CN107632403B - 三维立体成像显示仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维立体成像显示仪，它包括：二维的显示屏；驱动该显示屏与显示图像同步运动的电机；若干个位置传感器；系统控制部分，该系统控制部分包括控制芯片、显示存储器、显示驱动电路、驱动显示屏快速运动的电机驱动电路。控制芯片接收到来自信号源的视频信号，将视频信号存储到显示存储器中，并转换成显示驱动信号，经显示驱动电路，将被显示的立体图像拆解成的二维平面显示点阵显示在二维的显示屏上；同时，控制芯片产生同步控制信号，输出到电机驱动电路，由电机驱动电路驱动所述电机，带动所述显示屏做同步的快速运动；进而将显示在显示屏上的多幅、做同步运动的二维平面图像快速叠加，合成还原成三维立体图像。

Description

三维立体成像显示仪

技术领域

本发明涉及一种三维立体成像显示仪，具体地说，本发明涉及一种通过将发光点阵组成的二维图像做同步的快速运动，例如同步快速往返移动或同步快速旋转运动，以多幅做同步快速运动的二维平面图像的快速叠加，从而形成三维立体成像的显示仪。本发明属于电子图像显示技术领域。

背景技术

现有的电子图像显示主要为二维平面图像显示。少数的三维图像显示实际上也是二维平面图像显示，它是在同一显示屏上同时显示两幅二维平面图像，观看者通过配带一种特殊的眼镜过滤不同图像的光线，使不同的图像分别到达左右眼，从而模拟出三维立体图像。

例如，通过分光法模拟出三维立体图像。即，在两台放映机的镜头前分别放置一个方向相互垂直的偏振片，两台放映机同时将两幅二维平面图像投影在同一投影显示屏上。观看者配带一个偏振眼镜，偏振眼镜的左右两个镜片的偏振方向相互垂直，每只眼睛只能看到对应的画面，这样双眼看到不同的内容在头脑中就会形成一个三维立体图像。

再例如，通过色分法模拟出三维立体图像。即，将两个不同视角拍摄的影像分别以两种不同的颜色印制在同一幅画面中，并放映。观看时，观看者通过配带一个左右镜片为不同颜色的立体眼镜即可在大脑中形成一个三维立体图像。如，将两个不同视角拍摄的影像分别以红、蓝两种颜色印制在同一副画面中，并放映。观看时，观看者配带一个红蓝眼镜，红色镜片下只能看到红色的影像，蓝色镜片只能看到蓝色的影像，两只眼睛看到的不同影像在大脑中重叠形成一个三维的立体图像。

再例如，通过时分法模拟出三维立体图像。即，观看者配带一个立体眼镜，该立体眼镜的左右两个镜片采用电子控制，根据显示屏显示的内容控制左右两个镜片的透光与不透光的切换，使得人眼只能看到透光状态下的画面，双眼看到不同时间的画面，在大脑中形成一个三维的立体图像。这种方法需要频繁地切换显示画面，也就需要显示器能够提供足够快的刷新速度，才能避免画面的闪烁。

总之，现有的三维图像显示技术大都是通过配带一种特殊的眼镜，使左右两个眼睛分别看到不同的、分离的二维平面影像，再在大脑内把这两个影像合成/感受出一个三维立体图像。

文献记载还有通过全息投影技术(front-projected holographic display)也称虚拟成像技术形成三维立体图像的，其原理是利用干涉和衍射原理记录并再现物体真实的三维图像。例如：

在美国麻省一位叫ChadDyne的研究生发明了一种空气投影和交互技术，它可以在气流形成的墙上投影出具有交互功能的图像。将图像投射在水蒸汽液化形成的小水珠上，由于分子震动的不均衡，形成层次和立体感很强的图像。

日本公司ScienceandTechnology发明了一种可以用激光束来投射实体的3D影像，这种技术是利用氮气和氧气在空气中散开时，混合成的气体变成灼热的浆状物质，并在空气中形成一个短暂的3D图像。这种方法主要是不断在空气中进行小型爆破来实现的。

