CN108924535A - 裸眼立体全息显示系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出的裸眼立体全息显示系统，涉及一种全息显示装置，由立体图像源发生器、立体图像预处理器及左右眼同步信号处理器、DMD驱动电路、立体显示光路、视差发生器和3D显示屏幕构成，立体图像源发生器产生的视差图像经过立体图像预处理器及左右眼同步信号处理器处理后，图像输入到DMD驱动电路进行处理，视差控制器分别把左右眼图像以不同的角度分时通过光路组件送到3D显示屏，观察者在屏幕前方一定区域内不用佩戴特殊眼镜就可以观看到立体图像。本发明的立体景深可调，有别于其它固定景深的平板系统，可实现裸眼观看，无需配戴特殊眼镜。

Description

裸眼立体全息显示系统

技术领域

本发明涉及全息显示技术领域，尤其是裸眼立体全息显示系统。

背景技术

视觉是人类获取信息的主要途径，显示则是提供人们视觉素材的主要手段。人类将现代电子学和光学材料的发展成果运用于显示系统，可追溯到1896年阴极射线管CRT的发明，短短110多年，电子显示技术经历了从黑白到彩色，从模拟到数字，从小尺度到大屏幕，从箱体到平板的重要发展阶段。使显示图像细节的分辨率不断提高，显示临场感不断增强，显示图像带给人们的视觉享受日趋科学化、审美化。2007年在美国拉斯维加斯消费电子展上最大的电视机尺寸达108英寸，最高的物理分辨率达2560*1440，最薄的电子纸显示器不足1英寸。目前显示技术发展的一个重要方向是三维尺度的立体显示。这种显示机制更加逼近客观真实，它的实现有赖于人类对自身视觉感官功能的更深刻剖析和理解，也依赖于对更新的图像处理技术的探索、运用。

发明内容

本发明提供的裸眼立体全息显示系统，降低了光功率和显示分辨率的损失，效率成倍提高。

本发明具体采用如下技术方案实现：

一种裸眼立体全息显示系统，由立体图像源发生器、立体图像预处理器及左右眼同步信号处理器、DMD驱动电路、立体显示光路、视差发生器和3D显示屏幕构成，所示立体图像源发生器通过两台数字摄像机记录的数字影像分别输入到两台计算机，两台所述计算机作为所述立体图像源发生器产生的视差图像经过所述立体图像预处理器及左右眼同步信号处理器进行动态视频图像处理，处理后的图像输入到所述DMD驱动电路进行处理，所述视差控制器分别把左右眼图像以不同的角度分时通过光路组件送到3D显示屏，观察者在屏幕前方一定区域内不用佩戴特殊眼镜就可以观看到立体图像。

作为优选，所述DMD驱动电路，以一块TlDDPI010为核心的10层电路板来实现，再加上LVDS接收解码器、RAMBUS存储器、SH6742色轮驱动器、DAD1000DMD复位管理器、程序存储器、时钟电路及其它逻辑电路组成。

作为优选，所述立体显示光路包括投射光路和光源光路，所述投射光路依次包括球面镜、视差发生器、透镜组、棱镜，所述光源光路依次包括折射镜、中继透镜、光棒、色轮和UHP灯。

本发明提供的裸眼立体全息显示系统，其有益效果在于：

1、采用DMD为核心的大屏幕投影显示,其成本低于其它平板显示(PDP、为核心器件的裸眼立体显示系统实现的研究TFTLCD)技术的产品；

2、仅采用单片DMD及其光学系统，较之其它采用多台光机的方案，有更高的效率和可靠性；

3、采用新颖光路结构和特殊光学屏(无需旋转屏幕的机电结构)，有利于低功耗、低噪声、高可靠性的系统性能实现；

4、本系统立体景深可调，有别于其它固定景深的平板系统；

5、可实现裸眼观看，无需配戴特殊眼镜；

6、分辩率高达1280*720，优于一般平板立体显示系统。

附图说明

图1是本发明裸眼立体全息显示系统构成框图；

图2是立体图像预处理器电路框图；

图3是视频数据关系示意图；

图4是FPGA视频处理流程图；

图5是OMO驱动电路框图；

图6是一帧图像的驱动示意图；

图7是光路系统图；

图8是3视差发生器在光路中的位置图；

图9是3D影像合成示意图。

具体实施方式

为进一步说明各实施例，本发明提供有附图。这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理。配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点。图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。

