CN102591123A - 一种实时三维显示装置及显示方法 - Google Patents

Abstract

一种实时三维显示装置和显示方法，该显示装置利用CCD或者CMOS对真实物体的全息图像进行摄取记录，然后将记录下来的数字信号传输给具有专门图形专利软件的图像处理装置，通过对该全息图形的计算处理生成能够驱动DMD进行显示的驱动信号，再通过该DMD进行投影显示，从而实现真正意义上的实时三维再现技术。与现有技术相比，本发明能够将三维现实世界物体全息记录与再现同步进行，可以进行实时动态观察；并且用图像处理装置进行非位相调制，并采用DMD芯片进行再现，降低了装置复杂性并节约了成本。

Description

一种实时三维显示装置及显示方法

技术领域

本发明涉及一种实时三维显示技术，尤其是一种非位相调制实时动态三维物体显示技术。

背景技术

包括立体电影，立体电视在内的新一代三维显示技术是未来的发展趋势，在日常家庭生活以及商业领域有着及其重要的研究价值和庞大的市场前景。目前采用全息技术实现物体三维可视化的主要思路有两种：一种是采用计算机生成全息图，再使用空间光调制器件进行再现。优点是只需知道物体具体的函数，理论上即可模拟出物体的计算全息图。缺点无法模拟现实世界存在的三维物体，且生成全息图的计算量巨大。另外一种是采用CCD或者CMOS记录现实世界三维物体的全息图，再使用液晶空间光调制器再现。但是由于现实世界三维物体形成的物光场是复杂的散斑场，若不使用衍射效率较高的位相型液晶空间光调制器，就难以实现实时动态观察。

因此，有必要提出一种新的三维实时再现技术，以克服现有的两种方法的缺陷。

发明内容

有鉴于此，本发明的一个目的在于提出一种实时三维显示装置，该实时三维显示装置无需采用相位调制就能实现对真实物体的三维再现成像，从而大大节省了计算时间，使实时三维显示技术成为可能。同时本发明还提出一种运用上述显示装置进行实时三维再现的显示方法。

根据本发明的目的提出的一种实时三维显示装置，用于拍摄一真实物体并实时再现该真实物体的三维影像，包括：

全息摄像装置，包括全息干涉光路和影像摄取装置，所述全息干涉光路包括用于产生物光的第一光路和用于产生参考光的第二光路，所述物光经该真实物体反射后与所述参考光形成干涉图像，该干涉图像通过一合束棱镜后被所述影像摄取装置记录；

计算处理装置，包括图像处理装置和中央处理器，所述图像处理装置连接所述影像摄取装置并对该影像摄取装置记录的影像进行图像处理，所述中央处理器设有一VGA接口，该中央处理器按照所述图像处理装置的处理结果，生成一图像显示信号并通过所述VGA接口输出；

图像再现装置，包括数字微镜元件、再现光路和散射观察屏，所述数字微镜元件接收所述VGA接口输出的图像显示信息并形成显示图像，所述再现光路为所述数字微镜元件的显示图像提供投射光，并在所述散射观察屏上形成投影图像，以及

光源和分束器，该光源发出的光经该分光器后分成三束光，该三束光分别进入第一光路、第二光路和再现光路。

优选的，所述影像摄取装置为CCD或CMOS中的一种。

优选的，所述图形处理装置为图形处理器，该图形处理器与中央处理器集成于一个人计算机上。

优选的，所述图形处理装置为数字信号处理器，该数字信号处理器外接于一个人计算机上。

优选的，所述图形处理装置对所述影像摄取装置记录的影像进行图像处理时，依据一空域滤波处理算法编程而成的图形处理程序。

优选的，所述计算处理装置还包括显示装置和信号分离器，所述信号分离器连接所述VGA接口并将该VGA接口输出的图像显示信息分成两份，一份传输给所述显示装置，一份传输给所述数字微镜元件。

