CN103295260A - 一种基于旋转体三维显示器的实时体三维数据生成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于旋转体三维显示器的实时体三维数据生成方法，通过求解二维显示平面与三角面的交线，最终计算出各条交线在旋转体三维显示器中的二维LED显示屏上的二维显示坐标并获取该二维显示坐标下的显示颜色，完成三角形顶点数据流到体三维数据的转换，实现了三维图形的实时显示。本发明生成体三维数据的数据量小耗时短，能够实时地生成大量体三维数据。
Description
技术领域
本发明属于三维显示技术领域，尤其涉及一种基于旋转体三维显示器的实时体三维数据生成方法。
背景技术
人类的视觉系统赋予了人们可以准确地感知现实三维世界图像信息的能力，这使得人们的视觉追求总是趋于真实三维的再现，希望显示装置能够提供更加真实立体、自然舒适，接近于人眼实际观察的三维立体图像信息。因此，三维立体显示技术的发展引起人们的广泛关注。
现有的三维立体显示技术大致可以分为四大类：透视型三维显示、视差型三维显示、光学悬浮显示和真三维立体显示。真三维显示是一种能够实现全视角观察的三维显示技术，是现实景物的最真实的再现，是三维显示的最终目标。真三维显示技术主要包括静态体显示技术和体扫描显示技术。体扫描三维立体显示，是通过平面或曲面电子扫描与机械扫描相结合的方式构成图形学上的三维空间，实现体空间的像素扫描，利用视觉暂留效应呈现出三维原型图像。
目前，基于三维体扫描的立体显示器主要有两类，一种是采用投影技术；另一种则采用LED作为显示像素。前者的投影设备可以是激光、投影机，具有分辨率高但是亮度低，并且造价昂贵。后者通过高密度彩色LED阵列面板连续显示三维图像切面图像序列的同时，配合机械扫描绕垂直轴旋转，利用视觉暂留效应呈现出三维原型图像，成本与造价都较低，是目前体三维显示器的主要发展趋势。但是目前基于LED旋转屏的体三维显示器由于本身显示所需的数据量较大以及系统架构对处理器性能的限制，通常只能显示静态三维影像，显示效果较为单一，无法实现与用户良好的交互性。
发明内容
本发明克服了现有技术中数据处理量较大导致只能显示静态三维影像，无法实时生成动态三维影像缺乏交互性等缺陷，提出了一种基于旋转体三维显示器的实时体三维数据生成方法。
本发明提供一种基于旋转体三维显示器的实时体三维数据生成方法，包括以下步骤：步骤一：获取待显示的三维图形的三角面顶点数据流；步骤二：选取一电子帧平面，计算所述三角面顶点数据流中每个三角面与所述电子帧平面的交点；步骤三：根据所述交点获取每个三角面与所述电子帧平面的多条交线，并根据所述多条交线计算所述三维图形的二维显示坐标；步骤四：获取所述三维图形的与所述二维显示坐标相应的二维图像信息，生成所述电子帧的体三维数据；步骤五：选取下一电子帧平面重复执行所述步骤二至步骤四，直至生成所有电子帧的体三维数据为止，将所有电子帧的体三维数据生成一体帧的体三维数据。
本发明提供一种基于旋转体三维显示器的实时体三维数据生成方法，其中，步骤二中所述三角面与电子帧平面的交点以如下公式表示：
Q＝[X1，Y1，Z1]；P＝[X2，Y2，Z2]；
Tmp0＝Q(1)*sin(Theta)-Q(2)*cos(Theta)；
Tmp1＝V(1)*sin(Theta)-V(2)*cos(Theta)；
Result＝Q-(Tmp1/Tmp2)*V；
其中，Result表示交点坐标，P表示三角面中一条边线的一个顶点坐标，Q表示所述边线的的另一个顶点坐标，V表示由所述边线的两个顶点构成的向量，Theta表示电子帧平面的旋转角度，X表示三维显示坐标的X轴坐标，Y表示三维显示坐标的Y轴坐标，Z表示三维显示坐标的Z轴坐标，Tmp0表示计算过程中的中间变量；Tmp1表示计算过程中的另一个中间变量。
