CN111240036A - 纵深扫描裸眼三维显示方法 - Google Patents

Abstract

纵深扫描裸眼三维显示方法，涉及广播电视及计算机图像处理领域，解决现有真三维裸眼显示技术不具有真实视角与自身遮挡效果的问题，显示系统包括与主光轴同轴设置的凹面镜、成像镜、同步光阑和发光屏，主光轴所在直线为z轴，沿z轴前后移动的方向为纵深方向；设置凹面镜内表面为抛物面，直径大于显示的物体的直径，凹面镜的焦点与成像镜的左焦点重合于P点，成像镜的右焦点位于A点，成像镜的直径小于凹面镜的直径，成像镜光心为O点，发光屏所在的平面与z轴垂直；通过外部电路控制发光屏沿z轴平移。本发明的三维显示方法，能够显示出具有真实视角与自身遮挡效果的真三维物体；且三维像位置不受显示装置的尺寸限制，可同时显示近景与远景。

Description

纵深扫描裸眼三维显示方法

技术领域

本发明涉及广播电视及计算机图像处理领域，具体涉及一种纵深扫描裸眼三维显示方法。

背景技术

裸眼三维场景实时展示是视频图像研究中一个热门方向，目前已经实现的几种动态三维显示系统，采取的方法有多层显示技术，光屏障式三维显示，柱状透镜式、方向性光源等技术；这些利用视觉错觉的装置，尽管可以产生一些三维效果，但是在不同位置的观众却看到相同的图像内容，并没有展示出真实物体的不同视角；还有一些机械旋转式或介质散射式三维显示装置，只能限定在机械或介质区域之内显示图像。

目前裸眼三维显示分为伪三维与真三维两大类；伪三维是使观众因双眼看到两个存在少量视差的图像而产生空间错觉，并没有真实的三维视角；只是可以产生悬浮效果，但是不能改变图像纵深位置。

真三维主要有动体扫描，体散射成像，以及体像素成像三种方式；动体扫描是把光投射在快速运动的物体上或由快速运动的像素发光，视觉暂留效应可以产生某些立体图像；体散射成像是把图像投射到静态的光线散射介质上，显示的图像不能脱离介质；体像素成像是由透明物体内部的多个点光源像素发光而组成图像；因为这些真三维方案都不具备真实物体自身遮挡的效果，所以只可以显示出薄片形状的物体，或显示透明的三维物体，不能像本方案那样显示出具有真实视角与自身遮挡效果的真三维物体；另外，现有这些真三维方案显示出的三维像因无法脱离介质，所以三维像位置受到显示装置的空间尺寸限制。

发明内容

本发明为解决现有真三维裸眼显示技术不具有真实视角与自身遮挡效果的问题，提供一种纵深扫描裸眼三维显示方法。

纵深扫描裸眼三维显示方法，该方法由以下步骤实现：

步骤一、搭建纵深扫描裸眼三维显示系统，包括与主光轴同轴设置的凹面镜、成像镜、同步光阑和发光屏，主光轴所在直线为z轴，沿z轴前后移动的方向为纵深方向；

设置凹面镜内表面为抛物面，直径大于显示的物体的直径，所述凹面镜的焦点与成像镜的左焦点重合于P点，成像镜的右焦点位于A点，所述成像镜的直径小于凹面镜的直径，成像镜光心为O点，发光屏所在的平面与z轴垂直；通过外部电路控制发光屏沿z轴平移；

步骤二、所述发光屏上产生的原像经成像镜反射后，再经凹面镜反射后在空中成像；

步骤三、移动发光屏在纵深方向往复运动，则成像随原像在纵深方向运动；当原像在纵深方向的不同位置显示不同的内容时，所述成像随原像在不同位置同步显示不同的内容；

当原像在纵深方向位置往复运动频率超过十赫兹时，视觉暂留效应使空中显示像为三维像。

本发明有益的效果：本发明所述的三维显示方法，能够显示出具有真实视角与自身遮挡效果的真三维物体；且三维像位置不受显示装置的尺寸限制，可同时显示近景与远景，并且具备近景物体可以遮挡远景物体的真实效果。

本发明所述的三维显示方法，在空中动态产生景物的真三维显示系统，景物重建不需要其他工作介质，不同位置的观众能看到真实视角下不同的图像，重建的景物具有真实的纵深不但能够近在咫尺，也可远至天涯。

