CN117666124A - 个人真三维计算和系统 - Google Patents

Abstract

该发明的系统和方法是为了在眼镜装置上产生和显示出体三维图形图像，或真三维图形图像。该系统称之为个人真三维计算系统。个人真三维计算主要涉及真三维显示器和眼镜显示器领域，是一种个人真三维显示和计算技术。该技术是基于眼镜式（或者头戴式）多焦距的真三维显示的系统和方法。理论上真三维的显示分辨率规模和计算复杂度是普通二维显示的百万倍级别，现阶段不现实。但是“个人真三维显示技术”可以用常数倍的计算代价，逼近真三维显示的效果，具有实际应用价值。

Description

个人真三维计算和系统

技术领域

本发明主要涉及三维(3D)显示器和眼镜显示器领域。更具体地，本发明涉及基于眼镜式(或者头盔式)真三维(True 3D)显示的系统和方法，其中真三维也被称之为体三维(Volumetric 3D)。适合于个人真三维计算系统应用主要是虚拟现实内容的计算和显示。

背景技术

目前三维(3D)显示技术主要三种：立体三维显示(Stereo 3D),体三维显示(Volumetric 3D),全息三维显示(Holographic 3D)。眼镜式(或者头盔式)显示器主要有立体眼镜显示器和透视型眼镜显示器。

全息显示技术能够完整地再现物体的波光场的振幅和位相信息，所以再现影像与原物体有着完全相同的三维特性。从这种意义上来说，全息像才是真正的三维像。其代表了立体显示技术的未来发展方向。但由于太大的海量数据传输和存储，全息动态显示在目前的技术水平上还不现实。

类似于立体声是基于人的双耳双声道立体听觉原理，立体三维显示是基于人的双目双画面的立体视觉原理。借助于眼镜或者斜光栅屏幕的立体三维显示能提供有限的三维视觉，但人眼在观察时，画面没有真实的景深，聚焦和调节不能匹配，长时间观看容易疲劳。立体三维显示在技术实现和显示效果上都有实际意义，目前已经开始了市场推广，用于立体电视和计算机立体显示器。

体三维显示技术在真实的三维空间显示，也被称之为一种真三维，是一种直接可视、全角度可视、真实景深可视和多人可视的三维空间显示技术。在技术实现和显示效果上都比较有优势。但是，目前基于旋转屏的真三维显示技术也有局限性，主要是由于需要高速旋转，屏幕尺寸和重量不能太大；另外由于是空间显示，效果是一种透明的或半透明的图像，不适合通用显示场合。因此，真三维显示技术比较适合于一些专用场合，例如透视图像的显示，气体和液体图像的显示。这些专用场合应用最好是：图形处理中的粒子系统计算，空气动力学和流体力学等物理模拟，气象分析、地球系统模拟，太空模拟，医学成像中的三维透视图像处理，空中交通控制等领域。

自上世纪40年代起，发明家们在真三维显示方面已经做出了重大的努力。如以下部分基于旋转屏的真三维显示技术的相关专利记录：

1940,usa2189374,Apparatus For Forming Three Dimensional Images

1961,usa2967905,Three Dimensional Display Apparatus

1964,usa3140415,Three-Dimensional Display Cathode Ray Tube

1965,usa3204238,Cathode Ray Tube For Three-Dimensional Presentations

1997,usa5703606，Three dimensional display system

2003，usa6554430，Volumetric three-dimensional display system

2007，cn200710107887，基于多投影机旋转屏的体三维显示系统

2008，cn200810114457，基于多投影机旋转屏三维影像可触摸的真三维显示方法

2007，200710097985.4，幻影成像装置

2006，200620173196.5，全息幻影成像装置

2012，201220098480.6，一种全息幻影成像装置

2013，201210593038.5，多模式混合投影的真三维显示系统

2021，2021111603093，多变焦虚拟现实显示器

现有比较成熟的真三维显示技术包括：基于美国德州仪器的数字微镜器件(DMD)的投影机，投影到旋转盘屏幕上实现一种球体或圆柱体的真三维显示(现实系统公司，Actuality System Inc.)。该技术已经形成商用产品，有了市场和销售。

现实系统公司这种显示技术是基于单投影机旋转屏的体三维显示装置。所使用的基于DMD技术的三片式投影机的帧频可以达到5KHz，体像素达到100M(一亿多体像素)，体刷新率25Hz。体分辨率目前达到768×768×198，是其中二维分辨率是768×768，旋转角度分辨率是198。单投影机帧频与旋转角度分辨率和体刷新率关系是：