本发明提供一种基于旋转体三维显示器的实时体三维数据生成方法，其中，所述步骤二中，当一个三角面与所述电子帧平面平行时，跳过计算所述三角面与所述电子帧平面的交点。
本发明提供一种基于旋转体三维显示器的实时体三维数据生成方法，其中，所述步骤三中通过线性插值法或者bresenham法计算所述交点之间构成的线段的离散点的坐标作为所述交点之间的交线的坐标。
本发明提供一种基于旋转体三维显示器的实时体三维数据生成方法，其中，所述步骤三中，当所述三角面与所述电子帧平面重合时，将所述三角面上的三条边线的坐标作为所述电子帧平面上交线的坐标。
本发明提供一种基于旋转体三维显示器的实时体三维数据生成方法，其中，所述步骤三中根据交线计算二维显示坐标的过程包括：
步骤A1：将所述交线的三维笛卡尔坐标转化为三维极坐标，所述三维极坐标如下公式所示：
r＝(x2+y2)1/2；
Ф＝actan(y/x)；
z’＝z；
式中，x表示交线的离散点的三维笛卡尔坐标的x轴坐标，y表示交线的离散点的三维笛卡尔坐标的y轴坐标，z表示交线的离散点的三维笛卡尔坐标的z轴坐标，r表示交线的离散点与坐标中心的水平距离，Ф表示交线与x轴的夹角角度，表示交线的离散点在三维极坐标中的高度；
步骤A2：选取所述三维极坐标中与x轴的夹角角度和所述电子帧平面的旋转角度相同的离散点，将所述离散点的三维极坐标转换为二维显示坐标，所述二维显示坐标如下公式表示：
x’＝width-r；
y’＝hight-z’；
式中，x’表示二维显示坐标的x轴坐标，y’表示二维显示坐标的y轴坐标，width表示旋转体三维显示器的横向分辨率，hight表示旋转体三维显示器的纵向分辨率，z’表示交线的离散点在三维极坐标中的高度，r表示交线的离散点与坐标中心的水平距离。
本发明提供一种基于旋转体三维显示器的实时体三维数据生成方法，其中，所述电子帧平面为所述旋转体三维显示器的每1°旋转角度的旋转平面。
本发明的基于旋转体三维显示器的实时体三维数据生成方法实现了在体三维显示器本地依靠解析出来的顶点数据流，实时生成显示数据，能够显示复杂图像或者动画，大大增强了体三维显示器的显示效果。
本发明大幅简化了体三维显示器显示数据的获取难度，依靠三维软件生成三维图形的三角面顶点数据流文件，即可在体三维显示平台上显示出来，使得体三维显示器的整体显示流程大为简化，极大地增强了体三维显示器的实用性。
本发明的基于旋转体三维显示器的实时体三维数据生成方法，通过实时计算三维图形的三角面与二维旋转显示平面交线的二维显示坐标，并将相应的图像映射至对应的二维显示坐标上生成体三维数据。本发明能够以较小的数据量计算出二维显示坐标，所以能够生成大量的三维体扫描数据，实现实时地显示动态三维影像，增强三维图像的互动性。
附图说明
图1是本发明基于旋转体三维显示器的实时体三维数据生成方法的流程示意图。
图2是旋转体三维显示器的示意图。
图3是基于旋转体三维显示器的体三维数据生成过程的流程图。
具体实施方式
结合以下具体实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明。实施本发明的过程、条件、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本发明没有特别限制内容。