优选的，在所述数字微镜元件和所述散射观察屏之间还设有投影透镜组该投影透镜组调节显示图像的位置。

根据本发明的另一目的提出的一种实时三维显示方法，利用上述的显示装置实现，其特征在于包括：

利用所述全息摄像装置摄取一真实物体的全息图像，并形成数字信号；

利用所述计算处理装置对上述全息图像的数字信号进行图像处理，形成一图像显示信息；

利用所述图像再现装置接收所述图像显示信息，并在所述数字微镜元件中形成显示图像；

利用该图像再现装置中的再现光路将所述数字微镜元件中形成的显示图像投射到所述散射观察屏上，形成该真实物体的实时三维影像。

优选的，所述所述计算处理装置对所述全息图像的数字信号进行处理时，依据一图像滤波处理算法编程而成的图形处理程序。

本发明的显示装置利用CCD或者CMOS代替全息成像中的干板，对真实物体的全息图像进行摄取记录，然后将记录下来的数字信号传输给具有专门图形专利软件的图像处理装置，通过对该全息图形的计算处理生成能够驱动DMD进行显示的驱动信号，再通过该DMD进行投影显示，从而实现真正意义上的实时三维再现技术。

本发明的技术效果在于：

三维现实世界物体全息记录与再现同步进行，可以进行实时动态观察。

用图像处理装置进行非位相调制，并采用价格低廉的DMD芯片进行再现，大大节约了成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的实时三维显示装置的模块示意图

图2是本发明的第一实施方式的实时三维显示装置的结构示意图。

图3是本发明的第二实施方式的实时三维显示装置的结构示意图。

图4是本发明进行实时三维显示的方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明。

请参见图1，图1是本发明的实时三维显示装置的模块示意图。如图所示，本发明的三维显示装置包括全息摄像装置110、计算处理装置120、图像再现装置130三个模块和一外部光源(图中未示出)组成。

其中该三维物体数字全息摄像装置110包括全息干涉光路和影像摄取装置，所述全息干涉光路包括用于产生物光的第一光路和用于产生参考光的第二光路，所述物光经该真实物体反射后与所述参考光形成干涉图像，该干涉图像通过一合束棱镜后被所述影像摄取装置记录；

计算处理装置120，包括图像处理装置和中央处理器，所述图像处理装置连接所述影像摄取装置并对该影像摄取装置记录的影像进行图像处理，所述中央处理器设有一VGA接口，该中央处理器按照所述图像处理装置的处理结果，生成一图像显示信号并通过所述VGA接口输出；

图像再现装置130，包括数字微镜元件、再现光路和散射观察屏，所述数字微镜元件接收所述VGA接口输出的图像显示信息并形成显示图像，所述再现光路为所述数字微镜元件的显示图像提供投射光，并在所述散射观察屏上形成投影图像，以及

所述光源进一步包括一分束器，该光源发出的光经该分光器后分成三束光，该三束光分别进入第一光路、第二光路和再现光路。

请参见图2，图2为本发明第一实施方式的实时三维显示装置的结构示意图。在该实施方式中，各个导光光路通过光学透镜组组成。如图所示，光源1为激光器，该光源1发出的光经过多个分光器2后被分成了三束，该三束光中两束进入全息摄像装置中，用以形成全息拍摄。另外一束进入图像再现装置中，用以形成投影光源。

第一光路设有扩束镜3、针孔滤波器4、准直透镜5和反射镜6，由光源1分出的一束光进入该第一光路后，先经过扩束镜3扩束，再经过针孔滤波器4过滤，然后通过准直透镜5形成平行光束后由反射镜6反射到真实物体7表面，该真实物体7经过上述光束照射后反射形成物光。第二光路中同样设有扩束镜3、针孔滤波器4、准直透镜5和反射镜6。光源1分出的另一束光在光路中经过反射镜6反射后，相对所述物光形成参考光。所述物光经该真实物体反射后与所述参考光形成干涉图像，该干涉图像通过一合束棱镜8后，被所述影像摄取装置9记录。所述影像摄取装置9为CCD或CMOS中的一种。

图像处理装置13连接所述影像摄取装置9，并对该影像摄取装置9记录的影像进行图像处理。中央处理器15按照所述图像处理装置13的处理结果，生成一图像显示信号并通过所述VGA接口16输出。

