CN115185150A - 一种基于声悬浮的裸眼3d和裸眼vr系统以及实现方法 - Google Patents

一种基于声悬浮的裸眼3d和裸眼vr系统以及实现方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及虚拟现实技术领域，公开了一种基于声悬浮的裸眼3D和裸眼VR系统以及实现方法，该系统包括平面反射式声源/超声换能阵列、声源阵列控制器、全息微粒发生器、全息微粒凝聚层、裸眼3D显示系统、环绕立体声扬声器、识别及动作感应器、超声波触感发生器以及反射面，全息微粒发生器由超声波雾化器、一个或多个工质储存器、小风扇、整流器及送风口组成，工质储存器储存一种或多种充分粉碎全息幕材料形成全息微粒，全息微粒直径零点零一～零点零二μm，混合溶剂采用乙醇溶剂形成全息工质，通过不同的工质及混合比例，用于动态适应光照环境。

Description

一种基于声悬浮的裸眼3D和裸眼VR系统以及实现方法
技术领域
本发明涉及虚拟现实技术领域，具体涉及一种基于声悬浮的裸眼3D和裸眼VR系统以及实现方法。
背景技术
目前的头戴式VR，不适宜长时间佩戴，裸眼VR是发展趋势。
裸眼3D技术，主要是利用人眼之间产生的视觉误差，来打造有空间、有深度的裸眼3D效果。在裸眼3D基础上，增加头部动作感应器、手部动作及触感感应器、身体动作感应器、环绕立体声扬声器等，可实现裸眼VR。
裸眼VR和全息投影技术类似，但应用需求有些不同。裸眼VR要求有沉浸感，观看距离近、视像分辨要求高。
目前裸眼VR主要采用全息幕投影、集成成像显示、光场三维显示等技术。
基于光学棱镜阵列的集成成像显示，观察视角小、成像尺寸小、结构复杂、成本高。
光场三维显示可以记录和重构出三维物体上各个点元向各个方向发出的光线，但成本较高，系统较庞大，难以民用化。
全息幕目前应用最广泛。透光率可达约97％，对激光投影特定波长的红绿蓝光，入射角45度时有较好的反射率约20％。既可让其他可见光通过，又能反射投影激光显示图像。(中国发明专利CN 10527184 A)。但最佳可视角度相对固定，调试复杂、成本高、不易于推广。
另外，人们对于相同的固定视差的立体视影像却有着不同的识别程度，每个人对于相同视差的虚拟立体视影像的凹凸感是千差万别的，这就说明不同个体的双眼立体视功能整合能力不相同。当观看距离近时，个体差异引起的问题比较明显，为此我们提出了一种基于声悬浮的裸眼3D和裸眼VR系统以及实现方法。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提一种基于声悬浮的裸眼3D和裸眼VR系统以及实现方法，以解决上述的问题。
(二)技术方案
为实现上述所述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于声悬浮的裸眼3D和裸眼VR系统，包括平面反射式声源/超声换能阵列、声源阵列控制器、全息微粒发生器、全息微粒凝聚层、裸眼3D显示系统、环绕立体声扬声器、识别及动作感应器、超声波触感发生器以及反射面，全息微粒发生器由超声波雾化器、一个或多个工质储存器、小风扇、整流器及送风口组成，工质储存器储存一种或多种充分粉碎全息幕材料形成全息微粒，全息微粒直径零点零一～零点零二μm，混合溶剂采用乙醇溶剂形成全息工质，通过不同的工质及混合比例，用于动态适应光照环境。
优选的，裸眼3D显示系统由多个微型激光投影模块以及空间光调制器组成。
优选的，识别及动作感应器集成人像面部识别传感器、头部动作感应器、手部动作感应器、身体动作感应器组成。
