CN105137605B - 三维立体成像装置及其三维立体成像的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了三维立体成像装置及其三维立体成像的方法，其中，三维立体成像装置包括：显示源，所述显示源用于提供多个相关联的二维图像；三维影像生成器件，所述三维立体成像器件用于利用自由立体成像技术将所述多个二维图像组合为三维影像；以及半透半反光学器件，所述半透半反光学器件包括无缝光滑旋转体曲面，所述无缝光滑旋转体曲面置于所述三维影像生成器件上用于通过光反射将所述三维影像在空间中形成三维立体影像。利用包括无缝光滑旋转体曲面的半透半反光学器件，反射三维影像生成器件发出的光线，进行光场重建，从而得到可以在360度下可以观察或者扩大视角且无畸变无缝隙无跳变的三维立体影像。

Description

三维立体成像装置及其三维立体成像的方法

技术领域

本发明涉及三维成像技术领域，特别涉及一种三维立体成像装置，及利用三维立体成像装置进行三维立体成像的方法。

背景技术

目前的立体成像分为裸眼三维成像和穿戴式三维成像，可穿戴式的三维成像依赖于穿戴设备，仅能提供对少量观众的三维观察，或者只能实现近似的三维观察。而裸眼三维成像则克服了穿戴式三维成像需要外加的装置的问题，可以有效的保证观察者无关的显示特性。

裸眼三维成像主要包括体积成像、全息技术和立体全像技术。其中体积成像和立体全像技术都属于光场成像。即可以重建一定范围的光场，其中体积成像技术具有较大的成像视角和较高的分辨率，但该类技术一般需要高速旋转的运动部件和高速的投影仪，具有成本较高和运动不稳定等问题，难以实际应用，另外此类技术还有缺乏遮挡效应等问题限制其在实际空间物体显示中的应用。全息三维技术具有分辨率较高的优势，但是依然存在视角有限和伪像以及使用复杂的问题。而立体全像技术虽然具有灵活易用的优势，却依然无法摆脱视角有限和伪像的问题。

现有裸眼三维成像大多无法实现360°全视角观察，360°全视角观察一般依赖于运动部件才能实现，或者存在有缝隙衔接的问题(如利用多面体实现三维成像)，这些缺陷降低了系统的稳定性和用户舒适度，另外多面体显示的一个问题是受制于显示的视角和IP的跳变，可以显示的体积较小。

由此，三维成像有待研究。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种三维立体成像装置，利用该装置可以形成360度可观察，且无缝无跳变的三维影像。

根据本发明的一个方面，本发明提供了一种三维立体成像装置。根据本发明的实施例，该装置包括：显示源，所述显示源用于提供多个相关联的二维图像；三维影像生成器件，所述三维立体成像器件用于利用自由立体成像技术将所述多个二维图像组合为三维影像；以及半透半反光学器件，所述半透半反光学器件包括无缝光滑旋转体曲面，所述无缝光滑旋转体曲面置于所述三维影像生成器件上用于通过光反射将所述三维影像在空间中形成三维立体影像。

根据本发明的实施例，利用包括无缝光滑旋转体曲面的半透半反光学器件，反射三维影像生成器件发出的光线，进行光场重建，从而得到可以在360度下可以观察或者扩大视角且无畸变无缝隙无跳变的三维立体影像，并且，三维立体影像的体积相对于传统的三维立体影像更大，用户体验更好。此外，利用本发明的三维立体成像装置可以在很短时间内，经简单的三维成像计算，即可实现360度立体可显示，因此，该装置可以用于实现多人可交互的全视角3D显示。

根据本发明的另一方面，本发明提供了一种利用前述三维立体成像装置进行三维立体成像的方法。根据本发明的实施例，该方法包括：利用显示源提供多个相关联的二维图像；利用三维影像生成器件通过自由立体成像技术将所述多个二维图像组合为三维影像；以及利用半透半反光学器件通过光的反射将所述三维影像在空间中形成三维立体影像。