于实际应用中，所述中央处理器15和图像处理装置13可以集成在一个人计算机(PC)上，也可以是由PC和外接的图形处理设备。

在一种具体应用中，该图像处理装置13比如是图形处理器(GPU)，该中央处理器15比如是CPU。此时由影像摄取装置9摄取到的全息影像通过数字传输线后进入CPU中实施一图形处理程序，该图形处理程序是依据一图像滤波处理算法编程而成的。具体的，所述图像滤波处理算法首先对所记录的全息图采用多种不同模板的图像滤波算子(拉普拉斯算子，均值滤波算子等)然后将得出的图形与原图进行图像相减处理并进行分区域二值化处理，比较不同算子条件下的全息图衍射效率，得到最优的图形处理结果。然后通过CPU将根据该结果生成一图像显示信号，并通过VGA接口输出。

在另一种具体应用中，该图像处理装置13比如是一种数字信号处理器(DSP)，外接在PC上，由该DSP先进行图像处理，处理方式依然是按照数字图像滤波处理算法，然后将结果输出给CPU，进行下一步程序。

可选的，在该计算处理装置中，还包括显示装置14和信号分离器。所述信号分离器集成于VGA接口16上，使得VGA接口在输出信号时，可以将该信号分成两份，一份传输给图像再现装置，另一份传输给显示装置14。该显示装置14比如是液晶显示器，接收VGA接口输出的图像显示信号后，在屏幕上显示该图形。操作人员可以根据该图形的显示情况，对第一光路或第二光路进行调节，直至全息图形的效果达到最优。所述调节包括对光程，分光比，记录距离，物参光夹角以及透镜焦距等的调节。

图像再现装置，包括数字微镜元件(DMD)10、再现光路和散射观察屏12。所述DMD10接收所述VGA接口16输出的图像显示信息并形成显示图像。所述再现光路为所述DMD10的显示图像提供投射光，并在所述散射观察屏12上形成投影图像。光源1分出的其中一束光通过再现光路之后照射到DMD10之后，反射到所述散射观察屏12上形成投影图像。该再现光路中也包括扩束镜3、针孔滤波器4和准直透镜5。

优选的，在该DMD10和散射观察屏12之间还包括投影透镜组11，该投影透镜组具有调焦作用，使得DMD10投影出来的图像能够更清晰地呈现在散射观察屏12上。

请参见图3，图3是本发明第二实施方式的实时三维显示装置的结构示意图。在该实施方式中，各个导光光路通过光纤组成。如图所示，光源1发出的光经分束器2分成三束后，分别导入光纤3’、3”和3’”中，其中光纤3’即成为第一光路，通过该光纤3’导出的光照射待拍摄物体，形成物光。光纤3”即成为第二光路，通过该光纤3”到处的光形成参考光，与所述物光一起进入影像摄取装置中。光纤3’”即成为再现光路，通过该光纤3’”导出的光经过准直后照射到DMD上，形成再现图像。其余部分和第一实施方式相同，此处不再赘述。

同时，本发明还提供使用上述实时三维显示装置对真实物品进行实时三维显示的方法。请参见图4，该方法包括如下步骤：

S11：利用所述全息摄像装置摄取一真实物体的全息图像，并形成数字信号。具体操作时，首先将一真实物品放置于全息干涉光路中，通过第一光路中的光束照射该真实物品形成物光，然后与第二光路中的参考光形成干涉，并通过影像摄取装置的记录，将该真实物品的全息图像转化成数字信号进行传输。

S12：利用所述计算处理装置对上述全息图像的数字信号进行图像处理，形成一图像显示信息。具体地，该图像处理装置接收该影像摄取装置传输的数字信号后，利用根据数字图像滤波算法编程得到的计算软件对该全息图像进行计算处理，然后输出给中央处理器形成图像显示信息。

S13：利用所述图像再现装置接收所述图像显示信息，并在所述数字微镜元件中形成显示图像。具体地，该数字微镜元件根据该图像显示信息生成驱动信号，驱动该数字微镜元件进行图形显示。

