定向屏上，图像的发光角度受到它的限制，所以每一幅图像只能在其视点的水平小范围内可见。这样，观看者的双眼就看到了不同的视场图像，从而形成立体感。令一周360°显示 
个视图，故而一周需要投射出
幅图像。当柱面定向屏沿中心轴旋转时，每隔一定角度（
）显示一幅图像。由于柱面定向屏是旋转的，所以对应不同视点的显示图像也是随之旋转的，这样才能在任何一个方向观察到三维场景的正确视图图像。
如图1所示，一种基于LED柱面会聚定向屏的全景视场三维显示装置包括LED柱面显示屏1、柱面会聚定向屏2、旋转装置3；LED柱面显示屏1位于柱面会聚定向屏2的内侧，LED柱面显示屏1和柱面会聚定向屏2固定在旋转装置3上，LED柱面显示屏1为柱面分布的水平方向定向发光的LED阵列。
如图2所示，另一种基于投影式柱面会聚定向屏的全景视场三维显示装置包括柱面会聚定向屏2、旋转装置3、圆周投影系统4、柱面垂直散射屏5；圆周投影系统4位于柱面垂直散射屏5内侧，柱面垂直散射屏5位于柱面会聚定向屏2的内侧，柱面会聚定向屏2固定在旋转装置3上，柱面垂直散射屏5为垂直方向散射的柱面光栅、二元光学元件或全息柱面定向屏。
所述柱面会聚定向屏2由圆周分布的多个子柱透镜6组成。其中，所述的子柱透镜6为菲涅尔透镜、二元光学元件或全息透镜。
如图3所示，LED柱面显示屏1为柱面分布的水平方向定向发光的LED阵列，为水平方向定向发光的LED阵列或由柱面分布的LED阵列7和水平方向小角度发光的定向屏8组成，其中所述的水平方向小角度发光的定向屏8为柱透镜阵列、二元光学元件阵列、全息透镜阵列、狭缝光栅阵列或者两者的组合。该发明装置中的LED柱面显示屏1也可以由OLED柱面显示屏代替。LED柱面显示屏1为旋转柱面分布的定向LED阵列或不旋转高密度的定向LED阵列。如果LED阵列是稀疏的，那么需要旋转实现柱面LED屏的显示；如果LED阵列是高密度分布的，那么不需要旋转，直接实现柱面LED屏的显示。
如图4所示，LED柱面显示屏1显示的图像经过柱面会聚定向屏2，会聚于一周的某一视点，随着柱面会聚定向屏2的旋转，完成一周视点的扫描，实现三维场景水平方向360°视场的显示。
如图5所示，一种基于投影式柱面会聚定向屏的全景视场三维显示装置包括柱面会聚定向屏2、旋转装置3、圆周投影系统4、柱面垂直散射屏5；圆周投影系统4位于柱面垂直散射屏5内侧，柱面垂直散射屏5位于柱面会聚定向屏2的内侧，柱面会聚定向屏2固定在旋转装置3上，柱面垂直散射屏5为垂直方向散射的柱面光栅、二元光学元件或全息柱面定向屏。圆周投影系统4为多台投影机9组成的柱面投影系统。圆周投影系统4投影柱面图像到柱面垂直散射屏5后，垂直方向漫射发光，显示的图像经过柱面会聚定向屏2，会聚于一周的某一视点，随着柱面会聚定向屏2的旋转，完成一周视点的扫描，实现三维场景水平方向360°视场的显示。
如图6所示，圆周投影系统4可以由单台投影机9和旋转反射镜10组成的系统。单台投影机9投影一系列图像到反射镜10，经旋转反射镜10投影一周的柱面图像。反射镜10为平面反射镜、自由曲面反射镜或者多个反射镜的组合。
基于柱面会聚定向屏的全景视场三维显示装置，采用旋转柱面会聚定向屏2实现一周的视图显示。每一个子柱透镜6对应使得显示图像会聚于一个视点。故而该时刻的显示图像即为该视点拍摄三维场景的视图，只需要从拍摄视图中按显示像素的分布提取显示图像，数据处理简单、方便，适合三维图像的实时获取实时显示。人们不用借助任何工具，就可以在围绕该显示装置的360°任意位置用裸眼观看到彩色空间三维图像，而且能够实现空间三维场景消隐的三维显示效果。
Claims (3)
1.一种基于LED柱面会聚定向屏的全景视场三维显示装置，其特征在于，包括LED柱面显示屏（1）、柱面会聚定向屏（2）、旋转装置（3）；LED柱面显示屏（1）位于柱面会聚定向屏（2）的内侧，LED柱面显示屏（1）和柱面会聚定向屏（2）固定在旋转装置（3）上，LED柱面显示屏（1）为柱面分布的水平方向定向发光的LED阵列。
2.一种基于投影式柱面会聚定向屏的全景视场三维显示装置，其特征在于包括柱面会聚定向屏（2）、旋转装置（3）、圆周投影系统（4）、柱面垂直散射屏（5）；圆周投影系统（4）位于柱面垂直散射屏（5）内侧，柱面垂直散射屏（5）位于柱面会聚定向屏（2）的内侧，柱面会聚定向屏（2）固定在旋转装置（3）上，柱面垂直散射屏（5）为垂直方向散射的柱面光栅、二元光学元件或全息柱面定向屏。
3.根据权利要求1或2所述的柱面会聚定向屏的全景视场三维显示装置，其特征在于，所述柱面会聚定向屏（2）由圆周分布的多个子柱透镜（6）组成，其中，所述的子柱透镜（6）为菲涅尔透镜、二元光学元件或全息透镜。
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