根据本发明的实施例，利用本发明的方法，通过包括无缝光滑旋转体曲面的半透半反光学器件反射三维影像生成器件发出的光线，进行光场重建，从而得到可以在360度下可以观察或者扩大视角且无畸变无缝隙无跳变的三维立体影像，并且，三维立体影像的体积相对于传统的三维立体影像更大，用户体验更好。利用本发明的三维立体成像装置可以在很短时间内，经简单的三维成像计算，即可实现360度立体可显示，因此该装置可以用于实现多人可交互的全视角3D显示。

本发明基于无缝光滑旋转体曲面的三维立体成像装置，相对于现有的基于多面体的全视角显示器，具有以下优势的至少一种：

(1)本发明基于无缝光滑旋转体曲面的三维立体成像摒弃了现有的一个小平面镜反射物体某一个侧面的原理，扩大了可现实的三维影像的体积，需要说明的是，在利用小平面镜反射物体某一个侧面的原理中，如果镜面数量趋于无穷，即使多面体在外形上将等同于一个圆锥体，但是其可以显示物体的大小将会趋近于0，无法实现立体成像；

(2)本发明采用了光学隔板去除了平面立体显示器的跳变现象，在显示阶段不局限于对应镜面对应反射的限制，而是一个曲面反射，因此扩大了可显示物体的体积，同时解决了会出现干扰图像的问题。

(3)本发明的半透半反光学器件范围广泛，不但包括圆锥体，还涵盖了其他旋转体，上述半透半反光学器件均可以反射形成360度可观察的三维立体影像。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1显示了根据本发明一个实施例的三维立体成像装置的结构示意图；

图2显示了根据本发明一个实施例的三维影像生成器件的结构示意图；

图3显示了根据本发明一个实施例的微透镜阵列的结构示意图；

图4显示了根据本发明一个实施例的三维立体成像方法的流程示意图；

图5显示了根据本发明一个实施例的三维立体成像原理的示意图；

图6显示了根据本发明一个实施例的三维立体成像原理的示意图；

图7显示了根据本发明一个实施例的二维图像；

图8显示了根据本发明一个实施例的三维立体成像原理的示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

根据本发明的一个方面，本发明提供了一种三维立体成像装置。参考图1，根据本发明的实施例，对该装置进行具体描述，该装置包括：显示源100、三维影像生成器件200和半透半反光学器件300，其中，显示源100用于提供多个相关联的二维图像；三维立体成像器件200用于利用自由立体成像技术将所述多个二维图像组合为三维影像；半透半反光学器件300包括无缝光滑旋转体曲面，该无缝光滑旋转体曲面置于三维影像生成器件上用于通过光反射将三维影像在空间中形成三维立体影像，其中，需要说明的是，该半透半反光学器件300也可以是全反射器件，同样可以实现光场折射。

其中，需要说明的是，半透半反光学器件300的顶端可以直接放置于三维影像生成器件200表面上，也可以脱离三维影像生成器件200的表面。根据本发明实施例的三维立体成像装置，利用本发明的装置对运动部件和静止部件均可实现三维立体成像，并且，通过包括无缝光滑旋转体曲面的半透半反光学器件反射三维影像生成器件发出的光线，进行光场重建，从而得到可以在360度下可以观察或者扩大视角且无畸变、无缝隙和无跳变的三维立体影像，并且，可以显示的三维立体影像的体积相对于传统的三维立体影像更大，用户体验更好。利用本发明的三维立体成像装置可以在很短时间内，经简单的三维成像计算，即可实现360度立体可显示，因此该装置可以用于实现多人可交互的全视角3D显示。

根据本发明的实施例，二维图像可通过多相机拍摄、光线追踪或其他图形学方法获取，比如光线追踪算法、多视点计算机图形算法等。也可以采用shade，3DMAX等三维建模软件虚拟拍摄，其中，需要说明的是，各个二维图像需要在空间等间隔的虚拟或实际相机阵列中采集得到，相机阵列的设置以覆盖能够人眼观察时的一般观察区域为宜。

