CN104536142A - 一种基于负视差的裸眼悬浮立体显示系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明所提供的一种基于负视差的裸眼悬浮立体显示系统及方法，所述裸眼悬浮立体显示系统包括：围绕定向屏呈环形设置用于提供视差图的多个投影机；设置在多个投影机前方的用于将多个投影机提供的视差图进行图像处理的定向屏；通过一转轴与所述定向屏连接的用于带动定向屏按一预定速度转动的电机；设置在定向屏前方的用于将处理后的图像进行立体显示的图像显示区域。本发明采用定向屏由电机带动高速旋转，多投影机环绕旋转轴排列，当定向屏正对其中一个投影机时，将投影机出瞳成像，在显示器上方形成一条观察带。因此，电机旋转一周，形成的观察带围成整圈，不仅有效增大了观看范围，实现周视，同时可使多人多角度观看立体图像，提高了人机互动性。

Description

一种基于负视差的裸眼悬浮立体显示系统及方法

技术领域

本发明涉及裸眼立体显示技术领域，尤其涉及一种基于负视差的裸眼悬浮立体显示系统及方法。

背景技术

人们对客观世界的感知方式有多种，眼睛承载着人类 90%以上的信息获取能力，借助视觉能获得的信息量远远超过了听觉、触觉、嗅觉及味觉等其他方式所能获得的信息量。现实中的物体都是立体的、三维的，人眼的视觉系统能够很好的适应现实中的三维世界，准确的把图像信息传递给人们。三维立体显示技术提供了与真实世界相比的视觉信息，让人们能够感知立体的世界，极大地便利了人们的视觉享受。

三维立体显示技术中最重要的是立体显示器。其能再现物体的三维信息，提供物体更为全面、详实的信息，在医学、军事、广告艺术以及立体电视等领域有着广泛的应用前景。然而目前的立体显示器无法同时实现裸眼、宽视域观看，以及立体图像的悬浮和可触摸，人机交互性较差。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种基于负视差的裸眼悬浮立体显示系统及方法，旨在通过本发明解决现有技术中存在的立体显示器无法同时实现裸眼、宽视域观看，以及立体图像的悬浮和可触摸的缺陷，提高人机交互性，为用户提供方便。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种基于负视差的裸眼悬浮立体显示系统，其中，所述裸眼悬浮立体显示系统包括：

围绕定向屏呈环形设置用于提供视差图的多个投影机；

设置在多个投影机前方的用于将多个投影机提供的视差图进行图像处理的定向屏；

通过一转轴与所述定向屏连接的用于带动定向屏按一预定速度转动的电机；

设置在定向屏前方的用于将处理后的图像进行立体显示的图像显示区域；

所述定向屏包括菲涅尔透镜组和一片光栅，所述菲涅尔透镜组包括两片菲涅尔透镜，分别标记为第一菲涅尔透镜和第二菲涅尔透镜，所述第一菲涅尔透镜、第二菲涅尔透镜和光栅依次排列；

通过多个投影机提供视差图，所述定向屏由电机带动高速旋转，所述多投影机环绕旋转轴排列，当定向屏正对其中一个投影机时，控制将投影机出瞳成像，在定向屏上方形成一条观察带，电机旋转一周，形成的观察带围成整圈，实现周视，以用于当人眼位于任意两条不同观察带时，将分时接收到对应视差图，形成立体视觉，且位于不同的位置，将观察到立体图像不同的侧面。

所述基于负视差的裸眼悬浮立体显示系统，其中，所述图像显示区域位于人眼与定向屏之间。

所述基于负视差的裸眼悬浮立体显示系统，其中，定向屏还用于当其中投影机位于定向屏中第一菲涅尔透镜的焦点时，通过定向屏对该投影机出瞳成像，在定向屏的第二菲涅尔透镜的焦平面上形成一条竖直的观察带。