一种基于声悬浮的裸眼3D和裸眼VR的实现方法，包括以下步骤：
第一步：由全息微粒发生器中的工质储存器形成全息微粒气溶胶，然后输送到工作空间；
工质储存器存储一种或多种全息微粒工质，通过不同的工质及混合比例，用于动态适应光照环境，通过超声波雾化器，对工质储存器存储一种或多种全息微粒工质雾化形成全息微粒气溶胶，并通过小风扇、整流器及送风口，送到工作空间。
第二步：声源阵列控制器根据操作指令，对平面反射式声源/超声换能阵列，加载不同的相位波形、频率、电压和输出功率，形成所需形状的复合声场声压层；
第三步：基于全息微粒气溶胶环境以及声压层的影响下，凝聚出所需的全息微粒层；
第四步：根据需要通过复合声场动态调整声压层，动态调整凝聚的全息微粒层厚度、范围大小，调整后的全息微粒层厚度将作为全息投影的动态的全息幕；
第五步：往全息微粒气溶胶环境中补充全息微粒保持稳定性；
所述第五步中稳定性的保持内容如下：不断往全息微粒气溶胶环境中补充全息微粒，利用重力或梯度的声压层，补充到凝聚全息微粒层，使全息微粒补充速率，大于等于凝聚全息微粒层的全息微粒逸散速率，从而使凝聚全息微粒层保持长时间的动态稳定性。
第六步：裸眼3D显示系统通过动态的全息幕，投影反射显示给观众，同时环绕立体声扬声器给用户发出环绕立体音响，同时调整三维视差，以及对用户的动作做出及时响应。
通过识别及动作感应器中的人像面部识别传感器，自动调整角度，适应个体不同的三维视差，通过识别及动作感应器中的头部动作感应器、手部动作感应器、身体动作感应器，对用户的动作做出及时响应。
(三)有益效果
与现有技术相比，本发明提供的基于声悬浮的裸眼3D和裸眼VR系统以及实现方法，具备以下有益效果：
1、该基于声悬浮的裸眼3D和裸眼VR系统以及实现方法，本发明基于平面反射式声悬浮技术，动态凝聚出全息微粒层，可随时在一定范围内调整形状，激光投影的范围大小、倾斜角度、观众的可视角度，都可随之做一定程度的变化，可较好的实现动态全息幕的效果。
2、该基于声悬浮的裸眼3D和裸眼VR系统以及实现方法，本发明应用于裸眼VR时，可自动调整最佳可视角度、最佳可视范围，适应个体不同3维视差。
3、该基于声悬浮的裸眼3D和裸眼VR系统以及实现方法，本发明采用的全息材料微粒，可以采用不同的工质及混合比例，可实现对暗光照环境、强光照环境的动态适应。
4、该基于声悬浮的裸眼3D和裸眼VR系统以及实现方法，本发明基于平面反射式声悬浮技术，声悬浮阵列本质上只不过是一堆喇叭/换能器和控制芯片，结构简单，便于与迅速发展的微型投影仪模块集成，产业成熟后，成本低，容易实现大规模推广普及。
5、该基于声悬浮的裸眼3D和裸眼VR系统以及实现方法，本发明的动态全息幕，通过加速度补偿，应用于汽车、飞机、船舶等不稳定的场合，比固定全息幕图像更稳定。
6、该基于声悬浮的裸眼3D和裸眼VR系统以及实现方法，本发明基于声悬浮技术，控制成熟后，全息微粒可以通过声悬浮阵列展开和回收，工质损耗小。
附图说明
图1为本发明实施例裸眼3D和裸眼VR系统的结构及原理示意图。
图中：1、平面反射式声源/超声换能阵列；2、声源阵列控制器；3、全息微粒发生器；4、全息微粒凝聚层；5、裸眼3D显示系统；6、环绕立体声扬声器；7、识别及动作感应器；8、超声波触感发生器；9、反射面。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
