CN1655047A - 投影系统和方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种方法和系统来投影三维图像。投影系统可以包括用来存储包含投影媒介的贮备的容纳箱以及包括用来从容纳箱中投射投影媒介的多个阀门的投影器。该投影系统还可以包括用来照亮投射的媒介的照明设备以及在照亮之后接收所述投影媒介的接收机构。该投影系统还可以包括用于计算成像数据的成像数据计算装置、用于将成像数据传送给投影器来控制阀门喷洒投影媒介的通信和控制工具以及为被照亮的喷洒媒介控制照明设备的照明控制单元。

Description

投影系统和方法

技术领域

本发明涉及投影系统领域，尤其涉及投影三维图像的投影系统。

背景技术

已知的投影系统通常生成二维图像。为了查看三维图像，目前设计出了多种类型的系统。一些此类投影系统持续地以二维投影图像，但是通过向观众提供专门配置用于以三维视角呈现投影图像的设备或眼镜，这些投影系统可以产生三维的视觉图像。这些配置的设备通常包括透镜、棱镜、反射镜、遮挡系统、偏振片或其他设备、它们可以根据波长、定时、偏振或其他因素来过滤最终将到达人眼的图像。

为了避免为每位观众提供专门的观察设备，其他一些类型的投影系统通过在显示器中加入了一个双凸透镜系统而是图像按三维视角呈现在所有观众面前。这些系统可能进一步包括高强度光源和热量管理系统。这些系统的组件通常很贵并且制造过程复杂而昂贵。

另外，当使用上面提到的这些系统时，可供使用者选择的视角极其有限。由于把图像投影到平面屏幕上或者把图像投影到其他一些至少在180度空间的范围内不可观看的设备上，所以观众基本上都被限制在小于180度的范围之内。图像还可能仅在更加有限的视角内是可见的。某些已知系统的视角是完全固定的。

因此，需要这样一种系统，它包括更广的视角分布，并且制造过程简单而廉价。另外，需要这样一种独立式系统，在该独立式系统中，当使用者直接用手与视觉化的三维物体互动时，他将获得直接的互动感而不会受到惊吓。

发明内容

在一个方面，本发明涉及一种用于在限定的体积中投影三维物体的投影系统。该投影系统可以包括用来存储包含投影媒介的贮备的容纳箱以及包括用来从容纳箱中投射投影媒介的多个阀门的投影器。该投影系统还可以包括用来将投射的媒介照亮固定时间长度的照明设备以及在照亮之后接收所述投影媒介的接收机构。

在另外的方面，本发明涉及一种在限定的体积中投影三维对象的方法。该方法可以包括在投影器中对来自多个阀门的投影媒介施加力以及用照明设备照亮被施加力的投影媒介。

在另外的方面，本发明涉及一种在限定的体积中投影三维对象的投影系统。该投影系统包括用于计算成像数据的成像数据计算装置。该投影系统还进一步可以包括用于将成像数据传送给投影器的通信工具，所述投影器根据所通信的成像数据来喷洒投影媒介，以及包括控制用于照亮喷洒媒介的照明设备的照明控制单元。

在进一步的方面，本发明涉及一种在限定出的体积中投影三维对象的方法。该方法包括将图像的成像数据存储为多个层的成像数据；将一层成像数据传送给投影器，所述投影器根据传送的成像数据来投射投影媒介；以及控制照明源来照亮所投射的成像数据。

附图说明

下面将参照所附的附图，将对本发明进行详细描述，其中：

图1是本发明系统的一个实施例的框图；

图2是显示适合用于实施本发明的系统的计算机环境的框图；

图3是根据本发明一个实施例的投影部件的底部平面图；

图4是根据本发明一个实施例的接收系统的平面图；

图5是用于控制根据本发明一个实施例的投影系统的软件部件的框图；以及

图6是用于操控根据本发明一个实施例的投影系统的方法的流程图。

具体实施方式

本发明的各个方面针对的是一种被设计成在限定的体积中投影三维虚拟图像的系统。在一些实施例中，图像也可以是动画。如下进一步描述，投影的虚拟图像局限在投影器的查看体积之内，从环绕投影器周围的整个圆周的视角都可以看到该投影器的查看体积。

图1是根据本发明实施例的投影系统的框图。所示出的投影系统包括容纳箱10，它与投影单元20相连接。控制单元200与投影单元20和容纳箱10保持通信。照明设备40被用于照亮从投影单元20投射出的、投影体积30中的投影媒介。

