CN102164296A

CN102164296A - 基于单台dlp投影的全角视差立体成像系统及方法

Info

Publication number: CN102164296A
Application number: CN201110053401.XA
Authority: CN
Inventors: 田丰; 蓝建梁; 饶谦; 牛娜
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: Shanghai Creasun Culture And Media Co Ltd
Priority date: 2011-06-16
Filing date: 2011-06-16
Publication date: 2011-08-24
Anticipated expiration: 2031-06-16
Also published as: CN102164296B

Abstract

本发明涉及一种基于单DLP投影的全角视差立体成像系统及方法。本系统由摄像机和低速转台构成图像采集子系统，由计算机、DLP投影机、高速转台、定向漫反射屏幕、保护支架、霍尔器件和强磁铁构成全角视差立体成像子系统。摄像机、DLP投影机和霍尔器件连接计算机。本方法通过图像采集子系统采集到视频信号，经由图像采集卡转换成数字视频数据，全角度视差立体图形由计算机通过视频线传输给DLP投影机投影到定向漫反射屏幕成像，计算机根据霍尔器件的电平信号，计算电机转速，从而向DLP投影机提供同步信号，实现视差立体画面与物理角度的精确统一。本发明成本低、容易实现、运行可靠、稳定性高。

Description

基于单台DLP投影的全角视差立体成像系统及方法

技术领域

本发明涉及视差立体显示系统及方法，具体涉及一种基于单DLP(Digital Light Projector，数字光投影)投影的全角视差立体成像系统及方法，属于三维图像显示技术领域。

背景技术

客观世界是存在三维尺寸的立体空间。显示设备诞生以来，为了可以真实地再现客观世界，人们从未间断对于立体显示技术的研究。所谓立体显示是指能显示图像深度(第三维)效果，就像我们看真实世界一样，是立体的。立体显示技术按是否添加立体眼镜的角度来说可分为裸眼立体显示技术和非裸眼立体显示技术。

目前的裸视立体显示技术主要包含全息三维显示、体显示技术和自由立体显示三种。全息三维显示设法重构眼睛能得到的物体的光波，使即便物体不在原处也能看到该物体的逼真映像，目前存在的最大问题是三维光场信息重现较为复杂，不方便大面积应用。第二种是体显示技术，通过适当方式激励显示体内的介质产生可见光辐射形成体像素，这些分散在三维空间的体像素构成了立体图像。体三维显示的图像存在于真实三维空间，展示一个最接近真实物体的立体画面，符合人们观察世界场景的真实感受，满足所有生理和心理深度暗示，可同时允许多人、多角度、裸眼观看场景，无需任何辅助眼镜，较之其他两种裸视立体显示技术，更接近于终极显示的目标，但由于显示部件跟随运动，其显示空间较小。第三种是自由立体显示技术，通常使用柱透镜、微透镜等材料覆盖在平面显示器前方，将原先一幅三维图像分解成多幅相互关联的两维图像，通过双眼视差形成立体视觉。该方法的缺陷是视区与分辨率之间的矛盾，分辨率大，视区才广，但是目前分辨率不可能大幅度提升，这就限制了视区广度的扩展，导致观察时眼部不适，观众可在屏幕前方正负约30度观看到较好的视差立体影像，立体视区少于48个，有效视点少于42，最多可容纳十名观众同时观看。

在国内，超多维科技公司设计制作了基于柱透镜和平面液晶屏幕的自由立体显示器，上海大学设计制作了基于黑光栅和等离子屏幕的自由立体显示器，华东师范大学设计制作了基于柱透镜和DLP投影的自由立体显示器。平面显示分辨率采用高清1920

1080，通常设定单周期视点数量为8，其单视点有效像素为259,200。

上述方案虽然都实现了自由立体显示，但都存在不足。它们以平面图像为基础，立体视区分辨率低、立体视角小、可视点数量少。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种基于单台DLP投影的全角视差立体成像系统及方法，实现较高显示分辨率的水平360度全角视差立体显示。

本发明采用以下技术方案实现：

一种基于单DLP投影的全角视差立体成像方法的系统，包括一台摄像机、一个低速转台、一台微机、一台DLP投影机、一个高速转台、一面定向漫反射镜、一个保护支架、霍尔器件、强磁铁，其特征在于用于图像采集的摄像机对准实物模型，摄像机通过视频线连接微机，微机通过VGA(Video Graphics Array，显示绘图阵列)视频线连接DLP投影机，定向漫反射屏幕被固定在高速转台上，所述实物模型放置在低速转台上；所述DLP投影机固定在保护支架上而位于高速转台的上方，所述定向漫反射屏幕通过固定支架斜置于高速转台上，使DLP投影机的投影照射在定向漫反射屏幕上；所述强磁铁固定安装在高速转台上，霍尔器件固定在保护支架上，使霍尔器件靠近强磁铁运行轨迹，霍尔器件连接计算机。

