CN1044347A

CN1044347A - 三维图象显示系统

Info

Publication number: CN1044347A
Application number: CN 89100249
Authority: CN
Inventors: 翁钧明; 王其祥
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1989-01-21
Filing date: 1989-01-21
Publication date: 1990-08-01

Abstract

本发明涉及利用视觉暂留效应，把时间上连续的二维图象变换成在一定方向上，以一定的频率振动的空间位移连续的三维图象显示系统，所述的显示系统由振动显示屏幕，振子，信号控制计算机，成象物镜，显示屏幕等组成，所述的显示系统具有构思新颖，实施简单，可取得的三维图象清晰，动态范围大，同时可进黑白或彩色的三维图象显示的优点，可以广泛地用于示波器图象，电视图象以及其它显示系统的三维图象显示。

Description

本发明涉及利用人眼的视觉暂留效应，把显示在屏幕上的二维图象，通过屏幕沿法线方向作频率大于24赫芝的机械振动，和屏幕振动时其上的二维图象作相应的同步变化，来显示对人眼的视觉效应来说在时间上和空间上都是连续的三维图象显示系统。如果把所显示的三维图象记为Ω，则Ω必须属于振动着的屏幕所能达到的空间域，并且在屏幕上显示的二维图象必须是屏幕在振动时屏幕平面对Ω的切片图。

以往，立体图象的显示，主要有利用全息技术实现的三维图象的记录和再现。例如，以激光作为光源，把由光源输出的光分成物光和参考光，让物光照射被摄物体，使被物体反射的光与参考光在成像记录介质上相干涉，从而在全息记录介质上记录了物体的全息信息。然后用参考光来照明所得的全息图，便可把物象再现出来。还有一种是利用人眼的体视效应来实现的纯粹主观感觉上的立体图象。例如，用二台具有一定基线的电影摄影机，分别对同一景物制作电影片。在放映时，也用两个放映机放映。但是两个放映机必须采用偏振方向相互垂直的偏振光来放映，看电视的人也必须戴上偏光镜，使一个放映机放出来的影象只被一只眼睛所接收。因为左右两眼的瞳孔有一定的间隔，故由于体视效应，这两个象经视觉上的复合，在主观上便可产生立体感。

上述两种显示立体图象的方法，在应用上都有一定的局限性。体视效应所得的立体图，完全是主观感觉上的产物，而并非真的在空间里存在着景物的立体图象。全息法显示立体图象由于必须依赖相干光，因此，若利用全息技术通过光电变换来实现三维图象远距离传输，是十分困难的。

本发明提出一种新的三维图象显示构思和显示系统，其基本原理是：如果有一个点光源P沿着某一空间曲线L作往复运动，则当点光源P所作往复运动的重复频率ν大于24赫芝时，对于观察者来说，由于人眼的视觉暂留效应，主观上就会感觉到：在空间中，存在着一条连续的，明亮的曲线L。

如果在一个平面屏幕W上有一个亮圆O，假设我们使屏幕W沿着它的法线方向振动，则当它的振动频率ν大于24赫芝时，对于观察者来说，由于人眼的视觉暂留效应，主观上就会感到：在空间里存在着一个连续明亮的圆柱面，这个圆柱面就是屏幕W上的亮圆在振动时所画出来的三维图形轨迹。

再者，如果一个屏幕W沿着其法线方向振动，假设振动频率ν和振幅A都是稳定的。此时，如果屏幕W上有一个图形L在作周期性的变化，而且变化周期与屏幕W的振动周期相等，则当振动频率ν＞24HZ时，对于观察者来说，由于人眼的视觉暂留效应，主观上就会感觉到，在空间存在着一个连续明亮的三维图象，这个三维图象就是在屏幕W上作周期性变化的二维图形L在屏幕W作振动时所画出的三维图形。

附图一表示本发明的三维图象显示系统示意图;

附图二表示屏幕W上的二维图形，以一定的频率，沿着法线方向振动时形成二维视觉图象的示意图。

附图三表示振动屏幕W上任一图形，在任一振动周期τ内，即从时间t＝Nτ至（N+1）τ的时间间隔内，屏幕上显示的随时间变化的平面图形由于振动而产生的立体图形的示意图。其中τ是振动屏幕的振动周期。

