CN102566251B - 基于模块化拼接的空间三维显示装置及校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于模块化拼接的空间三维显示装置及校正方法，用于光场重建和视场拼接原理三维显示技术的图像校正与显示。显示装置包括模块化拼接的二维显示单元阵列、透镜阵列、孔阑阵列、电光开关调光屏、定向散射屏、图像采集系统及计算机。校正方法步骤包括：断开调光屏电源；循环扫描显示点；图像采集系统捕获；获取映射坐标关系；视角图像预校正；接通调光屏电源并导入预校正后图像实现三维显示。本发明可用于基于平板显示器或多投影三维显示技术中图像预校正与显示。该装置利用模块化拼接实现了大尺寸空间三维显示的拓展，校正方法综合考虑了成像像差与系统精度，可在不影响系统结构的基础上实现图像预校正及三维显示的灵活切换。

Description

基于模块化拼接的空间三维显示装置及校正方法

技术领域

本发明涉及空间三维显示装置及校正方法，尤其涉及一种基于模块化拼接的空间三维显示装置及校正方法。

背景技术

三维显示区别于传统二维显示就是通过各种方法给观看者带来视觉上的深度感知，使其自然与不自然地获得画面中的第三维度信息。国内外众多三维显示技术一般可分为全息三维显示和非全息三维显示两种。全息三维显示因其是真三维的信息记录和显示而被誉为未来理想的三维显示方式，但在动态显示方面需要高分辨的空间光调制器以及超高速的数据处理系统，这两个因素极大地限制了这种技术的进步使其不能很好地进入实际应用。因此非全息三维显示是目前的主流显示技术，而实现非全息三维显示技术一般又可分为体三维显示、集成成像三维显示、体视三维显示等。体三维显示和体视三维显示目前都已有较好的显示设备出现，然而基于这两种方法的显示装置大都依靠转动屏幕来满足全视角观看的需求，所以显示装置结构相对复杂造价也较高。传统的集成成像三维显示技术则在视角数目、图像串扰、显示区域深度和大小等方面存在很多需要解决的问题。现有的体视三维显示装置大都依据在横向或者纵向通过视场拼接的方式提供足够多的观察视角，让观察者两只眼睛横跨不同的视角以获得细腻的三维感知。目前已经开发出的投影式裸眼三维显示装置大都结构复杂，需要大量的投影机和控制电路，因此缺乏具体的实际应用。并且单个裸眼立体显示器显示的图像分辨率低、视角少而不连续、纵深感不够等问题，更使其在虚拟现实领域应用缺乏创新。另一方面，现有的三维显示系统往往需要采用多个显示或光学机构，系统像差和装配误差将会大大影响三维显示的图像质量，业界缺乏一种有效、快速的图像校正方法。

本发明的主要目的在于构建一个拓展性强、成本可控，并且具有很大视角范围的空间三维显示装置，且满足多人多视角观看的诉求。其优点在于可以产生高图像分辨率、高视角分辨率，并且可以在弧形屏幕前观看到具备细腻的横向视差的三维图像悬浮效果。另一方面，成功的三维显示装置需要综合考虑图像分辨率、三维显示效果、计算成本等诸多方面，探求一种综合了考虑了系统成像像差和装置精度等问题的图像校正方法具有很大实际应用价值。该校正方法具备较高拓展性的投影式三维显示装置及图像采集识别系统，其初衷在于综合了考虑了系统成像像差和装置精度的问题下实现模块化拼接空间三维显示迅速自校正与图像显示，可广泛用于基于多投影显示或分时显示拼接原理的体视三维显示技术。一言以蔽之，相较于现有技术方案，基于模块化拼接的空间三维显示装置及校正方法可以在更短的时间内、以更集成化的系统结构实现大尺寸空间三维显示的图像校正与显示。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中显示装置和校正方法的不足，提供一种基于模块化拼接的空间三维显示装置及校正方法。

所述的三维显示装置包括多个沿同心圆弧布置呈模块化拼接的投影三维显示单元、紧贴设置的电光开关调光屏和弧形定向散射屏，其中，投影显示单元包括依次设置的二维显示单元阵列、透镜阵列和孔阑阵列，图像采集系统设置于二维显示单元阵列上方并保证对准电光开关调光屏拍摄，计算机分别与图像采集系统和二维显示单元阵列相连接；所有投影显示单元中所有显示单元显示的图像通过对应的透镜阵列、孔阑阵列均投影到电光开关调光屏和弧形定向散射屏圆心O点处成像。

