CN110891169B - 一种基于光泳捕获的可交互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光泳捕获的可交互体三维显示装置及其控制方法，装置包括微粒控制系统、上位机、投影系统和交互系统；微粒控制系统包括激光器、光调制器1、三维扫描系统1和微粒容器；投影系统包括RGB激光系统、光调制器2和三维扫描系统2；上位机分别与激光器、光调制器1、三维扫描系统1、微粒容器、RGB激光系统、光调制器2和三维扫描系统2连接；交互系统与上位机连接；交互系统用于对人体的位置、动作信息进行识别，并根据识别结果将指令传递给上位机，上位机通过对微粒控制系统和投影系统进行调整，进而优化观看角度并交互。本发明能够实现自由空间中的、广色域、高分辨、低散斑的真三维成像，并且系统安全性和成本更具优势。

Description

一种基于光泳捕获的可交互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、激光光束调制技术、光学捕获技术、投影技术和自动控制技术领域，具体涉及一种基于光泳捕获的可交互体三维显示装置及其控制方法。
背景技术
我们所生活的世界为三维世界，而传统的显示设备只能显示二维平面的图形，二维显示相对于三维显示缺少了景深。随着科学技术的高速发展，人们对显示器的显示效果也提出了更高的要求。近年来，人们发展了多种三维显示技术，一般可分为以下几种：体视感技术(Stereoscopic Display)、自动立体三维显示技术(Autostereoscopic 3DDisplay)、全息显示技术(Holographic Display)、和体三维显示技术(Volumetric 3DDisplay)。
体视感技术需要佩戴特制的眼镜，利用双目视差来实现三维效果。这使得观察者的视野受到了限制，并且从不同的角度观看时所看到的图像都是一样的，没有真正的立体感；自动立体三维显示技术的原理与体视感技术的原理相同，但是并不需要佩戴特殊的眼镜。这种显示技术可以使图像仅从一个特定的空间视窗中观察时才能被看到，因此，可以将一组图像投影到一连串的窗口中，此时观察者在进行观察时，两只眼镜可以接收到不同的图像，从而产生立体感。这种显示技术的缺点是观察的范围有限，多人同时进行观察时不方便。这两种方法从本质上而言，只能提供心理景深，并没有物理景深。眼睛在观察这些图像时，无法像观察真实物体时改变眼睛的焦距进行观察，而是通过大脑合成三维立体效果。
全息显示技术是基于光波波前重构的信息记录、分析和再现。随着计算机技术的发展，计算全息技术也越来越多的应用于全息显示技术中。然而由于空间光调制器件的限制，目前计算全息显示技术的显示质量和视场角受到了很大的限制。
体三维显示技术是指在一个真实的三维空间中进行图像信息再现的技术。利用体三维显示技术所显示的三维物体既有心理景深，又有物理景深。可以实现任意多个观察者从任意角度不借助任何辅助设备的条件下直接对三维物体进行观察。现有的自由空间中的体三维显示技术可分为以下几种：激光诱导等离子体显示、改良的空气显示、声悬浮显示等。激光诱导等离子体显示目前无法在自由空间中实现色彩显示和三维物体的遮挡效果。改良的空气显示和声悬浮显示的显示效果过于粗糙。
二维显示中的基本单位为像素，而三维显示技术中与之相对应的基本单位为体素(Voxel)。在显示同一个图像时，所激活的三维空间中的体素越多，则所显示的三维图像的细节也就越丰富，分辨率也就越高，显示的效果越好。在二维显示中，通过对显示器的像素进行周期性的、快速的扫描来激活像素，从而实现图像的显示。同样，在体三维显示技术中，同样需要某种方式来对三维空间中的体素进行扫描，从而实现三维图像的显示。
