CN102520787B - 实时空间三维呈现系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种实时空间三维呈现系统及方法，利用计算机集群驱动实现360度全景三维场景的实时绘制，并通过单个计算机输出特定角度的三维光场，通过高速三维数据分割和传输系统，把所要显示的三维图像信息分割并传输到相应投影单元，通过投影式全景三维显示装置实现360度三维光场的重组和显示，同时通过交互控制模块对主控计算机发送交互指令，主控计算机对计算机集群的控制实现实时交互。本发明借助于全景三维显示装置及计算机集群，采用了分级驱动与数据分割传输的方式，其优点在于充分发挥了计算机集群和传输系统高数据处理速度和高数据传输速度的优势，实现全景三维显示的实时动态呈现与交互。
Description
技术领域
本发明涉及空间三维显示系统，尤其涉及一种实时空间三维呈现系统及方法。
背景技术
人类是天生的空间思维者，实现真实三维显示一直是人们孜孜以求的目标。在现有三维显示技术中，视差型立体显示是当前最为普及的立体显示技术，它通过特定分离方式使左、右视图分别为观看者左、右眼观察，利用双目视觉融像而产生立体感知，这也是目前影院级三维显示的主要技术基础。但其信息量仅仅是二维显示器的两倍，并且需要借助于特殊的眼镜，将电影放映机投射的左眼与右眼图像分开，可以是液晶眼镜、偏振眼镜或互补色眼镜等，分别对应于时序体视三维、偏振式体视三维及互补色体视三维显示，长时间观看都会带来严重的视觉疲惫感。与此同时，真实的三维显示，观众在不同观看区域看到的应该是三维物体或三维场景的不同面，这也是目前的影院级三维显示所做不到的。
业界普遍认为，真实空间三维显示（真三维显示）最大的困难在于三维海量数据的获取、处理、传输以及再现，尤其是再现技术。目前已有的显示方式包括全息显示、体三维显示和基于光场重构的全景三维显示。全息三维显示保留了原来物光波的全部振幅和位相信息，因此具有和原物完全相同的三维特性。但就目前而言，全息三维显示信息量之大，对空间光调制器、存储容量的要求之高，都是目前软、硬件技术难以实现的。体三维显示是利用发光点的空间扫描构建像素的空间分布，从而产生三维显示，就像一个发光各向同性的透明三维发光物体一样。体三维显示可多人、多角度、同时360°裸眼观察，但是由于发光各向同性，无法再现真实三维景物的各种空间遮拦特性。而现今技术层面实现的全景360°三维显示多数采用旋转屏幕的方式来实现，由于屏幕转动机构以及海量数据传输的问题导致大尺度空间三维显示没有得到很好的应用。
本发明的主要目标在于利用低成本的投影显示阵列，构建无运动部件的、基于物体光场重构的、显示尺度在数平方米的大尺寸高质量全景360°真三维显示系统。同时构建基于计算机集群驱动的360°全景三维光场实时绘制控制系统和基于高速信息传输器件的超大数据量动态三维数据分割、传输系统。不论是从系统配置还是从数据分割与传输方式上，本发明都具备了很大的应用前景。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术和图像生成方法的不足，提供一种实时空间三维呈现系统及方法。
实时空间三维呈现系统包括全景投影显示装置、主控计算机、子计算机阵列、交互控制模块、观察区域，其中，全景投影显示装置包括有环状分布的多个投影仪模块和环状定向散射屏；主控计算机通过子计算机阵列与全景投影显示装置中对应的投影仪模块相连接，交互控制模块设置于观察区域上方呈环状分布，并与主控计算机相连接。
所述的环状分布的投影仪模块位于环状定向散射屏外部向环状定向散射屏投影并反射图像至观察区域，或环状分布的投影仪模块位于环状定向散射屏内部，向环状定向散射屏投影并透射图像至观察区域；其中，环状定向散射屏是在横向具有特定散射角度、在纵向具有较大散射角度特性，呈旋转对称分布的散射屏幕结构。
所述的主控计算机、子计算机均是普通计算机与图像处理及数据传输模块的组合。
所述的交互控制模块是摄像头、红外传感器，并呈环状分布以保证其交互控制功能覆盖观察区域。
所述的主控计算机、子计算机阵列和投影仪模块的连接方式是分量接口连接、AV接口连接、D-Sub接口连接、HDMI接口连接、USB接口连接、以太网接口连接、1394接口连接或光纤接口连接。