所述的二维显示单元阵列是单个二维显示器或多个二维显示器组成的阵列，其中，二维显示器是LCD、LCOS、PDP、LED、CRT、OLED或投影机。

所述的电光开关调光屏是PDLC屏或具有相似功能的可弯曲的屏幕结构。

所述的投影显示单元中的图像采集系统是CCD或CMOS拍摄器件。

所述的校正方法步骤如下：

1)每个投影三维显示单元中的图像采集系统均设置于二维显示单元阵列上方系统对称中心线上，并对准电光开关调光屏拍摄；

2)电光开关调光屏断开电源，呈现不透光的漫射特性；

3)二维显示单元阵列中的显示单元显示一个坐标点（X₀,Y₀），该坐标点透过成像系统会在电光开关调光屏上投射出一个漫射亮斑；

4)图像采集系统捕获电光开关调光屏的漫射亮斑，分别记录下捕获的漫射亮斑在二维图像显示单元阵列中的坐标点信息（X₀,Y₀）和在图像采集系统中的坐标点信息（X₁,Y₁），送入与二者相连的计算机生成相应的映射关系；循环扫描记录坐标点映射信息直至二维显示单元阵列中的显示单元所有显示点扫描结束； 

5)计算机获取三维显示所要呈现各视角的原始图像，根据映射关系进行从坐标点（X₁,Y₁）到（X₀,Y₀）的变化，对所要呈现三维物体相应视角在二维显示单元阵列中的图像进行预校正；

6)所有投影显示单元校正完成之后，电光开关调光屏接通电源，呈现透明透光的特性，相当于仅有弧形定向散射屏起作用，每个投影显示单元中的计算机都将预校正后的图像送入二维显示单元阵列中相应显示单元并经过透镜阵列、孔阑阵列和弧形定向散射屏作用实现空间三维显示成像。

所述的校正方法在多屏拼接的结构下是每个投影显示单元中的图像采集系统顺次拍摄电光开关调光屏的对应部分校正，或同时拍摄校正。

本发明的主要优点在于提出了一种具备普适性的、可简单快速实现大尺寸空间三维显示及校正，它包括具备较高拓展性的模块化拼接空间三维显示装置及图像校正方法，显示装置利用模块化拼接实现了大尺寸空间三维显示的拓展，校正方法综合考虑了成像像差与系统精度，可在不影响系统结构的基础上实现图像预校正及三维显示的灵活切换。

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是基于模块化拼接的空间三维显示装置基本结构示意图；

图2是基于模块化拼接的空间三维显示校正方法流程示意图；

图3是横向15个视角空间三维显示装置投影显示单元基本结构示意图；

图4、图5是横向15个视角空间三维显示装置对应校正方法示意图；

图中，投影显示单元1、电光开关调光屏2，弧形定向散射屏3、二维图像显示单元阵列4、透镜阵列5、孔阑阵列6、图像采集系统7、计算机8。

具体实施方式

如图1所示，基于模块化拼接的空间三维显示装置包括多个沿同心圆弧布置呈模块化拼接的投影三维显示单元1、紧贴设置的电光开关调光屏2和弧形定向散射屏3，其中，投影显示单元1包括依次设置的二维显示单元阵列4、透镜阵列5和孔阑阵列6，图像采集系统7设置于二维显示单元阵列4上方并保证对准电光开关调光屏2拍摄，计算机8分别与图像采集系统7和二维显示单元阵列4相连接；所有投影显示单元1中所有显示单元显示的图像通过对应的透镜阵列5、孔阑阵列6均投影到电光开关调光屏2和弧形定向散射屏3圆心O点处成像。