在激光诱导等离子体显示中，将激光通过透镜聚焦，使空气发生电离，从而能够被人眼观察到。通过控制激光的焦点，在三维空间中进行快速的扫描，从而实现三维图形的显示。这种显示技术需要激光具有很高的能量，并且空气电离所发出的光的颜色与空气中发生电离的气体种类有关，因此难以实现色彩的显示。
通过使用聚焦的激光光束作用在微粒上的光泳力，可以对微粒进行捕获。通过控制光束的焦点的位置，可以使激光携带被捕获的微粒在三维空间中进行快速的扫描。在微粒进行扫描的同时，使用另外的可见光束将需要在该点显示的信息照射到微粒上，照射到微粒上的光会发生散射现象，此时人眼就能够观察到在该位置所显示的信息。当扫描的过程足够快时，人眼就能够观察到所显示的三维图形。当需要增加显示图像的分辨率时，可以对捕获微粒的激光光束进行调制，从而捕获大量的微粒在三维空间中进行并行扫描，大大增加扫描的效率，显著增加显示图像的分辨率。通过RGB激光器结合光调制器和三维扫描系统，可以显著增加投影的效果、速度和亮度。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于光泳捕获的可交互体三维显示装置及其控制方法，以实现自由空间中的三维显示与交互，提升三维显示效果。本发明的技术方案为：
第一个方面，本发明提供一种基于光泳捕获的可交互体三维显示装置，包括微粒控制系统、上位机、投影系统和交互系统；所述微粒控制系统包括激光器、光调制器1、三维扫描系统1和微粒容器；所述投影系统包括RGB激光系统、光调制器2和三维扫描系统2；所述上位机分别与所述激光器、所述光调制器1、所述三维扫描系统1、所述微粒容器、所述RGB激光系统、所述光调制器2和所述三维扫描系统2连接；所述交互系统与所述上位机连接；所述交互系统用于对人体的位置、动作信息进行识别，并根据识别结果将指令传递给所述上位机，所述上位机通过对所述微粒控制系统和所述投影系统进行调整，进而优化观看角度并进行交互。
进一步地，所述可交互体三维显示装置还包括显示质量检测装置，所述显示质量检测装置与所述上位机连接；所述显示质量检测装置用于检测显示效果，并根据检测结果将指令传送给所述上位机，所述上位机根据所述指令对所述微粒控制系统和所述投影系统进行调整，进而优化显示质量。
进一步地，所述激光器的波长范围为小于450nm或者大于650nm。
进一步地，所述光调制器1和所述光调制器2包括透镜和光调制器件，所述透镜用于对光束进行扩束、准直以及对光束的直径进行调制，所述光调制器件包括数字微镜阵列、空间光调制器、变形镜或者相位板。
进一步地，所述三维扫描系统1和所述三维扫描系统2由振镜和透镜系统组成，所述振镜用于控制光束进行XY平面的扫描，所述透镜系统通过变焦实现Z方向的扫描，二者结合能够实现大尺度三维动态聚焦扫描。
进一步地，所述微粒容器设有传动装置，所述微粒容器在所述传动装置的带动下进出三维显示区域。
进一步地，所述微粒容器中的微粒为吸收粒子，所述吸收粒子的直径小于500微米。
进一步地，所述RGB激光系统包括三个能够分别发射红光、绿光、蓝光的激光器，其中三个激光器既可以通过二向色镜合束，同时输出三种颜色的光，通过加色法，得到任意色彩的光束，随后将该光束照射到微粒上；又可以将三个激光器并排放置，同时输出光束，分别进行调制后，将三种颜色的光束同时照射到微粒上，根据加色法使微粒能够散射任意色彩的光。
进一步地，所述可交互体三维显示装置还包括吸光材料和透明壳体，所述吸光材料和所述透明壳体设置在所述三维显示区域周围。
第二个方面，本发明提供一种基于光泳捕获的可交互体三维显示装置的控制方法，包括以下步骤：
