CN103048866A - 基于平面显示器的悬浮式360°光场三维显示装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于平面显示器的悬浮式360°光场三维显示装置，包括：依次放置的平面显示器阵列、第一透镜组阵列、第二透镜与散射屏，其中平面显示器阵列由若干平面显示器拼接而成，每个平面显示器用于显示三维对象一周360°各子图像的其中一部分，即一个子图像序列，平面显示器阵列显示的图像序列中各子图像、第一透镜组阵列中各第一透镜组以及观察区的各视点一一对应。观察者在一个视点只能看到一个子图像。通过控制平面显示器阵列显示的子图像个数、整个系统的光轴倾角、散射屏的散射角度等参数，使观察者在观察区内双眼处于不同视点处，从而观察到平面显示器阵列上显示的两个不同子图像而产生双目视差，达到观看立体三维场景的效果。

Description

基于平面显示器的悬浮式360°光场三维显示装置和方法

技术领域

本发明涉及一种三维显示装置，特别涉及一种基于平面显示器的悬浮式360°光场三维显示装置以及显示方法。

背景技术

显示技术正朝着高清晰、三维全景显示的方向发展。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，使其自然或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，目前仅适用于静态图像的摄取和显示。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，然后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。

公布号为“CN102183873A”的专利文献公开了一种基于高速投影机的悬浮式360°视场空间三维显示装置，该装置包括偏折型散射屏、高速投影机、图像发生器、探测模块、电机和传动机构。高速投影机将三维物体360°全景视场的组合图像投影到高速旋转的偏折型散射屏上。偏折型散射屏可控制出射光的垂直偏折角度和水平发散角度，使观察者的双眼观察到不同视角的图像，实现显示的三维物体悬浮在偏折型散射屏的上方。装置中具有旋转件，在系统搭建、装置各部分校准时实现难度很大。

公布号为“CN102169283A”的专利文献公开了一种基于投影机阵列的悬浮式360°视场三维显示装置，该装置包括平面环型散射屏、投影机阵列、图像分割器和计算机。计算机对三维模型进行处理，通过图像分割器进行图像分配，并将图像阵列传入投影机阵列。投影机阵列将传入的三维物体水平360°全景视场的组合图像阵列投影到平面环型散射屏上。平面环型散射屏可控制出射光线的发散角度使得观察者的左右眼看到不同视角的图像，实现显示的三维物体悬浮在平面环型散射屏的上方。该装置每个投影机显示的图像对应多个视点，所以在图像数据处理方面较为繁琐，而观察者在不同视点间移动时观察到的三维图像会有跳变，并且由于投影机个数与视点个数相等因此需要使用大量投影机，系统的成本很高。

