CN111240037A - 反射变焦扫描裸眼三维显示方法 - Google Patents

Abstract

反射变焦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，解决现有三维成像系统无法真实显示三维效果的问题，搭建成像显示系统，所述成像显示系统包括与主光轴同轴设置的凹面镜、发光屏、同步光阑和成像镜；所述同步光阑与成像镜接触连接，凹面镜内表面为抛物反射面，直径大于显示的物体的直径，人眼位于凹面镜内表面一侧，发光屏显示的原像位于凹面镜的焦平面上，发光屏上显示原像所发光线经过成像镜，然后被凹面镜反射之后再次成像为三维像，三维像由人眼接收；在纵深扫描过程中，用同步光阑控制成像的可见角，实现成像物体的自身遮蔽效果；因为可见视角随空中成像变近而增加，所以有利于提高近景的显示效果。

Description

反射变焦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，具体涉及一种反射变焦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；有两种动态三维显示系统，一种是只有视差没有真实视角的伪三维，另一种是同时具有真实视差与视角的真三维；目前对真三维显示设备来说，存在两个问题；一个问题是显示的景物只能出现在装置内部，不能显示在装置之外的空中；另一个问题是因为空气透明，所以显示的三维物体也是透明的，无法产生真实物体的自身遮蔽效果。

发明内容

本发明为解决现有三维成像系统无法真实显示三维效果的问题，提供一种反射变焦扫描裸眼三维显示方法。

反射变焦扫描裸眼三维显示方法，该方法具体为：

搭建成像显示系统，所述成像显示系统包括与主光轴同轴设置的凹面镜、发光屏、同步光阑和成像镜；所述同步光阑与成像镜接触连接，主光轴所在直线为z轴，所述发光屏位于凹面镜的焦点O点处，发光屏所在的平面与z轴垂直；

所述成像镜与z轴的交点为P，P点与O点距离为X，成像镜焦距为S；

所述凹面镜内表面为抛物反射面，直径大于显示的物体的直径，焦距为F，焦点为O；人眼位于凹面镜内表面一侧，发光屏显示的原像位于凹面镜的焦平面上，发光屏上显示原像所发光线经过成像镜，然后被凹面镜反射之后再次成像为三维像，所述三维像由人眼接收；

采用外部电路控制成像镜的焦距S变化，则三维像沿z轴的纵深方向往复运动扫描；在变焦纵深方向扫描的同时，外部电路控制同步改变显示不同的原像，获得在空中的不同纵深位置显示不同的三维像。

本发明的有益效果：本发明所述的显示方法由可变焦距的反射镜与一个凹面镜组成光具组，把一个平面图像成像在空中；在快速改变平面图像的内容的同时，反射镜焦距同步改变，使空中成像产生纵深扫描，显示出三维景物；在纵深扫描过程中，用同步光阑控制成像的可见角，实现成像物体的自身遮蔽效果；因为可见视角随空中成像变近而增加，所以有利于提高近景的显示效果。

本发明提供的真三维显示系统，采取反射成像方式，通过连续改变成像焦距，可以在空中动态显示具有真实视角的三维景物；与变焦同步控制光阑的区域，可以实现景物相互遮蔽的逼真效果，景物重建不需要工作介质，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，位置并不限制在装置内部，同时显示近景与远景，不但能够近在咫尺，也可远至天涯。

附图说明

图1为本发明所述的反射变焦扫描裸眼三维显示方法中三维显示系统的结构图；

图2为本发明所述的反射变焦扫描裸眼三维显示方法的成像原理图；

图3为本发明所述的反射变焦扫描裸眼三维显示方法中显示可见区的成像原理图；

图4为本发明所述的反射变焦扫描裸眼三维显示方法中同步光阑控制成像的原理图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1至图4说明本实施方式，反射变焦扫描裸眼三维显示方法，该方法的具体实现过程为：

首先，搭建成像显示系统，所述成像显示系统包括与主光轴同轴设置的凹面镜1、发光屏4、同步光阑3和成像镜2；

所述同步光阑3与成像镜2接触连接，主光轴所在直线为z轴，所述发光屏4位于凹面镜1的焦点O点处，发光屏4所在的平面与z轴垂直；所述成像镜2与z轴的交点为P，P点与O点距离为X；

