CN112180619B - 三维成像系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种三维成像系统及方法，所述三维成像系统包括悬浮力场产生器、投影模块及控制器。悬浮力场产生器用以产生悬浮力场，使得用以对入射光进行散射的多个散射粒子悬浮并分布于投影平面。投影模块用以投射影像于投影平面。控制器耦接悬浮力场产生器及投影模块，且经配置以控制悬浮力场产生器改变悬浮力场，使得散射粒子所分布的投影平面在显示空间中移动，并从由三维立体影像切分出的多张切平面影像中获取符合投影平面位置的切平面影像，而控制投影模块投影所获取的切平面影像至投影平面。

Description

三维成像系统及方法

技术领域

本公开是有关于一种显示设备及方法，且特别是有关于一种三维成像系统及方法。

背景技术

三维成像技术是将物体的立体影像呈现于三维空间，可为观看者带来真实的立体空间视觉感受。其中，三维投影技术是采用平行投影及/或透视投影的方式，在二维的平面上投射出物体的三维影像。此技术需要设置多个投影机，并将各个投影机的位置、朝向、视野等配置与显示平面建立关联，从而通过变换投影的方式来实现三维投影。全息投影(holographic projection)技术则是一种能够再现物体三维影像的虚拟成像技术，其是利用光的干涉和衍射原理，记录物体的各个角度的信息，并通过将光投射到特殊材质的透明薄膜或镜片上来形成三维影像。

然而，上述的三维投影和全息投影皆是通过光的投射产生，其投影影像受限于二维平面，因而使得用户的观看视角受到限制，无法实现多人多视角的观看。

发明内容

本公开一实施例的三维成像系统包括悬浮力场产生器、投影模块及控制器。悬浮力场产生器用以产生悬浮力场，使多个散射粒子悬浮并使用以对入射光进行散射的多个散射粒子悬浮并分布于投影平面。投影模块用以投射影像于投影平面。控制器耦接悬浮力场产生器及投影模块，且经配置以控制悬浮力场产生器改变悬浮力场，使散射粒子所分布的投影平面在显示空间中移动，并从由三维立体影像切分出的多张切平面影像中获取符合投影平面位置的切平面影像，而控制投影模块投影所获取的切平面影像至投影平面。

本公开一实施例的三维成像方法适用于包括悬浮力场产生器、投影装置及控制器的三维成像系统。此方法包括下列步骤：控制悬浮力场产生器产生悬浮力场，使多个散射粒子悬浮并分布于投影平面，经由改变悬浮力场，使散射粒子所分布的投影平面在显示空间中移动，以及从由三维立体影像切分出的多张切平面影像中获取符合投影平面的位置的切平面影像，而控制投影装置投影所获取的切平面影像至投影平面。

为让本公开的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。

附图说明

图1是依据本公开一实施例所绘示的三维成像技术的示意图。

图2是依据本公开一实施例所绘示的三维成像系统的方块图。

图3A及图3B是依据本公开一实施例所绘示的三维成像系统的示意图。

图4A是依据本公开一实施例所绘示的扬声器配置图。

图4B及图4C是依据本公开一实施例所绘示的声压分布的侧视图及俯视图。

图5A及图5B是依据本公开一实施例所绘示的三维成像系统的示意图。

图6是依据本公开一实施例所绘示的三维成像系统的示意图。

图7是依照本公开一实施例所绘示的三维成像方法的流程图。

图8A及图8B是依照本公开一实施例所绘示的三维成像系统的应用范例。

【附图中主要元件附图标记说明】

10：物体

12：影像捕获设备

14、P：散射粒子

16、24a、24b、24c、84a、84b：投影装置

20、30a、30b、40、50a、50b、60、80a、80b：三维成像系统

22、22a、22b：悬浮力场产生器

24：投影模块

26：控制器

28：反射装置

29：屏障产生器

40a：模拟声压分布侧视图

40b：模拟声压分布俯视图

42、44：扬声器阵列

46：声场平面

48：高压声场

82a、82b、82c：音波产生器

B：屏障

C：投影平面

C1～Cn：切平面

I1～In：切平面影像

I1’～In’：投影影像

O：展览物品

U：用户

W：透明管壁

S702～S706：步骤

具体实施方式

本公开实施例提出一种三维成像系统，其是利用可对入射光进行散射的粒子作为显示介质，并利用悬浮控制技术在散射粒子周围产生声场、磁场或其他可控制的超距力场，以控制散射粒子在显示空间中来回扫描，形成一高速移动的投影平面，同时将三维物体的切平面影像精准地投射在扫描的投影平面上，使得人眼能够通过视觉暂留而观赏到立体影像。

