CN107255902B - 基于反射四棱锥与多层半透明结构的三维显示装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种将反射四棱锥与多层半透明结构相结合的三维显示装置，所述三维显示装置由均匀平面背光源、交替放置的多层半透明结构和之间的分隔板以及置于多层结构之上的反射四棱锥构成，多层半透明结构可被控制。本发明同时公开了相应的三维显示方法：将三维场景渲染为反射四棱锥各个面的投影图像，通过优化算法计算出各层显示图像分别送入半透明结构。光线从背光源均匀射出后，与光线方向上多层半透明结构的像素值依次相乘，再经过反射四棱锥反射，成像于反射四棱锥中央。本发明利用多层半透明结构的三维成像能力，通过反射四棱锥进行反射，实现真三维立体显示。

Description

基于反射四棱锥与多层半透明结构的三维显示装置和方法
技术领域
本发明涉及三维显示技术领域，特别是一种基于反射四棱锥与多层半透明结构的三维显示装置和方法。
背景技术
三维显示技术在近几年来获得了来自学术界与工业界广泛的关注，其目标是使观察者在不佩戴任何辅助设备的情况下，直接使用裸眼观察到与现实中物体近乎一致的三维图像。工业界提出的解决方案大多数是通过使双眼观察到不同图像来形成三维感的，如任天堂公司推出的3DS游戏机便是使用了视差光栅的原理。然而视差光栅由于使用了光栅将一部分光遮挡，其屏幕的亮度受到了限制，能耗也相应增大。学术界在近几年提出了多层结构的三维显示模型。这种模型可以在一定的视场角范围内显示出三维场景；相比于之前的视差光栅、集成成像等技术，这种方法效率高、对比度高，并且绕过了空间分辨率与角分辨率的权衡，分辨率也很高。但是由于其结构所决定的可观察视场角十分有限，因此仍没有得到广泛的应用。
另外，在市场上也存在一些低成本的三维显示，如“伪全息投影”。其本质是使用反射四棱锥将普通屏幕上的图像反射上来，使观察者看起来物体有如浮在空中一样。由于仅仅是反射普通屏幕上的内容，它并不能给人以三维感，但是由于反射后的图像浮在空中，会给人一种在空气中成像的假象。
发明内容
本发明的目的是克服现有三维显示技术十分有限的可观察视场角以及所能提供的三维感等一系列显示效果问题，提出一种基于反射四棱锥与多层半透明结构的三维显示装置和方法。
本发明所提供的基于反射四棱锥与多层半透明结构的三维显示装置，包括均匀平面背光源、相互交替的多层半透明结构和之间的分隔板、以及置于多层结构之上的反射四棱锥。
其中，所述的均匀平面背光源发出各向同性均匀的白光。所述的多层半透明结构与其之间的分隔板交替放置，至少由两层半透明结构组成；各个半透明结构相互平行，间隔相等。所述的半透明结构上的图案可以被控制，在RGB三个通道上其透光率可以在0％到100％之间选择。通过控制器对所述多层半透明结构上的图案进行控制，根据所需显示的三维场景计算各层半透明结构所应显示的像素信息，将像素信息组合成显示图像送入对应的半透明结构中进行显示；或者利用带有其他图案的多层半透明结构进行替换来实现控制。所述的分隔板为全透明，且不易因施加外力而产生形变。
进一步地，所述的反射四棱锥的外表面由反射率大于40％的材料构成，其各表面与下方多层半透明结构均成45度角。四棱锥无顶角，顶端所形成的正方形与底端的正方形，以及多层半透明结构相互平行。
本发明还提供了一种基于反射四棱锥与多层半透明结构的三维显示方法。所述显示方法包含如下步骤：
(1)确定需要显示的三维场景以及其在空间中的成像位置；
(2)根据三维场景在空间中的成像位置，渲染出三维场景通过反射四棱锥各个面反射后的从不同角度观察到的图像；
(3)将多层半透明结构所需显示的三维图像通过算法解析成各层半透明结构所需显示的像素值；
(4)将计算出的各层像素值送入对应半透明结构；
(5)各层半透明结构显示的像素值叠加产生的三维图像通过反射四棱锥反射后成像在反射四棱锥中央的对应位置。
本发明的主要优点在于提出了一种可以有效增大三维显示的可观察视场角的基于反射四棱锥与多层半透明结构的三维显示装置与方法。它包括可以将平面内容反射到半空中的反射四棱锥，以及可以显示三维图像的多层半透明结构。其优势在于可以在保证分辨率的前提下，将视场角与三维感大幅提升，可以广泛应用于真三维立体显示。
附图说明
图1是本发明基于反射四棱锥与多层半透明结构的三维显示装置结构示意图；
图2是三维场景通过反射四棱锥各个面反射后从不同角度观察到的图像；
图3是算法解析出的各层半透明结构所需显示的像素值。
