CN103888757A - 众视点裸视三维数字立体投影显示系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种众视点裸视三维数字立体投影显示系统，包括全景信息采集模块、全景信息处理模块、全景信息同步解码模块和全景投影显示模块，全景信息采集模块包括多个摄像机，多个摄像机之间呈阵列布置，全景投影显示模块包括投影仪阵列和全息显示屏，全息显示屏设于投影仪阵列与用户之间，投影仪阵列包括多个投影仪，多个投影仪之间呈阵列布置且与多个摄像机之间的排列方式相同，全息显示屏为用于对投射到屏幕表面的光信号产生全息干涉实现光场复现的光学薄膜。本发明能够实现立体场景信息的实时采集与复现，具有支持裸视、支持多观察视点、支持显示场景的真彩色和大尺度、显示效果逼真、观察效果流畅、实现简单、应用范围广的优点。

Description

众视点裸视三维数字立体投影显示系统

技术领域

本发明涉及三维立体显示技术领域，具体涉及一种众视点裸视三维数字立体投影显示系统。

背景技术

三维立体显示技术在信息技术、航空航天、医疗和科学研究等领域有着广泛的应用。传统的三维立体显示技术主要借助眼镜、头盔等辅助器材使观察者获得视觉立体感，但长时间观看会导致观察者出现头晕、恶心等不良反应。真三维显示技术是全新的三维立体显示技术，是指用户不借助任何辅助设备就可以在较大角度内自由清晰地观看三维场景的三维显示技术。用户在观看时可以自由灵活地变换观察位置，而且不会出现不良反应，真三维显示技术在视景仿真、医学生物成像和游戏娱乐等领域具有广阔的发展前景，

目前，已有的真三维显示技术包括集成成像显示技术、体三维显示技术和全息三维显示技术。这三种技术目前都处于研究和发展中，还不能同时具备屏幕大尺寸、裸视、真彩色、动态、众视点、长时间观看无不良生理反应、实用性强等重要特性，尚不能较好的满足科学研究、国民经济和国防建设的各个领域对真三维显示的要求。其中，集成成像显示技术目前仍处于研究阶段，距离实用仍有很大差距；体三维显示技术也处于探索研究中，存在消隐困难、色彩不丰富、体显示空间小等问题；全息三维显示技术实现了真三维静态显示，但是很难实现真三维动态显示。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种能够实现立体场景信息的实时采集与复现、支持裸视、支持多观察视点、支持显示场景的真彩色和大尺度、显示效果逼真、观察效果流畅、实现简单、应用范围广的众视点裸视三维数字立体投影显示系统。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种众视点裸视三维数字立体投影显示系统，包括全景信息采集模块、全景信息处理模块、全景信息同步解码模块和全景投影显示模块，所述全景信息采集模块包括多个用于对被采集立体场景进行信息采集的摄像机，所述多个摄像机之间呈阵列布置，所述全景投影显示模块包括投影仪阵列和全息显示屏，所述全息显示屏设于投影仪阵列与用户之间，所述投影仪阵列包括用于对被采集立体场景进行信息还原的多个投影仪，所述多个投影仪之间呈阵列布置且与多个摄像机之间的排列方式相同，所述全息显示屏为用于对投射到屏幕表面的光信号产生全息干涉实现对被采集立体场景进行光场复现的光学薄膜；所述摄像机分别与全景信息处理模块相连，所述全景信息处理模块通过网络与全景信息同步解码模块相连，所述全景信息同步解码模块分别与各个投影仪相连，所述摄像机分别对被采集立体场景进行信息采集并将采集的光场信息数据分别通过全景信息处理模块发送给全景信息同步解码模块，所述全景信息同步解码模块对收到的光场信息数据进行同步以及解码后分别通过各个投影仪投影在全息显示屏上，所述全息显示屏对投射到屏幕表面的光信号产生全息干涉实现对被采集立体场景进行光场复现。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述多个摄像机沿着同一条直线排列布置，且所述多个摄像机之间的光轴相互平行，任意两个相邻的摄像机之间的距离相等；所述多个投影仪沿着同一条直线排列布置，且所述多个投影仪之间的光轴相互平行，任意两个相邻的投影仪之间的距离相等；所述任意两个相邻的摄像机之间的距离与任意两个相邻的投影仪之间的距离相等。