单投影机帧频＝旋转角度分辨率x体刷新率

由于受到投影机帧频5KHz的限制，体分辨率特别是旋转角度分辨率很难进一步提高。单投影机的DMD芯片长时间处于强光照射下的发热问题导致照明光源的功率受到限制，显示图像的亮度也受到了限制。更严重的是数据量和处理器的运算量都成三次方或更高地增长，而且芯片处理器过于集中，难以实现实时动态处理和实时动态的真三维显示。

北京理工大学的发明提供了一种基于多投影机旋转屏的体三维显示系统，包括：一旋转屏；图像处理装置，在柱坐标系中将三维物体模型分解成一系列多角度的二维图像并传送给各个投影机的数据处理单元；多台投影机沿旋转屏周围固定摆放，将对应角度的一个二维图像同步投影在一个旋转屏幕上，从而重构出与真实物体相似的三维图像。

基于多投影机旋转屏的体三维显示系统，投影机的帧频等于体刷新频率，如25Hz。对于双面投影的单屏幕，投影机的帧频两倍于体刷新频率，如50Hz。目前体像素可以达到100M(一亿多体像素)以上。体分辨率可以达到1024×768×150或更高，是其中二维分辨率是1024×768，旋转角度分辨率是150或更高。多投影机帧频与旋转角度分辨率可以没有关系：

多投影机帧频＝体刷新率由于不受投影机帧频(很小)的限制，体分辨率特别是旋转角度分辨率可以进一步提高。多投影机可以采用一般投影芯片，平均功耗和亮度等性能上都具有潜力。特别是数据量和处理器的运算量都可以分布在多模块上，比较容易实现实时动态处理和实时动态的真三维显示。所以，基于多投影机旋转屏的真三维显示的系统和方法在性能上将具有明显优势。

基于多投影机旋转屏的体三维显示系统还可以分为两类：采用旋转式集中光源的和采用分布式脉冲光源。采用旋转式集中光源时，多投影机依靠机械运动和光的传导共享一个光源分时曝光。北京理工大学的发明采用了旋转式集中光源，特点是有利于提高光的效率和强度，但是旋转式集中光源增加了旋转部件的体积和重量，影响屏幕的高速旋转。采用分布式脉冲光源时，可以应用LED光源，利用脉冲电路电源控制LED光源曝光。体三维显示是三维显示技术的一类，它产生空间体积填实的图像。通常情况下，不需要额外的眼镜，它们产生的图像就是三维的。应用视觉暂留原理，集合旋转表面扫描体在不同时空位置形成的图像片，可以让观众看看到一个体积填充的三维图像，就是体三维显示技术，也叫“真三维”显示技术。

中国科学院自动化研究所发明公开了一种多模式混合投影的真三维显示系统，包括成像引擎、光学投影系统、机械和电子模块、多模式混合旋转屏，所述成像引擎用于产生切片图像序列的投影光；所述光学投影系统用于接收来由成像引擎产生的切片图像序列的投影光，并将其投影到多模式混合屏上；所述机械和电子模块用于控制所述多模式混合旋转屏幕的旋转运动；所述多模式混合旋转屏包括一个定向反射屏和一个螺旋屏，该定向反射屏用于生成光场三维图像，该螺旋屏用于生成真三维体扫描图像。本发明将多种三维显示模式有机地融合到一个集成的显示系统中，利用切换控制技术，凸显各种显示模式的优异性能，弥补各自的不足，从而形成一种崭新的真三维显示系统。

头戴虚拟显示器,又称眼镜式显示器。因为眼镜式显示器外形象眼镜，同时专为大屏幕显示音视频播放器的视频图像的时专为大屏幕显示音视频播放器的视频图像的，所以形象的称呼其为视频眼镜(video glasses)。目前市面目前市面上的几乎都是虚拟视频眼镜，也就是显示的图像比实际显示屏大。其特征：接收各种多媒体设备输出之视频信号，并以大屏幕形式呈现于观者眼前。

视频眼镜最初是军事上需求和应用于军事上的。最初为了显示器的方便携带和观看。后来随着发展加入了透镜以显示虚拟大图像和向轻便型头戴式发展。在民品商业化上最先做出成绩的是索尼和奥林巴斯，他们先后推出真正民品商业化的视频眼镜。