所述基于负视差的裸眼悬浮立体显示系统，其中，所述投影机为微型投影机。

所述基于负视差的裸眼悬浮立体显示方法，其中，所述裸眼悬浮立体显示方法包括步骤：

S1、预先设定多个投影机环绕旋转轴进行排列；

S2、设置电机带动定向屏进行高速旋转，当定向屏旋转至正对其中一个投影机时，将所述投影机出瞳成像，并在图像显示区域形成一条相应的图像观察带；

S3、重复步骤S2，直到电机带动定向屏旋转一周、形成的图像观察带围成整圈，此时图像显示区域显示悬浮立体图像。

所述基于负视差的裸眼悬浮立体显示方法，其中，所述定向屏包括菲涅尔透镜组和一片光栅，所述菲涅尔透镜组包括两片菲涅尔透镜，分别标记为第一菲涅尔透镜和第二菲涅尔透镜。

所述基于负视差的裸眼悬浮立体显示方法，其中，所述步骤S2具体包括：

S21、设置所述定向屏中的所述第一菲涅尔透镜、第二菲涅尔透镜和光栅依次排列；

S22、当定向屏由电机带动旋转至正对其中一个投影机时，所述菲涅尔透镜组将放置于第一菲涅尔透镜焦平面处的投影机出瞳成像在第二菲涅尔透镜 焦平面处；

S23、所述光栅将所述第二菲涅尔透镜焦点处的投影机出瞳成像进行散射，并在图像显示区域形成一条相应的图像观察带。

所述基于负视差的裸眼悬浮立体显示方法，其中，所述图像显示区域位于人眼与定向屏之间。

本发明所提供的一种基于负视差的裸眼悬浮立体显示系统及方法，所述裸眼悬浮立体显示系统包括：围绕定向屏呈环形设置用于提供视差图的多个投影机；设置在多个投影机前方的用于将多个投影机提供的视差图进行图像处理的定向屏；通过一转轴与所述定向屏连接的用于带动定向屏按一预定速度转动的电机；设置在定向屏前方的用于将处理后的图像进行立体显示的图像显示区域。本发明采用定向屏由电机带动高速旋转，多投影机环绕旋转轴排列，当定向屏正对其中一个投影机时，将投影机出瞳成像，在显示器上方形成一条观察带。因此，电机旋转一周，形成的观察带围成整圈，这样不仅有效增大了观看范围，实现周视，同时可使多人多角度观看立体图像，提高了人机的互动性。

附图说明

图1是双目视差原理图。

图2是四种视差类型原理示意图。

图3是本发明基于负视差的裸眼悬浮立体显示系统结构图。

图4是定向屏旋转成像原理图。

图5是本发明基于负视差的裸眼悬浮立体显示系统的定向屏结构图。

图6是本发明基于负视差的裸眼悬浮立体显示系统的双菲涅尔透镜成像原理图。

图7是本发明基于负视差的裸眼悬浮立体显示系统的光栅定向散射原理示意图。

图8是本发明基于负视差的裸眼悬浮立体显示方法的较佳实施例流程图。

具体实施方式

本发明公开了一种基于负视差的裸眼悬浮立体显示系统及方法， 为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

人类的眼睛对于现实世界的深度感觉主要是来自于以下几种方式，分别是：单眼的移动视差、两眼的视差、调节效应、汇聚效应。其中两眼的视差是看物体产生立体感和深度感的最主要的原因。人类的两眼之间有大约 65 毫米左右的距离，右眼和左眼分别去看同一个物体之间是有小小的差别的，相当于是用不一样的角度去看世界的。双眼对空间的定位按照如下的过程：具体如图1所示，图1为双目视差原理图（图中灰色部分用于区分双眼看到实物的不同位置），其中10为实物，11为左眼实际看到的画面，12为右眼实际看到的画面，13为大脑合成左右双眼画面信息后重新构建的影像。当双眼把看到有细微差别的两幅图像或场景反映给了大脑的时候，大脑把接收到的两幅图像综合处理成为一副非常完整的图像，产生了精确的立体状态的物体和这个物体在真实场景中的位置。这样使观察者有立体和深度的感觉也就形成了。

