CN108121080B - 一种基于往复式图像扫描的体三维显示装置及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于往复式图像扫描的体三维显示装置及其控制方法，包括真空壳体、置于真空壳体内的显示模块和直线往复运动机构、超短焦高速投影装置、运动频率检测装置、真空度检测装置、运动控制模块以及上位机。本发明运动部件均位于真空环境中，可极大地降低风阻系数，可以在更高的扫描频率下工作，增加三维成像分辨率，同时装置的机械振动和噪声更小，延长装置的使用寿命；运动频率检测装置实时检测装置的真实运动频率，上位机根据刷新频率实时更新高速投影装置的显示图像，避免图像畸变而影响显示效果；真空度检测装置可实时检测出真空壳体真空度信息，为系统提供最佳运动频率，从而实现装置的最佳立体显示效果。

Description

一种基于往复式图像扫描的体三维显示装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及真三维显示技术和自动控制技术领域，具体涉及一种用于基于往复式图像扫描的体三维显示装置及其控制方法。
背景技术
近年来，随着计算机软硬件和多媒体产业的高速发展，计算机立体视觉系统已经日益成为下一代显示领域的主流发展方向。与二维显示技术相比，三维显示更符合人们日常的双目观察习惯，能够带来更好的观看和沉浸式体验，在军事、医学、航空、广告、娱乐等行业得到了越来越广泛的应用。
目前三维立体显示技术共可分为分光立体眼镜(Glasses-based Stereoscopic)、自动分光立体显示(Autostereoscopic Displays)、全息技术(Hologram)和体三维显示(Volumetric 3-D Display)4大类。前两种一般通过佩带专用的眼镜和其他辅助设备，运用双目视差来实现三维效果，但这种三维方式只有心理景深，没有物理景深，就好像看三D电影一样，不论从哪个角度看，观众看到的图像都是一样的，没有真正的立体感。而全息技术目前虽然应用较为广泛，但一般都是只用45度的玻璃来呈现飘在空中的图像，并不是真正的三维图像，只是因为图像本身的明暗关系加上投影在半空中，会让人觉得似乎是立体的，称之为伪全息。体三维显示技术则是在一个真正具有宽度、高度和深度的真实三维空间内进行图像信息再现的技术。展现的三维物体既有心理景深，又有物理景深，可以实现多个观察者在不使用任何辅助设备条件下，就可以从多个角度直接观察三维物体，是计算机立体视觉系统中最新的研究方向。
体三维显示的基本单位是体素(Voxel)，如同二维显示中的像素一样，是展现三维图像的最基本单元。相同时间三维空间中激活的体素越多，所成三维图像的细节越丰富，效果越好。在平面显示器中，通过对显示器的周期性的扫描(如逐行扫描、隔行扫描)来激活像素，从而达到显示图像的目的。同样，在真三维立体显示系统中，也需要某种方式来扫过整个三维空间，使之能刷新空间的体素来显示图象。根据激活体素方式的不同，体三维显示可分为动态扫描式和静态发光式。前者一般采用显示面的周期性机械运动来创建三维图像空间，后者则不依赖于机械运动而采用特殊介质来展现图像空间。动态扫描式体三维显示技术根据扫描运动又可分为直线运动和旋转运动两种。
相对于屏幕旋转运动的体扫描方式来说，平面型平移往复运动扫描没有无法显示的中心轴和死区，且图像处理模型比较简单，数学特性更易理解，在每个运动周期可以产生更多的体素，成像质量和系统简易程度都更为令人满意。其成像原理如图3所示。
动态平移体扫描显示在成像时，显示模块做高频直线往复运动扫描整个显示空间，运动的幅度决定了成像空间的景深，超短焦高速投影装置以同样频率将三维物体切片层的二维图像投影至显示模块相应的位置，当扫描频率高于一定数值，由于人眼的视觉暂留即可获得全视角裸眼三维图像，频率越高，人眼看到的三维图像越平滑稳定。但屏幕直线往复运动两个很大的问题：第一是其风阻系数很大，高频运动时会带来较大的噪声和阻力；第二是直线往复运动是一个需要不停加减速的过程，对于显示屏和支撑机构的负荷都比较重，从而影响整个系统的性能。
