CN108062920A - 球面显示结构及具有其的cave系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种球面显示结构及具有其的CAVE系统。球面显示结构包括灯板单元，灯板单元为多个，多个灯板单元拼接形成球面结构，灯板单元的沿球面结构的纬线方向的上侧边和与上侧边相对设置的下侧边均呈弧形结构，且上侧边和下侧边的长度不相等，在纬线方向上相邻设置的两个灯板单元中的一个灯板单元的上侧边与另一个灯板单元的下侧边相邻地设置。采用该结构的灯板单元结构，使得该灯板单元在水平视场角以X度的整数倍随意拼接组合，垂直视场角以Y度的整数倍随意拼接组合以形成球面形状的显示结构。这样设置能够有效地提高该显示结构的显示效果。

Description

球面显示结构及具有其的CAVE系统

技术领域

本发明涉及显示系统技术领域，具体而言，涉及一种球面显示结构及具有其的CAVE系统。

背景技术

由于CAVE系统能够提供一个大视场角、重沉浸感、高逼真度的仿真环境，自诞生之日起，就受到仿真领域的高度重视。1992年，美国伊利诺伊州立大学EVL实验室设计出第一套CAVE系统，使用4台SGI工作站同步生成120Hz立体图像，使用4台投影机显示在屏幕上，受制于工作站、投影机价格昂贵，很长一段时间，CAVE系统用户群体仅限于研究机构。

随着信息技术的飞速发展，CAVE系统的应用范围越来越广泛，其技术形态上也发生了变化。从显示屏(幕)拼接形式看，包括两块或以上的平面拼接、柱面、球面、双曲面、圆台面等等，从显示技术上看，包括投影机、LCD、LED显示单元拼接等等。由于投影机核心元器件受制于人，高端投影机进口受到国家管控，LCD平面拼接缝隙太大等原因，LED显示单元拼接逐渐受到显示技术领域重视。现有技术中，采用了前、下、左、右共四个面构建一个CAVE系统，各面间拼接呈90度直角，由于LED灯的方向性，侧面会有色差，水平视场角一般不超过180度。

由于LED显示产品拼接无缝、可靠性高、色域宽、全寿命成本低、亮度调节范围宽等优势，LED显示产品已大量应用于户外引导、广告、展示等场所和户内指挥中心、会议中心、监控中心、调度中心等场所。LED球面显示产品虽然不多，但人们对LED球面显示技术的探索，基本与常规显示技术同步在进行。

现有技术中还将球体显示部分切分为规格不等的有限个梯形及三角形，或者将模组的外表面形状切分为四边形，并提出将LED灯沿经纬线排布形成LED球面屏。现有技术中还提出了由球面显示屏和基座共同组成的显示装置，并解决LED布局角度，使屏体呈现更好的均匀性问题。

LED球面显示技术已广泛用于创意显示领域，受制于加工精度、点间距提升难度，目前的LED球面显示产品普遍是用于博物馆、体验中心、娱乐中心等观看距离较远的外显示，LED点间距从P10到P3不等。然而，现有技术中的LED球面显示屏点间距较大，不能应用于飞行模拟器、航海模拟器、特种车辆模拟器等仿真装备球面显示系统。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种球面显示结构及具有其的CAVE系统，以解决现有技术中显示系统显示效果差的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种球面显示结构，包括：灯板单元，灯板单元为多个，多个灯板单元拼接形成球面结构，灯板单元的沿球面结构的纬线方向的上侧边和与上侧边相对设置的下侧边均呈弧形结构，且上侧边和下侧边的长度不相等，在纬线方向上相邻设置的两个灯板单元中的一个灯板单元的上侧边与另一个灯板单元的下侧边相邻地设置。

进一步地，灯板单元的沿球面结构的经线方向的第一侧边和与第一侧边相对的第二侧边均为直边结构。

进一步地，球面显示结构还包括：灯珠组，灯珠组为多个，多个灯珠组沿纬线方向均匀地设置于灯板单元上，灯珠组包括多个灯珠，相邻的灯珠之间的中心距离为L，L＝P-N，其中，P为相邻灯珠之间的预设距离，N为偏移量。

进一步地，P＝1.875mm，和/或，N≤1mm。

进一步地，每一个灯珠组中的灯珠的数量相同，相邻的两个灯珠组中的灯珠的数量不相同。

进一步地，灯珠组中的灯珠沿纬线方向成排地设置，每一排上的灯珠的数目相同。

进一步地，灯珠组的靠近第一侧边的灯珠与第一侧边的边缘的距离为预设距离的一半，和/或，灯珠组的靠近第二侧边的灯珠与第二侧边的边缘的距离为预设距离的一半。

进一步地，靠近上侧边的沿纬线方向设置的灯珠为n1颗，当相邻的灯珠之间的距离小于P-N时，与该上侧边相邻设置的另一个灯板单元的下侧边上的沿纬线方向设置的灯珠为K颗，其中，k≥1。

