CN104155840A - 基于高速投影机的360°全视差三维显示装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于高速投影机的360°全视差三维显示装置，包括：高速投影机，用于投射图像，并同时输出每一帧图像所对应的同步信号；屏幕，对高速投影机投射的图像漫反射，显示每个观察者所需的图像；位置追踪设备，用于获取各观察者的位置信息；图像发生器，根据需要显示的3D场景信息和各观察者的位置信息，向所述的高速投影机输送图像；主动式快门3D眼镜，为各观察者佩戴，根据与之匹配的同步信号，控制镜片的通光状态，使观察者在屏幕上观看到具有立体视觉的图像。本发明还公开了一种基于高速投影机的360°全视差三维显示方法。本发明可同时对多人提供全视差、360度的特定显示图像，并具有三维场景显示效果，显示信息量大、分辨率高。

Description

基于高速投影机的360°全视差三维显示装置和方法

技术领域

本发明涉及3D显示系统，尤其涉及一种基于高速投影机的360°全视差三维显示装置和方法。 

背景技术

视觉是人类最重要信息来源，人类60％以上的信息均来自于视觉。而人类本身正是生活于三维世界中，视觉亦是三维视觉。因此，随着科学技术的不断发展，二维平面显示技术已经不能满足人们的需要，3D显示技术随之蓬勃发展。现在，3D显示技术已经越来越广泛的应用于包括娱乐、医疗、军事和广告等多个领域。 

现有的三维显示技术，主要包括双目视差型三维显示，集成成像立体显示，全息三维显示以及光场重构型三维显示。双目视差型三维显示结构简单，成本低廉，是最普遍使用的三维显示技术，但只有两个固定的视角，没有运动视差，不能提供较好的3D观看体验。集成成像技术利用微透镜阵列，可以显示全视差的3D场景，但现有的技术分辨率较低，显示效果较差。而全息三维显示则由于数据量巨大，无论是对获取还是存储、传输，还是对空间调制器都有非常高的要求，因此在短时间内，无法进入实用阶段。光场重构型三维显示技术显示效果较好，但是也存在信息量较大的问题，虽然不及全息三维显示，但是一般还是以水平视差型为主。 

军事指挥、空中交通指挥、珍贵文物展出等应用，均有几人到几十人围绕观看，对三维场景的分辨率有较高需求的特点，因此需要三维显示系统可以对多人提供全视差、360度的三维场景显示效果，而现有的技术，无论是视差型三维显示，还者是光场重构三维显示，集成成像三维显示，均不能满足要求。 

发明内容

为克服现有技术存在的不足，本发明提供了一种基于高速投影机的360°全视差三维显示装置和方法，可同时对多人提供全视差、360度的特定显示图像，并具有三维场景显示效果，显示信息量大、分辨率高。 

一种基于高速投影机的360°全视差三维显示装置，包括： 

高速投影机，用于投射图像，并同时输出每一帧图像所对应的同步信号； 

屏幕，对高速投影机投射的图像漫反射，显示每个观察者所需的图像； 

位置追踪设备，用于获取各观察者的位置信息； 

图像发生器，根据待显示的3D场景信息和各观察者的位置信息，向所述的高速投影机输送图像； 

主动式快门3D眼镜，为各观察者佩戴，根据与之匹配的同步信号，控制镜片的通光状态，使观察者在屏幕上观看到具有立体视觉的图像。 

作为改进，所述的高速投影机为一片或三片式DLP投影机。 

为了实现色彩，可以采用色轮技术，或者是3片式DLP技术，3片式DLP技术成本较高，但是亮度，色彩还原性，帧率等，均比色轮技术有较大优势。 

在本发明中，所述的屏幕为与屏幕法线成30°到60°角之间具有较大增益的漫散射屏。 

所述的位置追踪设备包括成像设备和图像识别处理器，该位置追踪设备用于确认360°范围内的观察者的位置；可以采用全景相机等。 

成像设备，用于获取主动式快门3D眼镜上的两个标志点的图像； 

图像识别处理器，根据两个标志点在图像中的位置、图像中两个标志点之间的距离、以及成像设备位置坐标，得到各观察者的位置信息。另外，本装置还包括快门同步设备，用于获取高速投影机输出的同步信号并以无线方式输出给各观察者佩戴的主动式快门3D眼镜； 