本发明众视点裸视三维数字立体投影显示系统具有下述优点：

1、本发明为基于全息功能屏实现的裸视大尺寸、真彩色、动态沙盘式的真三维显示系统，用户不需借助其他器材设备，凭裸眼即可观察到立体场景的的裸眼三维显示效果，有效地解决了现有真三维显示系统存在的显示尺寸小、长时间观察容易造成头晕和疲劳、分辨率低、需要复杂机械机构、不能实时显示等问题，而且支持水平视差、众视点、动态场景显示（25场景/秒）、长时间观看时无不良生理反应、真三维视景的实时采集与显示等功能；而且本发明的显示屏幕可依摄像机以及投影仪的阵列规模和用户观测需求制成较大尺寸，使用户获得更好的观察效果。

2、、本发明对场景信息用多路视频进行采集，并通过密集的投影仪阵列进行播放，使用户在屏幕前方可获得多个视点的视觉信息，因此本发明的众视点裸视三维立体显示系统具有多个视点，能够为用户提供更大的观察空间，用户可以灵活地变化观察位置，获得不同角度的场景信息。

3、本发明能够对动态场景进行实时、连续的复现。目前现有的真三维立体显示技术只能显示虚拟的动态场景，不能对真实的动态场景进行复现，而本发明的众视点裸视三维立体显示系统通过全景信息采集模块和全景投影显示模块，结合连接期间的全景信息处理模块和全景信息同步解码模块，通过全景信息处理模块和全景信息同步解码模块实现对传输数据的编码压缩、同步和解码，能够对动态场景的信息进行实时采集和传输，最终通过显示全息显示屏复现，使用户可以看到连续、真实的实时动态场景。

4、本发明的众视点裸视三维立体显示系统中全景信息采集模块和全景投影显示模块均采用彩色高清数码设备（彩色高清数码摄像机和彩色高清数码投影仪），因此复现的场景为全彩色的场景，使用户获得逼真的视觉效果。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图。

图2为本发明实施例中全景信息采集模块的排列结构示意图。

图3为本发明实施例中全景投影显示模块的排列结构示意图。

图例说明：1、全景信息采集模块；11、摄像机；2、全景信息处理模块；3、全景信息同步解码模块；4、全景投影显示模块；41、投影仪阵列；411、投影仪；42、全息显示屏。

具体实施方式

如图1所示，本实施例的众视点裸视三维数字立体投影显示系统包括全景信息采集模块1、全景信息处理模块2、全景信息同步解码模块3和全景投影显示模块4，全景信息采集模块1包括多个用于对被采集立体场景进行信息采集的摄像机11，多个摄像机11之间呈阵列布置，全景投影显示模块4包括投影仪阵列41和全息显示屏42，全息显示屏42设于投影仪阵列41与用户之间，投影仪阵列41包括用于对被采集立体场景进行信息还原的多个投影仪411，多个投影仪411之间呈阵列布置且与多个摄像机11之间的排列方式相同，所述全息显示屏42为用于对投射到屏幕表面的光信号产生全息干涉实现对被采集立体场景进行光场复现的光学薄膜；摄像机11分别与全景信息处理模块2相连，全景信息处理模块2通过网络与全景信息同步解码模块3相连，全景信息同步解码模块3分别与各个投影仪411相连，摄像机11分别对被采集立体场景进行信息采集并将采集的光场信息数据分别通过全景信息处理模块2发送给全景信息同步解码模块3，全景信息同步解码模块3对收到的光场信息数据进行同步以及解码后分别通过各个投影仪411投影在全息显示屏42上，全息显示屏42对投射到屏幕表面的光信号产生全息干涉实现对被采集立体场景进行光场复现。