如图1所示，本发明的基于旋转体三维显示器的实时体三维数据生成方法通过获取待显示的三维图形的三角面顶点数据流，计算所述三角面顶点数据流中每个三角面与一电子帧平面的交点。本发明中将一副由360°旋转体形成的三维图形记为一体帧，相应旋转角度的旋转平面记为一电子帧平面，该电子帧平面上的图形数据记为一电子帧。本实施例中，以每1°旋转角度的旋转平面记为一个电子帧平面。本发明根据这些交点获取每个三角面与该电子帧平面的多条交线，并根据多条交线计算所述三维图形的三维显示坐标相应的二维显示坐标，从而获取三维图形的与所述二维显示坐标相应的二维图像信息，生成一电子帧的体三维数据。该电子帧的体三维数据对应于旋转体三维显示器的LED显示屏在一个旋转角度下显示的二维图像数据。重复执行上述步骤，直至计算三维图形与所有电子帧平面的交点并获取相应的二维显示坐标及图像信息，生成一体帧的体三维数据，从而获得LED显示屏旋转一周显示的二维图像数据。
本发明是基于旋转体三维显示装置实现实时生成体三维数据。旋转体三维显示装置的结构如图2所示，旋转体三维显示装置分为数据分发层与LED显示阵列。数据分发层包括存储单元与微控制单元(Micro Control Unit，MCU)，存储单元中存储有三维图像的三角面顶点数据流文件，本发明生成方法在其中的微控制单元中实现，微控制单元MCU具有相应的缓存空间Cache及内存空间RAM，微控制单元通过读取存储单元的三角面顶点数据流，计算三角面与电子帧平面的交点与交线，从而将三维显示坐标转换为二维显示坐标，并从相应坐标中读取该二维显示坐标下的图像颜色，生成一电子帧的体三维数据，如图3所示。改变电子帧平面的旋转角度并重复执行上述步骤可获得一体帧的体三维数据。LED显示阵列中包括FPGA控制单元及受其控制的LED阵列。FPGA控制单元接收该体帧的体三维数据，根据其中的图像颜色控制LED阵列中每一个LED的在旋转一周内显示颜色，从而显示三维图像。
本发明的创新点在于以较小的计算量快速地将三维图形的三维显示坐标转换为相应的二维显示坐标。三维图形在三维空间中显示一个三角面，首先要计算出三角面每条边与每一个电子帧平面的交点，然后根据同一电子帧平面上的两个不同边上的交点计算出多边形平面在每个电子帧平面上所需显示交线的二维显示坐标，从而完成了三角形顶点数据流到三维体扫描数据流的转换。
本发明的实时体三维数据生成方法中，每个由三角面顶点构成的三角面的边线被不断旋转的电子帧平面切割，成为一个个离散的交点。本发明设表示包含点
并沿
方向延伸的直线。对于法向量为N并且距原点带符号距离为
的平面，可以通过以下方程来确定直线与平面的交点：
其中，以
替代
可得
根据上述公式解出关于t的方程，可得：
把t的值代回直线方程
就可以求得直线与平面的交点。如果
为零，那么直线与平面平行(平面法向与直线方向
垂直)。在这种情况下，如果
那么直线在该平面上；否则，直线和平面没有交点。由于本发明所涉及到的算法的运行平台的LED显示面板均是与Z轴重合的，因此平面到原点的距离D为零，化简可得：
Q＝[X1，Y1，Z1]；
P＝[X2，Y2，Z2]；
Tmp0＝Q(1)*sin(Theta)-Q(2)*cos(Theta)；
Tmp1＝V(1)*sin(Theta)-V(2)*cos(Theta)；
Result＝Q-(Tmp1/Tmp2)*V；
式中，Result表示交点坐标，P表示三角面中一条边线的一个顶点坐标，Q表示所述边线的的另一个顶点坐标，V表示由所述边线的两个顶点构成的向量，Theta表示电子帧平面的旋转角度，X表示三维显示坐标的X轴坐标，Y表示三维显示坐标的Y轴坐标，Z表示三维显示坐标的Z轴坐标，Tmp0表示计算过程中的中间变量；Tmp1表示计算过程中的另一个中间变量。
若三角面与电子帧平面平行，则三角面上的边线与电子帧平面没有交点，则不存在计算交线的步骤。若三角面与电子帧平面重合，则不再计算三角面与电子帧平面的交线，直接计算构成三角面的三条边线上点的坐标作为交线坐标，通过转换成二维显示坐标显示在体三维显示器上。本发明能够减少计算量的同时，满足体三维显示分辨率的要求。
计算交点之后，则可以根据两个交点的坐标计算两个交点之间的向量，即三角面与电子帧平面的交线。本发明通过线性插值法或者bresenham法等方法计算该交线中各离散点的三维笛卡尔坐标值。然后将该三维笛卡尔坐标值转换为三维极坐标值。三维极坐标如下式表示：