发明内容

本发明的主要目的在于构建一种低成本、易拼装的可周视悬浮三维显示装置。

一种基于平面显示器的悬浮式360°光场三维显示装置，包括：

平面显示器阵列，由若干个平面显示器拼接组成，每个显示器用于显示一子图像序列，一个子图像序列由若干子图像组成；

第一透镜组阵列，包含有与各平面显示器中各子图像一一对应的若干第一透镜组；

第二透镜，布置在所述各子图像通过第一透镜组阵列的成像位置；

散射屏，采用固定安装方式，用于将来自第二透镜的出射光线投射至指定区域，完成所有子图像的拼接。

一种基于平面显示器的悬浮式360°光场三维显示装置的三维显示方法，包括以下过程：

a.在环绕三维对象的每个视点位置对应的采集各子图像；每一子图像对应一个视点，摄像机的每个拍摄位置对应观察者的一个观察角度；

b.利用平面显示器阵列中的每个平面显示器显示一子图像序列；

c.各子图像依次经对应的第一透镜组以及第二透镜投射至散射屏；

d.散射屏将来自第二透镜的出射光线按照各子图像与三维对象的关系投射至指定区域，完成所有子图像的拼接。

具体的，由计算机根据子图像的个数、平面显示器的尺寸和排布方式等参数，将三维对象一周的各子图像组合成供显示器显示的子图像序列并传入平面显示器阵列以显示，摄像机拍摄得到的图像中每个子图像与平面显示器阵列显示的图像序列中的每个子图像一一对应。平面显示器阵列显示的各子图像与第一透镜组阵列中的各第一透镜组一一对应，子图像经其对应的第一透镜组放大成像至第二透镜所在的平面上。第一透镜组阵列中各第一透镜组通过第二透镜成像至人眼观察位置。各光学部件的相对位置为：平面显示器阵列与第一透镜组阵列的纵向距离L₁、第一透镜组阵列与第二透镜的纵向距离L、第一透镜组阵列中各透镜组的焦距f₁满足1/L₁+1/L＝1/f₁；第一透镜组阵列与第二透镜的纵向距离L、第二透镜与散射屏所投射的各子图像的拼接成像区的纵向距离L₂、第二透镜的焦距f满足：1/L+1/L₂＝1/f。因此，观察者在各视点看到的子图像与平面显示器阵列显示的图像序列中的各子图像以及第一透镜组阵列中各第一透镜组一一对应，即观察者在一个视点只能看到一个子图像。通过控制平面显示器阵列显示的子图像个数、整个系统的光轴倾角、散射屏的散射角度等参数，使观察者在观察区内双眼处于不同视点处，从而观察到平面显示器阵列上显示的两个不同子图像而产生双目视差，达到观看立体三维场景的效果。

所述的平面显示器为液晶显示器、等离子显示板、阴极射线管显示器、发光二极管显示屏或有机发光显示器。使用投影机代替所述的平面显示器也可实现本发明目的，但是成本相对较高。

360°全息三维显示装置可以显示三维对象360°一周的像，现有技术中通过转动部件获得一周的图像，采用转动部件不仅成本高、不易安装而且观察者在不同视点间移动时观察到的三维图像会有跳变，本发明采用多个平面显示器显示三维对象一周各子图像，并通过与各子图像一一对应的第一透镜组将三维对象一周的各子图像同时输入三维显示装置并最终通过散射屏控制光线方向实现各子图像的无缝拼接。

作为优选方案，所述的平面显示器阵列中各平面显示器显示的各子图像采用多排错位环状排布。显示图像的环状区域切向方向上相邻的图像对于圆心的角度间隔相等或相近，而且各排子图像尺寸相近，使用多排错位排列可以提高三维显示区内三维图像的角分辨率。

本发明的基于平面显示器的悬浮式360°光场三维显示装置中的第一透镜组阵列中各第一透镜组的作用在于：将与其对应的的子图像进行放大，为有效放大各子图像，所述的第一透镜组阵列中的每个第一透镜组至少由一个透镜组成。

作为优选方案，所述的第一透镜组阵列中的各第一透镜组呈环形排布，便于实现各子图像的无缝拼接。

本发明的基于平面显示器的悬浮式360°光场三维显示装置中的第二透镜起转折光路的作用，作为优选，所述的第二透镜为单片菲涅尔透镜或由两片相同菲涅尔透镜胶合而成的透镜组。

优选的，所述的散射屏在以其中心为圆心的圆切向方向的散射角为0-5°，径向方向散射角大于60°。切向散射角越大，观察者在一个视点上观察到一个子图像的切向宽度越大，更容易实现观察者在观察区内双眼处于不同视点处，从而观察到平面显示器阵列上显示的两个不同子图像而产生双目视差，达到观看立体三维场景的效果，但是切向方向散射角过大会导致相邻两子图像串扰。径向散射角越大，观察者在一个视点上观察到的子图像径向宽度越大，径向散射角大于60°可实现多排错位环状排布的子图像的拼接。

本发明的悬浮式360°光场三维显示装置，主要组成部分是由平面显示器组合而成的平面显示器阵列，显示区域的每一个子图像对应一个视点，整个装置无旋转件。周围的观察者可观察到拥有高图像分辨率、高视角分辨率的三维图像，细腻的视角间隔，给观察者带来连续无跳变的三维感知，克服了传统三维显示技术的缺点。本发明的基于平面显示器的悬浮式360°光场三维显示装置设计可以广泛应用于军事沙盘推演、医学模拟、圆桌会议、楼盘销售演示等领域。