所述的二维显示单元阵列4、透镜阵列5和孔阑阵列6是为实现横向视差的N*1阵列，或为实现包括横向和纵向视差的N*M阵列。

所述的二维显示单元阵列4是单个二维显示器或多个二维显示器组成的阵列，其中，二维显示器是LCD、LCOS、PDP、LED、CRT、OLED或投影机。

所述的电光开关调光屏2是PDLC屏或具有相似功能的可弯曲的屏幕结构。

所述的投影显示单元1中的图像采集系统7是CCD或CMOS拍摄器件。

如图2所示，所述的基于模块化拼接空间三维显示校正方法步骤如下：

1)每个投影显示单元1中的图像采集系统7均设置于二维显示单元阵列4上方系统对称中心线上，并对准电光开关调光屏2拍摄；

2)电光开关调光屏2断开电源，呈现不透光的漫射特性；

3)二维显示单元阵列4中的显示单元显示一个坐标点（X₀,Y₀），该坐标点透过成像系统会在电光开关调光屏2上投射出一个漫射亮斑；

4)图像采集系统7捕获电光开关调光屏2的漫射亮斑，分别记录下捕获的漫射亮斑在二维图像显示单元阵列4中的坐标点信息（X₀,Y₀）和在图像采集系统7中的坐标点信息（X₁,Y₁），送入与二者相连的计算机8生成相应的映射关系；循环扫描记录坐标点映射信息直至二维显示单元阵列4中的显示单元所有显示点扫描结束； 

5)计算机8获取三维显示所要呈现各视角的原始图像，根据映射关系进行从坐标点（X₁,Y₁）到（X₀,Y₀）的变化，对所要呈现三维物体相应视角在二维显示单元阵列4中的图像进行预校正；

6)所有投影显示单元1校正完成之后，电光开关调光屏2接通电源，呈现透明透光的特性，相当于仅有弧形定向散射屏3起作用，每个投影显示单元1中的计算机8都将预校正后的图像送入二维显示单元阵列4中相应显示单元并经过透镜阵列5、孔阑阵列6和弧形定向散射屏3作用实现空间三维显示成像。

所述的校正方法在多屏拼接的结构下是每个投影显示单元1中的图像采集系统7顺次拍摄电光开关调光屏2的对应部分校正，或同时拍摄校正。

实施例

一种基于模块化拼接的空间三维显示装置及校正方法可用于基于多投影显示或分时显示拼接原理的体视三维显示装置，下面结合具体实施例附图说明本发明的工作过程如下：

此处以模块化拼接中的单个模块单元，即一个包含15个横向拼接图像的视场拼接三维显示装置图像显示及校正为示例，其余的模块均可类推得到。系统结构如图1所示，二维显示单元阵列4包括错位排布的15个投影机，如图3所示,所谓投影机由二维显示单元阵列4的一部分、一个透镜和一个孔阑组成，孔阑紧贴在透镜前方；弧形定向散射屏3设置在以系统中心O点为圆心，在纵向散射光线，横向不散射光线，而弧形显示区域也提供了足够的课探入显示空间。电光开关调光屏2也弯成弧形，附在弧形定向散射屏3靠近投影显示装置一侧。本例中采用PDLC（聚合物分散液晶）作为调光屏材料，其特性在于在无外加电压的情形下，膜间不能形成有规律的电场，液晶微粒的光轴取向随机，呈现无序状态，其有效折射率n₀ 不与聚合物的折射率n_p匹配，入射光线被强烈散射；施加了外电压，液晶微粒的光轴垂直于薄膜表面排列，即与电场方向一致。微粒之寻常光折射率与聚合物的折射率基本匹配，无明显介面，构成了基本均匀的介质，所以入射光不会发生散射，薄膜呈透明状。通过电光开关调光屏2的作用，即可在不改变装置结构的情况下实现图像校正和显示的自由切换。15个投影机在水平方向上对准设定的系统中心O，垂直方向上对准弧形定向散射屏3上的同一高度。根据视场拼接的基本原理，装置工作图像显示模式下，15个投影机投影的图像均经过弧形定向散射屏3在纵向展开，从而在另一侧观察区域可以看到诸多长条形图像，15幅图像正好在横向拼接成一整幅完整图像。

显示图像之前首先需要进行图像定标及校正。首先将电光开关调光屏2断开电源，呈现不透光的漫射特性。在二维显示单元阵列4上显示一个白点，坐标为(X₀, Y₀)，则白点通过投影机成像在电光开关调光屏2上。从二维显示单元阵列4的左上角开始将白点逐行扫描，如图4所示；若二维显示单元阵列4采用的是发出有偏振态光线的显示器，如LCD显示器，则需要在图像采集系统7前附加线偏振片，偏振方向与LCD显示器发出光线的偏振方向垂直，作用在于过滤除电光开关调光屏2表面漫射发出的光线之外的其他杂散光，以保证图像采集系统7能准确捕获投影空间位置关系。图像采集系统7在白点每移动一个像素就实时捕获一幅图像，分析获得的图像中白点的位置，通过几何关系计算出白点在电光开关调光屏2上的实际位置坐标(X₁,Y₁)，如图5所示，并与二维显示单元阵列4中白点的坐标(X₀,Y₀)建立映射关系。这样当二维显示单元阵列4上所有的像素点都被扫描过后，图像采集系统7捕获的区域内的所有白点的实际位置(X₁,Y₁)都映射到二维显示单元阵列4上相应的(X₀, Y₀)，这样就完成定标。