具体实施方式
以下结合附图，结合具体实施例来对本发明作进一步阐述。
如图1所示，一种基于反射四棱锥与多层半透明结构的三维显示装置沿光路方向依次为：均匀平面背光源1、相互交替的半透明结构2和之间的分隔板3、反射四棱锥4。根据半透明结构是否可控，还可以增加与半透明结构相连的控制器5。
需要说明的是，本发明至少包括至少两层半透明结构。层数越多，其展示出的三维感越强。在实际应用中，考虑到系统的厚度与大小，通常选择3～5层半透明结构。半透明结构可以选用透明打印纸图案，或者液晶显示面板。本实施例采用五层透明打印纸图案为例来对本发明进行具体的阐述。
具体地，间隔板3是厚度为2mm的透明亚克力板，均匀平面背光源使用了发出白光的平板电脑。由于使用透明打印纸图案作为半透明结构，因此在本例中没有控制器5。
以图1所示的三维显示装置为例，本发明还提供了一种基于反射四棱锥与多层半透明结构的三维显示方法，包含如下步骤：
(1)确定需要显示的三维场景以及其在空间中的成像位置：在这里，我们将一个龙的三维模型摆放在反射四棱锥中央；
(2)根据三维场景在空间中的成像位置，渲染出三维场景通过反射四棱锥各个面反射后的从不同角度观察到的图像，如图2所示；
(3)将多层半透明结构所需显示的三维图像通过算法解析成各层半透明结构所需显示的像素值，如图3所示；
(4)将计算出的各层像素值送入对应半透明结构；
(5)各层半透明结构显示的像素值叠加产生的三维图像通过反射四棱锥反射后成像在反射四棱锥中央的对应位置。
虽然这里是通过示意和举例的方式对本发明进行进一步描述的，但应该认识到，本发明并不局限于上述实施方式和实施例，前文的描述只被认为是说明性的，而非限制性的，本领域技术人员可以做出多种变换或修改，只要没有脱离所附权利要求中所确立的范围和精神实质，均视为在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种基于反射四棱锥与多层半透明结构的三维显示装置，其特征在于：所述三维显示装置沿光路方向依次为：均匀平面背光源、交替放置的多层半透明结构和所述多层半透明结构之间的分隔板，以及反射四棱锥。
2.根据权利要求1所述的基于反射四棱锥与多层半透明结构的三维显示装置，其特征在于：所述反射四棱锥的外表面由反射率大于40％的材料构成，其各表面与下方所述多层半透明结构均成45度角。
3.根据权利要求1所述的基于反射四棱锥与多层半透明结构的三维显示装置，其特征在于：所述反射四棱锥无顶角，顶端所形成的正方形与底端的正方形以及所述多层半透明结构相互平行。
4.根据权利要求1所述的基于反射四棱锥与多层半透明结构的三维显示装置，其特征在于：所述多层半透明结构至少包括两层。
5.根据权利要求1所述的基于反射四棱锥与多层半透明结构的三维显示装置，其特征在于：所述多层半透明结构各层相互平行，间隔相等。
6.根据权利要求1所述的基于反射四棱锥与多层半透明结构的三维显示装置，其特征在于：所述多层半透明结构上的图案可被控制，在RGB三个通道上其透光率可在0％到100％之间选择。
7.根据权利要求6所述的基于反射四棱锥与多层半透明结构的三维显示装置，其特征在于：所述控制是通过与所述多层半透明结构相连的控制器改变所述多层半透明结构上的图案。
8.根据权利要求6所述的基于反射四棱锥与多层半透明结构的三维显示装置，其特征在于：所述控制是指利用带有其他图案的多层半透明结构进行替换。
9.根据权利要求1所述的基于反射四棱锥与多层半透明结构的三维显示装置，其特征在于：所述分隔板为全透明，且不易因施加外力而产生形变。
10.根据权利要求1所述的基于反射四棱锥与多层半透明结构的三维显示装置，其特征在于：所述均匀平面背光源发出各向同性均匀的白光。
11.根据权利要求1～10所述的一种基于反射四棱锥与多层半透明结构的三维显示装置的显示方法，所述显示方法包含如下步骤：
(1)确定需要显示的三维场景以及其在空间中的成像位置；
(2)根据三维场景在空间中的成像位置，渲染出三维场景通过反射四棱锥各个面反射后的从不同角度观察到的图像；
(3)将多层半透明结构所需显示的三维图像通过优化算法解析成各层半透明结构所需显示的像素值；
(4)将计算出的各层像素值送入对应半透明结构；
(5)各层半透明结构显示的像素值叠加产生的三维图像通过反射四棱锥反射后成像在四棱锥中央的对应位置。
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