CN103885280A - 基于混合屏的真三维显示系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于混合屏的真三维显示系统及方法，该系统包括驱动装置、成像装置、投影装置和混合屏幕；混合屏幕包括多种具有不同显示机理的显示屏幕，该多种显示屏幕共用驱动装置、成像装置和投影装置；驱动装置与混合屏幕连接，用于驱动混合屏幕水平旋转；成像装置用于以预设的时序生成多幅图像，各幅图像包括一种或多种基于不同显示机理的图像内容，每种图像内容与一种显示屏幕相对应；投影装置与成像装置连接且与混合屏幕相对设置，用于将各幅图像中部分种类的图像内容或全部种类的图像内容投射至混合屏幕中对应的显示屏幕，以使混合屏幕只显示部分种类的图像内容或者所有种类的图像内容。本发明能够使观察者感受到更真实的三维显示效果。

Description

基于混合屏的真三维显示系统及方法

技术领域

本发明涉及显示系统,尤其涉及一种基于混合屏的真三维显示系统及方法。

背景技术

传统平面显示技术只限于二维图像，并不能让观察者获得真实的三维深度信息和完整的表面特性。二维平面成像与显示“强迫”我们用“二维窗口”来观察丰富生动的三维世界，不仅遗失了重要的深度信息（Depth Cue），无法准确表达三维空间关系，而且只能体现某个角度上的物体的表面特性。传统二维平面成像和显示技术的这一根本缺陷严重地阻碍了人类对客观世界的感知，影响了人类对信息获取、处理、传递、人机交互和决策的准确度、深度、速度和效率。

在人眼感知的最真实的完整的三维内容信息中，不仅包含了物体的三维几何尺度特性（长、宽和深度），而且还包含了物体表面的色彩亮度和散射属性等表面特性，以及由于相对位置关系造成的遮挡和阴影等信息。真三维显示技术试图构造新型显示装置，最大限度地展示三维物体的真实三维信息。所谓“真三维显示”是指被显示图像每个三维像点(又称“体元”（voxel)）具有真实的表面特性，体元之间相对位置关系也被真实地体现在三维显示装置中,组成真正意义上的三维空间图像,具有真实物理深度和照片质量的表面特性。观察者不需要任何辅助设备，就可以从360度方向任意观察被显示物体，感知最真实的完整的三维内容信息。真三维显示技术从根本上更新了信息显示的概念，使被显示图像栩栩如生，向观看者提供了完备的心理和生理的三维感知信息，为理解三维图像和其中物体之间的空间关系提供了独特的手段。

当今三维显示领域，多种三维显示技术并存，在众多的真三维显示模式中，体三维显示（Volumetric3D Display）模式与光场三维显示(Optical Field3D Display)模式受到比较多的关注，取得了相当不错的显示效果。

一，体三维显示技术

真三维显示系统目前主要通过体元空间绘制而实现。其中体三维显示包括基于发光介质的三维显示、基于旋转屏或移动屏并配合高速显示器的三维显示两大类。第一类是利用发光介质（包括特殊玻璃，气体，液体以及空间排布的光纤等固定结构）配合激发光束的扫描与寻址，产生真三维显示效果；第二类主要是通过快速转动或移动各种形状的屏幕，配合以高速的投影显示器或其它高速显示器，实现空间三维体素寻址，形成真三维显示效果。

目前，研制出样机的真三维显示系统与技术主要有可发光介质的空间激发扫描、基于旋转屏、空间调制光扫描以及基于发光体旋转的真三维显示。

1，基于可发光介质的空间激发扫描

1996年Downing采用三对高功率红外激光束激励掺杂了镨、铒、铥的氟化物玻璃以对应产生红、绿、蓝色体素，最终在厘米级小立方体范围内实现了彩色三维显示。这类显示的缺点在于，缺乏合适的激励源和具有充分光转换效率的发光介质，体素被串行激活，体素总数不超过五十万，无法表述复杂的图像信息或活动的光点信息，诸多的物理和技术限制使建成了的实验装置显示范围小、分辨率低、局限于简单的字母或图形静态显示，近期内不可能实现大尺度、高分辨率、高亮度的真三维显示。

2，基于旋转屏、空间调制光扫描

1996年德国D.Bahr等利用三色激光器作为光学系统，扫描一个快速旋转的螺旋屏，通过调制器和扫描器作为空间光调制手段，分别控制激光的强度和偏转角度，以便在螺旋屏表面上产生一个瞬时光点，随着激光器的偏转和螺旋屏的旋转，就能在圆柱状的真实三维空间内产生许多光点，观察者将因为视觉暂留而感知到一幅三维图像。

美国NEOS Technologies公司曾与美国海军指挥、控制及海洋监视中心合作，建立类似的实验装置，可以产生8万个大小为0.7mm体素的红、绿、黄三色图像；德州仪器公司与美国空军合作开发的OmniView^TM显示设备，也在螺旋屏结合激光投影技术的三维显示上进行了尝试。这类显示的主要缺点是体素总数少，不超过五十万，无法表述复杂动态信息。