一种基于单DLP投影的全角视差立体成像方法，采用上述成像系统进行成像操作，其特征在于操作步骤如下：

1) 在计算机内的片源生成，步骤为：

① 实现基于旋转摄像的全角度拍摄方法：对拍摄到含实物模型与不含实物模型的一对原始图像，经过背景滤除、二值化、几何校正、分辨率匹配处理后，获取一个角度的投影图像；旋转实物模型，连续拍摄模型的全角度投影图像，实现实物模型的全角视差图像获取；

② 基于计算机虚拟模型的全角度拍摄方法：在计算机内设定虚拟摄像机初始参数和位置，经过投影、渲染处理后，获取计算机模型的投影图像；旋转计算机模型，连续渲染模型投影图像，实现整个模型的全角视差图像获取；

③ 彩色投影图像的编码方法：采用单帧彩色图像保存多帧黑白图像的方法，经过灰度值位移、子帧累加，把多个子帧压缩进一帧全彩图像中。

2) 使用高性能FPGA（Field－Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）和大容量DDRRAM(Double-Data-Rate Synchronous Dynamic Random Access Memory，双数据率同步动态随机存储器)作为投影单元的核心，向DMD驱动模块传输模型的视差图像；

3) 以定向反射镜为显示核心，随着镜面的旋转，按时间序列将全角视差图像反射到空间各视点上。

所述的基于单DLP投影的全角视差立体成像方法中，所述全角度视差立体图像可以由全角度摄像获得，也可以由计算机渲染获得，计算机通过视频线向DLP投影机传输全角度视差图像。

所述的基于单DLP投影的全角视差立体成像方法中，高性能FPGA和大容量DDRRAM作为DLP投影机的核心，FPGA获得24位彩色视频帧，实时分离出24个单色子帧，实现高速投影。

所述的基于单DLP投影的全角视差立体成像方法中，各项异性的定向漫反射屏幕，它具有横向的镜面反射特性和纵向慢反射特性，被镜化的表面反射投影机投射的每个像素到狭窄的光平面上，定向漫反射屏幕特性控制光平面的厚度和高度，用以形成视差影像。

下面对本发明的技术方案作较详细原理说明：

基于旋转摄像的全角度拍摄方法，流程如图3所示，具体为：

对自然光照下拍摄得到的包含线激光和实物模型的原始图像，经过背景滤除1、二值化2、几何校正3、分辨率匹配4处理后，获取一个角度的投影图像5；按1度角等步长旋转实物模型6后完成对模型360度投影图像的获取，即获得实物模型的全角视差图像。

一种基于计算机虚拟模型的全角度拍摄方法，流程如图4所示，具体为：

在计算机内设定虚拟摄像机初始参数和位置，经过投影1、模型渲染处理2后，获取计算机模型的投影图像3；按1度角等步长旋转计算机模型4，连续渲染模型投影图像，实现整个模型的全角视差图像获取，图5为模型的24角度的投影画面。

一种彩色投影图像的编码方法，具体为：为了对各角度单色画面编码，可采用24位图格式存储24角度单色图像，为第n个子帧画面，为编码后的红色分量，为编码后的绿色分量，为编码后的蓝色分量，其转换算法如式(1)：

(1)

交替对24角度的红绿蓝单色图像实行彩色视频编码，实现视差立体影像编码传输，编码结果如图6所示。

一种彩色投影图像的解码方法，具体为：

FPGA从显卡获得标准DVI的信号。FPGA得到每个24位彩色视频帧，依次分离出24个单色帧。

为第n个子帧画面，

为编码后的红色分量，

为编码后的绿色分量，

为编码后的蓝色分量，其解码算法如式(2)：

(2)