S1、用户将所要显示的图像输入至上位机，并通过上位机选择对微粒捕获以及扫描的方式，所述对微粒捕获的方式分为单点捕获、一维捕获、二维捕获、三维捕获四种；当使用单点捕获方式时，光束捕获微粒后携带微粒在显示区域中进行线性扫描；当使用一维捕获方式时，被捕获的微粒呈线性排列，光束携带被捕获的微粒在显示区域中进行扫描；当使用二维捕获方式时，被捕获的微粒呈二维阵列排列，光束携带被捕获的微粒在显示区域中进行扫描；当使用三维捕获方式时，被捕获的微粒呈三维阵列排列，可以直接进行三维投影，也可以控制微粒在显示区域中进行扫描；
S2、对微粒捕获以及扫描的方式确定后，用户通过上位机调节激光器的功率，并控制光调制器1使生成相应的光束，光束依次通过三维扫描系统1和微粒容器的过程中通过控制三维扫描系统1和微粒容器实现对微粒的捕获；
S3、微粒捕获完成后，用户通过上位机控制三维扫描系统1控制光束携带微粒在显示区域中进行快速扫描；于此同时，通过上位机控制RGB激光系统、光调制器2和三维扫描系统2，将所需要显示的图像投影到显示区域中；
S4、在图像显示在显示区域的过程中，用户可以通过交互系统对人体的位置、动作等信息进行识别，并根据识别结果将指令传递给上位机，上位机通过对微粒控制系统和投影系统进行控制，实现最佳的观看角度并进行交互。
进一步地，所述步骤S3中将所需要显示的图像投影到显示区域中，所述投影的方式包括逐点投影、分层投影、立体投影或者全息投影。
进一步地，当所述可交互体三维显示装置还包括显示质量检测装置时，所述控制方法还包括步骤S5：在图像显示在显示区域的过程中，用户还可以通过显示质量检测装置进行实时检测，判断显示质量是否满足要求；当检测到显示质量降低或者不满足要求时，用户通过上位机对微粒控制系统和投影系统进行调整来优化显示的质量。
本发明的有益效果为：本发明通过光泳捕获微粒，使微粒在显示区域中进行不断的扫描，在微粒进行扫描的同时，将显示图像投影到微粒所在的位置，投影到微粒上的光会发生散射现象从而能够进行观察。其中，本发明的光调制器1可以对激光光束进行调制，从而能够使被捕获的微粒进行任意的排列；通过对激光光束进行调制，可使被捕获的微粒进行一维、二维或三维的排列，从而进行并行的扫描，显著增加分辨率；三维扫描系统1能够控制光束焦点的位置，实现在三维空间中的快速扫描；RGB激光系统结合光调制器2和三维扫描系统2能够实现在空间中任意位置的投影；上位机能够根据所要显示的图像选择合适的系统工作方式，包括微粒的排列方式、微粒的扫描方式、图像的投影方式等，并可以结合显示质量检测装置对系统的显示质量进行实时的检测，通过调整系统的参数、更新微粒等操作实现最佳的显示质量；本发明所采用的激光器功率较低，成本相较于其他体三维显示技术也具有优势。此外，本发明的交互系统能够对人体的位置、手势、动作等信息进行识别，并根据识别结果将指令传递给上位机，上位机通过对系统进行控制，实现最佳的观看角度并进行交互。总之，相对于现有的自由空间体三维显示技术，本发明能够实现自由空间中的、广色域、高分辨、低散斑的真三维成像，并且系统的安全性和成本更具有优势。
附图说明
图1是本发明的主要结构和上位机控制原理的示意图，其中1-输入，2-上位机，3-微粒控制系统，4-投影系统，5-激光器，6-光调制器1，7-三维扫描系统1，8-微粒容器，9-RGB激光系统，10-光调制器2，11-三维扫描系统2，12-交互系统，13-显示质量检测装置，14-显示区域，15-吸光材料，16-透明壳体。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