现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

如图1所示，本实施例提供的裸眼立体全息显示系统，由立体图像源发生器、立体图像预处理器及左右眼同步信号处理器、DMD驱动电路、立体显示光路、视差发生器和3D显示屏幕构成。

两台数字摄像机记录的数字影像分别输入到两台计算机，两台计算机作为立体图像源发生器产生的视差图像经过DV工/HDMI输入到立体图像预处理器及左右眼同步信号处理器(FPGA为核心)进行动态视频图像处理，包括显示格式、帧率转换、尺度变换、立体子图像的产生，视频带宽拓展、图像存储与传输、图像视差分离、图像矫正补偿处理等，同时产生视差产生器所需要的时钟和同步等信号；处理后的图像输入到DMD专用驱动电路板(包括高速图像存取，位图分解与传送，色轮驱动，DMD复位等)进行处理；视差控制器分别把左右眼图像以不同的角度分时通过光路组件送到3D显示屏，观察者在屏幕前方一定区域内不用佩戴特殊眼镜就可以观看到立体图像。

立体图像源发生器由两台计算机和两台数字摄像机组成，两台数字摄像机固定在中心相距65mm的三角架上，两台摄像机的角度和距离都模拟人的双眼，两台摄像机同时拍摄图像，这样可以得到含有视差的立体图像对。摄像机输出的MPEG图像分别通过USB接口动态输入到对应计算机，计算机上的MPEG解码软件对图像进行实时解码，转换成BMP格式的码流，并由DVI输出信号。

立体图像预处理器及左右眼同步信号处理器，以一片XILINX FPGA为核心的电路板组成，其电路框图如图2所示。两台计算机输出的图像，分别是左眼图像(由DVI输入插座0)和右眼图像(由DVI输入插座1)，经由DVI接受解码器0和DVI接受解码器1接收，高速差分信号变成TTL图像信号，其构成为红色数据R[0..7]，绿色数据G[0..7]，蓝色数据B[0..7]，行同步信号HSYNC，帧同步信号VSYNC，有效数据指示信号BLANKING和时钟同步信号，如图3所示。TTL图像信号输入到FPGA，FPGA将其按一定的格式存入到帧存储器SDRAM，当一帧完整的图像接收完毕之后，FPGA对其进行处理，处理包括图像重构、图像滤波、图像增强、图像合成等生成时间序列图像；同时产生视差同步信号ZSYNC；时间序列图像经由LVDS编码器变成高速低压差分信号输出到DMD驱动电路；视差同步信号ZSYNC则输出到视差发生器驱动电路。其处理流程如图4所示。

DMD驱动电路，电路框图如图5所示，以一块TlDDPI010为核心的10层电路板来实现，再加上LVDS接收解码器、RAMBUS存储器、SH6742色轮驱动器、DAD1000DMD复位管理器、程序存储器、时钟电路及其它逻辑电路组成。DDP1010是一片专用集成电路，其功能包括视频处理、超高压UHP汞灯同步控制、色轮同步控制、图像处理、图像存储器管理、时钟锁相环及DMD位图转换与传送。驱动电路在对DMD驱动时，把一帧图像的RGB分别表示为如图6所示进行驱动。对帧频为60HZ的输入图像，RGB最少分三个子场(每场8bitBPWM)送给DMD，则场频率为60HZ*3＝180HZ，一子场周期为1/180＝5.556毫秒，这一个子场又被分为8个位图像平面，对权重最高(128)的位图像平面称为MSB，权重(64)的位图像平面称为MSB-1，权重(32)的位图像平面称为MSB-2，权重(16)的位图像平面称为MSB-3，权重(8)的位图像平面称为MSB-4，权重(4)的位图像平面称为MSB-5，权重(2)的位图像平面称为MSB-6，权重(1)的位图像平面称为LSB或者MSB-7。则各位图像平面在DMD的显示时间分别为：