实时空间三维呈现方法是：实时空间三维呈现系统中的子计算机阵列的每个计算机都预存了所要显示的三维模型或实际采集的三维场景，位于观察区域上方环状分布的交互控制模块实时采集捕捉观众的交互动作，并送入相连接的主控计算机，主控计算机根据交互控制模块采集捕捉的交互动作发出相应的三维模型或三维场景切换或变化信号给子计算机阵列，子计算机阵列中的每个计算机都根据信号对预存的三维模型或三维场景做出相应切换或变化，根据光场重建和视场拼接的原理获取三维模型或三维场景相应视角的图像信息，实时处理生成显示所需的二维真彩色图像序列，并按顺序送入该计算机相连接的投影仪模块中相应的投影仪，环状分布的投影仪模块将所有二维真彩色图像投影到环状定向散射屏上，位于观察区域内的观众均能观察到正确的三维场景，如此实现实时空间三维呈现与动态交互。
本发明的主要优点在于借助了全景三维显示装置及计算机集群构建了实时空间三维显示系统，采用了主控计算机、子计算机阵列、投影仪模块配合的数据分割与传输的模式，大大降低了单台计算机处理的数据量，发挥了计算机群和传输系统高数据处理速度和高数据传输速度的优势，可以实现影院级全景三维显示的实时动态呈现与交互。
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是实时空间三维呈现系统基本结构示意图；
图2是全景投影显示装置俯视结构示意图；
图3是用于实时空间三维呈现方法流程示意图；
图中，全景投影显示装置1、主控计算机2、子计算机阵列3、交互控制模块4、观察区域5、投影仪模块6和环状定向散射屏7。
具体实施方式
如图1、2所示，实时空间三维呈现系统包括全景投影显示装置1、主控计算机2、子计算机阵列3、交互控制模块4、观察区域5，其中，全景投影显示装置1包括有环状分布的多个投影仪模块6和环状定向散射屏7；主控计算机2通过子计算机阵列3与全景投影显示装置1中对应的投影仪模块6相连接，交互控制模块4设置于观察区域5上方呈环状分布，并与主控计算机2相连接。
环状分布的投影仪模块6位于环状定向散射屏7外部向环状定向散射屏7投影并反射图像至观察区域5，或环状分布的投影仪模块6位于环状定向散射屏7内部，向环状定向散射屏7投影并透射图像至观察区域5；其中，环状定向散射屏7是在横向具有特定散射角度、在纵向具有较大散射角度特性，呈旋转对称分布的散射屏幕结构。
主控计算机2、子计算机阵列3均是普通计算机与图像处理及数据传输模块的组合。交互控制模块4是摄像头、红外传感器，并呈环状分布以保证其交互控制功能覆盖观察区域5。
主控计算机2、子计算机阵列3和投影仪模块6的连接方式是分量接口连接、AV接口连接、D-Sub接口连接、HDMI接口连接、USB接口连接、以太网接口连接、1394接口连接或光纤接口连接。
使用该系统的实时空间三维呈现采用了主控计算机控制、计算机集群驱动、数据分割传输，方法是：实时空间三维呈现系统中的子计算机阵列3的每个计算机都预存了所要显示的三维模型或实际采集的三维场景，位于观察区域5上方环状分布的交互控制模块4实时采集捕捉观众的交互动作，并送入相连接的主控计算机2，主控计算机2根据交互控制模块4采集捕捉的交互动作发出相应的三维模型或三维场景切换或变化信号给子计算机阵列3，子计算机阵列3中的每个计算机都根据信号对预存的三维模型或三维场景做出相应切换或变化，根据光场重建和视场拼接的原理获取三维模型或三维场景相应视角的图像信息，实时处理生成显示所需的二维真彩色图像序列，并按顺序送入该计算机相连接的投影仪模块6中相应的投影仪，环状分布的投影仪模块6将所有二维真彩色图像投影到环状定向散射屏7上，位于观察区域5内的观众均能观察到正确的三维场景，如此实现实时空间三维呈现与动态交互。