下面将结合附图对本发明作进一步的描述。

参见附图一，在其左面的图表示一个显示屏D，在屏上有一个亮圆“O”。在其右面的图表示显示屏W以振动频率为ν作振动，ν＞24HZ。中间是一个成象物镜L，V物镜L将左边的亮圆“O”，成象在右边的振动的显示屏W上。因为W在作大于24HZ的振动，所以由显示屏W上的亮圆振动所画出的三维图形轨迹是一个对人眼的视觉来说是连续的亮圆柱。

参见附图三，显示屏W上由外加信号所提供的显示图形是一个圆心不变、半径周期性地连续变化的圆。假设在某周期刚开始即t＝Nτ时，显示屏W上显示的图象为某一半径的圆“Q”，而在显示屏W振动到位移最大值时，即半周期时，或t＝（N+ 1/2 ）τ时，显示屏W上显示出另一半径的圆“Q′”。如果使显示屏的振动周期与屏上图形的变化周期相等，则由于显示屏幕的振动所画出的三维曲面是一个旋转曲面。

下面说明，如何利用附图三所示的原理，来显示事先给定的任一图象f（x、y、z、t）＝I，假如我们为述说方便，略去荧光屏D和显示屏W之间的透镜的成像变换作用，并假定振动的不是显示屏幕W而是荧光屏的显示平面。

首先，选定荧光屏的显示平面的振动频率ν＞24HZ，设与ν对应的振动周期为τ＝1/ν。为了描绘图象f（x、y、z、t），首先需对变动的图象以τ为时间间隔进行抽样，得到如下序列的被显示图象：

在时间0到τ的间隔内显示：f（x、y、z、0）＝I₀

在时间τ到2τ的间隔内显示：f（x、y、z、τ）＝I₁

在时间2τ到3τ的间隔内显示：f（x、y、z、2τ）＝I₂

在时间Nτ到（N+1）τ间隔内显示：f（x、y、z、Nτ）＝I_No

其中，图象f（x、y、z、Nτ）＝I_N的显示方法是：先注意到Nτ是已知数，当屏幕沿着z轴方向振动时，它沿z轴方向的位移是时间的函数z（t）。在激励信号和结构参数为已知时，这个函数z（t）是已知的函数。因此，我们令：

f（x、y、z、Nτ）＝F（x、y、t）

其中t的时间域为〔Nτ，（N+1）τ〕，

由此可见，为了显示三维图象I_N，在荧光屏上只需显示如下随时间变化的平面图象：

I_N＝F（x、y、t），t〔Nτ，（N+1）τ〕_o

其余依此类推。

附图一表示本发明三维图象显示系统实施例的示意图。所述的显示系统包括：振动显示屏幕1，扬声器2，振子3，信号控制计算机4，成像物镜5，示波器6，荧光显示屏7，荧光屏上所显示的图形8，所显示的三维图象9，计算机的x，y方向偏转信号输出端10，11，计算机给屏幕振动信号的输出端12，屏幕振动方向13。

下面结合实施例对本发明的三维图象显示系统作更为详细的说明。

如图一所示，将图象显示屏幕1粘贴在扬声器2的振子3上，当计算机4给扬声器2加上音频激励信号后，屏幕1就可以沿着成像物镜5的光轴方向振动，其中物镜5的光轴方向分别垂直于屏幕1和荧光屏7。示波器6的荧光屏7，其显示平面为xy平面，该平面与图象显示屏幕1的平面平行。荧光屏7上的图形由计算机4控制，即由计算机4的x方向偏转信号输出端10输出x方向偏转信号，y方向偏转信号输出端11输出y方向偏转信号，屏幕振动信号的输出端12给扬声器2中的振子3输出激励信号，成像物镜5使荧光屏7上的图象成像在振动屏幕1上。这样，当计算机4输给示波器6的信号使荧光屏7上的图象为一个稳定的圆时，同时由计算机4给扬声器2输出的激励信号使屏幕1以ν＞24HZ的频率振动时，如果图象的变化周期相等于显示屏幕1的振动周期，则屏幕1的振动所显示出的视觉图象是一个圆柱面的三维显示图象9。

为了确保圆柱面的图象清晰度，需使屏幕1的振幅与成像物镜5的焦深相匹配。也可以使成像物镜沿光轴方向作微量的同步振动，以获得在大景深范围内的清晰图象。

在上述显示系统中，如果计算机4输给示波器6的信号使荧光屏7上显示的图象是一个圆心不变，半径为周期性地连续变化的圆，同时如果输入扬声器2的激励信号使屏幕1的振动周期与荧光屏7上图象的变化周期相等，则由屏幕1的振动所显示出的三维曲面将是一个旋转曲面。