如图1所示，本发明实施例公开了一种基于光泳捕获的可交互体三维显示装置，包括微粒控制系统(3)、上位机(2)、投影系统(4)、交互系统(12)和显示质量检测装置(13)；所述微粒控制系统(3)包括激光器(5)、光调制器1(6)、三维扫描系统1(7)和微粒容器(8)；所述投影系统(4)包括RGB激光系统(9)、光调制器2(10)和三维扫描系统2(11)；所述上位机(2)分别与所述激光器(5)、所述光调制器1(6)、所述三维扫描系统1(7)、所述微粒容器(8)、所述RGB激光系统(9)、所述光调制器2(10)、所述三维扫描系统2(11)、所述交互系统(12)和所述显示质量检测装置(13)连接。所述输入(1)即用户控制计算机输入到上位机中的三维图像或视频文件。
所述激光器(5)的波长范围为小于450nm或大于650nm，通过上位机对其输出功率进行控制，输出光束照射到光调制器1(6)上。
所述光调制器1(6)包括透镜和光调制器件，所述透镜用于对光束进行扩束、准直以及对光束的直径进行调制，其光调制器件为空间光调制器(SLM)，使用SLM可以对激光器(5)发出的激光光束进行调制，调制后的光束经过透镜聚焦后能够产生单个的或排列成一维阵列、二维阵列或三维阵列的三维光瓶结构，可以用于对微粒进行光泳捕获。
所述三维扫描系统1(7)由振镜和透镜系统组成，振镜用于控制光束进行XY平面的扫描，透镜系统通过变焦实现Z方向的扫描，二者结合能够实现大尺度三维动态聚焦扫描。
所述微粒容器(8)安装在传动装置上，当需要向显示区域提供微粒时，传动装置带动微粒容器向显示区域(14)中运动，三维扫描系统1(7)控制光束对微粒进行光泳捕获。当捕获过程结束后，传动装置带动微粒容器离开显示区域(14)。所述微粒容器(8)中的微粒为吸收粒子，所述吸收粒子的直径小于500微米，并且微粒的形状没有特定的要求。当可见光照射到微粒上时会产生散射现象。
所述RGB激光系统包括三个能够分别发射红光、绿光、蓝光的激光器，其中三个激光器既可以通过二向色镜合束，同时输出三种颜色的光，通过加色法，得到任意色彩的光束，随后将该光束照射到微粒上；又可以将三个激光器并排放置，同时输出光束，分别进行调制后，将三种颜色的光束同时照射到微粒上，根据加色法使微粒能够散射任意色彩的光。
所述光调制器2(10)包括透镜和光调制器件，所述透镜用于对光束进行扩束、准直以及对光束的直径进行调制，其光调制器件为数字微镜阵列(DMD)；光调制器2的作用有两个，其一是配合三维扫描系统，将上述任意色彩的光束照射到微粒上；其二是上位机将所需要投影的每一帧画面按照红、绿、蓝拆分为三帧，当激光器发出相应颜色的激光时通过3个DMD对三帧光束分别进行相应的调制，通过三维扫描系统2投影到相应的位置，当速度足够快时，在该位置就能够实现彩色图像的投影。
所述三维扫描系统2(11)由振镜和透镜系统组成，同三维扫描系统1一样能够实现大尺度三维动态聚焦扫描，还可以将经过DMD调制后的图像信息投影到显示区域中的任意位置。
所述交互系统(12)由Kinect构成，其能够检测人体的位置、手势、识别手指的各种动作指令，并将指令传达给上位机(2)，通过上位机(2)控制微粒控制系统(3)和投影系统(4)来控制显示的图像，提供最佳的显示效果，并对指令做出相应的反馈。(具体为：上位机(2)根据人体的位置信息对微粒控制系统(3)和投影系统(4)进行控制，对所显示的图形进行调整，实现最佳的观看角度；以及上位机(2)根据人体的动作信息控制微粒控制系统(3)和投影系统(4)，对所显示的图形进行调整，实现交互。)