任何取在立体空间中相同的一点，按投影在立体图像对中的像点位置偏差的方向不同，分为垂直视差和水平视差。其中，垂直视差指的是在竖直方向上像点位置的偏移，水平视差指的是在水平方向上像点位置的偏移。但是垂直视差会让双眼观察物体的时候感觉极度的不适，因为双眼是水平分布而不是垂直分布的。所以水平视差常常用在实现立体显示的过程中，而垂直视差是立体显示中尽量要避免出现的。

水平视差分别有零时差，正视差，负视差，发散视差四种类型。请参照图2，图2为四种视差类型原理示意图，其中a表示零视差、b表示正视差、c表示负视差、d表示发散视差。如图2所示，所述四种类型的水平视差原理如下：

(1) 零视差。双眼中目标物体的成像点和立体空间中的一点所形成的连线在显示屏上交于同一点的时候，双目视差是零，也就是上面所说的零视差。观看这一点的时候，会感觉这一点就在屏幕之上，那是因为左右眼的视线恰好交汇于显示屏上的同一点。

(2) 正视差。双眼中目标物体的成像点和立体空间中的一点所形成的两条连线和显示屏相交，并且两个交点之间的间隔小于人类瞳距的规定值，此刻产生的视差也就是正视差，在呈现正视差的情况下，当观察者的目光投射到这点上时，产生大脑的融合之后，会感觉到这一点深于显示屏，有一种深度感。

(3) 负视差。双眼中成像点和立体空间中的一点所形成的两条连线在显示屏前相交，此刻产生的视差称为负视差。在呈现负视差的情况下，观察者会感觉目标点处于显示屏以及双眼之间。

(4) 发散视差。双眼中成像点和立体空间中的一点所形成的两条连线和显示屏相交(在显示屏前没有相交)，且两个交点之间的间隔大于人类瞳距的规定值，此刻产生的视差称为发散视差。处于发散视差的情况下，观察者的目光投射到这一点时将感到视觉疲劳，因为这两点超过了融合范围无法融合到一起。

为了使立体图像悬浮可触摸，所以图像必须出屏且位于屏幕与人眼之间，根据以上四种视差类型的特点，本发明提出一种基于负视差的裸眼悬浮立体显示系统。请参见图3，图3是本发明基于负视差的裸眼悬浮立体显示系统结构图。如图3所示，所述基于负视差的裸眼悬浮立体显示系统包括：围绕定向屏呈环形设置用于提供视差图的多个投影机1；设置在多个投影机前方的用于将多个投影机提供的视差图进行图像处理的定向屏2；通过一转轴与所述定向屏连接的用于带动定向屏按一预定速度转动的电机3；设置在定向屏前方的用于将处理后的图像进行立体显示的图像显示区域4。

为了实现 360°周视观看，本发明中显示器是采用多个投影机环绕旋转轴排列且正对定向屏投影，只有当定向屏正对投影机时，投影机才能将图像投影到定向屏上；为了使图像具有可触摸性，提高立体显示器的人机交互性，图像必须出屏且位于人眼与定向屏之间，也即此时的视差类型为上面提到的负视差。以两个投影机为例，具体如图4所示，图4是定向屏旋转成像原理图。由图4可知，当定向屏2(实线)正对第一投影机14时，形成观察带51；当定向屏2(虚线)正对第二投影机15时，形成观察带52，当左眼位于观察带51且右眼位于观察带52时，可获得出屏的立体影像。

显示器原理显示器采用多个微型投影机提供视差图，由以上对定向屏的分析可知，定向屏分离视差图并将投影机出瞳成像，形成显示器上方的观察带，当观看者左右眼位于不同观察带时，将接收到对应的视差图，形成立体视觉，继续参照图3，所述定向屏2由所述电机3带动高速旋转，所述投影设备中的多个微型投影机环绕旋转轴排列，当所述定向屏2正对其中一个微型投影机时，对所述投影设备提供的视差图进行图像处理，并将处理后的图像显示在图像显示区域4（显示区域4中为显示的立体飞机图像），所述图像显示区域4位于人眼6与定向屏2之间。