图1是依据本公开一实施例所绘示的三维成像技术的示意图。请参照图1，本实施例是利用影像捕获设备12扫描物体10以进行三维建模，所述影像捕获设备12例如是照相机、摄影机、红外线传感器、激光传感器等，在此不设限。在一实施例中，可利用全息摄影术(Holography)记录物体10的反射或透射光波的振幅或相位等信息，以重建物体10的不同方位和角度的三维图资影像。在取得三维图资影像之后，即可对物体10的三维图资影像进行二维切平面图像处理，例如是将三维图资影像依切平面C1～Cn的位置切分出切平面影像I1～In，其中n为正整数。而在成像过程中，则可通过在散射粒子14周围产生悬浮力场，以控制散射粒子14在显示空间中来回扫描，形成高速移动的投影平面，同时利用投影装置16将切平面影像I1～In精准地投射在各个投影平面上，而形成投影影像I1’～In’。藉此，人眼能够通过对投影影像I1’～In’的视觉暂留，而观赏到物体10的三维立体影像。

图2是依据本公开一实施例所绘示的三维成像系统的方块图。请参照图2，本实施例的三维成像系统20包括悬浮力场产生器22、投影模块24及控制器26，其功能分述如下：

悬浮力场产生器22例如是可产生声场的扬声器、可产生磁场的永久磁铁、可产生电磁场的电磁铁，或是可产生其他可控制的超距力的装置，在此不设限。

在一些实施例中，悬浮力场产生器22可选择性搭配反射装置以产生或加强其所产生的悬浮力场的效果。此反射装置例如是相对于悬浮力场产生器22而配置，而用以反射悬浮力场产生器22所生成的悬浮力场，使得散射粒子悬浮并分布于悬浮力场产生器22与反射装置之间的投影平面。例如，在使用扬声器发出声场的实施例中，可通过在散射粒子相对于扬声器所在一侧的另一侧配置一反射平面，使其可反射扬声器所发出的声场，而在扬声器与反射平面之间形成驻波，使得散射粒子移动至驻波节点所在的平面而形成投影平面。

在一些实施例中，悬浮力场产生器22可配置在散射粒子的两侧，以形成悬浮力场。例如，在使用电磁铁产生磁场的实施例中，可通过在散射粒子的两侧分别配置电磁铁，并控制这两个电磁铁发出相同极性的磁场，以将散射粒子控制在两个电磁铁之间，并可通过调整个别电磁铁所产生磁场的强度来改变散射粒子的位置。

举例来说，图3A及图3B是依据本公开一实施例所绘示的三维成像系统的示意图。请参照图3A，三维成像系统30a包括悬浮力场产生器22、投影模块24及控制器26。其中，三维成像系统30a可在散射粒子P相对于悬浮力场产生器22所在一侧的另一侧配置反射装置28，用以反射悬浮力场产生器22所产生的悬浮力场，使得散射粒子P悬浮并分布于悬浮力场产生器22与反射装置28之间的投影平面C。请参照图3B，三维成像系统30b包括配置于散射粒子P两侧的悬浮力场产生器22a及22b、投影模块24及控制器26，用以在悬浮力场产生器22a及22b之间形成悬浮力场，使得散射粒子P悬浮并分布于悬浮力场产生器22a及22b之间的投影平面C。

在一些实施例中，三维成像系统20还包括粒子产生器(未绘示)，其可产生极性相同或不同的有机材料粒子、无机材料粒子、水分子、磁性粒子、带电粒子、塑料粒子及高分子材料粒子其中之一或其组合，而作为上述的散射粒子。其中，在产生相同极性的散射粒子的情况下，粒子之间相斥，搭配相同极性的悬浮力场，可进一步使散射粒子均匀地分布在显示空间中。例如，在使用带电荷粒子作为散射粒子的情况下，通过采用相同极性的带电荷粒子，搭配可产生相同极性的电磁场的电磁铁，可有助于电磁场的稳定，达到使带电荷粒子均匀地分布在电磁场的悬浮空间中的效果。