所述显示质量检测装置(13)由图像采集装置和图像分析软件组成，在显示系统的工作过程中，显示质量检测装置对显示质量进行实时的检测，当检测到显示质量不能满足要求时，向上位机(2)发送信号，上位机(2)对系统参数进行优化，并重新捕获微粒。(具体为：上位机(2)根据指令通过调整激光器(5)的功率、光调制器1(6)的调制方式、三维扫描系统1(7)的扫描方式和扫描速度以及对被捕获的微粒进行更新，并调整RGB激光系统(9)的功率、改变投影系统的投影方式等操作，对显示质量进行优化。)
所述显示区域(14)为自由空间。
所述吸光材料(15)布置在显示区域(14)附近，用于吸收对显示效果有影响的杂散光。
所述透明壳体(16)为透明材质，用于保护显示区域(14)不会受到气流的影响。当显示区域的气流环境过于复杂时，显示的效果会受到影响，此时可以使用透明壳体对显示区域进行保护，从而保证显示的效果。当显示区域的气流环境比较温和时，可以不使用该透明壳体。
实施例1：单点捕获
本实施例提供一种基于光泳捕获的可交互体三维显示装置的控制方法，包括如下步骤：所要显示的图像为一种三维立体图像(比如比较简单的立体人物肖像)，用户通过上位机选择对微粒进行单点捕获；然后用户通过上位机调节激光器的功率，并控制光调制器1对光束进行调制，使其能够在焦点处产生单个的光瓶结构，光束依次通过三维扫描系统1和微粒容器的过程中通过控制三维扫描系统1和微粒容器实现对微粒的捕获。微粒捕获完成后，用户通过上位机控制三维扫描系统1控制光束携带微粒在显示区域中进行快速扫描，此时若需要显示三维图像，微粒在显示区域中需要进行三个维度的扫描；于此同时，通过上位机控制RGB激光系统、光调制器2和三维扫描系统2，当微粒扫描到某一位置的同时，RGB激光系统同时输出三种色彩的光束，通过加色法生成在该位置需要显示的色彩的光束，投影系统将微粒在该位置所需要显示的色彩的光束照射到微粒上，照射到微粒上的光束会发生散射，从而被在该点能够观察到所需显示的色彩。当扫描的速度足够快时，根据视觉残留效应，在显示区域中能够观察到三维图像。
在图像显示的过程中，用户还可以通过交互系统对人体的位置、动作等信息进行识别，并根据识别结果将指令传递给上位机，上位机根据人体的位置信息通过控制微粒控制系统和投影系统中的光调制器和三维扫描系统，对微粒扫描的位置进行调整，从而改变图像显示的角度，实现最佳的观看效果；以及上位机根据人体的动作信息控制微粒控制系统和投影系统中的光调制器和三维扫描系统，对所显示的图形进行调整，实现交互。
用户还可以通过显示质量检测装置进行实时检测，判断显示质量是否满足要求。当在显示系统的工作过程中检测到显示质量降低或者不满足要求时，通过上位机控制激光器功率、扫描速度、重新捕获微粒等操作确保光束能够稳定携带足够数量的微粒在空间中进行扫描，从而对显示质量进行优化。
实施例2：一维捕获
本实施例提供一种基于光泳捕获的可交互体三维显示装置的控制方法，包括如下步骤：所要显示的图像为一种三维立体图像(比如相对复杂的立体人物肖像)，用户通过上位机选择对微粒进行一维捕获；然后用户通过上位机调节激光器的功率，并控制光调制器1对光束进行调制，使其能够在焦点处产生一维线性排列的光瓶结构，光束依次通过三维扫描系统1和微粒容器的过程中通过控制三维扫描系统1和微粒容器实现对微粒的捕获。微粒捕获完成后，用户通过上位机控制三维扫描系统1控制光束携带微粒在显示区域中进行快速扫描，此时，若需要显示三维图像，微粒只需要进行2个维度的扫描；于此同时，通过上位机控制RGB激光系统、光调制器2和三维扫描系统2，当线性排列的微粒扫描到某一位置的同时，投影系统将在微粒所在线性区域所需要显示的色彩分为三帧，由单个合束的RGB激光系统经过光调制器2将三种色彩分别投影到微粒上，或者利用未合束的绿色、红色、蓝色三个激光器组成的RGB激光系统经三个光调制器调制后通过三维扫描系统将三种色彩同时投影到微粒上。照射到微粒上的光束会发生散射，从而被在该点能够观察到所需显示的色彩。当扫描的速度足够快时，在显示区域中能够观察到三维图像。