S14：最后利用该图像再现装置中的再现光路将所述数字微镜元件中形成的显示图像投射到所述散射观察屏上，形成该真实物体的实时三维影像，从而完成对真实物品的实时三维显示。

综上所述，本发明提出了一种实时三维显示装置及利用该显示装置进行实时三维再现的显示方法。该显示装置利用CCD或者CMOS代替全息成像中的干板，对真实物体的全息图像进行摄取记录，然后将记录下来的数字信号传输给具有专门图形专利软件的图像处理装置，通过对该全息图形的计算处理生成能够驱动DMD进行显示的驱动信号，再通过该DMD进行投影显示，从而实现真正意义上的实时三维再现技术。本发明的技术效果在于：

三维现实世界物体全息记录与再现同步进行，可以进行实时动态观察。

用图像处理装置进行非位相调制，并采用DMD芯片进行再现，降低了装置复杂性并节约了成本。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种实时三维显示装置，用于拍摄一真实物体并实时再现该真实物体的三维影像，其特征在于包括：

全息摄像装置，包括全息干涉光路和影像摄取装置，所述全息干涉光路包括用于产生物光的第一光路和用于产生参考光的第二光路，所述物光经该真实物体反射后与所述参考光形成干涉图像，该干涉图像通过一合束棱镜后被所述影像摄取装置记录；

计算处理装置，包括图像处理装置和中央处理器，所述图像处理装置连接所述影像摄取装置并对该影像摄取装置记录的影像进行图像处理，所述中央处理器设有一VGA接口，该中央处理器按照所述图像处理装置的处理结果，生成一图像显示信号并通过所述VGA接口输出；

图像再现装置，包括数字微镜元件、再现光路和散射观察屏，所述数字微镜元件接收所述VGA接口输出的图像显示信息并形成显示图像，所述再现光路为所述数字微镜元件的显示图像提供投射光，并在所述散射观察屏上形成投影图像，以及

光源和分束器，该光源发出的光经该分光器后分成三束光，该三束光分别进入第一光路、第二光路和再现光路。

2.如权利要求1所述的三维显示装置，其特征在于：所述影像摄取装置为CCD或CMOS中的一种。

3.如权利要求1所述的三维显示装置，其特征在于：所述图形处理装置为图形处理器，该图形处理器与中央处理器集成于一个人计算机上。

4.如权利要求1所述的三维显示装置，其特征在于：所述图形处理装置为数字信号处理器，该数字信号处理器外接于一个人计算机上。

5.如权利要求1所述的三维显示装置，其特征在于：所述第一光路、第二光路、再现光路为采用光学透镜组组成的导光光路。

6.如权利要求1所述的三维显示装置，其特征在于：所述第一光路、第二光路、再现光路为采用光纤的导光光路。

7.如权利要求1所述的三维显示装置，其特征在于：所述计算处理装置还包括显示装置和信号分离器，所述信号分离器连接所述VGA接口并将该VGA接口输出的图像显示信息分成两份，一份传输给所述显示装置，一份传输给所述数字微镜元件。

8.如权利要求1所述的三维显示装置，其特征在于：在所述数字微镜元件和所述散射观察屏之间还设有投影透镜组，该投影透镜组调节该显示图像的位置。

9.一种实时三维显示方法，利用权利要求1中的显示装置实现，其特征在于包括：

利用所述全息摄像装置摄取一真实物体的全息图像，并形成数字信号；

利用所述计算处理装置对上述全息图像的数字信号进行图像处理，形成一图像显示信息；

利用所述图像再现装置接收所述图像显示信息，并在所述数字微镜元件中形成显示图像；

利用该图像再现装置中的再现光路将所述数字微镜元件中形成的显示图像投射到所述散射观察屏上，形成该真实物体的实时三维影像。

10.如权利要求9所述的实时三维显示方法，其特征在于：所述计算处理装置对所述全息图像的数字信号进行处理时，依据一图像滤波处理算法编程而成的图形处理程序。

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