举例来说，在图3B所示的三维成像系统30b中，散射粒子P若为带电荷粒子，悬浮力场产生器22a及22b若是产生与带电荷粒子极性相同的电磁场，则由于上下两端的电磁场与带电荷粒子同极性，将可进一步局限带电荷粒子在垂直方向(即Z轴)上的运动距离，且可降低产生悬浮力场所需要的功率，提高效能。另一方面，由于极性相同的带电荷粒子彼此相斥，粒子间不易聚集变大增加重量，而产生粒子移动缓慢或是坠落的问题，且可增加粒子彼此间的震动，而可提高散射粒子分布呈均匀平面的效果，提高三维成像的影像质量。

在一些实施例中，对散射粒子施加的声场可依据扬声器的特性、悬浮粒子的大小及材质以及显示空间的大小、形状、空气阻力等变因进行建模，以模拟出对扬声器给定不同参数(例如电压)下所产生的声场的声压分布，从而作为控制声场以移动散射粒子的依据。

图4A是依据本公开一实施例所绘示的扬声器配置图，图4B及图4C是依据本公开一实施例所绘示的声压分布的侧视图及俯视图。请参照图4A，三维成像系统40包括彼此相距例如15公分的两个扬声器阵列42、44，各个扬声器阵列42、44例如可包括6×6个扬声器。依据扬声器阵列42、44之间的空间大小，可调整扬声器的参数，以在扬声器阵列42、44之间产生声场平面，并在其外围产生高压声场，可防止悬浮粒子溢散。由图4B所示的模拟声压分布侧视图40a可看出扬声器阵列42、44之间形成一声场平面46，而图4C所示的模拟声压分布俯视图40b可看出扬声器阵列42、44的外围则形成一高压声场48，可防止悬浮粒子溢散。

投影模块24例如是投影机、激光等可于空间中投射出影像的装置。在一些实施例中，投影模块24包括配置于悬浮力场产生器22的周围、中心或散射粒子相对于悬浮力场产生器22所在一侧的另一侧的至少一个投影装置。这些投影装置可将至少一个颜色的影像投射至投影平面或分别投射至投影平面的多个固定区间。

图5A及图5B是依据本公开一实施例所绘示的三维成像系统的示意图。请参照图5A，三维成像系统50a包括配置于散射粒子P两侧的悬浮力场产生器22a及22b、配置在悬浮力场产生器22b周围的投影模块24以及控制器26。其中，控制器26可控制投影模块24投射单色或彩色的影像于投影平面C。请参照图5B，三维成像系统50b包括配置于散射粒子P两侧的悬浮力场产生器22a及22b、配置在悬浮力场产生器22b周围的三个投影装置24a、24b、24c以及控制器26。其中，控制器26可控制投影装置24a、24b、24c分别投射例如红、绿、蓝(R、G、B)的影像于投影平面C，以在投影平面C上形成彩色影像。在其他实施例中，控制器26可依据投影装置24a、24b、24c的特性及位置，控制其投射不同颜色或强度的影像，在此不设限。

在一些实施例中，三维成像系统20还包括屏障产生器(未绘示)，其可在显示空间的周围产生屏障，以限制散射粒子于显示空间内移动。所述的屏障例如是由力场(例如声场、磁场、气场)组成，或是由流体或固体材料(例如玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯等透明固态物体)组成，而可限制散射粒子在所屏障的空间内运动并抑制散射粒子扩散。

举例来说，图6是依据本公开一实施例所绘示的三维成像系统的示意图。请参照图6，三维成像系统60包括配置于散射粒子P两侧的悬浮力场产生器22a及22b、配置在悬浮力场产生器22b周围的投影装置24以及控制器26。此外，三维成像系统60还包括配置在悬浮力场产生器22b周围的屏障产生器29，其可针对悬浮力场产生器22a及22b之间的显示空间周围产生屏障B，以抑制散射粒子由显示空间向外扩散。

控制器26耦接悬浮力场产生器22及投影模块24，其例如是中央处理器(CentralProcessing Unit，CPU)、微控制器(Microcontroller unit，MCU)、微处理器(Microprocessor)、可编程控制器、专用集成电路(Application Specific IntegratedCircuits，ASIC)、可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller，PLC)或其他类似装置或这些装置的组合，而可加载并执行计算机程序，以执行本公开实施例的三维成像方法。

图7是依照本公开一实施例所绘示的三维成像方法的流程图。请同时参照图2及图7，本实施例的方法适用于上述的三维成像系统20，以下即搭配三维成像系统20的各项组件说明本实施例的三维成像方法的详细步骤。