南加利福尼亚大学创新科技研究院的研究人员宣布他们成功研制一种360度全息显示屏，这种技术是将图像投影在一种高速旋转的镜子上从而实现三维图像。达到显示屏刷新率：4320～5760幅/秒，图像分辩率：768x768，色彩深度：单色。

发明内容

本发明的目的是提供一种新型的三维立体成像显示仪，它通过将二维的发光点阵图像做同步的快速运动，以多幅做同步快速运动的二维平面图像的快速叠加形成三维立体成像的显示仪。

为实现上述的发明目的，本发明采用下述的技术方案：一种三维立体成像显示仪，其特征在于：它包括：二维的显示屏；驱动该显示屏与显示图像同步运动的电机；若干个位置传感器；系统控制部分，该系统控制部分包括控制芯片、显示存储器、显示驱动电路、驱动显示屏快速运动的电机驱动电路；

所述控制芯片接收到来自信号源的视频信号，将视频信号存储到显示存储器中，并转换成显示驱动信号，经显示驱动电路，将被显示的立体图像拆解成的二维平面显示点阵显示在二维的显示屏上；

同时，控制芯片产生同步控制信号，输出到电机驱动电路，由电机驱动电路驱动所述电机，带动所述显示屏做同步的快速运动；进而将显示在显示屏上的多幅、做同步运动的二维平面图像快速叠加，合成还原成三维立体图像；

所述位置传感器的信号输出端与控制芯片的信号输入端相连，将显示屏的当前位置信号传输给控制芯片。

所述显示屏为PLASMA显示器或OLED显示器或LED显示器。

所述显示驱动电路与所述显示屏固定在一起，同步快速运动。

所述显示屏的各列的显示点的刷新率为Fref*2∏*N Hz，各列的刷新率由所述控制芯片经高频时钟分频后产生，驱动各列的显示，其中Fref为三维显示的刷新率，一般＞50Hz。

在本发明优选实施例中，所述显示屏做同步快速往返直线运动；

图像显示信号经光纤传递给显示驱动电路；

电源信号通过柔性电缆传递给显示驱动电路、电机驱动电路。

本本发明的另一优选实施例中，所述显示屏做同步快速往返直线运动；

在较低显示分辨率的情况下，图像显示信号经无线收发模块传递给显示驱动电路，经驱动电路，显示在快速往返移动的平面显示器上；

电源信号通过柔性电缆传递给显示驱动电路、电机驱动电路。

在本发明优选实施例中，所述二维显示屏垂直于Z轴方向，并沿Z轴方向做快速往返移动。

在本发明的优选实施例中，所述显示屏围绕其中心轴做同步快速旋转运动；

所述三维立体成像显示仪还包括一电源连线滑环结构；

所述显示屏、显示驱动电路、电机驱动电路通过该电源连线滑环结构与外部供电电源相连。

所述三维立体成像显示仪还包括一光电传输部分，该光电传输部分由支撑板，穿过支撑板的透明光轴，位于透明光轴一端的多路不同波长的发射激光二极管，位于透明光轴另一端的多路接收不同波长的光电接收器；

多路不同波长的发射激光二极管、透明光轴、多路接收不同波长的光电接收器同轴；

多路不同波长的发射激光二极管作为信号源，其发出的光经透明光轴照射到位于透明光轴另一端的多路接收不同波长的光电接收器上，光电接收器接收到多路不同波长的光，转换成电信号，传输给控制芯片，由控制芯片经显示驱动电路，将二维显示点阵显示在显示屏上。