在图像显示的过程中，用户还可以通过交互系统对人体的位置、动作等信息进行识别，并根据识别结果将指令传递给上位机，上位机根据人体的位置信息通过控制微粒控制系统和投影系统中的光调制器和三维扫描系统，对微粒扫描的位置进行调整，从而改变图像显示的角度，实现最佳的观看效果；以及上位机根据人体的动作信息控制微粒控制系统和投影系统中的光调制器和三维扫描系统，对所显示的图形进行调整，实现交互。
用户还可以通过显示质量检测装置进行实时检测，判断显示质量是否满足要求。当在显示系统的工作过程中检测到显示质量降低或者不满足要求时，通过上位机控制激光器功率、扫描速度、重新捕获微粒等操作确保光束能够稳定携带足够数量的微粒在空间中进行扫描，从而对显示质量进行优化。
实施例3：二维捕获
本实施例提供一种基于光泳捕获的可交互体三维显示装置的控制方法，包括如下步骤：所要显示的图像为一种三维立体图像(比如相对复杂的立体人物肖像)，用户通过上位机选择对微粒进行二维捕获；然后用户通过上位机调节激光器的功率，并控制光调制器1对光束进行调制，使其能够在焦点处产生二维平面排列的的光瓶结构，光束依次通过三维扫描系统1和微粒容器的过程中通过控制三维扫描系统1和微粒容器实现对微粒的捕获。微粒捕获完成后，用户通过上位机控制三维扫描系统1控制光束携带微粒在显示区域中进行快速扫描，此时，若只需要显示二维图像，则直接利用投影系统进行投影即可，若需要显示三维图像，微粒只需要进行1个维度的扫描；于此同时，通过上位机控制RGB激光系统、光调制器2和三维扫描系统2，当二维排列的微粒扫描到某一位置的同时，投影系统将在微粒所在线性区域所需要显示的色彩分为三帧，由单个合束的RGB激光系统经过光调制器2将三种色彩分别投影到微粒上，或者利用未合束的绿色、红色、蓝色三个激光器组成的RGB激光系统经三个光调制器调制后通过三维扫描系统将三种色彩同时投影到微粒上。照射到微粒上的光束会发生散射，从而被在该点能够观察到所需显示的色彩。当扫描的速度足够快时，在显示区域中能够观察到所显示的图像。
在图像显示的过程中，用户还可以通过交互系统对人体的位置、动作等信息进行识别，并根据识别结果将指令传递给上位机，上位机根据人体的位置信息通过控制微粒控制系统和投影系统中的光调制器和三维扫描系统，对微粒扫描的位置进行调整，从而改变图像显示的角度，实现最佳的观看效果；以及上位机根据人体的动作信息控制微粒控制系统和投影系统中的光调制器和三维扫描系统，对所显示的图形进行调整，实现交互。
用户还可以通过显示质量检测装置进行实时检测，判断显示质量是否满足要求。当在显示系统的工作过程中检测到显示质量降低或者不满足要求时，通过上位机控制激光器功率、扫描速度、重新捕获微粒等操作确保光束能够稳定携带足够数量的微粒在空间中进行扫描，从而对显示质量进行优化。
实施例4：三维捕获
本实施例提供一种基于光泳捕获的可交互体三维显示装置的控制方法，包括如下步骤：所要显示的图像为一种三维立体图像(比如复杂的立体人物肖像)，用户通过上位机选择对微粒进行三维捕获；然后用户通过上位机调节激光器的功率，并控制光调制器1对光束进行调制，使其能够在焦点处产生三维排列的的光瓶结构，光束依次通过三维扫描系统1和微粒容器的过程中通过控制三维扫描系统1和微粒容器实现对微粒的捕获。微粒捕获完成后，用户通过上位机控制三维扫描系统1控制光束携带微粒在显示区域中进行快速扫描，此时，若需要显示三维的轮廓图像，则直接控制微粒按照所需显示的轮廓进行排列，随后利用投影系统进行投影即可，并且若所需显示的三维的轮廓图像过大，可以将所需显示的图像进行分割，轮流进行显示，当速度足够快时，可以观察到一个完整的三维轮廓图像。