全景投影显示的原理是：围绕屏幕环状分布的投影仪将所要显示的空间三维模型或三维场景的各个角度投影的组合图像投影成像于环状屏幕的中心区域，该环状屏幕为具有二向散射特性的定向散射屏幕，即在横向具有特定散射角度、在纵向具有较大散射角度特性，呈旋转对称分布的散射屏幕结构。由此，环状分布的投影仪投影的图像就被转换成360°全景可视的空间三维场景图像，供围绕在屏幕周边观察区域5内的观众观看。根据光场重建的原理以及环状定向散射屏7的特性，在观察区域5内的每一个位置仅能观看到对应于这个位置的一个投影仪投射出的一窄条图像，而每一个位置能看多个投影仪投射出的多个窄条图像的组合图像便形成该位置完整的画面。在观察区域5内的不同位置均能观看到对应于相应位置的不同图像，这就能保证在观察区域5内的观众的双眼观看到的图像信息是不同的，通过双目视差形成三维视觉，亦可以通过在横向不同位置间的移动获得运动视差。
本发明的关键在于采用了实时交互捕捉反馈、计算机集群分级驱动、数据分割传输的方法实现实时动态空间三维呈现，其具体实施方法流程如图3所示。主控计算机2的作用是接收交互控制模块4反馈的交互信息，并发出相应的三维模型或三维场景切换或变化指令给子计算机阵列3，子计算机阵列3中的每台计算机都预先存储了所要显示的三维模型或三维场景，并且负责一部分投影仪的控制与显示工作，也就是将360°全景显示所需的投影仪分割为若干模块并由相应子计算机控制，这样当子计算机阵列3中的每台计算机接收到三维模型或三维场景切换或变化的指令时，仅需要对所管控的投影仪模块6对应的视角图像进行实时处理，计算得到供对应视角显示的二维图像序列，数据分割和传输速度大大提高，实时性得到保证。
这里是通过示意和举例的方式对本发明进行进一步描述的，但应该认识到，本发明并不局限于上述实施方式，前文的描述只被认为是说明性的，而非限制性的，本领域技术人员可以做出多种变换或修改，只要没有离开所附权利要求中所确立的范围和精神实质，均视为在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种实时空间三维呈现系统，其特征在于包括全景投影显示装置（1）、主控计算机（2）、子计算机阵列（3）、交互控制模块（4）、观察区域（5），其中，全景投影显示装置（1）包括有环状分布的多个投影仪模块（6）和环状定向散射屏（7）；主控计算机（2）通过子计算机阵列（3）与全景投影显示装置（1）中对应的投影仪模块（6）相连接，交互控制模块（4）设置于观察区域（5）上方呈环状分布，并与主控计算机（2）相连接；
所述的环状分布的投影仪模块（6）位于环状定向散射屏（7）外部向环状定向散射屏（7）投影并反射图像至观察区域（5），或环状分布的投影仪模块（6）位于环状定向散射屏（7）内部，向环状定向散射屏（7）投影并透射图像至观察区域（5）；其中，环状定向散射屏（7）是在横向具有特定散射角度、在纵向具有比横向大的散射角度特性，呈旋转对称分布的散射屏幕结构；
所述的主控计算机（2）、子计算机阵列（3）均是普通计算机与图像处理及数据传输模块的组合；
所述的交互控制模块（4）是摄像头或红外传感器，并呈环状分布以保证其交互控制功能覆盖观察区域（5）；
所述的主控计算机（2）、子计算机阵列（3）和投影仪模块（6）的连接方式是分量接口连接、AV接口连接、D-Sub接口连接、HDMI接口连接、USB接口连接、以太网接口连接、1394接口连接或光纤接口连接。
2.一种使用如权利要求1所述系统的实时空间三维呈现方法，其特征在于：实时空间三维呈现系统中的子计算机阵列（3）的每个计算机都预存了所要显示的三维模型或实际采集的三维场景，位于观察区域（5）上方环状分布的交互控制模块（4）实时采集捕捉观众的交互动作，并送入相连接的主控计算机（2），主控计算机（2）根据交互控制模块（4）采集捕捉的交互动作发出相应的三维模型或三维场景切换或变化信号给子计算机阵列（3），子计算机阵列（3）中的每个计算机都根据信号对预存的三维模型或三维场景做出相应切换或变化，根据光场重建和视场拼接的原理获取三维模型或三维场景相应视角的图像信息，实时处理生成显示所需的二维真彩色图像序列，并按顺序送入该计算机相连接的投影仪模块（6）中相应的投影仪，环状分布的投影仪模块（6）将所有二维真彩色图像投影到环状定向散射屏（7）上，位于观察区域（5）内的观众均能观察到正确的三维场景，如此实现实时空间三维呈现与动态交互。
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