进一步地，为了使投影机出瞳的像成像在指定的观察区域，使用定向屏作为成像装置，如图5所示，图5是本发明基于负视差的裸眼悬浮立体显示系统的定向屏结构图。其中，所述定向屏2包括菲涅尔透镜组（如图5所示的21和22）和一片光栅23，所述菲涅尔透镜组包括两片菲涅尔透镜，分别标记为第一菲涅尔透镜21和第二菲涅尔透镜22，所述第一菲涅尔透镜21、第二菲涅尔透镜22和光栅23依次排列。投影机1位于定向屏中第一菲涅尔透镜21的焦点时，定向屏2对投影机1出瞳成像，在第二菲涅尔透镜22的焦平面上形成一条竖直的观察带5。

菲涅尔透镜多是由聚烯烃材料注压而成的薄片，镜片表面一面为光面，另一面刻录了由小到大的同心圆，菲涅尔透镜在很多时候相当于红外线及可见光的凸透镜，效果较好。本定向屏中菲涅尔透镜起聚焦作用，如图6所示，图6是本发明基于负视差的裸眼悬浮立体显示系统的双飞涅尔透镜成像原理图。菲涅尔透镜组的作用是将放置于第一菲涅尔透镜21焦平面处的投影机出瞳成像在第二菲涅尔透镜22的焦平面处。光栅23作为定向散射屏的一种，它可以将入射的光线向某一方向散射，从而增大观看范围，其原理如图7所示，图7是本发明基于负视差的裸眼悬浮立体显示系统的光栅定向散射原理示意图。其中，水平光栅在竖直方向上具有散射性，散射角为β。因此在菲涅尔透镜组后面加水平光栅扩大了竖直方向的观察范围，从而形成竖直的观察带5。

由上可见，本发明采用定向屏由电机带动高速旋转，多投影机环绕旋转轴排列，当定向屏正对其中一个投影机时，将投影机出瞳成像，在显示器上方形成一条观察带。因此，电机旋转一周，形成的观察带围成整圈实现周视。当人眼位于任意两条不同观察带时，将分时接收到对应视差图，形成立体视觉，且位于不同的位置，将观察到立体图像不同的侧面。

进一步地，本发明还提供一种基于负视差的裸眼悬浮立体显示方法，如图8所示，图8是本发明基于负视差的裸眼悬浮立体显示方法的较佳实施例流程图。其中，所述裸眼悬浮立体显示方法包括：

