CN103513438B - 一种多视角裸眼立体显示系统及其显示方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多视角裸眼立体显示系统及其显示方法，该系统包括：激光投影仪，用以投射光线；扫描系统，接收激光投影仪投射光线并扫描成图像；平面镜阵列，反射扫描系统射出的图像，形成多视角图像；柱面透镜光栅系统，包括第一柱面透镜光栅和散射膜，散射膜位于第一柱面透镜光栅的背向平面镜阵列一侧；平面镜阵列的各平面镜射出的图像在第一柱面透镜光栅上两两重合；本发明多视角裸眼立体显示系统及其显示方法采用平面镜阵列来取代传统技术中的投影仪阵列，大大节约了成本，降低了能耗，同时，由于只使用一台投影仪，投影仪的尺寸将不受限制，能够实现高亮度投影，从而能够应用于户外等多种复杂环境中。

Description

一种多视角裸眼立体显示系统及其显示方法

技术领域

本发明涉及计算机视觉技术和立体视频领域，特别涉及一种多视角裸眼立体显示系统及其显示方法。

背景技术

立体显示是一种通过在左右眼中分别投射不同的画面进而虚拟出画面中物体的深度信息，最终实现景象的立体显示的一种技术。通常的立体显示只有一个视角，即无论移动视角还是观看位置都不能增加观众所能接收到的信息量。

多视角立体显示则是在普通的立体显示的基础上对装置做一定修正，使之能够实现观看者在移动一定位置或者转动一定角度之后能够看到不同的显示画面。这种显示方式虽然相较于三百六十度全方位都能观看到不同画面的全息显示还有一定差距，但是相较于普通的单视角立体显示已经有了极大的进步，是目前立体显示的主要研究课题。

目前国内外多视角立体显示技术基本上都是采用多个投影仪组成的投影仪阵列实现的，每台投影仪只投影某一个视角的图像，相邻投影仪投影的图像正好对应于人的左右眼看到的视角图像，人只要站在合适的位置就能使左右眼恰好看到两台相邻投影仪投射出来的画面，实现立体显示，而换一个观看位置之后就能看到另外不同的立体画面，从而实现多视角立体显示。这种方式的优点是能够保证各个视角画面的分辨率，且在硬件条件满足的条件下理论上可以无限制增加视点数目；这种方式也存在着一些显著的缺点，最突出的就是成本大，耗能高，系统调制复杂。同时对投影仪的尺寸有所限制，造成显示亮度不够高，难以应用于室外。

发明内容

鉴于现有多视角立体显示技术存在的问题，本发明提供了一种多视角裸眼立体显示系统和显示方法，通过平面镜阵列反射作用模拟传统多视角立体显示系统中多台投影仪的效果，从而实现较少投影仪环境下的多视角立体显示，为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案。

一种多视角裸眼立体显示系统，包括：激光投影仪，用以投射光线；扫描系统，接收所述激光投影仪投射光线并扫描成图像；平面镜阵列，反射所述扫描系统射出的图像，形成多视角图像；柱面透镜光栅系统，包括第一柱面透镜光栅和散射膜，所述散射膜位于所述第一柱面透镜光栅的背向所述平面镜阵列一侧；所述平面镜阵列的各平面镜射出的图像在所述第一柱面透镜光栅上两两重合。

进一步地，所述扫描系统为扫描振镜系统。其中，所述扫描振镜系统包括用以行扫描的第一振镜、用以列扫描的第二振镜和用以视角扫描的第三振镜。

进一步地，设各图像的分辨率为M×L，视频帧率为a，所述平面镜阵列包括平面镜数目为m，则第一振镜转动频率为L×a×m Hz，第二振镜转动频率为a×m Hz，第三振镜转动频率为a Hz；a≥30。

进一步地，所述激光投影仪的调制频率为M×L×a×m Hz。

进一步地，所述柱面透镜光栅系统还包括第二柱面透镜光栅，所述散射膜位于所述第一柱面透镜光栅和第二柱面透镜光栅之间。

进一步地，所述平面镜阵列与柱面透镜光栅系统满足：

                                                 