2002年美国Actuality Systems公司研究的Perspecta3D System系统利用高速DLP（Digital Light Procession，数字光处理）投影仪，将二维截面序列投射到一个快速旋转的散射屏上，利用视觉暂留而融合到空间三维图像。如图7所示，Perspecta真三维显示器采用了结合倾斜光学器件的非常规的离轴投影方案，以便维持贯穿投影屏扫掠范围的良好聚焦。高压汞弧灯经积分棒和聚光透镜后，照在3-SLM（Spatial LightModulator,空间光调制器）投影仪上。SLM上的图像被投射穿过一个敞口直流电机的中心，该电机带动折叠镜、旋转镜组和投影屏幕旋转。

目前，该系统提供直径为10英寸的球形图像空间，二维截面的分辨率为768×768，截面总数为198，体素总数最多可达1亿，显示刷新率30Hz，最高分辨率时可显示8种颜色，体显示系统360度可周视，大于180度俯仰视。这是当时仅有的商品化的真三维显示系统，该系统的出现进一步促进了真三维显示技术的发展。但该设备的光学系统复杂、体素总数无法随显示空间增大而按比例增加、三维图像分辨率与图像颜色之间受DLP器件速度的限制，无法再提高，而且设备价格昂贵。采用单投影机方式，不旋转投影机，旋转反射镜，进行大倾斜投影。为保证各方向的投影效果一致，投影机镜头光轴与DMD（Digital Micromirror Device，数字微镜元件）芯片中心重合并垂直，反射镜的回转轴、屏幕的回转轴与投影机镜头光轴同轴。为保证大的俯仰视角，采用倾斜投影。但倾斜投影使图像产生上下离焦，清晰度下降、上大下小产生梯形畸变、上暗下亮均匀性不好，虽可用图像校正畸变，但损失分辨率，图像需进行梯形、旋转和灰度修整等处理，增加运算量。减小口径可减小离焦对清晰度的影响，但与提高亮度相矛盾，需采用光学的方法进行图像亮度不均匀性的校正，有一定的难度。

3，基于发光体旋转

早期开发的真三维显示技术采用将发光二极管密集安装在可旋转平板上，控制每一个发光二极管的发光时序并将其与平板的旋转位置同步，可以在旋转体内产生出三维图像，这一方法最初在1963年由Schipper提出(US3,097,261)。在1979年，Berlin发展出一个新方法，用光导方法解决了向旋转面传输大量显示数据的问题，并用高速LED(Light Emitter Diode)阵列取代了原来用的发光二极管(US4,160,973)，这种显示方法采用LED阵列平板旋转出三维显示空间。该技术的主要缺点在于三维图像的清晰度受到LED阵列密度的限制和LED开关时间的影响。同时，由于该方法受限于平板旋转屏的结构，三维体元的空间分布不均匀，从而影响显示图像质量。

利用阴极射线球(Cathode Ray Sphere，简称CRS)来显示三维图像的概念最初由Ketchpel在1960年提出，1979年，新西兰学者Blundell在将此概念做了原理性实现。这一方法将荧光物质镀在一个可旋转的屏幕上，将此可旋转屏幕置于真空容器内，再用电子射线束扫描处于真空中的可旋转的屏幕，产生可见光点。如果将电子射线束的扫描时序与屏幕的旋转同步，便可在屏幕的旋转区域内显示出真三维图像。由这种显示方法生成的三维图像质量较差，受到玻璃容器壁的光线折射及旋转屏幕透明度的影响。另外，影响像质的因素是荧光发光物质的发光启动时间和余晖。

上述体三维显示技术可以准确反映物体尺寸和空间关系，具有宽视角，能够形成令人印象深刻可视化效果，但是不能实现遮挡效应，并缺乏足够的表面特性。

二，光场三维显示

按照物理学的近距作用观点，人眼之所以能看见外界物体，其直接原因并不是因为物体的客观存在，而是由于物体发出的光波到达了人眼的视网膜，视神经细胞接收到物光波，从而产生三维空间像的视觉。通常可以将全息图理解为一个大容量的存储器件，存储或“冻结”了三维物体的全部信息。

为了从全息图中提取物光波的信息，还必须用适当的光波照射全息图，“解冻”或恢复原来的物光波，人眼迎着再现物光波观察时，就如同通过全息图这个窗口去观察原来的真实物体一样。如图8所示，全息术是一个两步成像过程，即物体光波的记录(存储或编码)和再现(恢复或解码)的过程，通常前一过程利用光的干涉实现，后一过程利用光的衍射完成。