可以使用容纳箱10来存储投影媒介的贮备。在使用液体媒介的情况下，容纳箱10以这样一种方式被加压，使得在需要时液体能以已知的速率流出。容纳箱10内的压力通常将被维持在一个预先选定的水平上。

投影单元20可以包括一个平面面板，它包括均匀间隔开的阀门所构成的统一模式。阀门可以依据所选的投影媒介不同而不同。液体投影媒介可以用节流阀来配合。阀门可以由计算机来控制，并且可以相互独立地开闭。较佳地，控制阀门使之处于开启状态或者关闭状态。投影器的外表可以类似于大号的莲蓬头。

图3示出了投影单元20的一个实施例。图3是根据本发明一个实施例的投影单元20的底部平面图。较佳地，从上往下射出投影媒介，这样从投影体积30的整个圆周周围或所有侧边都可以看见它，而不被投影系统本身所遮挡。如图3所示，投影单元20可以包括多个阀门22。阀门22可以是位于投影单元20底侧的微阀门。这些微阀门可以紧密地排列，并根据来自控制单元200的信号而开闭。开启的阀门22允许投影媒介通过。工作时，容纳箱被加压，迫使得液体以已知的速率流过开启阀门的投影器阵列。

可以使用多种多样的投影媒介，包括沙粒、尘埃、水汽、水蒸气和液体。在较佳实施例中，投影媒介包括液珠。可选地，液珠可以是上色的液珠，以提供彩色图像。

使用照明设备40来照亮投影体积30中的投影媒介。在本发明的一个实施例中，照明设备40安装在投影单元20的底面上。这样的安装配置使得照明设备40不会刺激观众的眼睛，并且，更重要地，使得系统紧凑且从各个侧面视角来看都不会受到遮挡。可以把照明设备40安装在微阀门22之间的空隙空间中，或者可以包括在投影单元20的底面外周长上间隔开的灯具。作为替换，照明设备40可以包括放置在投影单元20底面的中央区域的一个或多个灯泡。其他的照明设备放置方法也是可能的，包括将照明设备40放置在接收机构50中，这将在下面进行展示。

照明设备40可以是一种频闪灯，它能够产生高强度、短时间的光脉冲，照明设备40也可以包括LED、卤素(灯)或者其他类型的灯泡，它们具有由控制单元200所控制的闪烁速率，这还将在下面进一步进行解释。照明设备40可以以高速率周期地从投影单元20选通投影媒介的行列，以此来呈现移动的图像。

图4是根据本发明一个实施例的接收机构50的顶视图。在本发明使用液体媒介的实施例中，接收机构50可以包括一个容器，诸如带有排水口52的槽，排水口52还具有多个孔54。正如前面所指出的，接收机构50还可以包括用来照亮投影体积30的照明设备56。照明设备56可以类似于上面所描述的照明设备40，并且可以用来辅助或替代照明设备40。当准备好显示帧画面时，控制单元200控制照明设备56的闪烁。

接收机构50或者使得排水口52处收集的投影媒介循环利用，或者处理掉这些液体。如果接收机构50循环利用投影媒介，则它要把投影媒介重新抽回到容纳箱40。在使用非液体媒介的情况下，媒介可以落在踏车上，踏车会把媒介载至观察体积的边缘，再将其处理掉或者循环利用。如果投影媒介包括多种颜色，则接收机构50还可以额外地包括排序机构。排序机构会根据颜色来排列上色的媒介，以便循环利用。

控制单元200同时控制投影媒介的释放和照明设备40的操控。控制单元200能够是可以在下面参照图2描述的计算机环境中工作的。

图2展示了可以适合本发明实施的计算机系统环境100的一个例子。计算机系统环境100只是合适的计算机环境的一个例子，它不试图对本发明的使用范围或功能施加任何限制。计算机环境100也不应该被解释成对示范操作环境100中所描绘的任意一个部件或它们的组合具有任何依赖性或任何要求。

本发明可以在计算机可执行指令(诸如可由计算机执行的程序模块)的大环境下进行描述。通常，程序模块包括例程、程序、对象、组件、数据结构等，它们执行特定的任务或实现特定的抽象数据类型。另外，本领域普通技术人员将会意识到本发明可以用其它计算机系统配置来实现，包括手持式设备、多处理器系统、基于微处理器的或可编程的消费者电子器件、微型计算机、大型计算机、等等。本发明还可以在分布式计算机环境中实现，其中任务由通过通信网链接的远程处理设备来执行。在分布式计算机环境中，程序模块可以贮存在包括记忆存储设备的本地和远程计算机存储介质上。