所述的同步信号中带有各主动式快门3D眼镜的设备编码信息，各主动式快门3D眼镜接收到同步信号后，先对比同步信号中的设备编码信息 是否与自身的设备编码一致，在设备编码匹配时，控制镜片通光状态。 

本发明还提供了一种基于高速投影机的360°全视差三维显示方法，包括以下步骤： 

1)通过位置追踪设备确定各观察者的位置信息，图像发生器根据需显示的3D场景信息和各观察者的位置信息，向高速投影机输送图像； 

2)高速投影机将图像投影到屏幕上，并同时向各观察者佩戴的主动式快门3D眼镜输送同步信号； 

3)主动式快门3D眼镜在接受到正确的同步信号后，控制镜片的通光状态，使观察者在屏幕上观看到具有立体视觉的特定图像。 

当采用位置追踪设备确定各观察者的位置信息时，首先在主动式快门3D眼镜的镜框上设置两个距离固定的标志点，再利用成像设备获取两个标志点的图像，然后根据两个标志点在图像中的位置、图像中两个标志点之间的距离、以及成像设备位置坐标，算得各观察者的位置信息。 

在步骤2)中，高速投影机输出的同步信号被相应的快门同步设备获取，然后以无线通信方式输出给各观察者佩戴的主动式快门3D眼镜，所述的无线通信方式为wifi通信、蓝牙通信、或红外线通信中的一种。 

同步信号中带有各主动式快门3D眼镜的设备编码信息，各主动式快门3D眼镜接收到同步信号后，先对比同步信号中的设备编码信息是否与自身的设备编码一致，在设备编码匹配时，控制镜片通光状态。 

本发明可同时对多人提供全视差、360度的特定显示图像，并具有三维场景显示效果，显示信息量大、分辨率高。 

附图说明

图1为本发明基于高速投影机的360°全视差三维显示装置的示意图。 

图2为本发明基于高速投影机的360°全视差三维显示系统的组成结构框图。 

图3为超高速快门的驱动波形图。 

具体实施方式

下面结合实施例和附图来详细说明本发明，但本发明并不仅限于 此。 

一种基于高速投影机的360°全视差三维显示系统可以为多名观察者提供360度、全视差且真实细腻的三维场景。主动快门式三维显示系统是通过图像输出设备与快门式3D眼镜的配合，让观察者的左右眼看到稍有差别的视差对图像，以产生立体视觉。高速投影机投影出高帧频的图像，同时输出同步信号，经过快门同步系统后，被3D眼镜接收。3D眼镜根据同步信号，控制镜片的通光状态，让特定的图像进入设定的观察者眼睛。 

如图1所示，一种基于高速投影机的360°全视差三维显示装置，包括图像发生器1，高速投影机2，位置追踪设备3，快门同步设备4，屏幕5，N个主动式快门3D眼镜6，包括3D眼镜61，3D眼镜62，…，3D眼镜6N。 

图像发生器1为高性能计算机或图形工作站，需要根据3D场景模型及观察者的位置数据，针对每一个观察者，输出对应位置的视差对图像。每个观察者所看到的图像应为在观察者眼睛位置对3D场景向屏幕上的映射，而观察者的位置并不是不变的，为了保证观察者始终能看到正确的图像，图像必须根据观察者位置实时的绘制，3D场景越复杂，所需的计算量越大。同时，为了使观察者能不感觉到闪烁感，每名观察者每只眼睛看到的图像需要达到60Hz的刷新速度，即提供给每名观察者的图像的帧频需要为120Hz，那么如果有N个观察者，则需要输出的帧频为N*120Hz。同时，位置追踪设备追踪观察者位置时，也需要较大的运算量，因此，需要高性能的计算机或者图形工作站才能满足这里的要求。 