全息三维显示能提供一种与观察原物时相同的视觉效果，但动态全息图空间光调制器的衍射角大小限制了可观察的视场范围，大场景全息三维显示其信息量之大，对空间光调制器、计算机的处理速度、存储容量和传输带宽的要求之高，都是目前软、硬件技术所无法实现的。但全息技术与计算技术相结合形成的计算全息学,为真三维显示开辟了一个新的途径，这也是真三维显示在机理上不断创新的源泉之一。

图9显示了传统的多视点三维显示从采集到三维显示的过程。生成三维图像的多视点光场三维显示的原理比较直观，将从某个视角采集（或计算机生成的）真实物体的三维光场图像逆向投影到相同的视角。如果多视点系统能够在显示设备附近以正确的视差生成足够数量的视图，观测者就能够感受到被显示物体的三维效果。通常视场被限制前方100度左右。

如同全息显示一样，光场三维显示（Light Field3D Display）技术试图记录和重构物体的360度范围光场,因此它不仅能够产生高质量表面特性，还能够正确表现景物之间的相互遮拦关系。观察者从不同角度可以观察到不同的画面，长时间观看没有不良生理反应。为了减少信息量,光场重构时可以压缩某一维度的信息,如垂直方向的光场变化信息,也可以根据人眼特性减少光场分布的角度精细程度,从而使信息量与全息技术相比大大减少，从而能够实现360度的动态空间三维显示,满足实际应用的需要。但是光场三维显示技术缺乏可度量的真实三维空间关系，不能在显示图像中反映出被显示物体准确的三维尺寸和相互空间关系。

可见，目前传统的三维显示技术无法无缝地同时再现出三维物体具有遮挡效应、表面特性和可三维测量的真实物理深度信息，因此，开发能够使观察者感受到更真实的三维显示效果的真三维显示技术，是三维显示领域的一个重要挑战，对于真三维显示技术深入到各种实际的三维数据可视化和交互应用中具有重要的意义。

发明内容

在下文中给出关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

本发明的一个主要目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种能够实现更真实三维显示效果的真三维显示系统及真三维显示方法。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于混合屏的真三维显示系统，包括：驱动装置、成像装置、投影装置和混合屏幕；

混合屏幕包括多种种类的具有不同显示机理的显示屏幕，多种种类的显示屏幕共用驱动装置、成像装置和投影装置；

驱动装置与混合屏幕连接，用于驱动混合屏幕水平旋转；

成像装置用于以预设的时序生成多幅图像，各幅图像包括一种或多种种类的基于不同显示机理的图像内容，每种种类的图像内容与一种种类的显示屏幕相对应；

投影装置与成像装置连接且与混合屏幕相对设置，用于将各幅图像中部分种类的图像内容或全部种类的图像内容投射至混合屏幕中对应的显示屏幕，以使混合屏幕只显示其中部分种类的图像内容或者显示所有种类的图像内容。

为实现上述目的，本发明还提供了一种基于混合屏的真三维显示方法，包括：

驱动步骤：驱动包括多种种类的显示屏幕的混合屏幕水平旋转，多种种类的显示屏幕具有不同显示机理；

图像生成步骤：以预设的时序生成多幅图像，各幅图像包括一种或多种种类的基于不同显示机理的图像内容，每种种类的图像内容与一种种类的显示屏幕相对应；以及

投影步骤：将各幅图像中的部分种类的图像内容或全部种类的图像内容投射至混合屏幕中对应的显示屏幕，以使混合屏幕只显示其中部分种类的图像内容或者显示所有种类的图像内容。

本发明将多种具有不同显示机理的显示屏幕集成在真三维显示系统中，使其共用驱动装置、成像装置和投影装置，通过生成一种或多种种类的图像内容组合为一副图像，并将同一图像在不同机理下的显示模式相结合，在混合屏幕的每次旋转回合中，三维物体能够被绘制一次或多次，从而使得观察者能够感受到更真实的三维效果。

附图说明

参照下面结合附图对本发明实施例的说明，会更加容易地理解本发明的以上和其它目的、特点和优点。附图中的部件只是为了示出本发明的原理。在附图中，相同的或类似的技术特征或部件将采用相同或类似的附图标记来表示。

图1为本发明基于混合屏的真三维显示系统的一种实施例的结构示意图。

图2为图1中的混合屏幕的结构示意图。

图3为图1中投影装置的结构示意图。

图4为本发明基于快速二维投影和快速移动屏的成像原理示意图。

图5为本发明基于多视点三维显示的原理示意图。

图6为本发明基于混合屏的真三维显示方法的一种实施例的流程图。

图7为现有技术中结合旋转平面屏幕和投影系统的真三维显示系统的结构示意图。

图8为现有技术中全息显示系统的原理图。

图9为现有技术中多视点三维显示系统的原理图。

具体实施方式

下面参照附图来说明本发明的实施例。在本发明的一个附图或一种实施方式中描述的元素和特征可以与一个或更多个其它附图或实施方式中示出的元素和特征相结合。应当注意，为了清楚的目的，附图和说明中省略了与本发明无关的、本领域普通技术人员已知的部件和处理的表示和描述。