采用本发明所述的显示方法，可以制作三维电子沙盘用于工程讨论或抢险现场会商；还可以制作三维电视系统，三维互动娱乐系统以及产品演示广告介绍。

附图说明

图1为本发明所述的纵深扫描裸眼三维显示方法中显示系统的结构图；

图2为本发明所述的纵深扫描裸眼三维显示方法的成像原理图；

图3为本发明所述的纵深扫描裸眼三维显示方法中纵深扫描的原理图；

图4为在显示可见区重建的三维景物的原理图；

图5为通过控制同步光阑显示三维物体的原理图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1至图5说明本实施方式，纵深扫描裸眼三维显示方法，该方法的具体实现过程为：

首先，搭建纵深扫描裸眼三维显示系统，包括与主光轴同轴设置的凹面镜1、成像镜2、同步光阑3和发光屏4；所述同步光阑4覆盖在成像镜2上与成像镜接触连接；

设置凹面镜1为内表面为抛物面，直径大于显示的物体，焦距为F，焦点在P点；

所述成像镜2是光具组，由透镜或反射镜组成，焦距为S,并且S小于F；成像镜2最少可以是一个凸透镜，或者是一个凹面镜，也可以是波带片，直径小于凹面镜1；

所述同步光阑3由液晶光开关，或微机械光开关阵列构成，尺寸不小于成像镜2，在外部电路控制下可以允许或者阻挡发光屏4上的光通过成像镜2的指定部位，从而改变成像镜2上的有效成像区域；

所述发光屏4可以是液晶屏，有机发光体显示屏，或者是由微机械光电成像元件组成，在外部电路控制下可动态显示出平面图像；发光屏4上显示的平面图像称为原像6；

所述原像6即可以是由发光屏4直接产生，也可以是由其他平面图像经过光学系统间接产生；间接产生原像时，只需把原像投射在发光屏4的位置而不需要发光屏4实物；

使凹面镜1的主光轴与成像镜2的主光轴重合，并使凹面镜1的焦点与成像镜2的左焦点重合于P点；成像镜2的右焦点位于A点；

成像镜2光心为O，主光轴所在直线为z轴；发光屏4所在的平面与z轴垂直；发光屏4位于成像镜2的右焦点附近，受外部电路控制可以沿主光轴平移；这种使原像沿z轴方向前后移动的方式称为纵深扫描。

本实施方式中，当间接产生原像时，可以采取发光元件不动，而使光路中其他元件运动或改变参数来实现原像移动；例如：发光显示器固定不动，用平面镜或其他光学元件在机械装置驱动下，使把显示器上的图像投射成为原像进行纵深扫描。

当采用固体发光元件间接产生原像时，可以没有机械运动部件；例如：用多个透明的平面显示器件在纵深方向上层层叠放，按顺序依次显示平面图像，实现原像在固体元件内部的纵深扫描，而无需机械运动结构；

所述发光屏4向左最大可移动到同步光阑3处；当间接方式投射产生原像时，允许把原像投射超过O点实现扩大纵深扫描范围。

其次，移动原像6在纵深扫描方向往复运动，则空中再次成像7也会在纵深方向运动；当原像6在纵深方向的不同位置显示内容不同，则空中再次成像时，不同位置显示的内容也不同；

当原像6显示内容与纵深方向位置同步时，空中再次成像时，不同位置显示的内容也同步与纵深位置稳定同步；当原像6在纵深扫描方向位置往复运动频率超过十赫兹时，视觉暂留使空中显示为三维物体，即为三维像。

本实施方式中，采用同步光阑3与纵深扫描运动方向同步，随原像在纵深方向的不同位置遮挡成像镜2上的不同区域，使三维像产生物体在不同视角下的真实遮挡效果。

结合图2说明本实施方式，原像6与A点距离为E时，成像镜2与凹面镜1共同产生三维像7；人眼5可以从朝向凹面镜内表面的方向看到在空中浮现的三维像7；

此时可以计算出三维像7与P点的距离G；

当发光屏4位于A点左侧时，三维像7位于O点右侧，也就是产生了一个靠近人眼5的三维像。

发光屏4位于A点右侧时，三维像7位于O点左侧，也就是产生了一个远离观众的三维像；

当发光屏4位于A点时，三维像7位于O点所在平面。

以O点为坐标原点，可以在统一坐标下计算原像6的坐标值Z_C与三维像7的坐标值Z_L在z轴上的纵深位置关系；

采用控制电路使原像6沿z轴的纵深方向往复运动进行纵深扫描；同时这个控制电路在不同的扫描位置变换显示不同的原像6，这样就能在空中的不同纵深位置显示出不同的三维像7；当扫描频率不足十赫兹时，可看到空中出现前后移动并不断变化的三维像7；当纵深扫描频率大于十赫兹时，视觉暂留效应使观众看到由移动并变化的三维像7所构成的三维物体；