请参阅图1，本发明实施例提供的基于声悬浮的裸眼3D和裸眼VR系统，其包括平面反射式声源/超声换能阵列1、声源阵列控制器2、全息微粒发生器3、全息微粒凝聚层4、裸眼3D显示系统5、环绕立体声扬声器6、识别及动作感应器7、超声波触感发生器8以及反射面9，全息微粒发生器3由超声波雾化器、一个或多个工质储存器、小风扇、整流器及送风口组成，工质储存器储存一种或多种充分粉碎全息幕材料形成全息微粒，全息微粒直径零点零一～零点零二μm，混合溶剂采用乙醇溶剂形成全息工质，通过不同的工质及混合比例，用于动态适应光照环境。
所述的全息微粒发生器3、裸眼3D显示系统5均由多个微型激光投影模块以及空间光调制器组成。
所述识别及动作感应器7由人像面部识别传感器、头部动作感应器、手部动作感应器、身体动作感应器组成。
一种基于声悬浮的裸眼3D和裸眼VR的实现方法，包括以下步骤：
(1)全息微粒发生器由超声波雾化器、一个或多个工质储存器、小风扇、整流器及送风口组成。工质储存器储存一种或多种充分粉碎全息幕材料形成全息微粒(直径0.01～0.02μm)，混合溶剂(采用乙醇溶剂)形成全息工质。通过不同的工质及混合比例，用于动态适应光照环境；
气溶胶是指悬浮在气体介质中的固态或液态颗粒所组成的气态分散系统。气溶胶颗粒大小通常在0.01～10μm之间。气溶胶颗粒可以在空气中悬浮较长时间。基于超声波雾化技术，对全息工质在2.3MHz雾化频率得到的全息微粒粒子粒径为10～20nm，即0.01～0.02μm。也就是说，超声波雾化技术，能形成全息微粒气溶胶。超声波雾器化形成全息微粒气溶胶，通过小风扇、整流器及送风口，送到工作空间。
(2)声源阵列控制器根据操作指令，对平面反射式声源/超声换能阵列，加载不同的相位波形、频率、梯度电压和输出功率，形成单斜面、双斜面、圆斜面等所需形状的复合声场声压层。
(3)在全息微粒气溶胶环境中，在前述声压层的影响下，会出现全息微粒凝聚现象。对不同质量大小和密度的全息微粒气溶胶环境，通过动态声压层，能凝聚出多种全息投影所需形状的全息微粒层。
(4)一般的全息膜，全息显示层的厚度为5～50μm(中国发明专利CN 214311313U)。可以根据需要，通过复合声场动态调整声压层，动态调整凝聚的全息微粒层厚度。
(5)凝聚的全息微粒层，将作为全息投影的光路载体，即动态的全息幕。
(6)对不同质量大小和密度的全息膜微粒，对声源阵列不同的控制频率、相位、输出功率等因素之下，前述的凝聚全息微粒层，都会存在一定的全息微粒逸散现象。为了保持光学稳定性，需不断往全息微粒气溶胶环境中补充全息微粒，利用重力或梯度的声压层，补充到凝聚全息微粒层，使全息微粒补充速率，大于等于凝聚全息微粒层的全息微粒逸散速率，从而使凝聚全息微粒层保持长时间的动态稳定性。
(7)裸眼3D显示系统(包括多个微型激光投影模块、空间光调制器等)，通过动态的全息幕，投影反射显示给观众。同时，环绕立体声扬声器给用户发出环绕立体音响。
(8)由于光速与空气中的声速，速度差异巨大，全息微粒的小范围流动，对光的传播路径，基本可以忽略不计。
(9)光通过全息微粒层的反射效果，主要取决于入射角、全息微粒层的厚度。
(10)在理想情况下，如果输入的功率梯度及相位等控制方式不变，声源阵列输出的特定形状的声压层，能保持稳定。声压层凝聚的全息微粒层，尽可能与入射光源、观看者都形成45度角，保持最佳的反射率。
(11)系统可通过人像面部识别，根据系统记忆的每个人不同的3维视差，自动调整最佳可视角度、最佳可视范围，适应个体不同3维视差，给不同用户近距离观看时更好的体验。
(12)系统通过头部动作感应器、手部动作感应器、身体动作感应器，对用户的动作做出及时响应。