在较低显示分辨率的情况下，图像显示信号经无线收发模块传递给显示驱动电路，经驱动电路，显示在快速旋转的平面显示器上。

本发明的优选是：结构简单，观众不需要配带特殊的眼镜就可以看到三维立体图像，大大提高舒适度。

附图说明

图1a、图1b为本发明通过同步快速往返直线运动将N幅二维图像叠加生成三维立体图像的原理示意图；

图2为本发明做同步快速往返直线运动的机构结构示意图；

图3为显示屏做同步快速往返直线运动时单独一个二维显示平面的RGB点阵结构。

图4为显示屏做同步快速往返直线运动时整个的显示点阵结构；

图5a、图5b为本发明通过同步快速旋转二维图像形成三维立体图像的原理示意图；

图6为本发明做同步快速旋转运动的机构结构示意图；

图7为在本发明做同步快速旋转运动机构中，电源连线滑环结构示意图；

图8为在本发明做同步快速旋转运动机构中，光电传输部分结构示意图；

图9为本发明光电传输部分在整体结构下方时与电机传动机构相结合时的结构图；

图10a、图10b为本发明光电传输部分安装在整体结构下方时，光电传输部分与电源连线滑环一体化时的机械及剖面结构示意图；

图11为本发明光电传输部分安装在显示屏上方时结构示意图；

图12a为显示屏做旋转运动时圆截面的显示点阵结构图；

图12b为显示屏做旋转运动时最外一列的显示点阵结构图；

图13为本发明系统控制部分原理框图。

具体实施方式

下面结合附图，分别以通过将发光点阵组成的二维图像做同步的快速往返直线移动和同步快速旋转运动形成三维立体图像为例，对本发明作进一步的详细说明。

实施例1：将发光点阵组成的二维图像做同步的快速往返直线移动合成还原成三维立体图像

如图1a、图1b所示，本发明显示三维立体图像的原理是：将被显示的三维立体图像分解为N幅高分辨率、高色彩率的二维平面图像，再依次通过快速移动的显示屏在特定的移动位置上显示特定的二维图像，通过所有显示的二维平面图像的叠加，合成还原为该三维图像。

例如显示一个由640幅二维平面投影图像叠加合成的一立体球形。如图1a、图1b所示，该立体球形是由640幅半径不同的二维平面的圆形图像叠加而成。图中的1、…、128、…、256、…、384、…、512、…、640，640、…、512、…、384、…、256、…、128、…、1，为往返显示的顺序，一个往返周期需显示1280幅图像，当显示屏移动到位置1时无圆图形(即1个点)投影到显示屏上，显示屏移动到下一位置时有一相应尺寸的圆形图形显示到屏上，如此类推，当显示屏移动到N位置时，就有一相应尺寸的圆形图形显示在显示屏上，所有的显示图形叠加在一起就合成还原了一个立体的球形。

为了能够在不配带特殊的眼镜情况下，通过快速移动显示屏，从而使观看者就能看到一立体三维图像，构成本发明的显示屏需要做频率大于25Hz的匀速直线往返运动。

在显示屏移动过程中的某一位置上，显示屏在一个周期内会出现两次，所以投影到该位置上的显示图像的刷新率为显示屏移动频率的二倍，即大于50Hz(大于50Hz，人眼才看不出图像的跳动)。如在显示屏的往返移动范围内显示1280幅图像，那么显示图像的刷新频率为1280x50＝64kHz。

目前可达到如此高的刷新频率的显示器件有PLASMA。OLED频率响应可到100kHz。LED的频率响应可到几百兆，所以采用LED，PLASMA或OLED组成的二维平面显示屏可满足如上的频率响应要求。

在本发明的示例中，图像显示顺序为：1，2…639，640，640，639…2，1，完成一次往返移动。为保证二维的发光点阵图像显示在正确的移动位置上，须由控制芯片发出同步信号，同时控制驱动显示屏移动的电机和发光点阵驱动芯片，以达到显示屏的移动与显示图像的同步。

图2为本发明做同步快速往返直线移动的机构结构示意图。图中1-1为二维的显示屏；1-2为高速直线电机；1-3为位置传感器；高速直线电机1-2驱动显示屏1-1做快速的往返直线运动，位置传感器1-3实时反映显示屏的位置。

显示屏1-1上显示的二维图像坐标为X-Y，显示屏垂直于Z轴方向，并沿Z轴方向做快速往返直线移动。

图13为本发明控制部分原理框图。如图所示，本发明控制部分包括控制芯片(微处理器)、显示存储器、LED，PLASMA或OLED显示驱动电路、驱动显示屏快速往返移动的电机驱动电路。

控制芯片接收来自信号源的视频信号，将视频信号存储到显示存储器中，并转换成显示驱动信号，经显示驱动电路，将被显示的立体图像拆解成的二维平面显示点阵显示在二维的显示屏上。