进一步地，当多个灯珠组沿纬线方向过渡至球面结构的极点时，位于极点处的灯珠设置于灯板单元的第一侧边或第二侧边的边缘处。

进一步地，球面显示结构还包括：安装支架，灯板单元与安装支架相连接；弧形安装骨架，安装支架与弧形安装骨架相连接。

根据本发明的另一方面，提供了一种CAVE系统，包括球面显示结构，球面显示结构为上述的球面显示结构。

应用本发明的技术方案，采用该结构的灯板单元结构，可以使得该灯板单元在水平视场角以X度的整数倍随意拼接组合，垂直视场角以Y度的整数倍随意拼接组合以形成球面形状的显示结构。这样设置能够有效地提高该显示结构的显示效果。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本发明的显示结构的实施例的爆炸结构示意图；

图2示出了灯板单元与灯珠的装配结构示意图；

图3示出了视觉与像素点之间的视觉效果示意图；

图4示出了视觉与灯珠之间的视觉效果示意图；

图5示出了灯板结构展开示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、灯板单元；11、上侧边；12、下侧边；13、第一侧边；14、第二侧边；

20、灯珠组；

30、安装支架；40、弧形安装骨架；

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的术语在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

现在，将参照附图更详细地描述根据本申请的示例性实施方式。然而，这些示例性实施方式可以由多种不同的形式来实施，并且不应当被解释为只限于这里所阐述的实施方式。应当理解的是，提供这些实施方式是为了使得本申请的公开彻底且完整，并且将这些示例性实施方式的构思充分传达给本领域普通技术人员，在附图中，为了清楚起见，有可能扩大了层和区域的厚度，并且使用相同的附图标记表示相同的器件，因而将省略对它们的描述。

结合图1至图4所示，根据本发明的实施例，提供了一种球面显示结构。

如图1所示，该球面显示结构包括灯板单元10。灯板单元10为多个，多个灯板单元10拼接形成球面结构，灯板单元10的沿球面结构的纬线方向的上侧边11和与上侧边11相对设置的下侧边12均呈弧形结构，且上侧边11和下侧边12的长度不相等，在纬线方向上相邻设置的两个灯板单元10中的一个灯板单元10的上侧边11与另一个灯板单元10的下侧边12相邻地设置。

在本实施例中，采用该结构的灯板单元结构，可以使得该灯板单元在水平视场角以X度的整数倍随意拼接组合，垂直视场角以Y度的整数倍随意拼接组合以形成球面形状的显示结构。这样设置能够有效地提高该显示结构的显示效果。其中，XY取值与直径相关，一般地，划分的单元模块在设计重量、尺寸上符合人机工学标准要求即可。比如，直径7000mm的球面屏，X取值为15，Y取值为10。

其中，灯板单元10的沿球面结构的经线方向的第一侧边13和与第一侧边13相对的第二侧边14均为直边结构。这样设置能够有效地提高该显示结构的显示效果。

如图2所示，球面显示结构还包括灯珠组20。灯珠组20为多个，多个灯珠组20沿纬线方向均匀地设置于灯板单元10上，灯珠组20包括多个灯珠21。相邻的灯珠21之间的中心距离为L，L＝P-N，其中，P为相邻灯珠21之间的预设距离，N为偏移量。优选地，P＝1.875mm，N≤1mm。即在本实施例中，该球面显示结构可以是一种球面显示屏，球面显示屏包括按经线、纬线方向的灯点排布规则是基于人眼视觉为基础、便于计算机进行算法实现进行的优化设计。

如图2所示，该灯板单元示出了G1、G2、G3三组结构的灯组，其中，每一个灯珠组20中的灯珠21的数量相同，相邻的两个灯珠组20中的灯珠21的数量不相同。灯珠组20中的灯珠21沿纬线方向成排地设置，每一排上的灯珠21的数目相同。这样设置能够使得灯珠的排布位置得到有效优化，达到提高灯珠的显示效果的作用。

为了避免安装在灯板单元上的灯珠恰好落在灯板单元的拼接缝处，将灯珠组20的靠近第一侧边13的灯珠21与第一侧边13的边缘的距离设置为预设距离的一半。将灯珠组20的靠近第二侧边14的灯珠21与第二侧边14的边缘的距离也设置为预设距离的一半。

进一步地，靠近上侧边11的沿纬线方向设置的灯珠21为n1颗，当相邻的灯珠21之间的距离小于P-N时，与该上侧边11相邻设置的另一个灯板单元10的下侧边12上的沿纬线方向设置的灯珠21为k颗，其中，k≥1。这样设置能够合理的布置每一个组内的灯珠放置位置。