(13)以后，当超声波触感技术成熟后，系统可通过超声波触感发生器，对用户的手、臂、腿等，给予触感的反馈。同时，全息微粒发生器中的超声波雾化器、平面反射式声源/超声换能阵列、超声波触感发生器，可共用驱动电路，降低整体成本。
对本发明进行模拟测试例：
本测试例采用COMSOL有限元分析等软件，按照上述的Gor’kov声辐射力理论计算方法，对单面反射式声源阵列的N个超声换能器阵元生成的声压相互叠加生成的复合声场声压进行模拟仿真计算，验证了本发明基于平面反射式声悬浮技术，动态凝聚出全息微粒层，可随时在一定范围内调整形状，激光投影的范围大小、倾斜角度、观众的可视角度，都可随之做一定程度的变化，可较好的实现动态全息幕的效果。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.一种基于声悬浮的裸眼3D和裸眼VR系统，其特征在于，包括平面反射式声源/超声换能阵列(1)、声源阵列控制器(2)、全息微粒发生器(3)、全息微粒凝聚层(4)、裸眼3D显示系统(5)、环绕立体声扬声器(6)、识别及动作感应器(7)、超声波触感发生器(8)以及反射面(9)，全息微粒发生器(3)由超声波雾化器、一个或多个工质储存器、小风扇、整流器及送风口组成，工质储存器储存一种或多种充分粉碎全息幕材料形成全息微粒，全息微粒直径零点零一～零点零二μm；
所述的裸眼3D显示系统(5)由多个微型激光投影模块以及空间光调制器组成；
所述的识别及动作感应器(7)集成了人像面部识别传感器、头部动作感应器、手部动作感应器、身体动作感应器。
2.一种基于声悬浮的裸眼3D和裸眼VR的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步：由全息微粒发生器(3)中的工质储存器形成全息微粒气溶胶，然后输送到工作空间；
第二步：声源阵列控制器(2)根据操作指令，对平面反射式声源/超声换能阵列(1)，加载不同的相位波形、频率、电压和输出功率，形成所需形状的复合声场声压层；
第三步：基于全息微粒气溶胶环境以及声压层的影响下，凝聚出所需的全息微粒层；
第四步：根据需要通过复合声场动态调整声压层，动态调整凝聚的全息微粒层厚度、范围大小，调整后的全息微粒层厚度将作为全息投影的动态的全息幕；
第五步：往全息微粒气溶胶环境中补充全息微粒保持稳定性；
所述第五步中稳定性的保持内容如下：不断往全息微粒气溶胶环境中补充全息微粒，利用重力或梯度的声压层，补充到凝聚全息微粒层，使全息微粒补充速率，大于等于凝聚全息微粒层的全息微粒逸散速率，从而使凝聚全息微粒层保持长时间的动态稳定性。
第六步：裸眼3D显示系统(5)通过动态的全息幕，投影反射显示给观众，同时环绕立体声扬声器(6)给用户发出环绕立体音响，同时调整三维视差，以及对用户的动作做出及时响应。
3.根据权利要求2所述的基于声悬浮的裸眼3D和裸眼VR的实现方法，其特征在于：所述第一步中工质储存器存储一种或多种全息微粒工质，通过不同的工质及混合比例，用于动态适应光照环境，通过超声波雾化器，对工质储存器存储一种或多种全息微粒工质雾化形成全息微粒气溶胶，并通过小风扇、整流器及送风口，送到工作空间。
4.根据权利要求2所述的基于声悬浮的裸眼3D和裸眼VR的实现方法，其特征在于：所述第六步中通过识别及动作感应器(7)中的人像面部识别传感器，自动调整角度，适应个体不同的三维视差，通过识别及动作感应器(7)中的头部动作感应器、手部动作感应器、身体动作感应器，对用户的动作做出及时响应。
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