步骤S101、预先设定多个投影机环绕旋转轴进行排列；

步骤S102、设置电机带动定向屏进行高速旋转，当定向屏旋转至正对其中一个投影机时，将所述投影机出瞳成像，并在图像显示区域形成一条相应的图像观察带；

步骤S103、重复步骤S102，直到电机带动定向屏旋转一周、形成的图像观察带围成整圈，此时图像显示区域显示悬浮立体图像；

其中，所述定向屏包括菲涅尔透镜组和一片光栅，所述菲涅尔透镜组包括两片菲涅尔透镜，分别标记为第一菲涅尔透镜和第二菲涅尔透镜；所述图像显示区域位于人眼与定向屏之间。

进一步地，所述步骤S102具体包括：

S21、设置所述定向屏中的所述第一菲涅尔透镜、第二菲涅尔透镜和光栅依次排列；

S22、当定向屏由电机带动旋转至正对其中一个投影机时，所述菲涅尔透镜组将放置于第二菲涅尔透镜焦平面处的投影机出瞳成像在第二菲涅尔透镜 焦平面处；

S23、所述光栅将所述第二菲涅尔透镜焦点处的投影机出瞳成像进行散射，并在图像显示区域形成一条相应的图像观察带。

综上所述，本发明所提供的一种基于负视差的裸眼悬浮立体显示系统及方法，所述裸眼悬浮立体显示系统包括：围绕定向屏呈环形设置用于提供视差图的多个投影机；设置在多个投影机前方的用于将多个投影机提供的视差图进行图像处理的定向屏；通过一转轴与所述定向屏连接的用于带动定向屏按一预定速度转动的电机；设置在定向屏前方的用于将处理后的图像进行立体显示的图像显示区域。本发明使立体显示器增加了新功能：不仅有效增大了观看范围，实现周视，同时可使多人多角度观看立体图像，且具有运动视差。另外，显示器中定向屏采用倾斜放置结构，可使立体影像成像在屏幕之外且无遮挡，可供多人在任意角度裸眼观看，且图像具有悬浮感，使得观看者可触摸到图像，提高了观看者与图像的互动性。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于负视差的裸眼悬浮立体显示系统，其特征在于，所述裸眼悬浮立体显示系统包括：

围绕定向屏呈环形设置用于提供视差图的多个投影机；

设置在多个投影机前方的用于将多个投影机提供的视差图进行图像处理的定向屏；

通过一转轴与所述定向屏连接的用于带动定向屏按一预定速度转动的电机；

设置在定向屏前方的用于将处理后的图像进行立体显示的图像显示区域；

所述定向屏包括菲涅尔透镜组和一片光栅，所述菲涅尔透镜组包括两片菲涅尔透镜，分别标记为第一菲涅尔透镜和第二菲涅尔透镜，所述第一菲涅尔透镜、第二菲涅尔透镜和光栅依次排列；

通过多个投影机提供视差图，所述定向屏由电机带动高速旋转，所述多投影机环绕旋转轴排列，当定向屏正对其中一个投影机时，控制将投影机出瞳成像，在定向屏上方形成一条观察带，电机旋转一周，形成的观察带围成整圈，实现周视，以用于当人眼位于任意两条不同观察带时，将分时接收到对应视差图，形成立体视觉，且位于不同的位置，将观察到立体图像不同的侧面。

2.根据权利要求1所述的基于负视差的裸眼悬浮立体显示系统，其特征在于，所述图像显示区域位于人眼与定向屏之间。

3.根据权利要求1所述的基于负视差的裸眼悬浮立体显示系统，其特征在于，定向屏还用于当其中投影机位于定向屏中第一菲涅尔透镜的焦点时，通过定向屏对该投影机出瞳成像，在定向屏的第二菲涅尔透镜的焦平面上形成一条竖直的观察带。

4.根据权利要求1所述的基于负视差的裸眼悬浮立体显示系统，其特征在于，所述投影机为微型投影机。

5.一种如权利要求1所述的基于负视差的裸眼悬浮立体显示方法，其特征在于，所述裸眼悬浮立体显示方法包括步骤：

S1、预先设定多个投影机环绕旋转轴进行排列；

S2、设置电机带动定向屏进行高速旋转，当定向屏旋转至正对其中一个投影机时，将所述投影机出瞳成像，并在图像显示区域形成一条相应的图像观察带；

S3、重复步骤S2，直到电机带动定向屏旋转一周、形成的图像观察带围成整圈，此时图像显示区域显示悬浮立体图像。

6.根据权利要求5所述的基于负视差的裸眼悬浮立体显示方法，其特征在于，所述定向屏包括菲涅尔透镜组和一片光栅，所述菲涅尔透镜组包括两片菲涅尔透镜，分别标记为第一菲涅尔透镜和第二菲涅尔透镜。

7.根据权利要求6所述的基于负视差的裸眼悬浮立体显示方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：

S21、设置所述定向屏中的所述第一菲涅尔透镜、第二菲涅尔透镜和光栅依次排列；

S22、当定向屏由电机带动旋转至正对其中一个投影机时，所述菲涅尔透镜组将放置于第一菲涅尔透镜焦平面处的投影机出瞳成像在第二菲涅尔透镜 焦平面处；

S23、所述光栅将所述第二菲涅尔透镜焦点处的投影机出瞳成像进行散射，并在图像显示区域形成一条相应的图像观察带。

8.根据权利要求7所述的基于负视差的裸眼悬浮立体显示方法，其特征在于，所述图像显示区域位于人眼与定向屏之间。