在步骤S702中，控制器26控制悬浮力场产生器22产生悬浮力场，使散射粒子悬浮并分布于投影平面，并改变悬浮力场，使散射粒子所分布的投影平面在显示空间中移动。其中，控制器26例如是控制悬浮力场产生器22改变所产生的声场、磁场等悬浮力场，以推动散射粒子，从而使得由散射粒子形成的投影平面在显示空间中移动。

在步骤S704中，控制器26从由三维立体影像切分出的多张切平面影像中获取符合投影平面的位置的切平面影像。其中，所述的三维立体影像例如是预先针对目标物体进行扫描及三维建模所取得的三维图资影像或是以计算机绘图的方式所绘制出的三维立体影像，本实施例不限制三维立体影像的取得及产生方式。为了在显示空间中重建出物体的三维立体影像，控制器26例如是将三维立体影像以预定间隔切分为多张切平面影像，从而在移动(由散射粒子所形成的)投影平面的过程中，能够依据投影平面的所在位置，获取对应位置的切平面影像，以供投影模块24投射。

在步骤S706中，控制器26控制投影模块24投影所获取的切平面影像至投影平面。在一些实施例中，控制器26可控制单一个投影装置，例如控制焦平面或焦深，以投影单一颜色或彩色的影像至投影平面。在一些实施例中，控制器26可控制多个投影装置分别投影不同颜色的影像至投影平面，例如分别投影红、绿、蓝影像，以组成彩色影像。在一些实施例中，控制器26可控制多个投影装置将单一颜色或彩色的影像分别投射至投影平面上的多个固定区间，以组成完整的影像。本公开不限制于上述的投影方式。

通过上述方法，本公开实施例的三维成像系统20可提供全视角的立体影像，且所产生的立体影像符合真实空间维度，而可供多人共同观看，在一些实施例中，三维成像系统20可依需要应用至不同场景中。

图8A及图8B是依照本公开一实施例所绘示的三维成像系统的应用范例。请参照图8A，三维成像系统80a可由高功率的音波产生器82a、82b及封闭性的透明管壁W组成，通过控制音波产生器82a、82b所产生声场的驻波在垂直(Z轴)方向上扫描，以推动散射粒子P形成快速移动的投影平面C，同时通过配置于下方中心位置的投影装置84a，将垂直方向上不同位置的切平面影像投射至移动中的投影平面C，藉此可产生物体的三维立体影像。此三维成像系统80a可例如用以投影立体人像以作为私人助理，或可投影三维物体以作为视频通话或会议讨论的目标。

请参照图8B，三维成像系统80b是由高功率的音波产生器82c及封闭性的透明管壁W组成，通过控制音波产生器82c所产生声场的驻波在垂直(Z轴)方向上扫描，以推动散射粒子P形成快速移动的投影平面C，同时通过配置于上方中心位置的投影装置84b，将垂直方向上不同位置的切平面影像投射至移动中的投影平面C，藉此可产生物体的三维立体影像。此三维成像系统80b可例如用以投影展览物品O，以供用户U观赏。

本公开实施例的三维成像系统及方法，运用可散射光线的粒子作为投影介质，通过悬浮力场控制散射粒子悬浮及运动，以产生快速移动的投影平面，搭配投影装置精确地将三维物体的切平面影像投射至移动中的投影平面，而可使观看者通过视觉暂留观赏到全视角且符合真实空间维度的三维立体影像。

虽然本公开已以实施例揭示如上，然其并非用以限定本公开，任何本领域技术人员，在不脱离本公开的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本公开的保护范围当视后附的权利要求及其均等范围所界定的为准。

Claims (15)

1.一种三维成像系统，包括：

悬浮力场产生器，产生悬浮力场，使多个散射粒子悬浮并分布于投影平面，所述散射粒子对入射光进行散射，其中所述悬浮力场产生器包括配置于散射粒子的相对两侧的扬声器阵列、永久磁铁或电磁铁；

投影模块，投射影像于所述投影平面；以及

控制器，耦接所述悬浮力场产生器及所述投影模块，经配置以：

控制所述悬浮力场产生器改变所述悬浮力场，使所述散射粒子所分布的所述投影平面在显示空间中移动，其中包括依据所述显示空间的大小，调整所述扬声器阵列中的各个扬声器、所述永久磁铁或所述电磁铁的参数，以在所述显示空间中产生用以控制所述散射粒子分布的所述投影平面的悬浮力场平面，且在所述显示空间的外围产生屏障，以限制所述散射粒子于所述显示空间内移动；