附图说明

图1为本发明悬浮式360°光场三维显示装置的三维示意图；

图2为本发明悬浮式360°光场三维显示装置的俯视结构图；

图3为针对三维对象的子图像采集原理图；

图4为本发明悬浮式360°光场三维显示装置的工作原理图；

图5(a)为平面显示器阵列及其显示图像的一种排布方式的示意图；

图5(b)为平面显示器阵列及其显示图像的另一种排布方式的示意图；

图6(a)为散射屏结构示意图；图中，n表示以散射屏中心为圆心的圆的径向方向，t表示以散射屏中心为圆心的圆的切线方向，z表示分别与n、t垂直的方向；

图6(b)为散射屏径向方向光学特性示意图；

图6(c)为散射屏切向方向光学特性示意图。

具体实施方式

如图1，图2所示，本实施例的基于平面显示器的悬浮式360°光场三维显示装置包括平面显示器阵列1、第一透镜组阵列2、第二透镜3、散射屏4。

其中，本实施例的平面显示器阵列1，如图5所示，由多个平面显示器排列组成。平面显示器为液晶显示器(LCD)、等离子显示板(PDP)、阴极射线管显示器(CRT)、发光二极管显示屏(LED)或有机发光显示器(OLED)。图5(a)、图5(b)中，阴影区域是图像显示区域，由与各视点相对应的子图像构成，如图所示，图像显示区域的特点是呈环状分布，以提供360°多视角显示。平面显示器所显示的子图像按照视点间隔进行排布，采用多排错位环状排布，其特点是在显示图像的环状区域切向方向上相邻的图像对于圆心的角度间隔相等或相近，而且各排子图像尺寸相近，可以提高三维显示区内的三维图像的角分辨率，使观察者产生双目视差。

第一透镜组阵列2，包含有与各平面显示器显示的各子图像一一对应的若干第一透镜组，构成第一透镜组阵列2的各第一透镜组呈环状分布，为图2中竖线阴影区域。

第二透镜3，布置在各子图像通过第一透镜组阵列2的成像位置，即：各子图像通过第一透镜组阵列2成像至第二透镜3上；每个第一透镜组通过第二透镜3所成的像对应一个视点位置。各子图像通过各第一透镜组成像至第二透镜3上构成空间三维图像显示区6。空间三维图像显示区6在散射屏4的边缘的内部，为图2中斜线阴影区域。

散射屏4，采用固定安装方式，通过对第二透镜3的出射光线进行方向控制，使各出射图像无缝拼接在一起，各出射图像分布的区域即为观察区5。如图6(a)、图6(b)、图6(c)所示，散射屏4为二向透射散射特性屏幕，具有在以其中心为圆心的圆形的切向方向上对照射其上的光束按照透射关系透射，而在径向方向上按照一定的散射(漫射)方式在一定角度范围实现均匀散射。其切向方向的发散角与视点间隔分布相配合。该二向透射散射特性屏可用特殊设计的微光学结构来实现，如：同心圆环光栅结构，圆环的宽度决定径向方向散射角度的大小，切向方向由于没有调制，光束依然按照透射规律传播。也可以制备全息散射屏，使得全息屏在中心为圆心的圆形的切向方向上不散射而在径向方向散射来实现。对于本套系统，所述的定向透射散射屏在其中心为圆心的圆形的径向方向上散射角最好大于60°。

整个系统的孔径光阑为第一透镜组阵列2的各第一透镜组，各第一透镜组通过第二透镜3所成的像为出瞳，所在位置即视点。本实施例的各光学部件的相对位置关系为：平面显示器阵列与第一透镜组阵列的纵向距离L₁、第一透镜组阵列与第二透镜的纵向距离L、第一透镜组阵列中各透镜组的焦距f₁满足1/L₁+1/L＝1/f₁；第一透镜组阵列与第二透镜的纵向距离L、第二透镜与散射屏所投射的各子图像的拼接成像区的纵向距离L₂、第二透镜的焦距f满足：1/L+1/L₂＝1/f。