如图1所示，R表示空间场景中的某一点，R’为用户最终看到的立体场景中R点对应的像。本实施例在工作状态时，全景信息采集模块1通过呈阵列布置的摄像机11对目标场景R进行实时全景采集，被采集的全景信息经全景信息处理模块2进行实时编码后通过网络实时传输给全景信息同步解码模块3，通过全景信息同步解码模块3进行实时同步和解码后，输出到全景投影显示模块4。全景投影显示模块4则实时地通过投影仪阵列41和全息显示屏42将真三维彩色动态实时立体地显示在功能显示屏前的空间中，使得面向显示屏的观察者能看到真三维彩色动态立体实时视景，本实施例通过各个模块的协调合作而完成整个立体场景的拍摄及再现过程，其中关键的环节在于全景信息采集模块1对立体场景信息的实时采集和全景投影显示模块4对立体场景信息的复现，即得到R’。本实施例为基于全息功能屏实现的裸视大尺寸、真彩色、动态沙盘式的真三维显示系统，本实施例利用多个摄像机11组成的阵列对动态场景进行信息采集，通过压缩编码技术对场景信息进行处理，利用投影仪阵列41和全息显示屏42实现场景复现，使用户不需借助任何设备即可观看到动态、实时、真彩色的立体场景，实现众视点的裸眼三维显示效果，有效地解决了现有真三维显示系统存在的显示尺寸小、长时间观察容易造成头晕和疲劳、分辨率低、需要复杂机械机构、不能实时显示等问题，而且支持水平视差、众视点、动态场景显示（25场景/秒）、长时间观看时无不良生理反应、真三维视景的实时采集与显示等功能，为基于静态全息屏的裸视三维显示系统实用化提供必要的理论与技术基础，能够实现立体场景信息的实时采集与复现，实现了对立体场景信息的实时采集与复现，为用户提供众多的观察视点，而且系统具有真彩色、大尺度等优势，使用户获得更加逼真、流畅的观察效果，具有支持裸视、支持多观察视点、支持显示场景的真彩色和大尺度、显示效果逼真、观察效果流畅、实现简单、应用范围广的优点，在科研、经济、社会等方面都具有重要推广和应用价值。

如图2所示，本实施例通过多个摄像机11对R点处（图2中的正方体为场景内的物体示意）的空间场景进行拍摄，本实施例的多个摄像机11为编号为C₁到C_N的同种摄像机，多个摄像机11沿着同一条直线排列布置，且多个摄像机11之间的光轴相互平行，任意两个相邻的摄像机11之间的距离相等。摄像机11在对场景进行的拍摄时，将生成的视频信号输送给全景信息处理模块2进行处理。本实施例通过上述多个摄像机11的排列结构，结合排列方式相同的投影仪阵列41，使得本实施例的用户在屏幕前方可获得多个视点的视觉信息，因此本实施例的众视点裸视三维立体显示系统具有多个视点，能够为用户提供更大的观察空间，用户可以灵活地变化观察位置，获得不同角度的场景信息；而且由于多个摄像机11沿着同一条直线排列布置，使得摄像机11在安装、施工时更加方便，而且占用空间比较小。

全景信息处理模块2主要用于对多个摄像机11采集的视频进行编码和发送，全景信息处理模块2采用高性能计算机实现，主要实现对场景信息进行编码处理和存储功能，由于本实施例通过多个摄像机11对场景信息进行实时动态采集，因此同一时刻有多路视频进入全景信息处理模块2，因此全景信息处理模块2需要强大的信息处理能力与缓存空间。由于多个摄像机11生成的视频流数据量较大，不利于传输与存储，因此需要对视频进行编码处理，本实施例的全景信息处理模块2采用多视角三维视频低冗余压缩编码等算法对视频流进行编码压缩，压缩后的视频信息就可以通过网络进行传输。