根据本发明的优选实施例，无缝光滑旋转体曲面300构成圆锥体、圆锥台或半球体。由此，利用该半透半反光学器件反射三维影像生成器件发出的光线，进行光场重建，从而得到可以在360度下可以观察或者扩大视角且无畸变、无缝隙和无跳变的三维立体影像，并且，三维立体影像的体积相对于传统的三维立体影像更大。根据本发明的一些实施例，所述无缝光滑旋转体曲面300构成圆锥角为90度的圆锥体。由此，易于形成360度可以查的三维立体影像，并且，该圆锥体对三维显示器的成像更均匀，更符合观察者的观察习惯，此外，无缝光滑旋转体曲面呈圆锥体也更易于加工制造。

根据本发明的一些实施例，所述无缝光滑旋转体曲面300构成圆锥角为90度的圆锥体且所述无缝光滑旋转体曲面的中轴线与所述三维影像生成器件所处的平面垂直。由此，圆锥体形状的反射镜可以将三维显示器产生的竖直方向的光场进行反射，并反射至水平光场，便于观察者水平观察，获得最佳视觉效果。另外由于圆锥体镜面可以将位于平面三维显示器面的图像和像素单元进行压缩变形，所以圆锥体镜面还提高了三维立体显示的空间像素的密度，进而提高了最终悬浮立体显示的分辨率，进而获得更好的视觉效果。

参考图2，根据本发明的一些实施例，三维影像生成器件200包括：隔板210和微透镜阵列220，其中，隔板220设置在显示源100的表面上，用于阻断显示源100发出的光产生的漫反射，隔板可以消除微透镜阵列中各透镜之间的串扰，从而，防止生成的三维立体影像出现跳变和伪像；微透镜阵列220设置在所述隔板210远离所述显示源100的表面上，该微透镜阵列220的形状如图3所示，通过微透镜阵列220的畸变的折射作用，对光场进行重建，便于形成三维立体影像。

在本发明的一个实施例中，还包括：图像增强装置(例如扩散膜或毛玻璃)，所述图像增强装置安装于所述三维影像生成装置的上方，用于消除所述多个三维影像的摩尔纹或对所述多个三维影像进行光学滤波。

根据本发明的一些实施例，所述半透半反光学器件的中轴线与所述三维影像生成器件的交点为所述三维影像生成器件的中心。由此，可以将完整的三维影像形成三维立体影像。此外，需要说明的是，本发明还可以兼容较小的显示器拼接或者不完全拼接，以实现360度或者不完全360度的扩大视角显示。

根据本发明的另一方面，本发明提供了一种利用前述三维立体成像装置进行三维立体成像的方法。参考图4，根据本发明的实施例，对该方法进行详细描述，该方法包括：

S100：利用显示源提供多个相关联的二维图像，其中，茶壶的二维图像如图7所示。

S200：利用三维影像生成器件通过自由立体成像技术将所述多个二维图像组合为三维影像。

S300：利用半透半反光学器件通过光的反射将所述三维影像在空间中形成三维立体影像。根据本发明的实施例，利用本发明的方法，对运动部件和静止部件均可实现三维立体成像，并且通过包括无缝光滑旋转体曲面的半透半反光学器件反射三维影像生成器件发出的光线，进行光场重建，从而得到可以在360度下可以观察或者扩大视角且无畸变、无缝隙和无跳变的三维立体影像，并且，可以显示的三维立体影像的体积相对于传统的三维立体影像更大，用户体验更好。利用本发明的方法可以在很短时间内，经简单的三维成像计算，即可实现360度立体可显示，因此该装置可以用于实现多人可交互的全视角3D显示。

根据本发明的一些实施例，利用半透半反光学器件通过光的反射将所述三维图像的至少一部分在空间进行翻转，以便形成三维立体影像。由此，可以使用较小的平面显示器实现较为清晰且更大视角的三维显示，或者使用多个较小的平面显示器生成更加清晰和体积较大的360度立体显示。

参考图5和6，对本发明的成像原理进行解释。图5表示可观察视角θ的示意图，图5为该显示装置的观察视角说明图，其中显示物体设置为一个三维茶壶模型，其中，茶壶的二维图像如图7所示，由于需要在360度范围内可以观察到完整的立体茶壶，也等同于对圆锥反射面上任意一条无穷小的平面镜(根据微分的原理)都需要满足的可观察的要求如图5所示，对于由平面显示器和微透镜阵列组成的立体显示器件的视角要求如公式(1)所示，

