CN1825981A - 一种三维图像实像显示系统的方法 - Google Patents

Abstract

本项发明提出了一种显示真三维图像实像的方法。实现该方法的装置由一个抛物面反射镜，反射镜伺服系统和高速电子计算机(配有高速刷新显示屏)构成，将待显示的三维彩色景物模型存入计算机，该三维景物可以表达为n个垂直剖面。当显示屏显示一帧彩色图像(三维彩色景物的一个剖面)时，立即在抛物面反射镜焦点附近形成一个实像，即一个剖面。伺服系统使抛物面反射镜后移一步，显示屏显示下一帧图像，在抛物面反射镜焦点附近形成第二个剖面的实像。照此办理，可以顺序显示n个剖面。当显示屏的显示刷新速度和伺服系统移动抛物面反射镜速度快到接近人眼视觉暂留范围内时，人眼就可以看到一个完整的三维彩色景物。

Description

一种三维图像实像显示系统的方法

                    技术领域

本发明方法属于信息技术、光电子技术领域

                    背景技术

目前，人们显示三维景物是首先用各种方法构成三维立体模型存入计算机系统，然后运用计算机图形图像处理方法，将三维景物投影到二维显示平面上(各类显示屏、投影仪)进行观察，当需要变换视角时，又运用上述方法将三维模型投影到另一视角对应的合理的视平面上，然后进行观察。

通常所谓的立体电影是运用两台放映机将影片投影到放映屏上，人戴上立体眼镜可以感知到物体的深度差别，给出立体感觉。这种装置显示的仍然是平面图像，仍然不能算作真正的三维显示。

随着激光技术的运用和信息时代的到来，美国科学家目前已在一定范围制造出了人工海市蜃楼群。据外刊报道，美国科学家已能将人工海市蜃楼景象重现战场实况，战场上的地形地貌，双方作战态势及其变化都能同时真实地在人造蜃景中展现出来，“战场”被搬到了指挥员面前。这种虚拟现实技术被视为高度机密，严加保护。因为谁具有这种虚拟技术，谁就能更加对战场了如指掌，甚至可以打一场完全单向透明的战争。

这种系统就是新概念的信息“激光沙盘”。电脑把转换成数据的信息传输给激光发射器，激光发射器便向“沙盘”发射出一定频率的激光。而“沙盘”是一个长宽各1米，高0.5米的空气玻璃箱，其中密封着各种惰性气体，箱内的气压传感器、温度传感器、湿度传感器及空气悬浮颗粒传感器等与电脑连接，以便制造蜃景，当几台激光发射器按照数学信号连续快速射击箱内空气后，一副清晰的彩色立体图景就会展现面前，并随着输入图像的变化而变化，比如：山川、河流、道路、隘口、桥梁、车站、机场等。

东京-日立有限公司已经开发出全景3D显示器原型——TransPort。这种三维显示系统由“日立人类交流实验室”开发而成，外观呈圆柱体，在其底部和顶部分别有一台投影仪和一面镜子，两者呈对立放置。圆柱体显示器的中间则分布有24块镜面，它们环绕圆柱体的内面排列开来。24块镜面的中央还有一块显示3D图像的旋转屏幕。在这个三维显示器开始工作时，内置照相机会首先从24个方向对需要成像的物体(静态或动态)进行拍照，然后显示器底部的投影仪会将这些照得的图像投射到顶部的镜子上去。图像再按照一定的角度反射到24块镜面，最后到达中央显示屏以形成3D图像，其图像的旋转速率为1秒30次。这种屏幕能够依次显示一个图像的24个反射画面。由于其显示屏为双面设计，因此，观众在特定的角度(为了不会产生图像重叠，该显示屏具有较大的视角限制)上就能够看到1/60秒的图像，这样，在观众的眼里就形成了三维画面。目前，日立正在对这种三维显示器的商业前景做可行性研究。它可能被用于广告或者街机游戏的显示，能够同时显示全彩的静止和运动图像，日立表示，这种技术将很有希望取代现在的全景显示技术。全景显示技术曾被认为是显示三维图像的最佳渠道，但它在显示运动图像时还需要解决很多技术难题。

本项发明提出一种显示真三维彩色景物图像的方法，及该发明方法和方案，可以把存在计算机中的三维景物用构成三维实像的方式进行显示，实现真正的三维显示，在这种装置所在环境中，人观察三维物体，可以围绕实像，就像看沙盘一样任意观察。

                    发明内容

本项发明的目的是为了将存储于计算机中的三维彩色立体模型(包括动态的三维彩色立体模型序列-三维电影)在空间中显示出来，使人可以在该显示区域周围从任意角度观察该装置形成的实像或实像序列。