高速投影机2为可高帧频输出图像的投影机设备，现有的投影机设备中，液晶(LCD)和硅基液晶(LCOS)刷新频率都不能太高，现在的能做到240Hz已经属于较高的水准，只有DLP技术可以做到高帧率输出，甚至可达30000帧以上。不过DLP投影的图像为二值化图像，如果需要具有灰度的图像，需要进行脉宽调制(PWM)，帧率会有较大幅度的下降。但是，如果配合照明的光源强度调制技术，如LED亮度调制技术，则下降的幅度则较小。同时，为了实现色彩，可以采用色轮技术，或者是3片 式DLP技术，3片式DLP技术成本较高，但是亮度，色彩还原性，帧率等，均比色轮技术有较大优势。 

高速投影机2能根据图像发生器提供的数据，将所需的图像投影到屏幕上，同时，对应于每一帧输出图像，高速投影机应输出对应的同步信号。 

位置追踪设备3用来确定观察者三维位置，并将每一个观察者位置的三维数据传输给图像发生器1，作为生成视差对图像的参数。位置追踪设备的一种较优方案是利用普通的摄像头，结合装有图像识别软件的计算机对3D眼镜上的标志点进行跟踪。在每个3D眼镜的镜框上设置两个距离固定的标志点，例如红外LED，用加装可以滤除可见光的红外滤光片的普通摄像头获取图像。获取的图像中，红外LED在绝大多数情况下是最亮的点，取合适阈值，就可以把LED位置与背景分开。获取的LED在图像中的位置，反映了观察者相对于摄像头的水平角度和观察者高度，而两个LED之间的距离，则反映了观察者离摄像头的距离。这样，相当于获得了以摄像头为原点的圆柱坐标系内的观察者坐标。结合摄像头自身位置坐标，经过简单的坐标系变换，就可以获得观察者的绝对坐标。单台普通摄像头因为视角有限，无法完成360°位置捕捉的任务，可以用几台进行视场的拼接。也可以使用环带相机，则一台就可以实现360°位置捕捉的任务，原理与普通摄像头相同。 

快门同步设备4用于将高速投影机输出的同步信号处理后，以红外线，蓝牙，或者是wifi等无线传输方式与所有3D眼镜进行通信，确保高速投影机2发出的对应于每个观察者的视差对图像只能被该观察者看到。 

3D眼镜6为主动快门式3D眼镜，每个3D眼镜有自身的设备编码，而快门同步设备发出的同步信号中，也含有设备编码信息，这样3D眼镜接收到同步信号后，先对比同步信号中的设备码是否与自身的一致，如果一致则按信号中的信号控制相应镜片的开关，如果设备码不一致，则保持两个镜片关闭。如上所述，每个3D眼镜上均有两个距离固定的标志点，以供位置追踪设备捕捉位置。另外，每个3D眼镜上应该还设有其他标识，如互不相同的红外高反射图案，例如二维码，以供位置追踪设备 区别不同的观察者。 

另外，3D眼镜应具有超高速的帧频，以匹配高速投影机的帧频，在较低频率，如几百Hz，可以通过铁电液晶实现，如果观察者较多，则可以通过两块铁电液晶板，以级联的方式，实现高速的调制。这种情况下，只有前后两块液晶板处于开状态时，眼镜片才处于开的状态，而只要有一块液晶板处于关闭状态，则整个镜片处于关闭状态，通过时钟的调制，可以把两块液晶板开启与关闭的时间差设置的很小，则可以得到很快的开关速度。 

3D眼镜61，62，…，6N，在位置追踪设备中的计算机注册，将其设备码与其识别标志对应关系输入到计算机中。图像生成器由输入的N，决定输出帧频为120*N。摄像头(或环带相机)以30幅/s的帧频采集一幅360°的图像，输入计算机，计算机先进行阈值分割，得到每个3D眼镜的LED标志点及标志图案，经过坐标运算，得到每个观察者的位置。计算机根据3D场景模型及各个观察者位置，生成N个视差对图像，同时，将这些视差对图像输出给高速投影机。高速投影机将N个视差对图像投影到屏幕上，并同时向快门同步设备输出同步信号，快门同步设备将同步信号与3D眼镜的设备码编码后，调制到载波上以无线方式发送，3D眼镜接收后，对比同步信号中的设备码是否与自身的一致，如果一致则按信号中的信号控制相应镜片的开关，如果设备码不一致，则保持两个镜片关闭。于是，每个观察者都能且只能观察到属于自己的视差对图像，由此产生立体视觉。 