主要有两种视频眼镜：

第一是非透明的视频眼镜，又分头盔式、眼镜式、佩戴式等。出品这种眼镜的厂商有尼康， SONYS，奥林巴斯，卡尔蔡司cinemizer等等。在国内还有深圳亿思达、力伟、尊显视界，上海爱视代iTheater，长虹，等等。

第二是透明式视频眼镜，象普通的眼镜一样既可以看路又可以看视频，现在该类产品多使用LED技术投影实现，在观看上受到周围环境的干扰不如第一种方式，国内有成都双信电子。

技术上来看：第一是显示屏是TFT-LCD的这种技术已经被iTheater爱视代，傅氏，kopin公司等普遍采用，其优点是技术成熟；第二是显示屏是LCOS的力伟，晶奇等，该技术是针对小尺寸高分辨率的新型液晶技术，是在各方面考虑最均衡的技术；第三是显示屏是最先进的OLED的，使用该技术的有iTheater爱视代，dreamax，eMagin，nikon等，该技术的发展潜力巨大。第四是TI的DLP技术。第五是激光技术，目前处于领先地位。其中， OLED和DLP技术具有高速显示功能，为真三维显示系统提供了技术基础。

最近出现了谷歌眼镜，这款眼镜实际上就是微型投影仪+摄像头+传感器+存储传输+操控设备的结合体。右眼的小镜片上包括一个微型投影仪和一个摄像头，投影仪用以显示数据，摄像头用来拍摄视频与图像，存储传输模块用于存储与输出数据，而操控设备可通过语音、触控和自动三种模式控制。微型投影仪先是将图像光源投到一块半透半反射屏上，而后折射到人体眼球，实现虚拟图像和现实图像的合成，在人眼前形成一个足够大的虚拟屏幕，可以显示简单的文本信息和各种数据，同时也可以看到眼前的实物景象。

发明内容

概要

该发明的系统和方法是为了在眼镜装置上产生和显示出体三维图形图像，或真三维图形图像。该系统称之为个人真三维计算系统。

个人真三维计算主要涉及真三维显示器和眼镜显示器领域，是一种个人真三维显示和计算技术。该技术是基于眼镜式(或者头戴式)多焦距的真三维显示的系统和方法。

理论上真三维的显示分辨率规模和计算复杂度是普通二维显示的百万倍级别，现阶段不现实。但是“个人真三维显示技术”可以用常数倍的代价，逼近真三维显示的效果，具有实际应用价值。

主要根据是，个人真三维显示只需要显示标量像素，例如常数的RGB参数。其次是人的视觉对距离分辨率敏感低，不同焦距的多平面显示能够逼近真三维显示。

主要应用有：虚拟现实和增强现实内容的显示，三维空间图形图像的显示。

一个或多个发明的实施方案，详情载于所附的图纸规定和下面的详细说明。其他特点，对象和发明优势将从权利要求和说明书和附图中得到阐述。

详细描述

本发明的个人真三维计算系统包括：个人观察者11、个人观察者佩戴的双变焦距虚拟现实眼镜显示器19、二维显示平面12，13，14。二维显示平面的数据由真三维系统24数据中采样和计算产生。

如图1所示，个人真三维计算系统10包括：个人观察者11、个人观察者佩戴的双变焦距或者多变焦虚拟现实眼镜显示器19、二维显示平面12，13，14。多个不同焦距的二维显示平面分别处于近景，中景和远景。

如图2所示，真三维显示体24由多个显示平面23组成，显示平面23由多个显示像素P 22 组成。例如，一个真三维显示体24由一千个(1k)显示平面23组成，每一个显示平面23由1k乘以1k个显示像素P22组成。显示像素P22是一个矢量，像素朝不同方向发出不同量的显示光线。不同观察者21处于不同位置看到不同的真三维图像。如果显示像素P 22具有 1k个矢量，则总计算复杂度可以是k的四次方，k⁴。一般二维平面的计算复杂度只有k²。

如图3所示，观察者佩戴的一个双眼双变焦虚拟现实眼镜显示器系统30包括：两个单眼双变焦虚拟现实眼镜显示器系统，其中每一个单眼双变焦虚拟现实眼镜显示器系统有两个平面显示器35a，35b、变焦透镜组34a，34b、平面半透半反射镜33等几部分；其特点是两个平面显示器35a和35b显示的图像光源通过变焦透镜组34a和34b与平面半透半反射镜33合成映射到眼球31，眼球31看到的是两幅不同焦距的图像，用双眼球31，32的双眼双变焦虚拟现实眼镜显示器则可以同时具有左右两对不同焦距的立体图像。