在微粒扫描的同时，通过上位机控制RGB激光系统、光调制器2和三维扫描系统2，当三维排列的微粒扫描到某一位置的同时，投影系统将在微粒所在线性区域所需要显示的色彩分为三帧，由单个合束的RGB激光系统经过光调制器2利用三维全息投影将三种色彩分别投影到微粒上，或者利用未合束的绿色、红色、蓝色三个激光器组成的RGB激光系统经三个光调制器调制后利用三维全息投影通过三维扫描系统将三种色彩同时投影到微粒上。照射到微粒上的光束会发生散射，从而被在该点能够观察到所需显示的色彩。当扫描的速度足够快时，在显示区域中能够观察到所显示的图像。
在图像显示的过程中，用户还可以通过交互系统对人体的位置、动作等信息进行识别，并根据识别结果将指令传递给上位机，上位机根据人体的位置信息通过控制微粒控制系统和投影系统中的光调制器和三维扫描系统，对微粒扫描的位置进行调整，从而改变图像显示的角度，实现最佳的观看效果；以及上位机根据人体的动作信息控制微粒控制系统和投影系统中的光调制器和三维扫描系统，对所显示的图形进行调整，实现交互。
用户还可以通过显示质量检测装置进行实时检测，判断显示质量是否满足要求。当在显示系统的工作过程中检测到显示质量降低或者不满足要求时，通过上位机控制激光器功率、扫描速度、重新捕获微粒等操作确保光束能够稳定携带足够数量的微粒在空间中进行扫描，从而对显示质量进行优化。
综上，当所要显示的图像比较简单、所需的分辨率较低，可以选择单点捕获方式，但是如果图像比较复杂、所需的分辨率较高，由于微粒运动速度的限制，所以显示的帧率会大大降低，影响观看的效果，因此需要选择其他的方式，如一维、二维、三维捕获，可以增加显示的帧率。因此，本发明具体实施例给出的可交互体三维显示装置及其控制方法不但可以实现自由空间中的360°全视角裸眼三维图像显示并进行交互，还可以大大提升三维显示效果。
以上所述实施方式仅仅是对本发明的优选实时方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做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。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种基于光泳捕获的可交互体三维显示装置，其特征在于，包括微粒控制系统、上位机、投影系统和交互系统；所述微粒控制系统包括激光器、光调制器1、三维扫描系统1和微粒容器；所述投影系统包括RGB激光系统、光调制器2和三维扫描系统2；所述上位机分别与所述激光器、所述光调制器1、所述三维扫描系统1、所述微粒容器、所述RGB激光系统、所述光调制器2和所述三维扫描系统2连接；所述交互系统与所述上位机连接；所述交互系统用于对人体的位置、动作信息进行识别，并根据识别结果将指令传递给所述上位机，所述上位机通过对所述微粒控制系统和所述投影系统进行调整，进而优化观看角度并进行交互；
通过上位机选择对微粒捕获以及扫描的方式，所述对微粒捕获的方式分为单点捕获、一维捕获、二维捕获、三维捕获四种中的至少一种；当使用单点捕获方式时，光束捕获微粒后携带微粒在显示区域中进行线性扫描；当使用一维捕获方式时，被捕获的微粒呈线性排列，光束携带被捕获的微粒在显示区域中进行扫描；当使用二维捕获方式时，被捕获的微粒呈二维阵列排列，光束携带被捕获的微粒在显示区域中进行扫描；当使用三维捕获方式时，被捕获的微粒呈三维阵列排列，可以直接进行三维投影，也可以控制微粒在显示区域中进行扫描。