 其中，所述平面镜阵列包括平面镜数目为m，m≥2；各平面镜的虚拟发光点等高度等间距分布，间距为E；各平面镜的虚拟发光点到所述柱面透镜光栅的距离相同，距离为L，所述第一柱面透镜光栅的圆柱镜和第二柱面透镜光栅的圆柱镜的折射率为n_c；所述第一柱面透镜光栅的栅距为WS，曲率半径为R，焦距为F，厚度为H，到所述散射膜的距离为D，各平面镜反射的图像经过所述第一柱面透镜光栅的一个圆柱镜后落在所述散射膜上的子图像的水平宽度为WP；所述第二柱面透镜光栅的栅距为Ws，曲率半径为r，焦距为f，厚度为h，到散射膜的距离为d，观察者的一只眼通过所述第二柱面透镜光栅的一个圆柱镜所能看到的散射膜的宽度为Wp；人眼到所述第二柱面透镜光栅的距离为l，人眼间距为e。

一种多视角裸眼立体显示方法，包括以下步骤：

1）激光投影仪投射光线到扫描系统；

2）扫描系统射出顺序时分产生的图像；

3）平面镜阵列反射所述扫描系统射出的图像，形成多视角图像；

4）多视角图像投射在柱面透镜光栅系统上，经柱面透镜光栅系统散射后，即可裸眼看到立体画面。

进一步地，所述步骤4）中所述柱面透镜光栅系统包括第一柱面透镜光栅和散射膜，所述散射膜位于所述第一柱面透镜光栅的背向所述平面镜阵列一侧；所述多视角图像经所述第一柱面透镜光栅投射在所述散射膜上，所述散射膜散射后经所述第一柱面透镜光栅射出。

进一步地，所述步骤4）中所述柱面透镜光栅系统可以包括第一柱面透镜光栅、第二柱面透镜光栅和散射膜，所述散射膜位于所述第一柱面透镜光栅和第二柱面透镜光栅之间；所述多视角图像经所述第一柱面透镜光栅投射在所述散射膜上，所述散射膜散射后经所述第二柱面透镜光栅射出。

本发明多视角裸眼立体显示系统借用平面镜阵列来模拟多台投影仪的工作场景，激光投影仪投射出的光投射到扫描系统上，分别完成行扫描、列扫描以及视角扫描过程，得到不同视角的图像，这些图像经过各个平面镜的反射之后打在柱面透镜光栅系统上，在柱面透镜光栅系统的另一侧合适位置就能看到清晰的立体景象，且观看位置不同能看到的立体景象不同，实现多视角立体显示。这个过程借用人的视觉残留效应来实现，使用一台激光投影仪通过平面镜的反射模拟出多台投影仪同时工作的投影效果。

本发明一种多视角裸眼立体显示系统及其显示方法采用平面镜阵列来取代传统技术中的投影仪阵列，大大节约了成本，降低了能耗，同时，由于只使用一台投影仪，投影仪的尺寸将不受限制，能够实现高亮度投影，从而能够应用于户外等多种复杂环境中。

附图说明

图1是现有技术中多视角立体显示系统的结构示意图；

图2是图1所示多视角立体显示系统的投射效果图；

图3是图1所示多视角立体显示系统的观看效果图；

图4是现有技术中多视角立体显示系统正投方式的结构示意图；

图5是本发明多视角裸眼立体显示系统实施例1的结构示意图；

图6是本发明多视角裸眼立体显示系统实施例2的结构示意图；

图7是图6所示实施例2中多条投射光线的路径图；

图8是本发明多视角裸眼立体显示系统实施例3的结构示意图。

具体实施方式

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下结合具体实施例对本发明做详细描述。

参照图1-3，所示为现有技术中多视角立体显示系统，该多视角立体显示系统中包括三台投影仪5、第一柱面透镜光栅61、第二柱面透镜光栅62和散射膜63，第一柱面透镜光栅61位于第二柱面透镜光栅62的左侧，散射膜63位于第一柱面透镜光栅61和第二柱面透镜光栅62之间，该多视角立体显示系统能够实现三个视角的立体显示。

在该多视角立体显示系统中，投影仪有三台，即视差数m为3，投影仪等高度等间距的分布于左侧：间距为E，各个投影仪并非平行的，而是呈一定角度，使各个投影仪投射出来的图像能够在第一柱面透镜光栅上完全重合，如图2所示。各个投影仪到第一柱面透镜光栅的距离均为L。第一柱面透镜光栅的具体参数如下：栅距为WS，曲率半径为R，到散射膜的距离为D，焦距为F，厚度为H，各平面镜反射的图像经过所述第一柱面透镜光栅的一个圆柱镜后落在所述散射膜上的子图像的水平宽度为WP。第二柱面透镜光栅的具体参数如下：栅距为Ws，曲率半径为r，到散射膜的距离为d，焦距为f，厚度为h，观察者的一只眼通过所述第二柱面透镜光栅的一个圆柱镜所能看到的散射膜的宽度为Wp。观察者位于第二柱面透镜光栅的右侧：人眼到第二柱面透镜光栅的距离为l，人眼间距为e。