从由三维立体影像切分出的多张切平面影像中获取符合所述投影平面的位置的切平面影像；以及

控制所述投影模块投影所获取的所述切平面影像至所述投影平面。

2.根据权利要求1所述的三维成像系统，还包括：

反射装置，相对于所述悬浮力场产生器而配置，反射所述悬浮力场产生器所产生的所述悬浮力场，使得所述散射粒子悬浮并分布于所述悬浮力场产生器与所述反射装置之间的所述投影平面。

3.根据权利要求1所述的三维成像系统，其中所述散射粒子包括极性相同或不同的有机材料粒子、无机材料粒子、水分子、磁性粒子、带电粒子、塑料粒子及高分子材料粒子其中之一或其组合。

4.根据权利要求1所述的三维成像系统，其中所述散射粒子具有相同极性。

5.根据权利要求1所述的三维成像系统，其中所述投影模块包括配置于所述悬浮力场产生器的周围、中心或所述散射粒子相对于所述悬浮力场产生器所在一侧的另一侧的至少一投影装置。

6.根据权利要求5所述的三维成像系统，其中所述至少一投影装置包括将至少一颜色的所述影像投射至所述投影平面或分别投射至所述投影平面的多个固定区间。

7.根据权利要求1所述的三维成像系统，其中所述控制器还依据所述扬声器阵列中的各个所述扬声器的特征、所述散射粒子的大小及材质以及所述显示空间的大小、形状、空气阻力汇总的至少一者进行建模，以模拟对所述扬声器给定不同的所述参数下所产生的声场的声压分布，而用以作为控制所述声场以移动所述散射粒子的依据。

8.根据权利要求1所述的三维成像系统，还包括：

屏障产生器，在所述显示空间的周围产生屏障，以限制所述散射粒子于所述显示空间内移动。

9.根据权利要求1所述的三维成像系统，还包括：

粒子产生器，产生所述散射粒子并喷射所述散射粒子至所述显示空间。

10.一种三维成像方法，适用于包括悬浮力场产生器、投影模块及控制器的三维成像系统，其中所述悬浮力场产生器配置于多个散射粒子的相对两侧的扬声器阵列、永久磁铁或电磁铁，所述方法包括下列步骤：

控制所述悬浮力场产生器产生悬浮力场，使所述散射粒子悬浮并分布于投影平面，经由改变所述悬浮力场，使所述散射粒子所分布的所述投影平面在显示空间中移动，其中包括依据所述显示空间的大小，调整所述扬声器阵列中的各个扬声器、所述永久磁铁或所述电磁铁的参数，以在所述显示空间中产生用以控制所述散射粒子分布的所述投影平面的悬浮力场平面，且在所述显示空间的外围产生屏障，以限制所述散射粒子于所述显示空间内移动；

从由三维立体影像切分出的多张切平面影像中获取符合所述投影平面的位置的切平面影像；以及

控制所述投影模块投影所获取的所述切平面影像至所述投影平面。

11.根据权利要求10所述的三维成像方法，其中所述投影模块包括配置于所述悬浮力场产生器的周围、中心或所述散射粒子相对于所述悬浮力场产生器所在一侧的另一侧的至少一投影装置，所述方法还包括：

所述控制器控制所述至少一投影装置将至少一颜色的所述影像投射至所述投影平面或分别投射至所述投影平面的多个固定区间。

12.根据权利要求10所述的三维成像方法，其中所述三维成像系统还包括屏障产生器，所述方法还包括：

所述控制器控制所述屏障产生器在所述显示空间的周围产生屏障，以限制所述散射粒子于所述显示空间内移动。

13.根据权利要求10所述的三维成像方法，其中所述散射粒子包括极性相同或不同的有机材料粒子、无机材料粒子、水分子、磁性粒子、带电粒子、塑料粒子及高分子材料粒子其中之一或其组合。

14.根据权利要求10所述的三维成像方法，其中所述散射粒子具有相同极性。

15.根据权利要求10所述的三维成像方法，还包括：

依据所述扬声器阵列中的各个所述扬声器的特征、所述散射粒子的大小及材质以及所述显示空间的大小、形状、空气阻力汇总的至少一者进行建模，以模拟对所述扬声器给定不同的所述参数下所产生的声场的声压分布，而用以作为控制所述声场以移动所述散射粒子的依据。

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