所述凹面镜1内表面为抛物反射面，直径大于显示的物体的直径，焦距为F，焦点为O；

人眼5位于凹面镜1内表面一侧，发光屏显示的原像6位于凹面镜1的焦平面上，发光屏4上显示原像所发光线经过成像镜2，然后被凹面镜1反射之后再次成像为三维像7，所述三维像7由人眼5接收；

采用外部电路控制成像镜2的焦距S变化，则三维像7沿z轴的纵深方向往复运动扫描；

在变焦纵深方向扫描的同时，外部电路控制同步改变显示不同的原像6，获得在空中的不同纵深位置显示不同的三维像7。

本实施方式中，所述成像镜2是光具组，等效成为一个可变焦距的凹面镜，焦距用变量S表示；最少可以是一个凹面镜，也可以由波带片、光栅、电控液晶装置，或者微机械系统等光学元件组成；成像镜12的焦距可受外部电路控制而改变。

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上的光被成像镜2指定部位的镜面反射成像，从而改变了成像镜2上的有效成像区域；当成像镜2是由微机械系统或其他已经具备控制有效成像区域功能的光学元件时，可省去光阑3；

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上显示的图像称为原像；原像即可以是由发光屏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。

结合图2说明本实施方式，所述发光屏显示的原像6位于凹面镜1的焦平面上；成像镜2与z轴的交点为P；P点与O点距离为X；成像镜2焦距为S，焦点位于A点；原像6发出光线经过成像镜2，以及凹面镜1反射之后再次成像为三维像7，位置在z轴上坐标数值Z可以计算；

由此可见，在外部电路控制下，改变成像镜2的焦距S，就可以改变三维像7在z轴方向上的纵深位置；可以计算出三维像7相对于原像6的横向放大率V；

外部电路在改变成像镜2焦距S的同时，也同步改变原像6的大小，可以使三维像7在纵深方向上移动位置并保持大小不变；这种工作方式称为变焦扫描。

本实施方式所述的三维显示方法，在纵深方向显示范围分别为：

当成像镜2的焦距S接近为零时，三维像7的位置接近在

此时放大率V接近于0；

当成像镜2的焦距S在(0，X/2)三维像7在z轴上坐标大于零，位置处于O点右侧；三维像7从

开始向z轴正方向移动；

当成像镜2的焦距S在[X，X/2]区间时，三维像7在z轴上坐标小于零，位置处于O点左侧；当S从X向X/2方向减小时，三维像7从0点向远离人眼5方向移动；当S等于X/2时，三维像7的位置在无穷远处；此时放大率V为无穷大；当成像镜2的焦距S等于X时，三维像7的位置在0点处；此时放大率V＝F/X；

当成像镜2的焦距S>X时，三维像7在z轴上坐标大于零，位置处于O点右侧；三维像7向靠近人眼方向移动；

当S为无穷大时，三维像7的位置在

处；此时放大率

因此，当成像镜2的光具组联合等效成为一个焦距S大于零的凹面镜时，三维像7的成像范围只能位于区间

或者区间

之中；若需要三维像7的成像范围位于区间

则需使成像镜2的光具组联合等效成为一个焦距S小于零的凸面镜；

因此成像镜2的焦距S用以下取值范围可以满足实际需要。

结合图2，人眼5可以从朝向凹面镜1内表面的方向看到在空中浮现的三维像7；采用控制电路使成像镜2的焦距S不断变化，可实现三维像7沿z轴的纵深方向往复运动纵深扫描；在变焦纵深扫描的同时，控制电路对应不同的焦距S，同步改变显示不同的原像6，这样就能在空中的不同纵深位置显示出不一样的三维像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；当扫描频率大于十赫兹时，视觉暂留效应使观众看到由快速移动并且变化的三维像7所勾勒形成的三维物体；当扫描频率大于二十四赫兹时，看到的三维物体将稳定无闪烁。

控制电路使焦距S周期性快速变化与原像6同步快速改变，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；并且还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，处于不同视角的观众会看到不同的图像内容，是真正的三维景物显示系统。

结合图3说明本实施方式，由原像6生成三维像7的显示可见区，是由凹面镜1和成像镜2的物理参数，以及成像位置共同决定；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；在凹面镜1的焦距为F固定不变时，为了使可见区达到最大，就需要扩大凹面镜1的开口尺寸，(也就是扩大凹面镜1的面积)；当凹面镜1开口所在的平面扩大达到成像镜2所在的平面时，再继续扩大也无法扩大可见区，此时的凹面镜1称为极大凹面镜；满足极大凹面镜时，如果成像镜2的半径为r，那么可以计算出可见区圆锥的圆锥半角θ；

由此可见，圆锥可见区的圆锥角不是恒定值，与成像位置有关，在三维像由远及近向人眼靠近的过程中，可见区是增加的，有利于提升观看效果；

在图3中三维像7的右侧向凹面镜1方向看，只要处于可见区圆锥中，就能看到三维像7，其他位置看不到；由此可见，增大成像镜2尺寸有利于增大可见区.