本发明提供了一种基于混合屏的真三维显示系统，包括驱动装置、成像装置、投影装置和混合屏幕；

混合屏幕包括多种种类的具有不同显示机理的显示屏幕，多种种类的显示屏幕共用驱动装置、成像装置和投影装置；

驱动装置与混合屏幕连接，用于驱动混合屏幕水平旋转；

成像装置用于以预设的时序生成多幅图像，各幅图像包括一种或多种种类的基于不同显示机理的图像内容，每种种类的图像内容与一种种类的显示屏幕相对应；

投影装置与成像装置连接且与混合屏幕相对设置，用于将各幅图像中部分种类的图像内容或全部种类的图像内容投射至混合屏幕中对应的显示屏幕，以使混合屏幕只显示其中部分种类的图像内容或者显示所有种类的图像内容。

可选地，混合屏幕包括定向反射屏和螺旋屏。

可选地，定向反射屏和螺旋屏固定在一起。

可选地，定向反射屏沿水平方向倾斜放置，螺旋屏包括支撑轴，支撑轴的一端固定在定向反射屏上，另一端受驱动装置驱动以带动混合屏幕水平旋转。

可选地，成像装置生成的各图像包括被显示物体的体三维图像和/或被显示物体的三维光场图像，投影装置将各幅图像中的体三维图像和/或三维光场图像投射至对应的显示屏幕，以使混合屏幕单独显示体三维图像、单独显示三维光场图像、或者显示包括体三维图像和三维光场图像的合成图像。

可选地，成像装置生成的各幅图像中的光场三维图像由多个从不同观察视场采集的二维图像组合而成。

可选地，成像装置生成的各幅图像中的体三维图像由多层二维图像切片堆积而成。

可选地，还包括控制装置，与成像装置连接，用于控制成像装置选择性地生成一种或多种种类的基于不同显示机理的图像内容。

可选地，投影装置包括：

光源，用于发射光线；

滤波器，用于对光源发射的光线进行过滤；

光学准直透镜，用于对过滤后的光线进行光学准直；

极性化分光器，用于对光学准直后的光线进行分光生成极性化光线，并反射极性化光线；

空间光调制器，具有多个像素单元，各像素单元用于接收极性化分光器反射的极性化光线，并在被开启时将接收的极性化光线反射回极性化分光器形成各图像的光束；以及

光学器件，用于将各图像的光束投射至混合屏幕。

参考图1和图2，本发明的基于混合屏的真三维显示系统用于对被显示物体进行三维显示，其一种实施例包括成像装置10、投影装置12、混合屏幕14和驱动装置16。混合屏幕14包括螺旋屏141和定向反射屏142，螺旋屏141是一种曲面状的成像屏幕，其各成像点的高度渐变。定向反射屏142是指反射光线沿固定方向射出的屏幕，其可为平面反射屏幕。螺旋屏141和定向反射屏142的结构和工作原理均为现有技术，不再赘述。上述螺旋屏141和定向反射屏142仅是为了说明本发明的工作原理进行的示例性描述，在其他实施例中，混合屏幕还可包括具有其它显示机理的显示屏幕，只要能够显示三维图像即可；同理，混合屏幕中显示屏幕的数量也不限于两个。

成像装置10可为高速成像引擎，其可以预设时序高速生成多幅图像，各幅图像包括两种种类的图像内容，其中一种为被显示物体的体三维图像，另一种为被显示物体的三维光场图像。该两种种类的图像内容也可为基于其它显示机理的图像内容，只要能够被投射至合适的显示屏幕进行三维显示即可，同理，各幅图像中图像内容的种类不限于两种。

投影装置12用于将生成的各幅图像投射至混合屏幕上，其中，被显示物体的提三维图像被投射在混合屏幕14的螺旋屏141上，被显示物体的三维光场图像被投射在定向反射屏142上。也就是说，投影装置12将各种种类的图像内容投射至对应的显示屏幕上。

本实施例中，投影装置12可设于混合屏幕14的上方，用于竖直向下投射图像光束，则驱动装置16用于驱动混合屏幕14高速水平旋转，混合屏幕14在高速旋转的过程中，其螺旋屏141接收被显示物体的体三维图像，定向反射屏142接收被显示物体的三维光场图像。

本实施例中，还可包括位置传感器和同步器件，位置传感器检测混合屏幕14的位置信息，同步器件根据混合屏幕14的位置信息对成像装置10进行同步控制以使其生成与混合屏幕14的旋转位置相对应的图像，使得各种图像内容能够投射至对应的显示屏幕上。对旋转屏幕和图像引擎进行同步控制的技术是本领域的公知常识，不再赘述。