发明内容
本发明提供一种基于直线往复式图像扫描的体三维显示装置，以提高三维显示效果和用户观看体验。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种基于往复式图像扫描的体三维显示装置，包括真空壳体；显示模块，其布置在真空壳体内；直线往复运动机构，其布置在真空壳体内，该直线往复运动机构的一端与显示模块连接、并能够带动显示模块沿垂直其平面方向往复运动，该直线往复运动机构与运动控制模块电连接；超短焦高速投影装置，其投影方向与所述显示模块所在的平面垂直；运动频率检测装置，其用于对直线往复运动机构的运动频率进行检测；真空度检测装置，其安装在真空壳体内；上位机，该上位机的输入端分别与运动频率检测装置和真空度检测装置连接，上位机的输出端分别与运动控制模块和超短焦高速投影装置连接。
进一步地，所述显示模块为轻型漫射投影膜结构，所述运动控制模块控制直线往复运动机构带动该轻型漫射投影膜结构在超短焦高速投影装置前做设定频率的周期性直线往复运动。
进一步地，所述真空壳体的顶部为透明材质，壳体内部能够根据使用要求抽取相应程度的真空度。
优选地，所述真空壳体包括用于纵向放置直线往复运动机构的真空框区域，以及用于横向放置显示模块的真空罩区域。
进一步地，所述直线往复运动机构与显示模块连接的、能够伸缩的支撑结构采用透明支架。
本发明还提供一种体三维显示装置的控制方法，包括如下步骤：
S1、上位机根据真空度检测装置发送的真空壳体内真空度信息，计算得出直线往复运动机构的最佳运动频率，其包括真空度为零时的运动频率；
所述直线往复运动机构的最佳运动频率采用如下公式计算：
其中h0为直线往复运动的行程，F0为直线往复运动机构所能承受的最大运动载荷，S0为显示模块屏幕面积，P为真空壳体内真空度；真空度为0，即壳体内所测压强为大气压强101KPa。
S2、上位机检测用户是否已经设定运动频率指令，若有则根据用户设定频率将运动命令发送至运动控制模块，控制直线往复运动机构带动显示模块在超短焦高速投影装置的镜头前方做周期性直线往复运动；若上位机没有检测到用户设定频率，则根据步骤S1计算出的最佳运动频率控制直线往复运动机构运动；
S3、运动频率检测装置将显示模块的真实运动频率信息发送至上位机，上位机根据显示模块的运动信息得到三维物体切片层的二维图像序列，并将其发送至超短焦高速投影装置；
S4、超短焦高速投影装置将二维图像序列投影至显示模块的相应位置，配合显示模块的直线往复运动，进行周期性扫描整个显示空间，实现360°全视角裸眼三维图像显示。
由以上技术方案可知，本发明运动部件均位于真空环境中，可极大地降低风阻系数，可以在更高的扫描频率下工作，增加三维成像分辨率，同时装置的机械振动和噪声更小，延长装置的使用寿命；运动频率检测装置实时检测装置的真实运动频率，上位机根据刷新频率实时更新高速投影装置的显示图像，避免图像畸变而影响显示效果；真空度检测装置可实时检测出真空壳体真空度信息，为系统提供最佳运动频率，从而实现装置的最佳立体显示效果。
本发明的显示模块采用轻型漫射投影膜结构，投影膜以轻型支撑框架固定安装在直线往复运动机构边缘，高频运动时系统的整体负荷较低；支撑结构采用透明材料，避免成像过程中遮挡部分显示体素，造成视觉死区。
附图说明
图1是本发明体三维显示装置的结构示意图；
图2是本发明中上位机的控制原理图；
图3是本发明体三维显示装置的成像原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一种优选实施方式作详细的说明。
如图1所示，本实施例公开了一种基于直线往复式图像扫描的体三维显示装置，包括真空壳体11、显示模块12、直线往复运动机构13、超短焦高速投影装置14、运动频率检测装置15、真空度检测装置16、运动控制模块17和上位机18。
所述的显示模块12位于超短焦高速投影装置14正前方，且固定安装在直线往复运动机构13前端的支撑结构上，所述显示模块12和直线往复运动机构13封装于真空壳体11中，壳体内部抽取真空。