如图3所示，其中两套立体变焦透镜组35a，35b，34a，34b分别以不同的光轴调整到近焦距38a和远焦距38b；其中光轴包括不同的水平视角37a,37b,变焦透镜组34a,34b与眼球的距离。对应近焦距38a的水平视角37a和瞳孔距离，对应远焦距38b的水平视角37b和瞳孔距离，以适应视觉具有不同视角不同焦距的图像。

具体实施方式

具体实施方式：如图2所示，真三维显示体24提供k的四次方虚拟图形图像数据，某一观察者21从某一确定位置观察到左右眼视角的图像，每一个视角的图像通过采样，形成图1 中的二维显示平面12，13，14。多个不同焦距的二维显示平面分别处于近景，中景和远景。这时，个人观察者11通过佩戴的双变焦距或者多变焦虚拟现实眼镜显示器19就可以看到双目立体图像，而且是两个或三个不同焦距的图像。

附图说明：

图1是个人真三维显示原理示意图。

个人真三维计算系统10包括：个人观察者11、个人观察者佩戴的双变焦距或者多变焦虚拟现实眼镜显示器19、二维显示平面12，13，14。多个不同焦距的二维显示平面分别处于近景，中景和远景。

图2是真三维显示原理示意图。

真三维显示体24由多个显示平面23组成，显示平面23由多个显示像素P 22组成。例如，一个真三维显示体24由一千个(1k)显示平面23组成，每一个显示平面23由1k乘以1k个显示像素P22组成。显示像素P22是一个矢量，像素朝不同方向发出不同量的显示光线。

图3是一个双变焦距虚拟现实眼镜显示器。

观察者佩戴的一个双眼双变焦虚拟现实眼镜显示器系统30包括：两个单眼双变焦虚拟现实眼镜显示器系统，其中每一个单眼双变焦虚拟现实眼镜显示器系统有两个平面显示器 35a，35b、变焦透镜组34a，34b、平面半透半反射镜33等几部分；其特点是两个平面显示器35a和35b显示的图像光源通过变焦透镜组34a和34b与平面半透半反射镜33合成映射到眼球31，眼球31看到的是两幅不同焦距的图像，用双眼球31，32的双眼双变焦虚拟现实眼镜显示器则可以同时具有左右两对不同焦距的立体图像。

图3中两套立体变焦透镜组35a，35b，34a，34b分别以不同的光轴调整到近焦距38a和远焦距38b；其中光轴包括不同的水平视角37a,37b,变焦透镜组34a,34b与眼球的距离。对应近焦距38a的水平视角37a和瞳孔距离，对应远焦距38b的水平视角37b和瞳孔距离，以适应视觉具有不同视角不同焦距的图像。

Claims (4)

1.个人真三维计算系统10包括：个人观察者11、个人观察者佩戴的双变焦距或者多变焦虚拟现实眼镜显示器19、二维显示平面12，13，14，多个不同焦距的二维显示平面分别处于近景，中景和远景。

2.权利要求1系统中，二维显示平面12，13，14是从真三维显示体24中采样，真三维显示体24由多个显示平面23组成，显示平面23由多个显示像素P22组成；例如，一个真三维显示体24由一千个（1k）显示平面23组成，每一个显示平面23由1k乘以1k个显示像素P22组成；显示像素P22是一个矢量，像素朝不同方向发出不同量的显示光线。

3.权利要求1系统，其中观察者佩戴的一个双眼双变焦虚拟现实眼镜显示器系统40包括：两个单眼双变焦虚拟现实眼镜显示器系统，其中每一个单眼双变焦虚拟现实眼镜显示器系统有两个平面显示器35a，35b、变焦透镜组34a，34b、平面半透半反射镜33等几部分；其特点是两个平面显示器35a和35b显示的图像光源通过变焦透镜组34a和34b与平面半透半反射镜33合成映射到眼球31，眼球31看到的是两幅不同焦距的图像，用双眼球31，32的双眼双变焦虚拟现实眼镜显示器则可以同时具有左右两对不同焦距的立体图像。

4.权利要求3系统，其中两套立体变焦透镜组35a，35b，34a，34b分别以不同的光轴调整到近焦距38a 和远焦距38b; 其中光轴包括不同的水平视角37a,37b,变焦透镜组34a,34b与眼球的距离；对应近焦距38a的水平视角37a和瞳孔距离，对应远焦距38b的水平视角37b和瞳孔距离，以适应视觉具有不同视角不同焦距的图像。