如图2所示，混合屏幕14的具体结构可为：将定向反射屏142沿水平方向倾斜设置，倾斜角度可为例如45度，螺旋屏141的支撑轴1410的一端固定在定向反射屏142上，另一端可连接至驱动装置16的机械部件上，以受驱动装置16驱动以带动螺旋屏141和定向反射屏142同步水平旋转。根据三维显示的空间范围、显示图像质量或显示图像大小的不同，也可将螺旋屏141和定向反射屏142以其它方式相结合或固定在一起。

经验证，螺旋屏141和定向反射屏142以上述方式相集成，具有较好的显示效果。

可选地，本实施例中，还可包括控制装置（图中未示出），用以控制成像装置10生成被显示物体的体三维图像和/或被显示物体的三维光场图像。也就是说，可以选择需要的显示模式，例如，当控制成像装置10不生成被显示物体的三维光场图像，而只生成被显示物体的体三维图像时，显示仅由二维图像切片构建的真三维图像，能够实现被显示物体的遮挡效应并较好地反映其表面特性，但是不能准确反映物体尺寸和空间关系；当控制成像装置10只生成被显示物体的三维光场图像时，显示仅由三维体素构成的真三维图像，能够反映可三维测量的真实物理深度信息，但不能实现遮挡效应和反映物体表面特性；当同时生成被显示物体的三维光场图像和对应的体三维图像时，显示的真三维图像既能够实现被显示物体的遮挡效应、较好地反映其表面特性，也能够准确反映物体的尺寸和空间关系。用户可通过控制装置在多个模式之间进行切换。该控制装置可为，例如计算机。

可选地，本实施例中，还可包括透明保护罩18，设于混合屏幕14的外围以对混合屏幕14起到保护作用，防止混合屏幕14被损坏。

参考图3，本实施例中，投影装置12可包括光源121、滤波器122、光学准直透镜123、极性化分光器124、空间光调制器125和光学器件126。光源121可为RGB（红绿蓝）三色光源或者白色光源，其发出的光线经滤波器122过滤掉红外、紫外等不可见光，并通过光学准直透镜123进行光学准直后投射到极性化分光器124上，光线经极性化分光器124分光后形成极性化光线被反射至空间光调制器125的相应像素单元上。通过成像装置10产生高速变换的图像流调制空间光调制器125，当空间光调制器125上的像素单元被开启时，通过该像素单元的光线便被反射回极性化分光器125；当空间光调制器125上的像素单元被关闭时，通过该像素单元的光线便被极性化分光器125吸收。利用成像装置10产生的高速变换的图像流控制空间光调制器125上的像素单元的开启和关闭，可以控制各像素单元向极性化分光器125反射光线，从而调制出高速变换的图像，形成该图像的光束经过极性化分光器125和光学器件126被投射到混合屏幕14上，投射到定向反射屏142上的光束会形成对应各个观察视场的三维光场图像，而投射到螺旋屏141上的光束被螺旋面截获,在截获处形成可见光点，形成真三维体元分布。在混合屏幕14高速旋转的过程中,观察者肉眼便可感受连续显示的真三维图像和多视点三维图像。

本实施例中，通过高速生成被显示物体的二维图像切片，结合高速旋转的螺旋屏141来使观察者在视觉上感受到三维物体。具体原理如下：

如图4所示，基于快速二维投影和快速移动屏的成像原理.假定一个扫描屏以较快的循环频率在Z轴上来回移动（比如大于24Hz），在扫描运动的每个时间周期内，通过高速投影仪将N幅二维图像朝移动平面进行投影，扫描屏与二维图像投影在Z轴的不同位置上相交，在真三维空间形成二维图像栈。当扫描屏的循环频率足够高，在每趟运动中二维投影仪能够产生足够数量的二维图像切片，观测者就能够由于人眼的视觉暂留效应感受到一个真三维图像悬浮在三维空间中，没有抖动。

本实施例中，利用一个高速的成像装置10和光学投影装置10来输出超高速的图像（每秒几千幅）并将其投影到高速旋转旋转的螺旋屏141上。投影图像与螺旋屏141表面在不同的高度上相交（取决于螺旋面的不同旋转角度），于是螺旋屏141每次旋转能够在其旋转所构成的柱面三维显示空间内生成三维像素。螺旋屏141表面的每个部分能够使用数学方程描述：

其中x、y、z为显示空间的三维坐标，H为螺旋屏的高度（在z方向上），γ为螺旋屏的角位移，p为比例系数。

因此，成像装置10高速生成的各幅图像中的体三维图像由多层二维图像切片堆积而成，用于描述被显示物体的三维体元信息。

通过使螺旋屏141的旋转与成像装置10的时序相同步，这样三维图像投影就能够以很高的刷新率在三维空间内被绘制出来，裸眼就能够感受到一个真实三维立体图像。不需要戴上特别的装置就可以观看三维空间中的三维悬浮图像，就像真的物体放置在那里一样。