计算机每秒所要绘制的图像总数为N*30*2幅，因为虽然每个人眼所需要的帧频为60Hz，但是实际上只要30幅的图像就可以让人感觉到连续。因为产生的图像是根据观察者位置实时绘制的，因此观察者可以观察到逼真细腻的3D场景，且具有运动视差。 

如图2所示，4个加装了红外滤光片的普通摄像头11、普通摄像头12、普通摄像头13、普通摄像头14，通过视场拼接，获取360°的图像。 

如图3所示，超高速快门的驱动波形如图所示，a为第一液晶板的通光状态图，b为第二液晶板的通光状态图，c为镜片的通光状态图，当第 一液晶板和第二液晶板的开关时间距离足够近时，镜片通光时间Δt可以取的很小。 

Claims (9)

1.一种基于高速投影机的360°全视差三维显示装置，其特征在于，包括：

高速投影机，用于投射图像，并同时输出每一帧图像所对应的同步信号；

屏幕，对高速投影机投射的图像漫反射，显示每个观察者所需的图像；

位置追踪设备，用于获取各观察者的位置信息；

图像发生器，根据待显示的3D场景信息和各观察者的位置信息，向所述的高速投影机输送图像；

主动式快门3D眼镜，为各观察者佩戴，根据与之匹配的同步信号，控制镜片的通光状态，使观察者在屏幕上观看到具有立体视觉的图像。

2.如权利要求1所述的基于高速投影机的360°全视差三维显示装置，其特征在于，所述的高速投影机为一片或三片式DLP投影机。

3.如权利要求1所述的基于高速投影机的360°全视差三维显示装置，其特征在于，所述的屏幕为与屏幕法线成30°到60°角之间具有较大增益的漫散射屏。

4.如权利要求3所述的基于高速投影机的360°全视差三维显示装置，其特征在于，所述的位置追踪设备包括成像设备和图像识别处理器，该位置追踪设备用于确认360°范围内的观察者的位置；

成像设备，用于获取设于主动式快门3D眼镜上的两个标志点的图像；

图像识别处理器，根据两个标志点在图像中的位置、图像中两个标志点之间的距离、以及成像设备位置坐标，得到各观察者的位置信息。

5.如权利要求1所述的基于高速投影机的360°全视差三维显示装置，其特征在于，还包括快门同步设备，用于获取高速投影机输出的同步信号并以无线方式输出给各观察者佩戴的主动式快门3D眼镜；

所述的同步信号中带有各主动式快门3D眼镜的设备编码信息，各主动式快门3D眼镜接收到同步信号后，先对比同步信号中的设备编码信息是否与自身的设备编码一致，在设备编码匹配时，控制镜片通光状态。

6.一种基于高速投影机的360°全视差三维显示方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)通过位置追踪设备确定各观察者的位置信息，图像发生器根据需显示的3D场景信息和各观察者的位置信息，向高速投影机输送图像；

2)高速投影机将图像投影到屏幕上，并同时向各观察者佩戴的主动式快门3D眼镜输送同步信号；

3)主动式快门3D眼镜在接受到正确的同步信号后，控制镜片的通光状态，使观察者在屏幕上观看到具有立体视觉的特定图像。

7.如权利要求6所述的基于高速投影机的360°全视差三维显示方法，其特征在于，当采用位置追踪设备确定各观察者的位置信息时，首先在主动式快门3D眼镜的镜框上设置两个距离固定的标志点，再利用成像设备获取两个标志点的图像，然后根据两个标志点在图像中的位置、图像中两个标志点之间的距离、以及成像设备位置坐标，算得各观察者的位置信息。

8.如权利要求6所述的基于高速投影机的360°全视差三维显示方法，其特征在于，高速投影机输出的同步信号被相应的快门同步设备获取，然后以无线通信方式输出给各观察者佩戴的主动式快门3D眼镜。

9.如权利要求8所述的基于高速投影机的360°全视差三维显示方法，其特征在于，同步信号中带有各主动式快门3D眼镜的设备编码信息，各主动式快门3D眼镜接收到同步信号后，先对比同步信号中的设备编码信息是否与自身的设备编码一致，在设备编码匹配时，控制镜片通光状态。