如图4所示，本实施例的基于平面显示器的悬浮式360°光场三维显示方法为：子图像a通过第一透镜组a成像至第二透镜3所在平面，第一透镜组a通过第二透镜3和散射屏4成像至人眼观察的位置，即视点a，观察者在视点a处可以看到图像a。综上所述，平面显示器阵列1显示的图像序列中各子图像、第一透镜组阵列2中各第一透镜组以及观察区5的各视点一一对应。同理，观察者在视点b处可以看到图像b，在视点c处可以看到图像c，依此类推，观察者在每个视点可以看到一个相应的子图像。通过散射屏4对照射在其上的光线在以屏幕中心为圆心的圆形径向方向上实现大角度均匀散射，第一透镜组阵列2的各出瞳可以无缝拼接在一起构成观察区5。通过控制平面显示器阵列1显示的子图像个数、整个系统的光轴倾角、散射屏4的散射角度等参数，可以使观察者在观察区5内双眼处于不同视点处，从而观察到平面显示器阵列1上显示的两个不同子图像而产生双目视差，达到观看立体三维场景的效果。

Claims (9)

1.一种基于平面显示器的悬浮式360°光场三维显示装置，其特征在于，包括：

平面显示器阵列(1)，由若干个平面显示器拼接组成，每个显示器用于显示一子图像序列，一个子图像序列由若干子图像组成；

第一透镜组阵列(2)，包含有与各平面显示器中的各子图像一一对应的若干第一透镜组；

第二透镜(3)，布置在所述各子图像通过第一透镜组阵列(2)的成像位置；

散射屏(4)，采用固定安装方式，用于将来自第二透镜(3)的出射光线投射至指定区域，完成所有子图像的拼接。

2.如权利要求1所述的基于平面显示器的悬浮式360°光场三维显示装置，其特征在于，所述的平面显示器为液晶显示器、等离子显示板、阴极射线管显示器、发光二极管显示屏或有机发光显示器。

3.如权利要求1所述的基于平面显示器的悬浮式360°光场三维显示装置，其特征在于，所述的平面显示器阵列(1)中各子图像采用多排错位环状排布。

4.如权利要求1所述的基于平面显示器的悬浮式360°光场三维显示装置，其特征在于，所述的第一透镜组阵列(2)中的每个第一透镜组由至少一个透镜组成。

5.如权利要求3所述的基于平面显示器的悬浮式360°光场三维显示装置，其特征在于，所述的第一透镜组阵列(2)中的各第一透镜组环形排布。

6.如权利要求1所述的基于平面显示器的悬浮式360°光场三维显示装置，其特征在于，所述的第二透镜(3)为单片菲涅尔透镜或由两片相同菲涅尔透镜胶合而成的透镜组。

7.如权利要求1-6任一项所述的基于平面显示器的悬浮式360°光场三维显示装置，其特征在于，所述的散射屏(4)在以其中心为圆心的圆切向方向的散射角为0-5°，径向方向散射角大于60°。

8.如权利要求7所述的基于平面显示器的悬浮式360°光场三维显示装置，其特征在于，所述平面显示器阵列(1)、第一透镜组阵列(2)以及第二透镜(3)沿纵向由下至上的依次排布，且同时满足：

1/L₁+1/L＝1/f₁和1/L+1/L₂＝1/f；

其中：

L₁为平面显示器阵列(1)与第一透镜组阵列(2)的纵向距离；

L为第一透镜组阵列(2)与第二透镜(3)的纵向距离；

L₂为第二透镜(3)与散射屏(4)所投射的各子图像的拼接成像区的纵向距离；

f₁为第一透镜组阵列(2)中各透镜组的焦距；

f为第二透镜的焦距。

9.一种利用如权利要求1所述悬浮式360°光场三维显示装置的三维显示方法，包括以下过程：

a.在环绕三维对象的每个视点位置对应采集各子图像；

b.利用平面显示器阵列(1)中的各平面显示器显示各子图像；

c.各子图像依次经对应的第一透镜组(2)以及第二透镜(3)投射至散射屏(4)；

d.散射屏(4)将来自第二透镜(3)的出射光线按照各子图像与三维对象的关系投射至指定区域，完成所有子图像的拼接。

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