本实施例中，通过高速生成各个观察视场的三维光场图像，可结合高速旋转的定向反射屏142来使处于各观察视场中的观察者能够观看到对应该观察视场的三维图像。具体原理如下：

如图5所示，将从各个视角采集（或计算机生成的）的被显示物体的二维图像组合形成三维光场图像逆向投影到相同的视角，便能在该视角观察到相应的三维图像。如果能够以正确的视差生成足够数量的三维光场图像，观测者就能够感受到被显示物体的三维效果。

利用旋转屏幕，可以将多视点三维显示的视场扩展环形360度到视场角，具体地，利用具有方向性的投影机制来产生在360度范围内每个视角的方向图片。通过高速的成像装置生成多视场光场图像（对应多视场的三维光场图像）并通过投影装置将其投影到45度倾角的旋转屏（定向反射屏）。投影的图像序列与屏幕的旋转角同步。对于一个特定的视角，被投影的图像就是从这个视角采集到的对应图像。旋转屏幕采用平面，使用具有方向性的定向反射材料构成，这种特殊的各向异性的反射材料可以使得反射出来的光线在垂直方向（垂直于屏幕表面）具有较大的散射角，保证足够视场角，而水平方向（平行于屏幕表面）只有非常窄的视角（大约1度）。这个独特的光学特性给我们提供了一个完美的机制向在特定观察角度的观察者显示出高质量的具有表面纹理和遮挡特性的彩色图像，而处在其他角度的观察者则看到不同的图像。

因此，从不同视场角的观测者可以看到的对应这个特定视场角的具有正确视差的图像。其结果是周围的观测者都能够感受到三维视差效应。

本发明还提供了一种基于混合屏的真三维显示方法，包括：

驱动步骤：驱动包括多种种类的显示屏幕的混合屏幕水平旋转，多种种类的显示屏幕具有不同显示机理；

图像生成步骤：以预设的时序生成多幅图像，各幅图像包括一种或多种种类的基于不同显示机理的图像内容，每种种类的图像内容与一种种类的显示屏幕相对应；以及

投影步骤：将各幅图像中的部分种类的图像内容或全部种类的图像内容投射至混合屏幕中对应的显示屏幕，以使混合屏幕只显示其中部分种类的图像内容或者显示所有种类的图像内容。

可选地，混合屏幕包括定向反射屏和螺旋屏。。

可选地，图像生成步骤中生成的各图像包括被显示物体的体三维图像和/或被显示物体的三维光场图像，投影步骤将各幅图像中的体三维图像和/或三维光场图像投射至对应的显示屏幕，以使混合屏幕单独显示体三维图像、单独显示三维光场图像、或者显示包括体三维图像和三维光场图像的合成图像。

可选地，各图像中的光场三维图像由多个从不同观察视场采集的二维图像组合而成。

可选地，各图像中的体三维图像由多层二维图像切片堆积而成。

参考图6，本发明的基于混合屏的真三维显示方法可利用上述实施例中基于混合屏的真三维显示系统来显示真三维图像，其一种实施例包括以下步骤：

驱动步骤S61：驱动混合屏幕14水平旋转，本步骤中，可通过驱动装置16驱动螺旋屏141的支撑轴1410旋转，进而带动螺旋屏141和定向反射屏142水平旋转。

图像生成步骤S63：以预设的时序生成多幅图像，各幅图像包括被显示物体的体三维图像和/或被显示物体的三维光场图像。本步骤中，可通过成像装置10高速生成多幅图像，具体地，可通过控制成像装置10生成图像的时序，以与混合屏幕14的旋转相同步，使得投影装置12投射的图像与混合屏幕14的旋转角度相对应，且使得各幅图像中的三维光场图像能够完全被螺旋屏141接收，体三维图像能够完全被定向反射屏142接收。更具体地，可通过同步器件检测混合屏幕14的位置信息（例如旋转角度），并根据该位置信息控制生成各幅图像的时序，以与混合屏幕14的旋转同步。

投影步骤S65：将生成的各幅图像中的体三维图像和三维光场图像分别投射至螺旋屏141和定向反射屏142。本步骤可通过投影装置10来执行，具体地，可通过光源121发射光线，光线经过滤、准直后投射至极性化分光器124生成极性化光线，性化分光器124将极性化光线反射至空间光调制器125的对应像素单元上，通过控制空间光调制器125像素单元的开启和关闭高速变换出待投射的图像光束，该图像光束经极性化分光器124和光学器件126后被投射至混合屏幕14上，其中体三维图像光束被投射在螺旋屏141上，三维光场图像光束被投射至定向反射屏142上。混合屏幕14在高速旋转的过程中形成三维空间，观察者可在该三维空间内观察到真三维图像。

可选地，本实施例中，图像生成步骤中生成的各图像中的光场三维图像由多个从不同观察视场采集的二维图像组合而成，使得其投射至混合屏幕时，观察者可以从0-360度不同角度观察到三维物体的不同侧面。