该三维图像实像显示系统由高速计算机、抛物面反射镜、抛物面反射镜伺服系统几个部分构成。将待显示的三维彩色景物模型存入计算机，该三维景物可以表达为几个垂直剖面，当显示屏显示一副彩色图像，即三维彩色景物物一个剖面时，立即在抛物面反射镜焦点附近形成一个实体，即一个剖面，伺服系统使抛物面反射镜后移一步，显示屏显示下一副图像，在抛物面反射镜焦点附近形成第二个剖面的实像。照此顺序显示几个剖面，将对应的不同位置上的剖面依序显示出来，从1、2、n个剖面，它们对应的焦点位置为F₁、F₂、F_n。照此办理表示整个三维景物的n个剖面依次显示，而且彼此衔接，如此正反向往复运动当一次行程时间小于10～25分之一秒时，即人眼视觉暂留时间时，就可以持续显示一个区域的三维景物。

三维图像实像显示系统的方法，其特征是伺服系统的运动速度应满足如下公式。

即每秒钟1米～2.5米以上的运动速度。

其特征是显示刷新频率：

ω＝(10～25)Body/s＝n(10～25)frame/s＝n(10～25)帧/s

即ω＝200帧-500帧/s以上

其特征是抛物面镜的焦距f应该满足以下公式：

f-L＞＞b

                    附图说明

图1：三维图像实像显示系统原理图。

图2：反射镜伺服器及其运动图。

图3：在计算机中设定的观察视角对应人景物剖面图。

图4：三维景物显示范围长L与抛物面反射镜焦距之间的关系。

                    具体实施方式

根据说明书图1、图2、图3、图4对一种三维图像实像显示系统的方法作祥细说明如下：

1.一台高速计算机

其计算速度必须达到每秒数十亿次以上(越快效果越好)内外存容量充分大，内存应有1G以上，外存选以存储容量很大的三维彩色数据。至少应有100G以上，甚至外挂几个T容量的磁盘阵列，其显示屏是一个高速显示屏(应配有相应板卡)，显示速度应达到200帧/S以上。

2.一个抛物面反射镜

该抛物面反射镜，反射镜大于计算机显示屏的大小，抛物面反射镜焦距即为三维景物显示的位置，该镜直径越大，显示的实像越大。

3.抛物面反射镜伺服系统

该装置控制反射镜沿轨道作快速往复运动，依次改变焦点的位置。到达终点后，又向相反方向运动，回到起点。然后依此方式往复运动。它的行动配合计算机显示器中的显示内容。该伺服器系统由轨道、丝杆、齿轮、交流伺服电机(或步进电机)、交流伺服电机(步进电机)控制器构成。由于伺服系统是常规技术，此处不细述。当伺服器带动反射镜往复匀速运动时，焦点位置不断改变，其起点和终点就是三维景物显示的范围。

4.将高速计算机显示屏放置在抛物面反射镜正对面使显示屏中轴线同反射镜中轴线完全重合。

5.计算机内已制备-三维彩色立体模型，选定了视角，并计算出该三维景物针对该视角的投影平面的由起始点到终点边的各个剖面，并可按人的要求在计算机显示屏上进行显示。

6.如前所述，由于计算机显示屏发出的是一束平行光线，每个象素相当于一个小光源，光线平行投射到对面的抛物反射镜上去的时候，光线将聚焦到焦点f附近形成实像，显示屏和反射镜越大形成的实像就越大。若反射镜位置移动，则焦点位置也移动，那么形成的实像也出现在移动后的位置上。由于显示屏位置移动，显示屏依照三维立体模型剖面的顺序一帧一帧显示，计算机控制伺服系统每换一帧(即换一个剖面)，则带动反射镜移动到剖面对应显示的位置，那么就会将对应的不同位置上的剖面依序显示出来。从第1，2，…n个剖面，它们对应的焦点位置为f₁，f₂，……f_n。)照次办理表示整个三维景物的n个剖面依次显示，而且彼此衔接。当反射镜移动速度充分快，使得n个剖面成像时间间隔小于人眼视觉暂留时间差τ的时候(通常8-10帧/s就会有整体感觉，16帧/s以上就质量较好，若25帧/s那么就会感觉没有间隔)人眼就可以看到一个完整的三维景物实像。注意，当一次正向移动结束时，伺服器将反射镜牵引作反向运动，其移动速度不变，但是计算机显示屏显示三维景物剖面顺序倒序，即按n，n-1，n-2，……1的顺序显示三维景物的剖面。移动到始点以后，又反过来反射镜按正向移动，显示剖面的顺序恢复到正序：1，2，…n。采取这种策略可充分利用反方向移动的时间，如此正反向往复运动就可以持续显示一个区域的三维景物。