Tmsb＝5.556ms/2＝2.778ms；

Tmsb-1＝5.556ms/4＝1.389ms；

Tmsb-2＝5.556ms/8＝694us；

Tmsb-3＝5.556ms/16＝347us；

Tmsb-4＝5.556ms/32＝173.5us；

Tmsb-5＝5.556ms/64＝86.8us；

Tmsb-6＝5.556ms/128＝43.4us:

Tlsb＝5.556ms/256＝21.7us。

图像存储器的数据宽度为32位，则一行图像的传送次数为1280/32＝40次，一帧图像的存储器操做次数为2*40*720＝57600次，其操作时间为：21.7us/5760＝3.77ns。这里仅仅计算了DMDS位显示所需要的时间，还有大量的图像处理也需要访问图像存储器，因此，速度需要进一步提高，这样系统中实际的速度1.25ns对应频率为800MHz，这也就是DLP系统中使用以MBUS及其它高速器件(RLDRAM)作为图像存储器的原因。

立体显示光路包括投射光路1和光源光路2，如图7所示，投射光路1依次包括球面镜11、视差发生器12、透镜组13、棱镜14，光源光路2依次包括折射镜21、中继透镜22、光棒23、色轮24和UHP灯25。其中，光棒23是照明系统中的重要部件，其作用有两方面，一方面把点光源变成DMD需要的面光源，另一方面也使光源均匀，为屏幕上图像亮度均匀创造必要的条件。

视差发生器12是本系统的重要器件，视差发生器12在光路中的位置如图8所示，是左右眼图像的分离装置，是产生立体影像的关键。其物理构造为两部分，一块特殊的压电陶瓷和一块小平面反射镜，压电陶瓷在电压的作用下可以作小幅度运动。本系统使用压电陶瓷作为驱动器，带动反射镜在水平方向偏转运动，DMD显示左眼图像时向左旋转，DMD显示右视图像时向右旋转，配合3D显示屏幕，使观看者左眼只看到左视图像，右眼只看到右视图像，在大脑中融合为立体图像。

3D显示屏幕各像素都含有特殊结构的菲涅尔透镜。光线以不同的角度入射进入屏幕，也会以不同的出射角透出屏幕，刚好分开左视图像和右视图像，如图9所示。

尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种裸眼立体全息显示系统，其特征在于，由立体图像源发生器、立体图像预处理器及左右眼同步信号处理器、DMD驱动电路、立体显示光路、视差发生器和3D显示屏幕构成，所述立体图像源发生器通过两台数字摄像机记录的数字影像分别输入到两台计算机，两台所述计算机作为所述立体图像源发生器产生的视差图像经过所述立体图像预处理器及左右眼同步信号处理器进行动态视频图像处理，处理后的图像输入到所述DMD驱动电路进行处理，所述视差控制器分别把左右眼图像以不同的角度分时通过光路组件送到3D显示屏，观察者在屏幕前方一定区域内不用佩戴特殊眼镜就可以观看到立体图像。

2.根据权利要求所述的裸眼立体全息显示系统，其特征在于，所述DMD驱动电路，以一块TlDDPI010为核心的10层电路板来实现，再加上LVDS接收解码器、RAMBUS存储器、SH6742色轮驱动器、DAD1000DMD复位管理器、程序存储器、时钟电路及其它逻辑电路组成。

3.根据权利要求所述的裸眼立体全息显示系统，其特征在于，所述立体显示光路包括投射光路和光源光路，所述投射光路依次包括球面镜、视差发生器、透镜组、棱镜，所述光源光路依次包括折射镜、中继透镜、光棒、色轮和UHP灯。