各参数满足以下各式：

  

在安装该多视角立体显示系统时，根据空间的大小选取l和L，根据投影仪尺寸的大小选取E，根据公式1，选取合适的圆柱镜曲率半径r、R，得到焦距f、F，并依此计算出Wp，根据公式4、5计算出WS与Ws。

图3所示三个投影仪实现的两个视角立体投影显示可以提供三个视差共两个观看立体图像的最佳位置，且这两个位置所看到的立体画面是具有不同视角的，从而实现多视角立体显示。

参照图4，所示为现有技术中多视角立体显示系统另一实施方式的结构示意图，该显示系统中投影仪5与观察者位于柱面透镜光栅系统的同一侧，柱面透镜光栅系统只需要包含第一柱面透镜光栅61和散射膜63。由于观察者与激光投影仪共用第一柱面透镜光栅，自然只有一个栅距WS，一般选取E=e，此时观察者与投影仪位于一条线上，即观测距离l等于投影距离L。参照图1-3所示及其说明即可获知投影仪与柱面透镜光栅系统的布置。

参照图5，所示为本发明多视角裸眼立体显示系统实施例1的结构示意图，该系统包括激光投影仪1、扫描系统、平面镜阵列和柱面透镜光栅系统4。

激光投影仪1用以投射光线，该激光投影仪由RGB三色激光器、调制器、合成器、投影透镜等组成的，三单色激光器发出的激光经过扩束以及匀场消相干等预处理后，再经调制器调制成特定强度的光，之后经过合成器如X棱镜以及其后的投影透镜后合并成一束光线投射出去，从而实现对光的调制和全彩的合成。

激光投影仪出来的光线是固定方向的，为了能够得到各个视角的图像，需要对出射光线进行扫描，常用的扫描系统有Symbol公司的高频率棱状反射玻璃以及振镜等，本实施例1中扫描系统为扫描振镜系统，该扫描振镜系统包括第一振镜21、第二振镜22和第三振镜23，分别用以行扫描、列扫描和视角扫描。图像经激光投影仪投射到扫描振镜系统上，激光投影仪射出的光线经过第一振镜21的行扫描、第二振镜22的列扫描和第三振镜23的视角扫描之后，在第三振镜23处按照扫描的先后顺序形成一系列对应于不同视角的平面图像。

平面镜阵列包括至少2个平面镜31，反射所述扫描系统射出的图像，形成多视角图像。

柱面透镜光栅系统4包括第一柱面透镜光栅41、第二柱面透射光栅42和散射膜43，第一柱面透镜光栅41位于第二柱面透射光栅42的左侧，散射膜43位于第一柱面透镜光栅41、第二柱面透射光栅42之间；平面镜阵列的各平面镜31射出的图像在第一柱面透镜光栅41上两两重合。

在本实施例1中，以各视角图像分辨率M×L为1024×768，视频帧率a为30，平面镜阵列包括的平面镜的数目即视角数为m，激光投影仪应具有的调制频率即扫描频率为M×L×a×m=1024×768×30m Hz，第一振镜转动频率为L×a×m=768×30m Hz，第二振镜转动频率为a×m =30m Hz，第三振镜转动频率为30Hz；能够保证在m个视角的情况下得每秒30帧的画面刷新频率，使人眼能正常观看时无任何不适。在其他实施例中，视频帧率a还可以大于30。

在该多视角裸眼立体显示系统中，各平面镜31的虚拟发光点10等高度等间距分布，各平面镜31的虚拟发光点10到第一柱面透镜光栅41的距离相同，虚拟发光点10是由一平面镜反射出的图像对应的光线逆向延伸在平面镜后形成的虚拟的交点。

与图1-3所示现有技术中多视角立体显示系统相对比，本发明中平面镜阵列的各平面镜的作用与现有技术中多视角立体显示系统中投影仪的作用相同，每个平面镜对应的虚拟发光点相当于该平面镜对应的图1-3所示现有技术中多视角立体显示系统中的投影仪。

