CN102692805B - 基于多层液晶的投影式三维显示装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多层液晶的投影式三维显示装置，所述三维显示装置包括沿光路方向依次设置的背光照明系统、多层液晶显示面板、透镜阵列及定向散射屏，以及分别与每层液晶显示面板相连的控制器。本发明同时公开的三维显示方法是将需要显示的三维场景解析成投影图像，组合成显示图像分别送入每层液晶显示面板，多层液晶显示面板像素信息的乘积作为投影显示的图像源并通过相应透镜对定向散射屏汇聚投影，成像于空间指定位置。本发明利用多层液晶显示面板像素信息的叠加，实现高分辨率三维显示。

Description

基于多层液晶的投影式三维显示装置和方法

技术领域

本发明涉及三维显示技术领域，特别是一种基于多层液晶的投影式三维显示装置和方法。

背景技术

三维显示技术以其逼真地提供立体信息而深受人们欢迎，近年来学术界和工业界都对能产生深度信息的三维显示技术进行了巨大投入。现有商业化的三维显示技术主要为基于左右眼视差图像的体视三维显示技术，这种技术能产生较高分辨率的视差图像，但是过高的观赏要求和徒增索然的辅助眼镜限制了其发展，基于障栅式或柱镜式的多视角自体视三维显示技术成为目前裸眼三维显示研究的重点。得益于二维显示单元阵列的迅猛发展，通过二维显示单元阵列配合模块化的光学元件构造裸眼三维显示装置成为一种具有集成化、模块化优势的显示技术，但是由于受到其成像原理和系统结构的限制，现有技术只能提供有限的视角数和有限的深度范围，不能满足人们对视觉享受的更高的分辨率、更细腻的视角间隔、更广的观察范围和深度信息的要求。通常情况下，基于二维显示单元阵列和光学元件阵列的投影式裸眼三维显示装置，其图像显示单元硬件结构是固定，二维显示单元阵列往往只具有单层显示的信息量，由此，最佳成像区域的显示空间信息是非常有限的。例如公开号为CN102231044A，公开了名称为“基于多屏拼接的体视三维显示装置”的中国专利申请，其采用二维显示单元阵列像素区域分割的方式并保证显示器阵列的每一块显示区域都与正前方的一个投影镜头和孔阑构成一台投影机，所有投影机在纵向上错位排列并把其对应显示区域的预想投影到定向散射屏同一位置以在弧形屏幕前方成像，该发明能在很大视角范围内实现横向视差的三维立体。

另一方面，多视角拼接的显示方案无法在兼顾显示图像分辨率的同时保证视角过渡的连续，即往往不能同时提供双目视差和运动视差，对于多人同时观看的裸眼三维显示技术而言，提高显示空间分辨率尤为重要。分辨率和视角数可以通过增加信息量在一定程度上得到弥补，因此寻求一种在现有技术条件下实现具有更大深度的显示范围成为裸眼三维显示技术发展的重点研究方向。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的显示空间分辨率有限、角度分辨率有限等一系列显示效果问题，提出一种基于多层液晶的投影式三维显示装置和方法。

本发明提供的一种基于多层液晶的投影式三维显示装置，所述三维显示装置包括沿光路方向依次设置的背光照明系统、液晶显示面板阵列、透镜阵列及定向散射屏，与所述液晶显示面板阵列相连有控制器。

其中，所述液晶显示面板阵列包括至少2层液晶显示面板，所述控制器与每层液晶显示面板相连。所述控制器用于用于对三维场景进行三维空间描述，根据观察视点和成像位置信息计算各液晶显示面板对应的像素信息，将像素信息组合成显示图像分别送入对应的液晶显示面板，作为投影显示的图像源。

进一步地，所述的透镜阵列是多个单透镜，或透镜组组成的阵列，或多个单透镜与一个大透镜的组合。所述的定向散射屏是在横向或纵向具有特定散射角度要求的屏幕结构，其形状是平面或弧面的。

本发明还提供了一种基于多层液晶的投影式三维显示方法，所述多层液晶为包括至少两层液晶显示面板的液晶显示阵列，所述显示方法包含如下步骤：

（1）确定要显示的三维场景在空间的成像位置；

（2）根据三维场景在空间的成像位置和观察视点位置，确定各层液晶显示面板对应的像素信息；

（3）将所述像素信息组合成显示图像分别送入对应的液晶显示面板，作为投影显示的图像源；

（4）各层液晶显示面板的显示图像叠加后通过对应的透镜阵列投影到定向散射屏另一侧成像。

进一步地，所述步骤（2）包括：

（2.1）将被显示的三维场景进行三维立体空间描述；

（2.2）从观察视点追迹光路通过三维场景成像位置及相应透镜到达各层液晶显示面板，确定每层液晶显示面板对应的像素信息；

（2.3）遍历所有观察视点位置完成光路追迹，计算每层液晶显示面板的所有像素信息。

本发明的主要优点在于提出了一种可以有效增加三维显示总信息量的基于多层液晶的投影式三维显示装置及方法。它包括具备较高拓展性的多层液晶显示面板、透镜阵列及定向散射屏，其优势在于可以在保证系统紧凑结构的基础上通过多层液晶显示面板像素透过率的有效组合，从而增加信息量，实现显示空间分辨率和角度分辨率的大幅提升，可广泛用于基于多投影显示或分时显示拼接原理的三维显示应用。