控制电路中同步功能使纵深方向的位置与原像6的变换同步，可以稳定显示出由一系列三维像7所重建三维物体的位置、形状、颜色与纹理；并且通过控制电路控制平面的原像6变化同步配合纵深扫描，可以使控制重建三维物体产生移动、旋转、变形、变色、出现或消失的效果；

对于立体电影等传统利用视差错觉实现三维成像的系统，不同视角的观众看到的图像是相同的；本发明重建的三维物体具有真实的视角，处于不同视角的人眼5会看到不同的图像内容，是真正的三维景物显示系统。

在图2中，若原像6的高度为h，可根据成像镜2的焦距S以及凹面镜1的焦距F计算出三维像7的高度H；

由此可见，如果原像6保持不变，在从P点到B点范围内进行全纵深扫描时，生成三维像7的像高在扫描过程中将保持不变，人眼5看到的景象是一个以原像6为截面的长柱形物体，这个物体的远端与近端尺寸相同，两端就是三维场景的纵深显示区域；当原像6处于O点位置时，三维像7处于纵深显示区域最右端；当原像6处于B点位置时，三维像7处于纵深显示区域最左端。

结合图3，显示了所述纵深扫描时的情况，当原像6进行从P点到B点进行纵深扫描时，生成的三维像7在左端L和右端R之间运动，M为三维景物可以显示的范围。

结合图4说明本实施方式，本实施方式所述的裸眼三维显示方法，在一定区域范围内才可以看到重建的三维景物，这个区域范围称为显示可见区。

所述显示可见区由凹面镜1和成像镜2的物理参数，以及三维成像的位置共同决定；在傍轴条件下，显示可见区是以z轴为轴，三维像与z轴交点为顶点的一个圆锥区域；在凹面镜1和成像镜2这两个元件的焦距已经固定不变时，为了使可见区达到最大，就需要扩大凹面镜1的开口；当凹面镜1开口所在的平面扩大到成像镜2所在的平面时，此时的凹面镜1称为极大凹面镜，再继续扩大也无法扩大可见区；图4中，以O为坐标原点，原像坐标为Z_C并满足极大凹面镜，如果成像镜2的半径为r，那么可以计算出在傍轴条件下可见区圆锥的圆锥半角θ；

可见区圆锥半角θ随三维像变近而增大，有利于近景显示。

本实施方式中，所述的同步光阑3处于全透明的状态时不发挥作用，成像镜2上所有区域都是有效的；此时若显示一个立体物体，因为空间是透明的，所以这个物体也都是透明的，造成物体背面也意外可见，不符合真实物体自身能够遮挡住背面的实际情况；

因为真实物体自身的前表面能够遮挡住背面，所以需要在看到前表面的视角下，使后表面不可见，具体采用与成像扫描同步的同步光阑，同步阻挡成像镜的部分成像区域，改变景物不同部位的可见视角，使原本透明的空间中，三维景物在因被遮挡不应被看到那些部位，在对应遮挡的视角下不可见，而在未被遮挡的视角下可见；显示出具有真实遮挡的逼真效果。

结合图5说明本实施方式，凹面镜1，成像镜2，同步光阑3，原像6，中间虚像11，三维像7；当同步光阑3的上部分透光，下部分不透光，挡住成像镜2的下部分时，三维像7可见区域为T，也就是在Z轴的斜下侧可以看到三维像7；而从斜上侧，也就是从三维像7的背面是看不到三维像7的，等效为三维像7所勾勒出景物的下侧面被自己上侧面遮挡。

所述同步光阑3为在控制电路的作用下，在发光屏4纵深扫描不同位置，拟用可见区圆锥的圆锥半角θ计算公式计算出r参数，同步动态遮挡成像镜2上的不同区域，限定可见区范围，显示出三维像7应该显示的那些部分，在三维重建过程中勾勒出物体的边缘轮廓，视觉暂留效应可使观众看到具到真实自身遮挡效果的三维物体。