为了提高该显示结构的稳定性和可靠性，该球面显示结构还包括安装支架30和弧形安装骨架40。灯板单元10与安装支架30相连接。安装支架30与弧形安装骨架40相连接。

上述实施例中的球面显示结构还可以用于CAVE系统设备技术领域，即根据本发明的另一方面，提供了一种CAVE系统。该CAVE系统包括球面显示结构。球面显示结构为上述实施例中的球面显示结构。

现有技术中，当拼装精度要求不高时，我们可以近似地将球面切分为梯形、四边形。当观看距离较远时，依然能够带来很好的体验效果。但是，作为构建CAVE系统的球面屏，由于观看距离较近，梯形、四边形，包括柱面拼接，均会看到拼接缝隙，降低体验效果。事实上，由于球面两纬线长度不一样，从球体的两个横切面上看，可以将这个切片看作一个圆台，沿经线方向直切，即可构成圆台面的灯板。上下两灯板的接缝处，沿两个圆台的相贯线拼接，可确保无缝隙。

在本实施例中，球面显示结构的直径为7000mm，标准间距1.875mm，垂直视场角沿赤道面向中90度，沿经线方向平均分为6个箱体。如图5所示，图中AB为经线上的一部分，BC、AD为纬线，角AOB等于15度，角AOK等30度，BC为箱体(若干个灯板单元拼接而成)的上边缘，AD为箱体的下边缘。

这样，纬线BC展开到一个平面后，将会形成一个以P为圆心、以PB为半径的扇面，纬线AD展开到一个平面后，将会形成一个以P为圆心、以PA为半径的扇面，两个扇面减去重叠部分即为ADCB圆台的展开面。

采用现有技术中对灯珠进行布点的方式，容易造成灯珠刚好被B、C边缘线切割。为了解决该技术问题，如图3所示，两个像素点(LED灯)间距为P，观察者眼睛角膜到两点的直线距离为D，则视角θ可按以下公式计算，即当θ较小时，有由于人眼的分辨能力是有限的，当P达到一定程度时，眼睛就分辨不出这两个点了，也就是我们常说的感受不到LED显示屏的颗粒感。

如图4所示，在小间距LED显示屏上，由于θ值较小，如果θ角以弧分计，则眼睛分辨景物细节的视觉锐度是由人的光敏细胞大小决定的，当两点成像在黄斑区，分辨率的极限值大约为1弧分。此时，两个LED像素点在一个光敏细胞上成像，人眼将无法分辨出是两个像素点；当两个像素点在两个相邻光敏细胞上成像时，即1＜θ＜2时，人眼会感觉到是两个相邻像素点，视LED灯的大小不同颗粒感不同，但不明显；当θ＞2时，人眼看两个LED灯会有明显颗粒感。

而现有技术中的抽点方法改进为像素间距值允许低于1弧分的误差，而不是一定的比例。在本实施例中，在直径7000mm的内球面，LED灯珠最大间距P为1.875mm，球心处观看，视角θ为1.84弧分；视角为1弧分时，LED灯珠间距为1mm。可以看出，为保证良好的显示效果，LED灯珠的变化值是一个低于1mm的绝对值而不是一个相对值。在本示例中，低于1mm的要求给出了一个较大的变化范围。据此，LED灯珠的变化可以按以下规则进行：

对灯板单元上纬线的灯珠进行分组，每组纬线上的灯珠按以下规则排布：第一侧边、第二侧边灯珠距离边缘的宽度一样，纬线上每一组的灯珠数量一样，间距平均分配，当灯珠间距小于P-N时(N为偏移量，本示例中小于1mm均可)，纬线上进行抽点，过渡到第二组，余下依此类推，当过渡到极点时，仅保留侧边的边缘上的一个LED灯珠。即当多个灯珠组沿纬线方向过渡至球面结构的极点时，位于极点处的灯珠设置于灯板单元的第一侧边或第二侧边的边缘处。

具体地，如图2所示，G1、G2、G3每组在纬线方向上灯珠数量一样，靠近拼缝的第一侧边、第二侧边经线上的灯珠沿同一经线均匀排布，确保灯珠距第一侧边、第二侧边相邻灯板单元的灯珠间隔等距。相邻两组中间灯珠虽然沿经线方向有误差，但把这种误差控制在1弧分的视角内，人眼就无法分辨出这种误差。当然，人眼的视觉分辨能力与色度、亮度也有一定关系，因此，根据不同的应用需求，在低于1弧分的误差范围内适当取值可得到满意的视觉效果。