全景信息同步解码模块3主要用于实现视频信息的接收、同步和解码功能，全景信息同步解码模块3也基于高性能计算机实现，且全景信息同步解码模块3通过高性能交换机等设备与全景信息处理模块2相连，其传输网络采用多链路混合传输技术，通过网络实现对视频信号的传输视频信号的控制和远距离传输。全景信息同步解码模块3对视频流进行解码和同步处理，使其成为全景投影显示模块4中投影仪阵列41可直接播放的同步视频信号，全景投影显示模块4对视频信号的同步处理可采用NTP协议来实现，处理好的视频信号将被输送到全景投影显示模块4。

全景投影显示模块4主要由投影仪阵列41和全息显示屏42组成，投影仪阵列41将来自全景信息同步解码模块3的视频信息转换成光信号并投射到全息显示屏42上，全息显示屏42为由光学薄膜制成的现有产品，能够对投射到屏幕表面的光信号产生全息干涉，实现立体场景的光场复现，最终用户将通过全息显示屏42看到R处的三维立体复现场景，即R’。

如图3所示，本实施例中投影仪阵列41与多个摄像机11的排列方式相同，多个投影仪411之间的型号相同，编号依次为P₁到P_N。多个投影仪411沿着同一条直线排列布置，且多个投影仪411之间的光轴相互平行，任意两个相邻的投影仪411之间的距离相等；任意两个相邻的摄像机11之间的距离与任意两个相邻的投影仪411之间的距离相等。每个投影仪411对应一个观察视点，全息显示屏42位于投影仪阵列41和用户之间，其尺寸由可依据投影仪阵列41的规模和用户观测范围决定。全景投影显示模块4工作时，投影仪阵列41将来自全景信息同步解码模块3的同步视频信号转换成光信号并投射到全息显示屏42上，光信号在全息显示屏42上发生全息干涉，复现出多个投影仪411拍摄的原场景，通过全息显示屏42，用户就可以观察到动态的三维立体场景。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种众视点裸视三维数字立体投影显示系统，其特征在于：包括全景信息采集模块（1）、全景信息处理模块（2）、全景信息同步解码模块（3）和全景投影显示模块（4），所述全景信息采集模块（1）包括多个用于对被采集立体场景进行信息采集的摄像机（11），所述多个摄像机（11）之间呈阵列布置，所述全景投影显示模块（4）包括投影仪阵列（41）和全息显示屏（42），所述全息显示屏（42）设于投影仪阵列（41）与用户之间，所述投影仪阵列（41）包括用于对被采集立体场景进行信息还原的多个投影仪（411），所述多个投影仪（411）之间呈阵列布置且与多个摄像机（11）之间的排列方式相同，所述全息显示屏（42）为用于对投射到屏幕表面的光信号产生全息干涉实现对被采集立体场景进行光场复现的光学薄膜；所述摄像机（11）分别与全景信息处理模块（2）相连，所述全景信息处理模块（2）通过网络与全景信息同步解码模块（3）相连，所述全景信息同步解码模块（3）分别与各个投影仪（411）相连，所述摄像机（11）分别对被采集立体场景进行信息采集并将采集的光场信息数据分别通过全景信息处理模块（2）发送给全景信息同步解码模块（3），所述全景信息同步解码模块（3）对收到的光场信息数据进行同步以及解码后分别通过各个投影仪（411）投影在全息显示屏（42）上，所述全息显示屏（42）对投射到屏幕表面的光信号产生全息干涉实现对被采集立体场景进行光场复现。

2.根据权利要求1所述的众视点裸视三维数字立体投影显示系统，其特征在于：所述多个摄像机（11）沿着同一条直线排列布置，且所述多个摄像机（11）之间的光轴相互平行，任意两个相邻的摄像机（11）之间的距离相等；所述多个投影仪（411）沿着同一条直线排列布置，且所述多个投影仪（411）之间的光轴相互平行，任意两个相邻的投影仪（411）之间的距离相等；所述任意两个相邻的摄像机（11）之间的距离与任意两个相邻的投影仪（411）之间的距离相等。

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