其中，r代表三维立体影像的半径，R代表三维立体影像的几何中心到半透半反光学器件的水平距离。

图6表示固有视角Ω的示意图，其中，pitch代表微透镜阵列中每个微透镜的直径，f为每个微透镜的焦距，如果要实现三维立体影像的360度可观察，需要满足Ω≥θ。

进而，为了实现三维立体影像的360度可观察，可以增大固有视角Ω，或减小可观察视角θ，可以通过缩小所述三维立体影像的大小减小可观察视角θ。

参考图1、5和6，根据本发明一个实施例，对半透半反光学器件对三维影像进行翻转的原理进行解释说明。如图1所示，镜面通过反射对物体进行成像。多个相关联的二维图像通过微透镜阵列折射生成的一个三维影像，该三维影像通过半透半反光学器件会形成对应的三维立体影像。本发明的半透半反光学器件为无缝光滑的旋转体曲面，对三维影像进行镜面成像，可以形成一个完整的三维影像。根据平面镜成像原理，物体和像关于镜面对称，因此，显示器表面的三维影像经过镜面成像后，三维影像和其像关于镜面对称，从而实现了对三维影像的位置转移，实现立体图像的空间显示功能。

参考图8，根据本发明的一个实施例，由一个圆形虚拟相机阵列和三维计算机图像学模型生成三维数据源图像的过程示意图，为了实现360度可观察，我们需要采集三维模型中360度范围内的拍摄三维模型获取视点图像，根据真空成像和透视学投影我们可以计算每个透镜在相机阵列中特定相机的成像位置，利用像素重分配算法进行三维数据源图像的生成。在360范围内设置相机的个数多少决定了三维数据源图像的精细程度，权衡后一般取45个角度为合适，纵向取三个角度，能够获得较好的渲染效果。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种三维立体成像装置，其特征在于，包括：

显示源，所述显示源用于提供多个相关联的二维图像；

三维影像生成器件，所述三维立体成像器件用于利用自由立体成像技术将所述多个二维图像组合为三维影像，且所述三维影像生成器件包括：

隔板，所述隔板设置在所述显示源的表面上，且所述隔板为完全隔板；以及

微透镜阵列，所述微透镜阵列设置在所述隔板远离所述显示源的表面上；以及

半透半反光学器件，所述半透半反光学器件包括无缝光滑旋转体曲面，所述无缝光滑旋转体曲面置于所述三维影像生成器件上用于通过光反射将所述三维影像在空间中形成三维立体影像。

2.根据权利要求1所述的三维立体成像装置，其特征在于，所述无缝光滑旋转体曲面构成圆锥体、圆锥台或半球体。

3.根据权利要求1所述的三维立体成像装置，其特征在于，所述无缝光滑旋转体曲面构成圆锥角为90度的圆锥体。

4.根据权利要求1所述的三维立体成像装置，其特征在于，所述无缝光滑旋转体曲面的中轴线与所述三维影像生成器件所处的平面垂直。

5.根据权利要求1所述的三维立体成像装置，其特征在于，所述半透半反光学器件的中轴线与所述三维影像生成器件的交点为所述三维影像生成器件的中心。

6.一种利用权利要求1-5任一项所述三维立体成像装置进行三维立体成像的方法，其特征在于，包括：

利用显示源提供多个相关联的二维图像；

利用三维影像生成器件通过自由立体成像技术将所述多个二维图像组合为三维影像；以及

利用半透半反光学器件通过光的反射将所述三维影像在空间中形成三维立体影像。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，利用半透半反光学器件通过光的反射将所述三维图像的至少一部分在空间进行翻转，以便形成三维立体影像。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，通过缩小所述三维立体影像的大小以便使所述三维立体影像在360度角度范围内可观察。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，通过增大所述微透镜阵列的固有视角以便使所述三维立体影像在360度角度范围内可观察。