进一步地，G3组灯珠上沿线和下沿线为弧线，曲率一样，但长度不一样，同一纬线上排布20个灯珠，如果最下沿纬线上的间距是1.875mm，则距上沿纬线上的灯珠间距必然小于1.875mm。如果允许间距偏移量是1mm(对应视觉分辨率为1弧分)，当G3组上沿灯珠间距小于0.875mm时，在G2组的下沿纬线上减少1颗～N颗灯珠，使得该纬线上灯珠间距接近1.875，减少的灯珠数量由间距决定。过渡至下一组以此类推。

为避免灯板上灯珠刚好排布在左右两块相邻灯板的拼缝上，在排布上，先排每块灯板的最左边和最右边一颗灯珠，该灯珠中心距左右边缘距离一样，约为1.875mm×1/2，中间灯珠按以上规则排布即可。相邻两行，即同一经线与两纬线交叉点上灯珠的排布，间距均为1.875mm。

这样排布，一是可有效避免沿经线方向的拼缝恰好切割灯珠的问题；二是对应的基准线可以降低计算机生成仿真视景系统的算法难度；三是同一组中不同纬线灯珠一样，视景图像不需变形即可显示，可以提高计算机视景系统运算速度。

除上述以外，还需要说明的是在本说明书中所谈到的“一个实施例”、“另一个实施例”、“实施例”等，指的是结合该实施例描述的具体特征、结构或者特点包括在本申请概括性描述的至少一个实施例中。在说明书中多个地方出现同种表述不是一定指的是同一个实施例。进一步来说，结合任一实施例描述一个具体特征、结构或者特点时，所要主张的是结合其他实施例来实现这种特征、结构或者特点也落在本发明的范围内。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种球面显示结构，其特征在于，包括：

灯板单元(10)，所述灯板单元(10)为多个，多个所述灯板单元(10)拼接形成球面结构，所述灯板单元(10)的沿所述球面结构的纬线方向的上侧边(11)和与所述上侧边(11)相对设置的下侧边(12)均呈弧形结构，且所述上侧边(11)和所述下侧边(12)的长度不相等，在纬线方向上相邻设置的两个所述灯板单元(10)中的一个所述灯板单元(10)的所述上侧边(11)与另一个所述灯板单元(10)的所述下侧边(12)相邻地设置。

2.根据权利要求1所述的球面显示结构，其特征在于，所述灯板单元(10)的沿所述球面结构的经线方向的第一侧边(13)和与所述第一侧边(13)相对的第二侧边(14)均为直边结构。

3.根据权利要求2所述的球面显示结构，其特征在于，所述球面显示结构还包括：

灯珠组(20)，所述灯珠组(20)为多个，多个所述灯珠组(20)沿纬线方向均匀地设置于所述灯板单元(10)上，所述灯珠组(20)包括多个灯珠(21)，相邻的灯珠(21)之间的中心距离为L，L＝P-N，其中，P为相邻所述灯珠(21)之间的预设距离，N为偏移量。

4.根据权利要求3所述的球面显示结构，其特征在于，P＝1.875mm，和/或，N≤1mm。

5.根据权利要求3所述的球面显示结构，其特征在于，每一个所述灯珠组(20)中的所述灯珠(21)的数量相同，相邻的两个所述灯珠组(20)中的所述灯珠(21)的数量不相同。

6.根据权利要求3所述的球面显示结构，其特征在于，所述灯珠组(20)中的所述灯珠(21)沿纬线方向成排地设置，每一排上的所述灯珠(21)的数目相同。

7.根据权利要求3所述的球面显示结构，其特征在于，所述灯珠组(20)的靠近所述第一侧边(13)的所述灯珠(21)与所述第一侧边(13)的边缘的距离为预设距离的一半，和/或，所述灯珠组(20)的靠近所述第二侧边(14)的所述灯珠(21)与所述第二侧边(14)的边缘的距离为预设距离的一半。

8.根据权利要求3所述的球面显示结构，其特征在于，靠近所述上侧边(11)的沿纬线方向设置的所述灯珠(21)为n1颗，当相邻的所述灯珠(21)之间的距离小于P-N时，与该所述上侧边(11)相邻设置的另一个所述灯板单元(10)的所述下侧边(12)上的沿纬线方向设置的所述灯珠(21)为k颗，其中，k≥1。

9.根据权利要求3所述的球面显示结构，其特征在于，当多个所述灯珠组(20)沿纬线方向过渡至所述球面结构的极点时，位于所述极点处的所述灯珠(21)设置于所述灯板单元(10)的第一侧边(13)或第二侧边(14)的边缘处。

10.根据权利要求1所述的球面显示结构，其特征在于，所述球面显示结构还包括：

安装支架(30)，所述灯板单元(10)与所述安装支架(30)相连接；

弧形安装骨架(40)，所述安装支架(30)与所述弧形安装骨架(40)相连接。

11.一种CAVE系统，包括球面显示结构，其特征在于，所述球面显示结构为权利要求1至10中任一项所述的球面显示结构。