本发明将多种具有不同显示机理的显示屏幕集成在真三维显示系统中，共用驱动装置、成像装置和投影装置，通过成像装置生成多种基于不同显示机理的图像内容组合为一副图像，通过将不同机理下的显示模式相结合，在混合屏幕的每次旋转回合中，三维物体能够被绘制多次，使得观察者可感受到更真实的三维效果。例如，在上述实施例中：在混合屏幕14的每次旋转回合中，三维物体能够被绘制两次，一次使用体扫描方法在三维空间绘制真三维图像以准确反映物体的三维尺寸和空间关系，另外一次是使用多视点三维显示方法来反映物体的高质量的表面特性（光照，阴影及其它）以及遮挡效应，从而使得观察者不仅能够获得真正三维的空间感觉，而且可以看到物体表面的纹理特性。

进一步地，本发明通过成像装置生成多幅图像，各幅图像包括一种或多种种类的基于不同显示机理的图像内容，并通过投影装置将各幅图像中部分种类的图像内容或全部种类的图像内容投射至对应的显示屏幕，以使混合屏幕只显示其中部分种类的图像内容或者显示所有种类的图像内容，可实现根据实际需要切换显示模式。

进一步地，本发明的基于混合屏的真三维显示系统和方法相较现有技术还具有以下优点：

在不用显著地增加硬件复杂性、整体系统的尺寸、重量和成本的前提下，自然地将多视点光场三维显示和体扫描三维显示融合在一个系统中，形成一个崭新的多模式显示方式，展示高质量具有纹理和遮挡效应的真三维图像，并使显示的三维物体上带有真实的三维空间关系。

各种显示模式可以根据用户需要随意切换，可以是单模式显示（体三维或者光场三维），也可以是多模式混合显示。使用灵活，将真三维信息用各种可能的方式和模式充分展示，使观察者获得全面的三维体验。

基于混合屏的真三维显示系统及方法不限于体三维与光场三维的融合，也适用于其它多种三维显示模式的有机融合。集多种显示模式为一体的多模式真三维显示系统可以克服单一显示模式的缺陷，提供更加丰富的心理与生理三维信息，达到任何单一显示模式所不能达到的综合显示性能。

可以实现全真彩色三维显示。采用RGB三色光源,分别投射红、绿、蓝三原色(或其他可以产生逼真颜色的色彩组合),合成后的显示器便可产生全真彩色真三维显示。

光学系统设计具有“并行投影系统”的优点,利用SLM可产生高速变换的两维数据投影流的优势,可以一次同时产生大量三维体元(高达1024x768（或者1920x1080）个体元,不像以激光扫描系统为代表的“串行投影系统”,一次只能产生一个体元。这种“并行投影系统”设计思想克服了制约产生高清晰度真三维显示的瓶颈。

混合屏幕的设计可以进一步优化，在形状，材料，光学特性等方面有很大的选择余地。比如为了可以将屏幕材料选为主动电子切换屏幕（如PDLC），根据需要转换体三维或光场三维模式。

可以将真三维显示的图像用特殊光学器件映射成为虚像，使真三维图像就像真三维物体一样“漂浮”在三维空间中。这种“可探入”显示方式使观看者无需佩戴特殊眼镜便可从不同角度观察三维图像的不同侧面,不但在获取三维空间关系的同时得到高质量纹理和具有遮挡效应的三维图像，而且为人机交互提供新颖的途径，因而为人类视觉系统提供了较为完备的生理和心理的感知条件。

本发明的基于混合屏的真三维显示系统及方法中，三维空间体元基本均匀分布。这一优势避免了其它技术(如旋转LED平板等)由于系统成像机理原因引起三维体元分布不均匀的根本缺陷。同时,三维成像引擎与旋转显示屏无需直接的电气连接,大大简化了三维数据传输的难度。因而在三维显示空间的数据表达模式、三维体元处理技术、彩色三维数据的实时采集与数据生成技术、三维显示数据的高速传输和显示技术、三维体元的特性评价及其布局规范、三维图像显示空间和显示分辨率的按比例扩展性等方面具有简单快速的明显优势。

在本发明的系统和方法中，显然，各部件或各步骤是可以分解、组合和/或分解后重新组合的。这些分解和/或重新组合应视为本发明的等效方案。同时，在上面对本发明具体实施例的描述中，针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。

虽然已经详细说明了本发明及其优点，但是应当理解在不超出由所附的权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下可以进行各种改变、替代和变换。而且，本发明的范围不仅限于说明书所描述的过程、设备、手段、方法和步骤的具体实施例。本领域内的普通技术人员从本发明的公开内容将容易理解，根据本发明可以使用执行与在此所述的相应实施例基本相同的功能或者获得与其基本相同的结果的、现有和将来要被开发的过程、设备、手段、方法或者步骤。因此，所附的权利要求旨在在它们的范围内包括这样的过程、设备、手段、方法或者步骤。