Claims (10)

1.纵深扫描裸眼三维显示方法，其特征是：该方法由以下步骤实现：

步骤一、搭建纵深扫描裸眼三维显示系统，包括与主光轴同轴设置的凹面镜(1)、成像镜(2)、同步光阑(3)和发光屏(4)，主光轴所在直线为z轴，沿z轴前后移动的方向为纵深方向；

设置凹面镜(1)内表面为抛物面，直径大于显示的物体的直径，所述凹面镜(1)的焦点与成像镜(2)的左焦点重合于P点，成像镜(2)的右焦点位于A点，所述成像镜(2)的直径小于凹面镜(1)的直径，成像镜(2)光心为O点，发光屏(4)所在的平面与z轴垂直；通过外部电路控制发光屏(4)沿z轴平移；

步骤二、所述发光屏(4)上产生的原像(6)经成像镜(2)反射后，再经凹面镜(1)反射后在空中成像；

步骤三、移动发光屏(4)在纵深方向往复运动，则成像随原像6在纵深方向运动；当原像(6)在纵深方向的不同位置显示不同的内容时，所述成像随原像(6)在不同位置同步显示不同的内容；

当原像(6)在纵深方向位置往复运动频率超过十赫兹时，视觉暂留效应使空中显示像为三维像(7)。

2.根据权利要求1所述的纵深扫描裸眼三维显示方法，其特征在于：所述同步光阑(3)覆盖在成像镜(2)上，由液晶光开关或微机械光开关阵列构成；并根据原像(6)在纵深方向的不同位置同步遮挡成像镜(2)上的不同区域，使三维像(7)在不同视角下实现真实的自身遮挡效果。

3.根据权利要求1所述的纵深扫描裸眼三维显示方法，其特征在于：所述原像(6)与A点距离为E时，获得三维像(7)与P点的距离G；

当发光屏(4)位于A点左侧时，三维像(7)位于O点右侧，产生的是靠近人眼(5)的三维像；

当发光屏(4)位于A点右侧时，三维像(7)位于O点左侧，产生的是远离人眼(5)的三维像；

当发光屏(4)位于A点时，三维像(7)位于O点所在平面，以O点为坐标原点，在统一坐标计算出原像(6)和三维像(7)在z轴上的纵深位置关系；

式中，原像(6)的坐标值为Z_C，三维像(7)的坐标值为Z_L

4.根据权利要求1所述的纵深扫描裸眼三维显示方法，其特征在于：设定原像(6)的高度为h，根据成像镜(2)的焦距S以及凹面镜(1)的焦距F，获得所述三维像(7)的高度H，用下式表示为：

5.根据权利要求1所述的纵深扫描裸眼三维显示方法，其特征在于：

在傍轴条件下，显示可见区是以z轴为轴，三维像(7)与z轴交点为顶点的一个圆锥区域，以O为坐标原点，原像(6)坐标为Z_C，设定成像镜(2)的半径为r，获得在傍轴条件下可见区圆锥的圆锥半角θ；

6.根据权利要求1所述的一种纵深扫描裸眼三维显示方法，其特征在于：所述发光屏(4)最大移动到同步光阑(3)处；当间接方式投射产生原像(6)时，将原像投射超过成像镜(2)光心O点，实现扩大纵深扫描范围。

7.根据权利要求6所述的纵深扫描裸眼三维显示方法，其特征在于：所述采用间接方式投射产生原像(6)的实现过程为：

移除发光屏(4)，由平面图像经过光学系统产生原像(6)，并将原像(6)投射在发光屏(4)的位置。

8.根据权利要求7所述的纵深扫描裸眼三维显示方法，其特征在于：间接产生原像时，通过采用多个透明的平面显示器件在纵深方向上层层叠放，按顺序依次显示平面图像，实现原像的纵深扫描。

9.根据权利要求1所述的一种纵深扫描裸眼三维显示方法，其特征在于：所述成像镜(2)为凸透镜、凹面镜或波带片。

10.根据权利要求1所述的纵深扫描裸眼三维显示方法，其特征在于：所述发光屏(4)为液晶屏，有机发光体显示屏或微机械光电成像元件。

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