同时，控制芯片产生同步控制信号，输出到电机驱动电路，由电机驱动电路驱动高速直线电机运动，从而带动显示屏做同步的快速往返移动。

安装在同步快速往返直线移动机构中的位置传感器的信号输出端与控制芯片的信号输入端相连，将显示屏的当前位置信号传输给控制芯片。

显示在显示屏上的N幅平面图像叠加在一起，就合成还原成一个三维的立体图像。

如图3所示，OLED，PLASMA和LED构成的显示器单个像素点都是由R，G，B(红绿蓝)三个显示单元所组成，通过对红绿蓝显示单元的亮度控制，产生出该显示像素点的不同色彩。

图4为本发明实施例1中显示屏快速往返移动时显示点阵结构。二维显示屏在X，Y方向，显示像素点数为x和y，显示屏行程为z。因此显示立方体的显示点数为x*y*z。以1024x768x640点阵显示立方体为例，设其为24bit色彩，50Hz刷新率，显示屏往返移动，在同一移动点上显示屏一个周期内显示两次，则三维彩色立方体所需的数据传输率：

1024x768x640x24x50x2＝1207.96Gbps

这就要求图像显示信号需经光纤传递给显示驱动电路，电源信号则需要通过柔性电缆传递给显示驱动电路。在较低的分辨率情况下，也可通过无线收发模块进行显示信号的无线传输。

实施例2：将发光点阵组成的二维图像做同步快速旋转运动合成还原成三维立体图像

图5a为一个二维发光点阵显示的一个圆形图像，当该二维发光点阵沿垂直方向的中心轴做快速旋转时，多幅二维的圆形图像叠加在一起就形成了一个三维的球体，如图5b所示。

为了能够在不配带特殊的眼镜情况下，通过快速移动显示屏，从而使观看者就能看到一立体三维图像，构成本发明的显示屏需要做频率大于50Hz的旋转运动。(大于50Hz，人眼才看不出图像的跳动)。如果二维显示屏为透明屏，可正反双面发光(例如某些OLED就是设计成两面发光的透明屏幕)，每一旋转周期正反面各显示一次，所以机械旋转频率可减半为25Hz。

目前可达到如此高的刷新频率的显示器件有PLASMA；OLED频率响应可到100kHz；LED的频率响应可到几百兆，所以采用LED，PLASMA或OLED组成的二维平面显示屏可满足如上的频率响应。

在本发明的示例中，例如，如图12a，图12b所示，如果整个的二维显示平面(如图5a包含圆形图案的整个矩形显示屏)经高速旋转而形成的显示圆柱体的刷新率为50Hz，二维像素点之间的点距为r(各同心圆之间的间距等于像素点之间的间距r)，显示点刷新频率与该点到旋转中心轴距离的关系：

以X方向总像素点数为601，并围绕Y方向中心轴旋转为例，则最外一列的圆周有1884个点(2∏*300)，次列为1877点(2∏*299)...6点，1点(轴心)。第n列上点的刷新为轴心的2∏*n倍，最外端一列的像素点的刷新率为(600/2)*50*2∏＝94.2kHz(轴对称，另一半各列刷新率相同)，其他各列为：299*50*2∏＝93.8kHz，298*50*2∏＝93.5kHz，...628Hz，314Hz，50Hz。由于各列的刷新率不同，显示驱动时为逐列驱动，因各列的驱动频率不一样，为保证二维发光点阵的图像，显示在正确的移动位置上，控制芯片需经高频时钟分频后，产生各列所需的刷新频率信号，输出给显示驱动电路，使得各列的显示点与旋转同步；同时，控制芯片发出同步电机驱动信号，驱动显示屏移动的电机，以达到显示图像与显示屏的移动的同步。

图6为本发明做同步快速旋转运动的机构结构示意图。如图所示，它包括：包含有显示驱动电路的显示屏2-1，旋转固定平台2-2，支架2-3，位置传感器2-4，旋转显示屏的驱动电机2-5。

图13为本发明控制部分原理框图，如图所示，本发明控制部分包括控制芯片(微处理器)、显示存储器、LED，PLASMA或OLED显示驱动电路、驱动显示屏高速旋转运动的电机驱动电路。