Claims (14)

1.一种基于混合屏的真三维显示系统，其特征在于，包括驱动装置、成像装置、投影装置和混合屏幕；

所述混合屏幕包括多种种类的具有不同显示机理的显示屏幕，所述多种种类的显示屏幕共用所述驱动装置、成像装置和投影装置；

所述驱动装置与所述混合屏幕连接，用于驱动所述混合屏幕水平旋转；

所述成像装置用于以预设的时序生成多幅图像，各幅图像包括一种或多种种类的基于不同显示机理的图像内容，每种种类的图像内容与一种种类的显示屏幕相对应；

所述投影装置与所述成像装置连接且与所述混合屏幕相对设置，用于将各幅图像中部分种类的图像内容或全部种类的图像内容投射至所述混合屏幕中对应的显示屏幕，以使所述混合屏幕只显示其中部分种类的图像内容或者显示所有种类的图像内容。

2.根据权利要求1所述的基于混合屏的真三维显示系统，其特征在于，所述混合屏幕包括定向反射屏和螺旋屏。

3.根据权利要求2所述的基于混合屏的真三维显示系统，其特征在于，所述定向反射屏和所述螺旋屏固定在一起。

4.根据权利要求3所述的基于混合屏的真三维显示系统，其特征在于，所述定向反射屏沿水平方向倾斜放置，所述螺旋屏包括支撑轴，所述支撑轴的一端固定在所述定向反射屏上，另一端受所述驱动装置驱动以带动所述混合屏幕水平旋转。

5.根据权利要求1所述的基于混合屏的真三维显示系统，其特征在于，所述成像装置生成的各所述图像包括被显示物体的体三维图像和/或被显示物体的三维光场图像，所述投影装置将各幅图像中的体三维图像和/或三维光场图像投射至对应的显示屏幕，以使所述混合屏幕单独显示体三维图像、单独显示三维光场图像、或者显示包括所述体三维图像和三维光场图像的合成图像。

6.根据权利要求5所述的基于混合屏的真三维显示系统，其特征在于，所述成像装置生成的各幅图像中的光场三维图像由多个从不同观察视场采集的二维图像组合而成。

7.根据权利要求5所述的基于混合屏的真三维显示系统，其特征在于，所述成像装置生成的各幅图像中的体三维图像由多层二维图像切片堆积而成。

8.根据权利要求1-7任一项所述的基于混合屏的真三维显示系统，其特征在于，还包括控制装置，与所述成像装置连接，用于控制所述成像装置选择性地生成所述一种或多种种类的基于不同显示机理的图像内容。

9.根据权利要求1-7任一项所述的基于混合屏的真三维显示系统，其特征在于，所述投影装置包括：

光源，用于发射光线；

滤波器，用于对所述光源发射的光线进行过滤；

光学准直透镜，用于对过滤后的光线进行光学准直；

极性化分光器，用于对光学准直后的光线进行分光生成极性化光线，并反射所述极性化光线；

空间光调制器，具有多个像素单元，各像素单元用于接收所述极性化分光器反射的极性化光线，并在被开启时将接收的极性化光线反射回所述极性化分光器形成各所述图像的光束；以及

光学器件，用于将各所述图像的光束投射至所述混合屏幕。

10.一种基于混合屏的真三维显示方法，其特征在于，包括：

驱动步骤：驱动包括多种种类的显示屏幕的混合屏幕水平旋转，所述多种种类的显示屏幕具有不同显示机理；

图像生成步骤：以预设的时序生成多幅图像，各幅图像包括一种或多种种类的基于不同显示机理的图像内容，每种种类的图像内容与一种种类的显示屏幕相对应；以及

投影步骤：将各幅图像中的部分种类的图像内容或全部种类的图像内容投射至所述混合屏幕中对应的显示屏幕，以使所述混合屏幕只显示其中部分种类的图像内容或者显示所有种类的图像内容。

11.根据权利要求10所述的基于混合屏的真三维显示方法，其特征在于，所述混合屏幕包括定向反射屏和螺旋屏。

12.根据权利要求10所述的基于混合屏的真三维显示方法，其特征在于，所述图像生成步骤中生成的各所述图像包括被显示物体的体三维图像和/或被显示物体的三维光场图像，所述投影步骤将各幅图像中的体三维图像和/或三维光场图像投射至对应的显示屏幕，以使所述混合屏幕单独显示体三维图像、单独显示三维光场图像、或者显示包括所述体三维图像和三维光场图像的合成图像。

13.根据权利要求12所述的基于混合屏的真三维显示方法，其特征在于，各所述图像中的光场三维图像由多个从不同观察视场采集的二维图像组合而成。

14.根据权利要求12所述的基于混合屏的真三维显示方法，其特征在于，各所述图像中的体三维图像由多层二维图像切片堆积而成。

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