附图说明

图1是本发明基于多层液晶的投影式三维显示装置结构示意图；

图2是本发明透镜阵列示意图；

图3是任一视点位置观看到的拼接图像示意图。

具体实施方式

以下结合附图，结合具体实施例来对本发明作进一步的阐述。

如图1所示，一种基于多层液晶的投影式三维显示装置包括沿光路方向依次设置的背光照明系统1、由第一液晶显示面板2、第二液晶显示面板3、第三液晶显示面板4组成的液晶显示面板阵列8、透镜阵列5及定向散射屏6，所有液晶显示面板显示的图像信息叠加后通过对应的透镜阵列5投影到定向散射屏6另一侧成像，控制器7分别与第一液晶显示面板2、第二液晶显示面板3、第三液晶显示面板4相连接。

需要说明的是，本发明的液晶显示面板阵列8包括至少2层液晶显示面板，也可以为三层或更多层，层数越多总信息量越大，在实际应用中考虑系统的复杂性，同时保证系统紧凑结构，通常选择2-5层液晶显示面板。本实施例采用三层液晶显示面板为例来对本发明进行具体的阐述。

具体地，透镜阵列5是由多个单透镜，或透镜组组成的阵列，或多个单透镜与一个大透镜的组合，如图2所示。定向散射屏6是在横向或纵向具有特定散射角度要求的屏幕结构，其形状是平面或弧面的。

控制器7与每层液晶显示面板相连，用于对三维场景进行三维空间描述，根据观察视点和成像位置信息计算各液晶显示面板对应的像素信息，将像素信息组合成显示图像分别送入对应的液晶显示面板，作为投影显示的图像源。

本实施例在任何一个视点位置观看到的图像都是由若干条竖条图像拼接而成，如图3所示。

以图1所示的三维显示装置为例，本发明还提供了一种基于多层液晶的投影式三维显示方法，包含如下步骤：

1)确定要显示三维场景在空间的成像位置。

2)根据三维场景在空间的成像位置和观察视点位置，确定每层液晶显示面板对应的像素信息。

具体地，将被显示的三维场景进行三维立体空间描述，如图1所示，成像位置信息包括成像区域的大小和深度位置信息，从观察视点V1追迹光路通过三维场景成像位置A及相应透镜到达各层液晶显示面板，确定每层液晶显示面板相应像素，记为LA1、LA2、LA3，则该观察视点V1观看到成像位置A的信息P(V1,A)均由每层液晶显示面板对应像素的透过率信息相乘决定，记为P(V1,A)=LA1*LA2*LA3，该观察视点V1观察其他成像位置（如B）的信息获取方法同理可知；对于观察视点V2观察成像位置B、C的信息获取方法也同样同理可知，这里不再赘述。

遍历所有观察视点位置完成光路追迹，可获得若干关系式P(Vi,j)=Li1(x,y)*Li2(x,y)*Li3(x,y)，i、j分别表示观察视点位置及成像位置，(x,y)表示该i、j对应的液晶显示面板像素在相应液晶显示面板上的位置信息，根据系统设计的成像位置信息计算每层液晶显示面板所有像素信息，求解相应Li1(x,y)、Li2(x,y)、Li3(x,y)。

3）将各液晶显示面板像素信息组合成显示图像分别送入对应的液晶显示面板，作为投影显示的图像源。

4）各层液晶显示面板显示图像叠加后通过对应的透镜阵列投影到定向散射屏另一侧成像。

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 (5)

1.一种基于多层液晶的投影式三维显示装置，其特征在于：所述三维显示装置包括沿光路方向依次设置的背光照明系统、液晶显示面板阵列、透镜阵列及定向散射屏，与所述液晶显示面板阵列相连有控制器；

所述液晶显示面板阵列包括至少两层液晶显示面板，所述控制器与每层液晶显示面板相连；

所述控制器用于对三维场景进行三维空间描述，根据观察视点和成像位置信息计算各液晶显示面板对应的像素信息，将像素信息组合成显示图像分别送入对应的液晶显示面板，作为投影显示的图像源。

2.根据权利要求1所述的基于多层液晶的投影式三维显示装置，其特征在于：所述的透镜阵列是多个单透镜组成的阵列。

3.根据权利要求1所述的基于多层液晶的投影式三维显示装置，其特征在于：所述的定向散射屏是在横向或纵向上具有特定散射角度要求的屏幕结构，其形状是平面或弧面的。

4.一种基于多层液晶的投影式三维显示方法，其特征在于，所述多层液晶为包括至少两层液晶显示面板的液晶显示阵列，所述显示方法包含如下步骤：

(1)确定要显示的三维场景在空间的成像位置；

(2)根据三维场景在空间的成像位置和观察视点位置，确定各层液晶显示面板对应的像素信息；

(3)将所述像素信息组合成显示图像分别送入对应的液晶显示面板，作为投影显示的图像源；

(4)各层液晶显示面板的显示图像叠加后通过对应的透镜阵列投影到定向散射屏另一侧成像，所述的另一侧为透镜阵列相对于定向散射屏的相反侧。

5.如权利要求4所述的三维显示方法，其特征在于，所述步骤(2)包括：

(2.1)将被显示的三维场景进行三维立体空间描述；

(2.2)从观察视点追迹光路通过三维场景成像位置及相应透镜到达各层液晶显示面板，确定每层液晶显示面板对应的像素信息；

(2.3)遍历所有观察视点位置完成光路追迹，计算每层液晶显示面板的所有像素信息。