参考图2，一个用于实施本发明的示范系统100包括采取计算机110形式的通用计算机设备，它包括处理单元120、系统存储130以及系统总线121，系统总线将各个系统部件(包括系统存储)耦接到处理单元120。

计算机110一般包括多种计算机可读介质。作为例子而不是限制，计算机可读介质可以包括计算机存储介质和通信介质。系统存储130包括易失和/或非易失存储器形式的计算机存储介质，诸如只读存储器(ROM)131和随机存取存储器(RAM)132。通常存储在ROM 131中的基本输入/输出系统(BIOS)133包含对在计算机110中的元件之间传递信息有帮助的基本例程(例如在启动时)。RAM 132通常包含处理单元120所立即能够存取的和/或正在进行操作的数据和/或程序模块。作为例子而不是限制，图2展示了操作系统134、应用程序135、其他程序模块136和程序数据137。

计算机110还可以包括其他可移动/不可移动、易失/非易失计算机存储介质。作为例子而不是限制，图2展示了硬盘驱动器141，它读取自或写入至不可移动、非易失磁介质；磁盘驱动器151，它读取自或写入至可移动、非易失磁盘152；以及光盘驱动器155，它读取自或写入至可移动、非易失光盘156，诸如CD ROM或其他光介质。其他可用于该示范操作环境的可移动/不可移动、易失/非易失计算机存储介质包括，但不限于，盒式磁带、闪速存储卡、数字多功能盘、数字视频带、固态RAM、固态ROM、等等。硬盘驱动器141通常经由不可移动存储接口(如接口140)连接到系统总线121，磁盘驱动器151和光盘驱动器155通常由可移动存储接口(如接口150)连接到系统总线121。

以上图2所示和所述的驱动器和它们相关的计算机存储介质为计算机可读指令、数据结构、程序模块以及计算机110的其他数据提供了存储。图2中，例如，硬盘驱动器141被示为存储操作系统144、应用程序145、其他程序模块146和程序数据147。注意，这些组件可以与操作系统134、应用程序135、其它程序模块136和程序数据137相同，也可以与它们不同。这里对操作系统144、应用程序145、其它程序模块146和程序数据147给予不同的标号来说明至少它们是不同的副本。用户可以通过输入设备，如键盘162和定位设备161(通常指鼠标、跟踪球或触摸板)向计算机110输入命令和信息。其它输入设备(未示出)可包括麦克风、操纵杆、游戏垫、圆盘式卫星天线、扫描仪等等。这些和其它输入设备通常通过耦合至系统总线的用户输入接口160连接至处理单元120，但是也可以通过其它接口和总线结构连接，如并行端口、游戏端口或USB。监视器191或其它类型的显示设备也通过接口，如视频接口190连接至系统总线121。除监视器之外，计算机也包括其它外围输出设备，如扬声器197和打印机196，通过输出外围接口195连接它们。

本发明中的计算机110可以在使用到一个或多个远程计算机，如远程计算机180，的逻辑连接的网络化环境中操作。远程计算机180可以是个人计算机，并通常包括许多或所有上述与计算机110相关的元件，尽管在图2中仅示出了记忆存储设备181。图2描述的逻辑连接包括局域网(LAN)171和广域网(WAN)173，但也可包括其它网络。

当在LAN网络环境中使用时，计算机110通过网络接口或适配器170连接至LAN 171。当在WAN网络环境中使用时，计算机110通常包括调制解调器172或其它装置，用于通过WAN 173，如因特网，建立通信。调制解调器172可以是内置或外置的，通过用户输入接口160或其它合适的机制连接至系统总线121。在网络化环境中，可把所描述的与计算机110相关的程序模块或其一部分可储存在远程存储器存储设备中。作为例子而不是限制，图2示出了驻留在存储器设备181上的远程应用程序。可以理解，示出的网络连接是示例性的，也可以使用在计算机之间建立通信的其它装置。

尽管并没有示出计算机110的很多其他内部组件，本领域普通技术人员将可以理解这些组件和相互连接关系都是公知的。因此，无需结合本发明揭示有关计算机110内部构架的额外细节。