利用本发明所提出的构思，可以使电视机的图象立体化，这种立体电视机系统与普通的电视机的发射系统所不同点在于：

1.景物通过电视摄象机的物镜后，所成的像Ω′在光轴方向有适当的深度Δ;

2.电视摄象机的光电变换系统的光敏面，必须沿光轴作频率大于24赫芝、振幅大于Δ/2的机械振动;

3.电视发射系统的视频信号必须是景物的三维图象Ω′被振动着的光敏面切片的清晰象面。

这种立体电视机与普通电视机所不同之处有如下几点：

1.电视机显象管的荧光屏必须与电视发射机的光敏面同步地振动;

2.为了获取与实际景物相应的再现三维景物图象，可以在荧光屏前面适当位置处放置类似于摄象机物镜的光学系统。

本发明所提出的三维图象显示系统还可以应用在工程设计上，可以利用计算机来设计立体图，在显示屏上显示的立体图可以用普通的照相机来记录，所记录的图象与实物的立体图完全相似，但照相机的曝光时间不能太短，要振动显示屏的振动周期相匹配。

由于屏幕的机械振动频率ν必须大于24赫芝才能利用视觉暂留效应。所以，振幅的最大值在工程技术上会受到许多限制，其值不可能取得太大。为了解决上述矛盾，可以利用成象光学系统进行变换，例如：如果把物镜放置在振动屏幕的物方焦点附近，则物场沿光轴方向较小的移动，将会对应象空间较大的位移。但需注意，对于透镜来说，在三维空间里，物与象不具有空间相似性，因此，此时应当确定象方的图形，反过来再根据共轭对应关系来确定相应的振动屏幕上所要显示的物的图象。这个图象可以利用几何光学的原理，根据象方图形，通过计算机来确定。也可以利用望远光学镜组的性质，来取得大景深的显示图象。这是因为，设望远光组的轴向放大率为α，则：

其中，dz′是振动屏幕的景深，

dz是被显示图象的景深，

如果，放大系数

(f物′)/(f目′) ＝ 1/10

则，望远光组的轴向放大率α＝100，因此，藉此来取得大景深的显示图象。

本发明所提出的三维图象显示系统及其构思，在总的构思下，还可引伸出不同的变换，对这些变换，也将是属于本发明所应取得保护的范围。

本发明的三维图象显示系统，具有构思新颖，实施简单，所取得的三维图象清晰，动态范围大，可以进行黑白的，或彩色的三维图象显示等优点。所述的三维图象显示系统可以广泛地用于各种显示系统，如把平面示波器图象转换成三维立体图象显示，以及黑白或彩色立体电视的显象等，在各种技术领域将可取得广泛应用。

Claims

1、一种三维图象显示系统，其特征是：所述的显示系统由：振动显示屏幕1，振子3，信号控制计算机4，成像物镜5，荧光显示屏7等组成，由计算机4给所述的振子3上加上音频激励信号，所述的屏幕1沿着所述成像物镜5的光轴方向振动，荧光屏7上的图形由所述计算机4控制，即由计算机4分别向荧光屏7提供显示图象的x，y偏转信号，成像物镜5的光轴分别垂直于屏幕1和荧光屏7，成像物镜5使荧光屏7上的图象成像在振动显示屏幕1上。当计算机4输给荧光屏7的图象信号变化周期等于所述振动显示屏幕1的振动周期时，如振动频率为v＞24HZ时，则屏幕1的振动所显示出的视觉图象是一个三维的立体图象。

2、如权利要求1所述的三维图象显示系统，其特征是：所述的振动显示屏幕1的振幅应与成像物镜5的焦深相匹配。

3、如权利要求1或2所述的三维图象显示系统，其特征是：所述的荧光屏7可以是示波器6的荧光屏，所述的振子3可以是扬声器2的声子。

4、如权利要求1或2所述的三维图象显示系统，其特征是，所述的荧光屏7可以是电视机显像管的荧光屏，荧光屏上的图象是由电视台发射的图象，是一系列I_N＝F（x、y、t）及振动频率为τ的标准信号，所述的荧光屏沿着垂直于屏的z轴方向同步振动，所述显象管的电子扫描系统聚焦点要作周期性地同步变化，保证清晰象而始终落在不断稳定振动着的荧光屏上。