r＝(x2+y2)1/2；
Ф＝actan(y/x)；
z’＝z；
式中，x表示交线的离散点的三维笛卡尔坐标的x轴坐标，y表示交线的离散点的三维笛卡尔坐标的y轴坐标，z表示交线的离散点的三维笛卡尔坐标的z轴坐标，r表示交线的离散点与坐标中心的水平距离，Ф表示交线与x轴的夹角角度，表示交线的离散点在三维极坐标中的高度。
然后选取三维极坐标值中夹角角度Ф与电子帧平面的旋转角度θ相同的离散点集合，将该集合中的离散点的三维极坐标值转换为用于体三维显示器显示的二维显示坐标。二维显示坐标如下式所示：
x’＝width-r；
y’＝hight-z’；
式中，x’表示二维显示坐标的x轴坐标，y’表示二维显示坐标的y轴坐标，width表示旋转体三维显示器的横向分辨率，hight表示旋转体三维显示器的纵向分辨率，z’表示交线的离散点在三维极坐标中的高度，r表示交线的离散点与坐标中心的水平距离。
执行上述步骤后得到该电子帧的体三维数据。然后选取下一个旋转角度的电子帧平面并重新计算该旋转角度下的电子帧的体三维数据，直至计算360°一周旋转角度的电子帧的体三维数据位置，从而获得一体帧的体三维数据，即获得用于LED阵列旋转一周所显示的图像。实时计算一体帧的体三维数据并旋转LED阵列，从而生成体三维图像。
本实施例中，假设构成三维图形上的某一个三角面上的两个顶点A，B的坐标分别为(-20，10，0)和(10，-20，10)，则当电子帧平面以顶点A与三维笛卡尔坐标中心构成的平面为起始平面，从0°转过180°的过程中，与线段AB的交点坐标如下表所1示：
表1线段AB与电子帧平面的交点
| 角度 | 交点坐标 |
| 0 | -20.0000 10.0000 0 |
| 1 | -19.5024 9.5024 0.1659 |
| 2 | -19.0517 9.0517 0.3161 |
| ...... | ...... |
以下实施例以旋转角度为0°的电子帧平面为例，线段AB与电子帧平面的交点的三维笛卡尔坐标为(-20.0000，10.0000，0)。将该三维笛卡尔坐标值转换为三维极坐标值，由于本实施例已选定与x轴夹角角度Ф等于旋转角度的交点，所以在计算过程中关于Ф的计算过程省略：r＝(x2+y2)1/2＝22.3606，z’＝0。
结合体三维显示器中的LED阵列的分辨率，将该三维极坐标值换算为用于体三维显示器显示的二维显示坐标。本实施例中，LED阵列的分辨率为96*128，根据上述三维极坐标值，width＝96，hight＝128计算获得二维显示坐标为(73，128)。(本发明中，体三维显示系统的坐标值均为整数，当坐标值出现小数时坐标值向下取整)。
为了实现显示三维影像，选择下一旋转角度的电子帧平面并重新执行上述步骤直至生成360°一体帧的体三维数据，一体帧的体三维数据用于显示旋转体三维显示装置旋转一周所显示的图像。进一步地，不断生成一体帧的体三维数据，实现实时显示三维影像。
以上，通过求解二维LED显示器的旋转平面与三角面的交点以及交线，最终计算出三角面在旋转体三维显示器中的体三维显示坐标的体像素生成算法，通过较少的运算量，计算出了三维体扫描数据，相较于传统的基于点云的体三维数据流生成方式，大大节约了运算带宽，使得基于体三维显示器本身处理能力，而非借助外界的附加处理单元的实时三维数据产生和动画显示得以实现。
本发明的保护内容不局限于以上实施例。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保护范围。
Claims (7)
1.一种基于旋转体三维显示器的实时体三维数据生成方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：获取待显示的三维图形的三角面顶点数据流；