扫描振镜系统射出的光线打在平面镜阵列上，经过各平面镜31反射后模拟出相应的虚拟投影仪即虚拟发光点10发射出来的图像，投射在柱面透镜光栅系统4上，使得能在柱面透镜光栅系统4另一侧裸眼看见立体画面。

在安装多视角裸眼立体显示系统时，先选取激光投影仪、布置扫描振镜系统，再布置平面镜阵列和柱面透镜光栅系统。将虚拟发光点等效于图1-3所示现有技术中的投影仪，按照图1-3所示现有技术中多视角立体显示系统的投影仪和柱面透镜光栅系统的布置方式，得到虚拟发光点和柱面透镜光栅系统的空间分布。再根据虚拟发光点和扫描振镜系统的分布进行平面镜系统的安装，同时确认平面镜不会阻挡其他视角图像的光路，从而完成平面镜阵列和柱面透镜光栅系统的布置。虚拟发光点和柱面透镜光栅系统空间分布的具体参数参照图1-3所示及其说明，在此不再赘述。

该多视角裸眼立体显示时，激光投影仪投射光线到扫描振镜系统；扫描振镜系统射出顺序时分产生的图像；平面镜阵列反射扫描振镜系统射出的图像，形成多视角图像；多视角图像经第一柱面透镜光栅投射在散射膜上，散射膜散射后经第二柱面透镜光栅射出，即可裸眼看到立体画面。

在该图5中，激光投影仪投射出的光线从A1区域进入A2区域，在A2区域中经过扫描系统后进入A3区域，经A3区域的平面镜系统反射至A4区域的柱面透镜光栅系统，即可从柱面透镜光栅系统右侧裸眼看到立体画面。

参照图6和图7，所示为本发明多视角裸眼立体显示系统实施例2的结构示意图，分别示出放置一面平面镜用以模拟最上方的投影仪的投射光线线路和布置平面镜阵列后模拟多个投影仪的投射光线线路，与实施例1相比较，不同在于激光投影仪、扫描振镜系统、平面镜阵列和柱面透镜光栅系统的空间分布变化，空间分布仍根据实施例1中的布置要求完成，能够实现从柱面透镜光栅系统右侧裸眼看到立体画面。

参照图8，所示为本发明多视角裸眼立体显示系统实施例3的结构示意图，实施例1和实施例2采用背投方式实现了多视角裸眼立体显示，实施例3则采用了正投方式实现多视角裸眼立体显示。

该多视角裸眼立体显示系统同样包括激光投影仪1、扫描振镜系统、平面镜阵列和柱面透镜光栅系统4，激光投影仪、扫描振镜系统和平面镜阵列与观察者位于柱面透镜光栅系统的同一侧，柱面透镜光栅系统只需要包含第一柱面透镜光栅41和散射膜43。将平面镜阵列的各平面镜31对应的虚拟发光点等效成图4所示的投影仪，再根据激光投影仪、扫描振镜系统布置和图4中投影仪与柱面透镜光栅系统的设置方式，即可得到激光投影仪、扫描振镜系统、平面镜阵列和柱面透镜光栅系统的空间分布情况。

该多视角裸眼立体显示时，激光投影仪投射光线到扫描振镜系统；扫描振镜系统射出顺序时分产生的图像；平面镜阵列反射扫描振镜系统射出的图像，形成多视角图像；多视角图像经第一柱面透镜光栅投射在散射膜上，散射膜散射后经第一柱面透镜光栅射出，即可裸眼看到立体画面。

以上通过具体实施例对本发明做了详细的说明，这些具体的描述不能认为本发明仅仅限于这些实施例的内容。本领域技术人员根据本发明构思、这些描述并结合本领域公知常识做出的任何改进、等同替代方案，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种多视角裸眼立体显示系统，其特征在于，包括：

一台激光投影仪，用以投射光线；

扫描系统，接收所述激光投影仪投射光线并扫描成图像；

平面镜阵列，反射所述扫描系统射出的图像，形成多视角图像；

柱面透镜光栅系统，包括第一柱面透镜光栅和散射膜，所述散射膜位于所述第一柱面透镜光栅的背向所述平面镜阵列一侧；所述平面镜阵列的各平面镜射出的图像在所述第一柱面透镜光栅上两两重合；