所述真空壳体11内部能够根据使用要求抽取相应程度的真空度，在低真空度中风阻较小，装置可以在更高的扫描频率下工作，增加三维成像分辨率。本实施例中，为了方便显示，所述真空壳体包括用于纵向放置直线往复运动机构的真空框区域，以及用于横向放置显示模块的真空罩区域，真空罩为透明材质。
所述显示模块12为轻型漫射投影膜结构，直线往复运动机构能够带动轻型漫射投影膜在超短焦高速投影装置前做设定频率的周期性直线运动。
所述超短焦高速投影装置14，其投影方向与显示模块所在的平面垂直，可以将二维图像序列投影至显示模块的相应位置，配合显示模块的直线往复运动周期性扫描整个显示空间，实现360°全视角裸眼三维图像显示。
所述直线往复运动机构13一端通过支撑结构与显示模块12连接、并能够带动显示模块沿垂直其平面方向往复运动，支撑结构采用透明支架131，避免成像过程中遮挡部分显示体素，造成视觉死区。直线往复运动机构的运动频率是在适应范围内是完全可调的。所述直线往复运动机构13是通过运动控制模块17来控制其运动频率的变化的。
在直线往复运动机构13上还设置有运动频率检测装置15，用于检测屏幕扫描显示空间的运动频率，运动频率检测装置实时检测装置的真实运动频率，上位机根据刷新频率实时更新高速投影装置的显示图像，避免图像畸变而影响显示效果。
在真空壳体内还设置有真空度检测装置16，用于检测壳体内的真空度，然后反馈给上位机，上位机根据需要计算得出直线往复运动机构的最佳运动频率，真空度检测装置可实时检测出真空壳体真空度信息，为系统提供最佳运动频率，从而实现装置的最佳立体显示效果。
所述上位机18的输入端分别与运动频率检测装置15和真空度检测装置16连接，上位机的输出端分别与运动控制模块17和超短焦高速投影装置14连接，参照图2。
本发明还提供一种基于直线往复式图像扫描的体三维显示装置的控制方法，包括如下步骤：
S1、上位机18根据真空度检测装置16发送的真空壳体11内真空度信息，计算得出直线往复运动机构13的最佳运动频率，直线往复运动的运动频率越高，成像质量越佳，最佳运动频率即体三维显示器直线往复运动机构所能承受的最大运动载荷，其值与机械结构的设计有关，是一个极限值，设其为F0。一般人肉眼视觉暂留对于流畅图像的最低要求是25Hz，即显示模块每秒往复运动次数至少为25次。限制运动频率的最大瓶颈是屏幕高速运动时的风阻，风阻的计算公式是：
其中，C为空气阻力系数，本发明中屏幕为平面体，且运动轨迹与平面垂直，所以空气阻力系数大约为1.0；
ρ为空气密度，此数值与真空度有关，真空度越高，空气密度越低，二者关系计算可利用利用理想气体方程：其中P为真空壳体内真空度(这里是用绝对压力仪表测量测出的绝对压强值表示)；M为空气相对分子质量，其值约为29g/mol；R为理想气体常数其值为8.314J/(mol*K)；T为温度，这里取常温情况下，其值为293K；综上，空气密度ρ与真空度P的关系为：ρ＝0.0119P(P的取值范围为0～101KPa)，单位g/l；正常的干燥空气可取1.293g/l；
S0为物体迎风面积，这里表示显示模块屏幕面积(支撑边框的面积可忽略不计)，单位m2；
v为显示模块与空气的相对运动速度(单位m/s)，直线往复运动的行程h0(单位m)和运动频率f(单位Hz)有关；计算公式为：v＝2fh
我们可以认为，当风阻值大到运动机构所能承受的最大值F0时，系统达到最佳运动频率f0，综上最佳运动频率f0的计算公式是：
其中，F0，h0，S0均为系统基本属性，为常数，最佳运动频率f0与真空度检测装置所测绝对压强值的平方根成反比。当真空度为0，即所测压强为大气压强101KPa时，也以此计算，但最低不得低于25Hz。
S2、上位机检测用户是否已经设定运动频率指令，若有则根据用户设定频率将运动命令发送至运动控制模块17，运动控制模块17控制直线往复运动机构13带动显示模块12在超短焦高速投影装置14镜头前方做周期性直线往复运动，若上位机18没有检测到用户的工作频率设定操作，则以系统计算出的最佳运动频率控制直线往复运动机构13运动；