步骤二：选取一电子帧平面，计算所述三角面顶点数据流中每个三角面与所述电子帧平面的交点；
步骤三：根据所述交点获取每个三角面与所述电子帧平面的多条交线，并根据所述多条交线计算所述三维图形的二维显示坐标；
步骤四：获取所述三维图形的与所述二维显示坐标相应的二维图像信息，生成所述电子帧的体三维数据；
步骤五：选取下一电子帧平面重复执行所述步骤二至步骤四，直至生成所有电子帧的体三维数据为止，将所有电子帧的体三维数据生成一体帧的体三维数据。
2.如权利要求1所述的基于旋转体三维显示器的实时体三维数据生成方法，其特征在于，步骤二中所述三角面与电子帧平面的交点以如下公式表示：
Q＝[X1，Y1，Z1]；P＝[X2，Y2，Z2]；
Tmp0＝Q(1)*sin(Theta)-Q(2)*cos(Theta)；
Tmp1＝V(1)*sin(Theta)-V(2)*cos(Theta)；
Result＝Q-(Tmp1/Tmp2)*V；
其中，Result表示交点坐标，P表示三角面中一条边线的一个顶点坐标，Q表示所述边线的的另一个顶点坐标，V表示由所述边线的两个顶点构成的向量，Theta表示电子帧平面的旋转角度，X表示三维显示坐标的X轴坐标，Y表示三维显示坐标的Y轴坐标，Z表示三维显示坐标的Z轴坐标，Tmp0表示计算过程中的中间变量；Tmp1表示计算过程中的另一个中间变量。
3.如权利要求1所述的基于旋转体三维显示器的实时体三维数据生成方法，其特征在于，所述步骤二中，当一个三角面与所述电子帧平面平行时，跳过计算所述三角面与所述电子帧平面的交点。
4.如权利要求1所述的基于旋转体三维显示器的实时体三维数据生成方法，其特征在于，所述步骤三中通过线性插值法或者bresenham法计算所述交点之间构成的线段的离散点的坐标作为所述交点之间的交线的坐标。
5.如权利要求1所述的基于旋转体三维显示器的实时体三维数据生成方法，其特征在于，所述步骤三中，当所述三角面与所述电子帧平面重合时，将所述三角面上的三条边线的坐标作为所述电子帧平面上交线的坐标。
6.如权利要求1所述的基于旋转体三维显示器的实时体三维数据生成方法，其特征在于，所述步骤三中根据交线计算二维显示坐标的过程包括：
步骤A1：将所述交线的三维笛卡尔坐标转化为三维极坐标，所述三维极坐标如下公式所示：
r＝(x2+y2)1/2；
Ф＝actan(y/x)；
z’＝z；
式中，x表示交线的离散点的三维笛卡尔坐标的x轴坐标，y表示交线的离散点的三维笛卡尔坐标的y轴坐标，z表示交线的离散点的三维笛卡尔坐标的z轴坐标，r表示交线的离散点与坐标中心的水平距离，Ф表示交线与x轴的夹角角度，表示交线的离散点在三维极坐标中的高度；
步骤A2：选取所述三维极坐标中与x轴的夹角角度和所述电子帧平面的旋转角度相同的离散点，将所述离散点的三维极坐标转换为二维显示坐标，所述二维显示坐标如下公式表示：
x’＝width-r；
y’＝hight-z’；
式中，x’表示二维显示坐标的x轴坐标，y’表示二维显示坐标的y轴坐标，width表示旋转体三维显示器的横向分辨率，hight表示旋转体三维显示器的纵向分辨率，z’表示交线的离散点在三维极坐标中的高度，r表示交线的离散点与坐标中心的水平距离。
7.如权利要求1所述的基于旋转体三维显示器的实时体三维数据生成方法，其特征在于，所述电子帧平面为所述旋转体三维显示器的每1°旋转角度的旋转平面。
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|---|---|---|---|
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20130911 |