2.根据权利要求1所述的一种基于光泳捕获的可交互体三维显示装置，其特征在于，所述可交互体三维显示装置还包括显示质量检测装置，所述显示质量检测装置与所述上位机连接；所述显示质量检测装置用于检测显示效果，并根据检测结果将指令传送给所述上位机，所述上位机根据所述指令对所述微粒控制系统和所述投影系统进行调整，进而优化显示质量。
3.根据权利要求1所述的一种基于光泳捕获的可交互体三维显示装置，其特征在于，所述光调制器1和所述光调制器2包括透镜和光调制器件，所述透镜用于对光束进行扩束、准直以及对光束的直径进行调制，所述光调制器件包括数字微镜阵列、空间光调制器、变形镜、相位板。
4.根据权利要求1所述的一种基于光泳捕获的可交互体三维显示装置，其特征在于，所述三维扫描系统1和所述三维扫描系统2由振镜和透镜系统组成，所述振镜用于控制光束进行XY平面的扫描，所述透镜系统通过变焦实现Z方向的扫描，二者结合能够实现大尺度三维动态聚焦扫描。
5.根据权利要求1所述的一种基于光泳捕获的可交互体三维显示装置，其特征在于，所述微粒容器设有传动装置，所述微粒容器在所述传动装置的带动下进出三维显示区域。
6.根据权利要求1或5所述的一种基于光泳捕获的可交互体三维显示装置，其特征在于，所述微粒容器中的微粒为吸收粒子，所述吸收粒子的直径小于500微米。
7.根据权利要求1所述的一种基于光泳捕获的可交互体三维显示装置，其特征在于，所述可交互体三维显示装置还包括吸光材料和透明壳体，所述吸光材料和所述透明壳体设置在三维显示区域周围。
8.权利要求1所述的一种基于光泳捕获的可交互体三维显示装置的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、用户将所要显示的图像输入至上位机，并通过上位机选择对微粒捕获以及扫描的方式，所述对微粒捕获的方式分为单点捕获、一维捕获、二维捕获、三维捕获四种；当使用单点捕获方式时，光束捕获微粒后携带微粒在显示区域中进行线性扫描；当使用一维捕获方式时，被捕获的微粒呈线性排列，光束携带被捕获的微粒在显示区域中进行扫描；当使用二维捕获方式时，被捕获的微粒呈二维阵列排列，光束携带被捕获的微粒在显示区域中进行扫描；当使用三维捕获方式时，被捕获的微粒呈三维阵列排列，可以直接进行三维投影，也可以控制微粒在显示区域中进行扫描；
S2、对微粒捕获以及扫描的方式确定后，用户通过上位机调节激光器的功率，并控制光调制器1生成相应的光束，光束依次通过三维扫描系统1和微粒容器的过程中通过控制三维扫描系统1和微粒容器实现对微粒的捕获；
S3、微粒捕获完成后，用户通过上位机控制三维扫描系统1控制光束携带微粒在显示区域中进行快速扫描；于此同时，通过上位机控制RGB激光系统、光调制器2和三维扫描系统2，将所需要显示的图像投影到显示区域中；
S4、在图像显示在显示区域的过程中，用户可以通过交互系统对人体的位置、动作等信息进行识别，并根据识别结果将指令传递给上位机，上位机通过对微粒控制系统和投影系统进行控制，实现最佳的观看角度并进行交互。
9.根据权利要求8所述的一种基于光泳捕获的可交互体三维显示装置的控制方法，其特征在于，所述步骤S3中将所需要显示的图像投影到显示区域中，所述投影的方式包括逐点投影、分层投影、立体投影或者全息投影。
10.根据权利要求8所述的一种基于光泳捕获的可交互体三维显示装置的控制方法，其特征在于，当所述可交互体三维显示装置还包括显示质量检测装置时，所述控制方法还包括步骤S5：在图像显示在显示区域的过程中，用户还可以通过显示质量检测装置进行实时检测，判断显示质量是否满足要求；当检测到显示质量降低或者不满足要求时，用户通过上位机对微粒控制系统和投影系统进行调整来优化显示的质量。
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