本实施方式中，在同步光阑处于全透明的状态时，成像镜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，所以这个物体也是全透明，造成物体背面也意外被看到，不符合真实物体自身能够遮挡住背面的实际情况；结合图4，当控制同步光阑3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，也就是只有在z轴的斜下侧才能看到三维像7；而从斜上侧，也就是从三维像7的背面不能看到三维像7，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。

同步光阑3在控制电路的作用下，在成像镜2的不同焦距S时，逆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，快速控制可见区域T的范围，只显示出三维像7应该显示出的那一侧，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 (8)

1.反射变焦扫描裸眼三维显示方法，其特征是：该方法具体实现为：

搭建成像显示系统，所述成像显示系统包括与主光轴同轴设置的凹面镜(1)、发光屏(4)、同步光阑(3)和成像镜(2)；

所述同步光阑(3)与成像镜(2)接触连接，主光轴所在直线为z轴，所述发光屏(4)位于凹面镜(1)的焦点O点处，发光屏(4)所在的平面与z轴垂直；

所述成像镜(2)与z轴的交点为P，P点与O点距离为X，成像镜(2)焦距为S；

所述凹面镜(1)内表面为抛物反射面，直径大于显示的物体的直径，焦距为F，焦点为O；

具体显示方法为：

人眼(5)位于凹面镜(1)内表面一侧，发光屏显示的原像(6)位于凹面镜(1)的焦平面上，发光屏(4)上显示原像所发光线经过成像镜(2)，然后被凹面镜(1)反射之后再次成像为三维像(7)，所述三维像(7)由人眼(5)接收；

采用外部电路控制成像镜(2)的焦距S变化，则三维像(7)沿z轴的纵深方向往复运动扫描；

在变焦纵深方向扫描的同时，外部电路控制同步改变显示不同的原像(6)，获得在空中的不同纵深位置显示不同的三维像(7)。

2.根据权利要求1所述的反射变焦扫描裸眼三维显示方法，其特征在于：当扫描频率不足十赫兹时，则空中出现前后移动并不断变化的三维像(7)；当扫描频率大于十赫兹时，视觉暂留效应使人眼(5)看到变化的三维像(7)所形成的三维物体；当扫描频率大于二十四赫兹时，人眼(5)看到的三维物体将稳定无闪烁。

3.根据权利要求1所述的反射变焦扫描裸眼三维显示方法，其特征在于：所述三维像(7)的位置在z轴上坐标数值Z为：

在外部电路控制下，改变成像镜(2)的焦距S，则改变三维像(7)在z轴方向上的纵深位置；获得三维像(7)相对于原像(6)的横向放大率V；

4.根据权利要求1所述的反射变焦扫描裸眼三维显示方法，其特征在于：

成像镜(2)的焦距S的取值范围为：

5.根据权利要求1所述的反射变焦扫描裸眼三维显示方法，其特征在于：

在傍轴条件下，显示可见区以z轴为轴，三维像(7)与z轴交点为顶点的一个圆锥区域；在凹面镜(1)的焦距为F固定不变时，当凹面镜(1)开口所在的平面扩大达到成像镜(2)所在的平面时，设定成像镜(2)的半径为r，获得显示可见区的圆锥半角θ；

6.根据权利要求1所述的反射变焦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，或者是由微机械光电成像元件组成的器件。

7.根据权利要求1所述的反射扫描裸眼三维显示方法，其特征在于：所述原像由发光屏(4)直接产生，或由平面图像经过光学系统间接产生；间接产生原像时，需要把原像(6)投射在发光屏(4)的位置而不需要发光屏(4)实物。

8.根据权利要求1所述的反射变焦扫描裸眼三维显示方法，其特征在于：所述同步光阑(3)由液晶光开关或微机械光开关阵列构成，尺寸大于等于成像镜(2)的尺寸，在外部电路控制下允许或者阻挡发光屏(4)上的光被成像镜(2)指定部位的镜面反射成像，实现改变成像镜(2)上的有效成像区域。

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