图5是根据本发明实施例的软件组件的框图。图5示出了控制单元200的存储器210。存储器可以包括任何类型的存储器，诸如参考图2所描述的那些。存储器210可以包括成像数据计算模块212、投影通信和控制模块220以及照明设备控制单元230。较佳地，成像数据计算模块212能够计算为每个投影帧所将要发送的数据。为了投影一个三维体积，必须以恰当的格式来存储该体积的数据。因此，成像数据计算模块212垂直等距地将要被投影的物体分割成多个截面。接下来，取每个截面，数据计算模块212重叠一个网格。网格的行数和列数对应于投影头20中微阀门22的行数和列数。例如，如果一个网格方块中至少一个阈值(如50％)那么多的部分中含有体积，则数据计算模块212将该网格方块标记为“亮”的。从上至下，对该体积的每一片或层的每个网格方块进行此操作。最终的结果被构建成亮的和不亮的记号的列表，并足以渲染一个静态的体积。

然而，如果要求动画，则在动画的每一帧上使用上述计算和存储方法，基本上建立一个三维的动画“翻动书”。一旦构建结束，该数据可以直接提供给投影通信和控制模块220，该模块与投影单元20进行通信以控制微阀门22。

控制单元200可以依发明的实施例不同而不同。例如，渲染的速率可以不同，以产生上色的图像版本。此时，可以分别用红、绿、蓝三个照明设备来照亮三个相类似的帧。根据在每个独立的体元像素处所要求的颜色，这三个帧将有略为不同。视网膜上的视觉暂留应该能够混合独立的体元像素来呈现主要的色谱。因此，黑白图像可以60帧每秒的速率来投影，而同样图像的彩色版本将以20帧每秒的速率来投影。

图6说明了适用于操控本发明的投影系统的方法的一个实施例的流程图。流程的A侧显示的是硬件组件所执行的步骤，硬件组件包括投影单元20、照明设备40以及接收机构50。流程的B侧显示的是软件组件所执行的步骤，软件组件诸如成像数据计算模块220、投影通信和控制模块220以及照明设备控制单元230。

作为预备阶段，容纳箱10在步骤A02中接收投影媒介。在步骤B02中，数据计算单元212计算或取回一层上述的成像数据。在时刻t，在步骤B04中投影通信和控制单元220将最低层数据提供给投影器电路，在步骤A04中，微阀门22根椐提供给它们的是“亮”还是“非亮”记号而开启或关闭。这些微阀门22和谐一致地对它们的信号作出响应。

在接下来的时刻t+1，媒介较早的一层已经下落特定数目的单位，具体与将投影媒介从投影单元20中射出所使用的力有关。在步骤B06中确定，如果前一层数据不是最后层，则在时刻t+1处为额外数据重复进行该过程，并在步骤A06再建立三维体积的一片或一层。为已经存储的该体积的每一片反复进行该过程。上述过程产生下落经过不受遮挡的空间的一个模糊的体积。该体积(称为一帧)移动得非常迅速以致难以看见。

为了使该帧冻结在空中并使得它可被观察到，照明设备控制单元230在步骤B08发送信号给照明设备40，该照明设备可以是在步骤A08中快速地闪出强烈光源的频闪灯。根据所使用的灯的类型以及媒介的化学成份，该帧中的小液滴将被照亮，而所有其他区域将维持黑暗。该过程将产生很明显地被冻结在空间一个可识别的三维体积30。在步骤A10中，接收机构50接收显示媒介，并使用上述的循环利用或丢弃技术中的一种。

每一帧都只是瞬间可见的。因而，如果有了另外的数据层，则数据计算单元212立即开始再次渲染该体积。在静态体积的情况下，数据计算单元212将只是简单地重复较早的数据。如果需要动画，如步骤B10所示，则数据计算单元212提供一个相似但略有不同的前一体积的变体。否则，该系统在步骤B12中前进到下一帧。

为了欺骗人眼使其相信是在看空间中的一个真实的体积，照明设备40必须以一定速率闪烁，该速率由该体积在人视网膜上的暂留所决定。胶片通常以24帧每秒的速率进行工作，但即使是低达5帧每秒的速率也是可行的。在渲染和照明了每一帧后，即丢弃该帧。它简单地落入接收机构50，且媒介被送走或循环利用。

综上所述，本发明的实施例包括具有很多优点的投影系统。所揭示的系统提供了完整范围的视角，并使得在不同位置的每个观众都能够观察到投影图像的唯一视图。例如，从图像前方观察的观众将会看到前视图，从图像后面观察的观众将会看到后视图。因此，每个观众都看到根据他或她的视角进行正确渲染的图像。另外，由于用来建立该系统的材料不太昂贵，所以可把该系统做得非常大。而且，由于材料无害且无毒，观众可以站立在该系统内来与投影的图像互动。