控制芯片接收来自信号源的视频信号，将视频信号存储到显示存储器中，并转换成显示驱动信号，经显示驱动电路，将被显示的立体图像拆解成的二维平面显示点阵显示在二维的显示屏上。

同时，控制芯片产生同步控制信号，输出到电机驱动电路，由电机驱动电路驱动电机运动，从而带动显示屏做同步的快速旋转运动。

安装在同步快速旋转运动机构中的位置传感器2-4的信号输出端与控制芯片的信号输入端相连，将显示屏的当前位置信号传输给控制芯片。

显示在显示屏上的N幅平面图像叠加在一起，就合成还原成一个三维的立体图像。

OLED，PLASMA和LED显示的单个像素点都是由R，G，B(红绿蓝)三个显示单元所组成，见图3，通过对红绿蓝显示单元的亮度控制，产生出该显示像素的不同色彩。

以显示三维彩色圆柱体为例，计算所需的数据传输率为：

一个圆截面点数的总和为：

1+2∏+2*2∏+3*2∏+...+2∏*(N-1)+2∏*N

＝1+2∏[1+2+3+...+(N-1)+N]

＝1+2∏*(1+N)*N/2

＝1+∏*N*(N+1)(N为x向总点数的一半)

圆柱体总点数为：M*[1+∏*N*(N+1)](M为高度点数)，如图10b，

假设：一个600x601点数的二维彩色显示点阵，以50Hz的频率以垂直方向中心轴为轴旋转，旋转产生的总点数为：

1+600x3.14x(1+300)x300＝170125201

24bit色彩图像的数据传输率：

170125201x50x24＝204150241200＝204Gbps

再如400x401点数的二维彩色显示点阵，以50Hz的频率以垂直方向中心轴为轴旋转，旋转产生的总点数为：1+400x3.14x(1+200)x200＝50491201点

24bit色彩图像的数据传输率：

50491201x50x24＝60，589，441，200bps＝60Gbps

由于二维显示器件的最高响应频率的限制，二维显示屏X方向的最外一列显示点的刷新频率要小于显示器件的最高响应频率，因此，x方向最大像素点数：2*Fmax/(50*2∏)＝Fmax/50∏(Fmax为显示器件的最高响应频率)。

例如0LED和PLASMA的最高响应频率为100kHz，在50Hz的刷新率下，X方向的最大像素点数不能超过100k/50∏＝634点。而LED的显示屏则有较高的X方向像素点数，所以，LED显示屏完全可以实现上述传输率的显示。

由于显示屏需要做同步的快速旋转运动，为避免电源线在旋转时的缠绕问题。如图7所示，本发明设计了一电源连线滑环结构，如图所示，它包括旋转支撑部件4-7，固定在旋转支撑部件上的转动轴4-3，套在转动轴上的两个滑环4-6，分别与两个滑环相连的电源接线端子4-1和4-2，从转动轴4-3穿出的与滑环4-6相连的滑环引出线4-4和4-5。

电源接线端子4-1和4-2直接与外部供电电源相连，经滑环4-6、滑环引出线4-4和4-5，再接到显示电路、驱动电路的电源输入端，为显示驱动电路、电机驱动电路供电，滑环引出线同时与显示屏及显示驱动电机做同步旋转。

图8为在本发明光电传输部分结构示意图。如图所示，它由支撑板3-3，穿过支撑板的透明光轴3-2，位于透明光轴3-2一端的多路不同波长的发射激光二极管3-6，位于透明光轴3-2另一端的多路接收不同波长的光电接收器3-1构成。多路不同波长的发射激光二极管3-6、透明光轴3-2、多路接收不同波长的光电接收器3-1同轴。

多路不同波长的发射激光二极管3-6作为信号源，其发出的光经透明光轴3-2照射到位于透明光轴3-2另一端的多路接收不同波长的光电接收器3-1上，光电接收器3-1接收到多路不同波长的光，转换成电信号，传输给控制芯片，由控制芯片经显示驱动电路，将二维显示点阵显示在显示屏上。