若上位机检测用户设定的运动频率指令高于系统计算的最佳运动频率，则提示用户运动频率超过设定极限，并控制直线往复运动机构13在最佳运动频率下运行。
S3、运动频率检测装置15将显示模块12的真实运动频率信息发送至上位机，上位机根据显示模块的运动信息得到三维物体切片层的二维图像序列，并将其发送至超短焦高速投影装置；
S4、超短焦高速投影装置14将二维图像序列投影至显示模块的相应位置，配合显示模块的直线往复运动周期性扫描整个显示空间，实现360°全视角裸眼三维图像显示。
以上所述实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种体三维显示装置的控制方法，其特征在于：
所述体三维显示装置包括真空壳体；
显示模块，其布置在真空壳体内；
直线往复运动机构，其布置在真空壳体内，该直线往复运动机构的一端与显示模块连接、并能够带动显示模块沿垂直其平面方向往复运动，该直线往复运动机构与运动控制模块电连接；
超短焦高速投影装置，其投影方向与所述显示模块所在的平面垂直；
运动频率检测装置，其用于对直线往复运动机构的运动频率进行检测；
真空度检测装置，其安装在真空壳体内；
上位机，该上位机的输入端分别与运动频率检测装置和真空度检测装置连接，上位机的输出端分别与运动控制模块和超短焦高速投影装置连接；
所述控制方法包括如下步骤：
S1、上位机根据真空度检测装置发送的真空壳体内真空度信息，计算得出直线往复运动机构的最佳运动频率，其包括真空度为零时的运动频率；
S2、上位机检测用户是否已经设定运动频率指令，若有则根据用户设定频率将运动命令发送至运动控制模块，控制直线往复运动机构带动显示模块在超短焦高速投影装置的镜头前方做周期性直线往复运动；若上位机没有检测到用户设定频率，则根据步骤S1计算出的最佳运动频率控制直线往复运动机构运动；
S3、运动频率检测装置将显示模块的真实运动频率信息发送至上位机，上位机根据显示模块的运动信息得到三维物体切片层的二维图像序列，并将其发送至超短焦高速投影装置；
S4、超短焦高速投影装置将二维图像序列投影至显示模块的相应位置，配合显示模块的直线往复运动，进行周期性扫描整个显示空间，实现360°全视角裸眼三维图像显示。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，步骤S1中，所述直线往复运动机构的最佳运动频率采用如下公式计算：
其中h0为直线往复运动的行程，F0为直线往复运动机构所能承受的最大运动载荷，S0为显示模块屏幕面积，P为真空壳体内真空度；真空度为0，即壳体内所测压强为大气压强101KPa。
3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，步骤S2中，若上位机检测用户设定的运动频率指令高于步骤S1计算的最佳运动频率，则提示用户运动频率超过设定极限，并控制直线往复运动机构在该最佳运动频率下运行。
4.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述显示模块为轻型漫射投影膜结构，所述运动控制模块控制直线往复运动机构带动该轻型漫射投影膜结构在超短焦高速投影装置前做设定频率的周期性直线往复运动。
5.根据权利要求1或4所述的控制方法，其特征在于，所述真空壳体的顶部为透明材质，壳体内部能够根据使用要求抽取相应程度的真空度。
6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述真空壳体包括用于纵向放置直线往复运动机构的真空框区域，以及用于横向放置显示模块的真空罩区域。
7.根据权利要求1或4所述的控制方法，其特征在于，所述直线往复运动机构与显示模块连接的、能够伸缩的支撑结构采用透明支架。
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