如果输入的数字视频信号为60Hz，投影机每秒显示60×24=1440帧。为了得到更快的速率，本发明设定显卡刷新率为225Hz时，投影机每秒投射5400个子帧。

一种定向反射镜构架方法，具体为：全角视差立体显示器采用漫反射镜作为空间像素的载体。各项异性的全息漫反射屏幕具有横向的镜面反射特性和纵向慢反射特性，用以形成视差影像。被镜化的表面反射投影机投射的每个像素到狭窄的光平面上，全息屏幕的特性控制光平面的厚度和高度。横向与纵向漫反射系数比宜小于1：200。纵向提供较宽的像素反射光线，可让各个高度人眼获得立体影像。全角光场显示器的单个最佳立体视区宽度与人眼瞳孔距离保持一致，其值为6.5cm。图7(a)为反射镜系统产生的各向异性反射特性的结构图。在铝板上横向雕刻形成波浪形突起，垂直平行入射的光线可向纵向的各个方向反射，但不能向横向反射。波浪突起宽约0.06mm，每个像素包括6个波浪形突起，模拟出纵向漫反射效果。投影机投射一个像素的光线近似平行光，镜面可把一束平行光反射成一个光平面。768

768个像素投射在20cm

20cm的45度角倾斜铝板上，一束光线在铝板上占0.26mm

0.26mm的面积。如图7(b)，投影机中心像素的光线垂直向下，但四周的像素光线都有横向角度入射反射板，使得出射光线远离视点。类似凹透镜，通过弯曲铝板把所有出射光线会聚在最佳观看位置，让人眼可观看到整屏画面。最佳观看距离可由铝板的曲率半径决定。使用凹型显示表面，镜面有效简化单个立体画面的生成，实现单视点显示，旋转镜面实现360度全角视差显示。

本发明与基于平面显示的自由立体显示器相比，单视点有效像素提高到589,824，立体视区和有效视点为360个，最多可容纳数十名观众同时观看。

本发明成本较低、实现容易、运行可靠、稳定性高。

附图说明

图1 基于单DLP投影的全角视差立体成像系统

图2 DLP投影机内部结构图

图3 基于旋转摄像的全角度拍摄算法流程

图4 基于计算机虚拟模型的全角度拍摄算法流程

图5 24个角度的投影画面

图6 24角度彩色合成编码画面

图7 定向反射屏结构图

图8 凹透镜反射一帧画面示意图。

具体实施方式

本发明的优选实施例是：

实施例一：参照图1，本基于单DLP投影的全角视差立体成像系统包含一套图像采集子系统，即一台摄像机13、一个低速转台15；一台计算机10；一套全角视差立体成像子系统，即一台DLP投影机6、一个高速转台3、一面定向漫反射屏幕1、一个保护支架8、霍尔器件4、强磁铁5。所述实物模型14放置在低速转台15上；所述DLP投影机6固定在保护支架8上而位于高速转台3的上方，所述定向漫反射屏幕1通过固定支架2斜置于高速转台3上，使DLP投影机6的投影照射在定向漫反射屏幕1上；所述强磁铁5固定安装在高速转台3上，霍尔器件4固定在保护支架8上，使霍尔器件4靠近强磁铁5运行轨迹。摄像机13对准实物模型14，摄像机13通过视频线16连接计算机10，计算机10通过VGA（显示绘图阵列）视频线11连接DLP投影机6，霍尔器件4连接计算机10。

一套图像采集子系统：图像采集子系统中采用了一个低速转台和一台摄像机13，通过视频线16连接在计算机10上，采集到的视频信号经由图像采集卡转换成数字视频数据，处理速度可达25帧/秒。

一台计算机：本系统的视频图像采集、计算机虚拟模型渲染、彩色投影图像的编码三个进程运行在计算机10上。

一套全角视差立体成像子系统，参照图2， DLP投影机6内部采用0.55XGA DMD(Digital Mirror Device，数字微镜器件)晶片，分辨率达到1024*768，镜元尺寸为10.8um。DLP投影机6包括完整的通信接口，通过VGA接口向DLP投影机6中的数据处理模块传输用于显示的数据；数据处理模块包括一片高性能FPGA和大容量DDRRAM，高性能FPGA用于对传输的立体数据进行解码，完成用户接口设计和后续数据处理，为后级DMD时序和复位电路提供信号；2G容量的DDRRAM为立体视频文件提供储存；DMD复位和时序电路包括DAD2000复位驱动、DDC4100控制器，完成DMD晶片的复位和快速极化控制；DAD2000复位驱动为DMD提供复位信号和高压信号。DLP投影机还包括FPGA调试接口、DMD连接器、GPIO(General Purpose Input Output，通用输入输出)连接器、电池、电源、电源连接器、模块内部工作电源。

本系统定向反射屏幕1安装在一个支架2上，电机7采用220伏交流供电。

霍尔器件通过与强磁铁相遇来给出电平信号，计算机10通过实时计算电平信号周期来测定电机7转速，并以转速为依据向DLP投影机6提供同步信号，实现视差立体画面与物理角度的精确统一。