图8所示的光电传输部分可以位于显示屏下方，也可以位于显示屏上方。

图6所示的本发明，光电传输部分和驱动显示屏旋转的机构一起位于支架2-3下方。如图9所示，当光电传输部分位于支架2-3下方时，由于光电信号是从下往上传输的，故，多路不同波长的发射激光二极管3-6位于透明光轴3-2的下方，多路接收不同波长的光电接收器3-1位于透明光轴3-2的上方。光电传输部分通过传输皮带3-4与驱动显示屏旋转的电机2-5的传动部分3-5相连，从而使光电传输部分与显示屏同步旋转。

图10a、图10b为本发明光电传输部分安装在整体结构下方时，光电传输部分与电源连线滑环一体化时的机械及剖面结构示意图。

图11为光电传输部分(图中的2-6)位于显示屏上方的示意图。当光电传输部分位于显示屏上方时，多路不同波长的发射激光二极管3-6位于透明光轴3-2的上方，多路接收不同波长的光电接收器3-1位于透明光轴3-2的下方，如图8所示。

在较低显示分辨率的情况下，显示信号也可经无线模组传输到显示控制驱动电路，来控制显示出的图像。

以上对本发明所提供的三维立体成像显示仪进行了详细的说明。对本领域的技术人员而言，在不背离本发明实质精神的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本发明专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。

Claims (6)

1.一种三维立体成像显示仪，其特征在于：它包括：

二维的显示屏，该显示屏各列显示点以沿显示屏垂直方向的中心轴为轴旋转，轴心处显示点的刷新率为Fref Hz，Fref 为三维显示的刷新率，Fref>50Hz；以中心轴为对称轴，与中心轴间距相同的第N列显示点的刷新率为Fref*2∏*N Hz，其中，N为≥1的自然数；各列的刷新率由控制芯片经高频时钟分频后产生，输出给显示驱动电路，驱动各列的显示，使各列的显示点与所述显示屏的旋转同步；

驱动该显示屏与显示图像同步运动的电机；

若干个位置传感器；

系统控制部分，该系统控制部分包括控制芯片、显示存储器、显示驱动电路、驱动显示屏快速运动的电机驱动电路；

所述控制芯片接收到来自信号源的视频信号，将视频信号存储到显示存储器中，并转换成显示驱动信号，经显示驱动电路，将被显示的立体图像拆解成的二维平面显示点阵显示在二维的显示屏上；

同时，控制芯片产生同步电机驱动信号，输出到电机驱动电路，由电机驱动电路驱动所述电机，带动所述显示屏做同步的旋转；进而将显示在显示屏上的多幅、做同步运动的二维平面图像快速叠加，合成还原成三维立体图像；

所述位置传感器的信号输出端与控制芯片的信号输入端相连，将显示屏的当前位置信号传输给控制芯片。

2.根据权利要求1所述的三维立体成像显示仪，其特征在于：所述显示屏为PLASMA 显示器或OLED显示器或LED显示器。

3.根据权利要求2所述的三维立体成像显示仪，其特征在于：所述显示驱动电路与所述显示屏固定在一起，同步快速运动。

4.根据权利要求2所述的三维立体成像显示仪，其特征在于：所述显示屏围绕其中心轴做同步快速旋转运动；

所述三维立体成像显示仪还包括一电源连线滑环结构；

所述显示屏、显示驱动电路、电机驱动电路通过该电源连线滑环结构与外部供电电源相连。

5.根据权利要求4所述的三维立体成像显示仪，其特征在于：所述三维立体成像显示仪还包括一光电传输部分，该光电传输部分由支撑板，穿过支撑板的透明光轴，位于透明光轴一端的多路不同波长的发射激光二极管，位于透明光轴另一端的多路接收不同波长的光电接收器；

多路不同波长的发射激光二极管、透明光轴、多路接收不同波长的光电接收器同轴；

多路不同波长的发射激光二极管作为信号源，其发出的光经透明光轴照射到位于透明光轴另一端的多路接收不同波长的光电接收器上，光电接收器接收到多路不同波长的光，转换成电信号，传输给控制芯片，由控制芯片经显示驱动电路，将二维显示点阵显示在显示屏上。

6.根据权利要求4所述的三维立体成像显示仪，其特征在于：在较低显示分辨率的情况下，图像显示信号经无线收发模块传递给显示驱动电路，经驱动电路，显示在快速旋转的平面显示器上。