其中，所述扫描系统为扫描振镜系统。

2.根据权利要求1所述的多视角裸眼立体显示系统，其特征在于，所述扫描振镜系统包括用以行扫描的第一振镜、用以列扫描的第二振镜和用以视角扫描的第三振镜。

3.根据权利要求2所述的多视角裸眼立体显示系统，其特征在于，设各图像的分辨率为M×L，视频帧率为a，所述平面镜阵列包括平面镜数目为m，则所述第一振镜转动频率为L×a×m Hz，所述第二振镜转动频率为a×m Hz，所述第三振镜转动频率为a Hz；a≥30。

4.根据权利要求3所述的多视角裸眼立体显示系统，其特征在于，所述激光投影仪的调制频率为M×L×a×m Hz。

5.根据权利要求1所述的多视角裸眼立体显示系统，其特征在于，所述柱面透镜光栅系统还包括第二柱面透镜光栅，所述散射膜位于所述第一柱面透镜光栅和第二柱面透镜光栅之间。

6.根据权利要求5所述的多视角裸眼立体显示系统，其特征在于，所述平面镜阵列与柱面透镜光栅系统满足：

；

其中，所述平面镜阵列包括平面镜数目为m，m≥2；各平面镜的虚拟发光点等高度等间距分布，间距为E；各平面镜的虚拟发光点到所述柱面透镜光栅的距离相同，距离为L，所述第一柱面透镜光栅的圆柱镜和第二柱面透镜光栅的圆柱镜的折射率为n_c；所述第一柱面透镜光栅的栅距为WS，曲率半径为R，焦距为F，厚度为H，到所述散射膜的距离为D，各平面镜反射的图像经过所述第一柱面透镜光栅的一个圆柱镜后落在所述散射膜上的子图像的水平宽度为WP；所述第二柱面透镜光栅的栅距为Ws，曲率半径为r，焦距为f，厚度为h，到散射膜的距离为d，观察者的一只眼通过所述第二柱面透镜光栅的一个圆柱镜所能看到的散射膜的宽度为Wp；人眼到所述第二柱面透镜光栅的距离为l，人眼间距为e。

7.一种多视角裸眼立体显示方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）由一台激光投影仪投射光线到扫描系统；

2）扫描系统射出顺序时分产生的图像；

3）平面镜阵列反射所述扫描系统射出的图像，形成多视角图像；

4）多视角图像投射在柱面透镜光栅系统上，经柱面透镜光栅系统散射后，即可裸眼看到立体画面；

其中，所述扫描系统为扫描振镜系统；步骤4）中所述柱面透镜光栅系统包括第一柱面透镜光栅和散射膜，所述散射膜位于所述第一柱面透镜光栅的背向所述平面镜阵列一侧；所述多视角图像经所述第一柱面透镜光栅投射在所述散射膜上，所述散射膜散射后经所述第一柱面透镜光栅射出。

8.一种多视角裸眼立体显示方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）由一台激光投影仪投射光线到扫描系统；

2）扫描系统射出顺序时分产生的图像；

3）平面镜阵列反射所述扫描系统射出的图像，形成多视角图像；

4）多视角图像投射在柱面透镜光栅系统上，经柱面透镜光栅系统散射后，即可裸眼看到立体画面；

其中，所述扫描系统为扫描振镜系统；步骤4）中所述柱面透镜光栅系统包括第一柱面透镜光栅、第二柱面透镜光栅和散射膜，所述散射膜位于所述第一柱面透镜光栅和第二柱面透镜光栅之间；所述多视角图像经所述第一柱面透镜光栅投射在所述散射膜上，所述散射膜散射后经所述第二柱面透镜光栅射出；

所述平面镜阵列与柱面透镜光栅系统满足：

；

其中，所述平面镜阵列包括平面镜数目为m，m≥2；各平面镜的虚拟发光点等高度等间距分布，间距为E；各平面镜的虚拟发光点到所述柱面透镜光栅的距离相同，距离为L，所述第一柱面透镜光栅的圆柱镜和第二柱面透镜光栅的圆柱镜的折射率为n_c；所述第一柱面透镜光栅的栅距为WS，曲率半径为R，焦距为F，厚度为H，到所述散射膜的距离为D，各平面镜反射的图像经过所述第一柱面透镜光栅的一个圆柱镜后落在所述散射膜上的子图像的水平宽度为WP；所述第二柱面透镜光栅的栅距为Ws，曲率半径为r，焦距为f，厚度为h，到散射膜的距离为d，观察者的一只眼通过所述第二柱面透镜光栅的一个圆柱镜所能看到的散射膜的宽度为Wp；人眼到所述第二柱面透镜光栅的距离为l，人眼间距为e。