实施例二：参见图3和图4，本基于单DLP投影的全角视差立体成像方法，采用上述全角视差立体成像系统进行操作，操作步骤如下：

1）在计算机内的片源生成，步骤为：

② 基于计算机虚拟模型的全角度拍摄方法：在计算机10内设定虚拟摄像机13初始参数和位置，经过投影、渲染处理后，获取计算机模型的投影图像；旋转计算机模型，连续渲染模型投影图像，实现整个模型的全角视差图像获取；

2）使用高性能现场可编程门阵列FPGA和大容量双数据率同步动态随机存储器DDRRAM作为投影单元的核心，向DMD驱动模块传输模型的视差图像；

3）以定向反射屏幕1为显示核心，随着定向反射屏幕1的旋转，按时间序列将全角视差图像反射到空间各视点上。

所述全角度视差立体图像可以由全角度摄像获得，也可以由计算机渲染获得，计算机10通过视频线11向DLP投影机6传输全角度视差图像。

高性能FPGA和大容量DDRRAM作为DLP投影机6的核心，FPGA获得24位彩色视频帧，实时分离出24个单色子帧，实现高速投影。

各项异性的定向漫反射屏幕1，具有横向的镜面反射特性和纵向慢反射特性，被镜化的表面反射投影机投射的每个像素到狭窄的光平面上，定向漫反射镜特性控制光平面的厚度和高度，用以形成视差影像。

Claims

1.一种基于单DLP投影的全角视差立体成像系统，包括一台摄像机（13）、一个低速转台（15）、一台微机（10）、一台DLP投影机（6）、一个高速转台（3）、一面定向漫反射镜（1）、一个保护支架（8）、霍尔器件（4）、和一个强磁铁（5），其特征在于用于图像采集的摄像机（13）对准实物模型（14），摄像机通过视频线连接计算机（10），计算机（10）通过VGA视频线（11）连接DLP投影机（6），所述实物模型（14）放置在低速转台（15）上；所述DLP投影机（6）固定在保护支架（8）上而位于高速转台（3）的上方，所述定向漫反射屏幕（1）通过固定支架（2）斜置于高速转台（3）上，使DLP投影机（6）的投影照射在定向漫反射屏幕（1）上；所述强磁铁（5）固定安装在高速转台（3）上，霍尔器件（4）固定在保护支架（8）上，使霍尔器件（4）靠近强磁铁（5）运行轨迹，霍尔器件（4）连接计算机（10）。

2.一种基于单DLP投影的全角视差立体成像方法，采用根据权利要求1所述的基于单DLP投影的全角视差立体成像系统进行成像操作，其特征在于操作步骤如下：

a.在计算机内的片源生成，步骤为：

② 基于计算机虚拟模型的全角度拍摄方法：在计算机（10）内设定虚拟摄像机（13）初始参数和位置，经过投影、渲染处理后，获取计算机模型的投影图像；旋转计算机模型，连续渲染模型投影图像，实现整个模型的全角视差图像获取；

③ 彩色投影图像的编码方法：采用单帧彩色图像保存多帧黑白图像的方法，经过灰度值位移、子帧累加，把多个子帧压缩进一帧全彩图像中；

使用高性能现场可编程门阵列FPGA和大容量双数据率同步动态随机存储器DDRRAM作为投影单元的核心，向DMD驱动模块传输模型的视差图像；

c.以定向反射屏幕（1）为显示核心，随着定向反射屏幕（1）的旋转，按时间序列将全角视差图像反射到空间各视点上。

3.根据权利要求2所述的基于单DLP投影的全角视差立体成像方法，其特征在于所述全角度视差立体图像由全角度摄像获得，或者由计算机渲染获得，计算机（10）通过视频线（11）向DLP投影机传输全角度视差图像。

4.根据权利要求2所述的基于单DLP投影的全角视差立体成像方法，其特征在于高性能FPGA和大容量DDRRAM作为DLP投影机（6）的核心，FPGA获得24位彩色视频帧，实时分离出24个单色子帧，实现高速投影。

5.根据权利要求2所述的基于单DLP投影的全角视差立体成像方法，其特征在于各项异性的定向漫反射屏幕（1），它具有横向的镜面反射特性和纵向慢反射特性，被镜化的表面反射投影机投射的每个像素到狭窄的光平面上，定向漫反射镜特性控制光平面的厚度和高度，用以形成视差影像。