已经结合具体的实施例描述了本发明，这些实施例在所有方面都只是展示性的而不是限制性的。在不离开本发明范围的基础上，本发明所属领域的普通技术人员将清楚各种替换实施例。

由上可知，本发明是很好地适配成获取上述的所有方面和目标的一个发明，这些方面和目标连同其他优点对于本系统和方法而言都是显而易见且内在固有的。可以理解某些特点和子组合都是具有实用性的，并且是可以脱离其他特点和子组合而被应用的。这可以从权利要求的范围中预计到。

Claims (33)

1.一种在限定的体积中投影三维对象的投影系统，其特征在于，该投影系统包括：

容纳箱，用来存储包含投影媒介的贮备；

投影器，包括用来从容纳箱中投射投影媒介的多个阀门；

照明设备，用来将投射的媒介照亮固定的时间周期；以及

接收机构，用来在照亮之后接收所述投影媒介。

2.如权利要求1所述的投影系统，其特征在于，投影媒介为液体。

3.如权利要求1所述的投影系统，其特征在于，还包括计算成像数据的成像数据计算模块。

4.如权利要求3所述的投影系统，其特征在于，还包括投影通信和控制模块，用来将计算好的成像数据传送给投影单元以便控制阀门。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括照明设备控制单元，用来控制照明设备的工作。

6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，  接收机构包括循环利用架，用来重新收集所述投影媒介以进行进一步使用。

7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，接收机构包括排水口，用来丢弃所述投影媒介。

8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，照明设备为安装在投影器表面的频闪灯。

9.一种在限定的体积中投影三维对象的方法，其特征在于，所述方法包括：

在投影器中对来自多个阀门的投影媒介施加力；

用照明设备照亮被施加力的投影媒介。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括回收投影媒介以在照亮之后重新使用。

11.如权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括在照亮之后丢弃所述投影媒介。

12.如权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括用投影媒介充满一个容纳箱。

13.如权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括计算成像数据以及将该图像发送给投影器以控制阀门。

14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，还包括根据成像数据来开启选定的阀门，使得一些投影媒介从投影器落下。

15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，还包括控制照明设备将所述投影媒介照亮固定的时间周期。

16.一种在限定的体积中投影三维对象的投影系统，其特征在于，该投影系统包括：

成像数据计算装置，用于计算成像数据；

通信工具，用于将成像数据传送给投影器，所述投影器根据所传送的成像数据来喷洒投影媒介；以及

照明控制单元，为被照亮的喷洒媒介控制照明设备。

17.如权利要求16所述的投影系统，其特征在于，通信工具控制投影器中的多个阀门以喷洒投影媒介。

18.如权利要求16所述的投影系统，其特征在于，成像数据计算装置计算多个离散层的成像数据。

19.如权利要求16所述的投影系统，其特征在于，还包括回收系统，用来在照亮之后回收投影媒介。

20.如权利要求16所述的投影系统，其特征在于，还包括丢弃装置，用来在照亮之后丢弃所述投影媒介。

21.如权利要求16所述的投影系统，其特征在于，还包括容纳箱，用来存储包含投影媒介的贮备。

22.如权利要求16所述的投影系统，其特征在于，还包括投影器，所述投影器包括用来投射所述投影媒介的多个阀门。

23.如权利要求16所述的投影系统，其特征在于，所述照明设备为频闪灯。

24.如权利要求16所述的投影系统，其特征在于，投影媒介为液体。

25.如权利要求23所述的投影系统，其特征在于，所述频闪灯安装在投影器的表面。

26.一种在限定出的体积中投影三维对象的方法，其特征在于，所述方法包括：

将图像的成像数据存储为多个层的成像数据；

将一层成像数据传送给投影器，所述投影器根据所传送的成像数据来投射投影媒介；

控制照明源来照亮所述投影媒介。

27.如权利要求26所述的方法，其特征在于，还包括计算成像数据以及将该图像发送给投影器以控制阀门。

28.如权利要求27所述的方法，其特征在于，还包括根据成像数据来开启选定的阀门，使得一些投影媒介从投影器落下。

29.如权利要求26所述的方法，其特征在于，还包括控制一个频闪灯来照亮所述投影媒介。

30.如权利要求26所述的方法，其特征在于，还包括回收投影媒介以在照亮之后重新使用。

31.如权利要求26所述的方法，其特征在于，还包括在照亮之后丢弃所述投影媒介。

32.如权利要求26所述的方法，其特征在于，还包括用投影媒介充满一个容纳箱。

33.一种计算机可读介质，其特征在于，具有用来执行权利要求26所述的方法的计算机可执行指令。

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