定标完成之后，在系统参数不改变的情况下即可根据已经获得的映射关系生成图像而无需再次定标。将最终要显示的三维模型或场景缩放至系统可以显示的范围大小，将模型根据空间映射关系映射到弧形定向散射屏3上，然后根据(X₁,Y₁)与(X₀,Y₀)的映射关系映射到二维显示单元阵列4上，最终可以得到整个二维显示单元阵列4需要显示的图像。只要在二维显示单元阵列4上显示最终校正过的图像，并接通电光开关调光屏2的电源，在观察区域就可以看到三维模型或场景。

虽然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和实施例，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 (6)

1.基于模块化拼接的空间三维显示装置，其特征在于所述的三维显示装置包括多个沿同心圆弧布置呈模块化拼接的投影三维显示单元（1）、电光开关调光屏（2）和弧形定向散射屏（3），其中，投影三维显示单元（1）包括依次设置的二维显示单元阵列（4）、透镜阵列（5）和孔阑阵列（6），图像采集系统（7）设置于二维显示单元阵列（4）上方并保证对准电光开关调光屏（2）拍摄，计算机（8）分别与图像采集系统（7）和二维显示单元阵列（4）相连接；所有投影显示单元（1）中所有显示单元显示的图像通过对应的透镜阵列（5）、孔阑阵列（6）均投影到电光开关调光屏（2）和弧形定向散射屏（3）圆心O点处成像。

2.根据权利要求1所述的基于模块化拼接的空间三维显示装置，其特征在于所述的二维显示单元阵列（4）是单个二维显示器或多个二维显示器组成的阵列，其中，二维显示器是LCD、LCOS、PDP、LED、CRT、OLED或投影机。

3.根据权利要求1所述的基于模块化拼接的空间三维显示装置，其特征在于所述的电光开关调光屏（2）是PDLC屏。

4.根据权利要求1所述的基于模块化拼接的空间三维显示装置，其特征在于所述的图像采集系统（7）是CCD或CMOS拍摄器件。

5.一种使用如权利要求1所述装置的基于模块化拼接的空间三维显示校正方法，其特征在于方法的步骤如下：

1)每个投影显示单元（1）中的图像采集系统（7）均设置于二维显示单元阵列（4）上方系统对称中心线上，并对准电光开关调光屏（2）拍摄；

2)电光开关调光屏（2）断开电源，呈现不透光的漫射特性；

3)二维显示单元阵列（4）中的显示单元显示一个坐标点（X₀,Y₀），该坐标点透过成像系统会在电光开关调光屏（2）上投射出一个漫射亮斑；

4)图像采集系统（7）捕获电光开关调光屏（2）的漫射亮斑，分别记录下捕获的漫射亮斑在二维图像显示单元阵列（4）中的坐标点信息（X₀,Y₀）和在图像采集系统（7）中的坐标点信息（X₁,Y₁），送入计算机（8）生成相应的映射关系；循环扫描记录坐标点映射信息直至二维显示单元阵列（4）中的显示单元所有显示点扫描结束； 

5)计算机（8）获取三维显示所要呈现各视角的原始图像，根据映射关系进行从坐标点（X₁,Y₁）到（X₀,Y₀）的变化，对所要呈现三维物体相应视角在二维显示单元阵列（4）中的图像进行预校正；

6)所有投影显示单元（1）校正完成之后，电光开关调光屏（2）接通电源，呈现透明透光的特性，相当于仅有弧形定向散射屏（3）起作用，每个投影显示单元（1）中的计算机（8）都将预校正后的图像送入二维显示单元阵列（4）中相应显示单元并经过透镜阵列（5）、孔阑阵列（6）和弧形定向散射屏（3）作用实现空间三维显示成像。

6.根据权利要求5所述的基于模块化拼接的空间三维显示校正方法，其特征在于所述的方法在多屏拼接的结构下是每个投影显示单元（1）中的图像采集系统（7）顺次拍摄电光开关调光屏（2）的对应部分校正，或同时拍摄校正。

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