三维景物显示范围(显示屏主抛物面反射镜中轴线方向)受制于伺服器系统驱动反射镜的适用范围。而更根本的是，计算机屏幕显示两个不同画面最短的切换时间T或扫描换帧的频率W。

为了更好的描述该三维景物实像显示器的原理和结构，我们作以下的约定：

1)三维景物显示范围：三维景物在本装置所能形成的实像的最大范围L×W×H(长*宽*高)

L：沿光轴方向最大长度；

W：与光轴方向垂直，水平面内的最大显示宽度；

H：在垂直于光轴平面的内侧能显示物体的最大高度。

L、W、H可以在三维景物数字化时给出对应的实际空间距离

2)三维景物显示剖面数n与显示器的要求

本项发明是以高速计算机、高速显示器和抛物面反射镜为关键部件，若将三维景物剖面数增加，显示效果就更逼真、更细致、更准确，但是剖面数太多时显示屏和反射镜伺服系统提出了更高的要求。目前计算机配置的显示器刷新速度为85～100帧/s。特殊领域如国防领域中、卫星、火箭系统中的显示器也有刷新速度高达数百帧/s的。

将一个三维物体剖分为几个剖面，每显示一个剖面我们称之为显示一帧。而将整个三维景物的n个剖面全部显示一次称之为显示一体(Body)或一集(Set)一个衡量单位为：体/秒、集/秒(B/s，Set/s)。

实验心理、生理学结果表明，一般较合适的视觉暂留时间为1/24秒，即每秒钟显示24帧～25帧，基本上看不出影片序列的时间间隔。若降至10帧～16帧/s也可以看到基本连续的图象序列，但质量不会太好。

现在要显示一个三维景物，依据上述原理，最差的情况显示速度也必须有10～16体/s(B/s)要得到好的效果应达到24～25体/s，即：

1体＝n帧，1body＝n frame

显示屏显示刷新频率：

ω＝(10～25)Body/s＝n(10～25)frame/s＝n(10～25)帧/s

3)三维景物与抛物面反射镜伺服系统的要求：

前面已定义的显示范围的三个参数L、W、H，W与H与显示屏大小和抛物面反射镜大小相关。而L与伺服系统的性能相关。

如前所述抛物面反射镜要作匀速往复运动，改变焦点位置，一次运动距离应等于L之值。反向运动亦然。运动一次(无论正反向运动)，即显示一次整个三维景物，为要达到视觉暂留的要求，伺服系统的运动速度应满足如下的公式：

若要显示一个L＝100mm大小的三维景物，剖面就选n＝10～25，那么伺服系统的运动速度应有：

V＝(10～25)L＝(10～25)×100＝1000～2500mm/s＝1m～2.5m/s

即每秒钟1米～2.5米的运动速度。这种运动速度在技术上是可以实现的。

所需显示屏的显示刷新频率：

ω＝n(10～25)frame/s＝20×(10～25)＝200帧～500帧/s

这种显示刷新频率技术上也是可以做到的。

4)抛物面反射镜的某些参数

为了防止抛物面反射镜遮挡三维景物实像，所作抛物面镜的焦距f应该满足以下公式(图四)

f-L＞＞b

如前所述，当前的显示器显示三维景物并不是真正的三维景物，而是三维景物在二维显示平面上的投影，我们提出的三维彩色显示系统具有广阔的应用前景。

三维彩色图像显示系统产生的意义：

从二维显示器发展到三维显示器是一次意义重大的技术革命。它使人类可以用技术手段控制显示所需的三维景物将导致

产生一类科学技术设备-三维彩色显示器系列产品，形成一个巨大的产业和其他相关产业，使社会生活、生产、科研、国防等领域产生革命性的变化。

产生一系列拓展到各行各业的多种应用。

同其他技术的结合会产生许多出神入化，妙不可言的新的装备，推动其他领域的发展。

当前可预见的一些应用：

三维彩色图像显示系统在凡是需要显示三维图像信息的领域都有极大的用处。现在人们越来越不满足于用二维显示器来显示三维景物的某一视点图像。经初步思考就可以列出以下应用。

1.三维彩色电子沙盘

将三维彩色显示器同地理信息系统数据库技术结合起来，可以构成真正的三维彩色电子沙盘。为军事指挥决策提供更加直观，灵活，生动的显示装置。将来还可以把从卫星，飞机，地面在战场附近拍摄的和重建的三维景物用高速计算机组合到该系统之中，然后进行三维显示。又可能实现三维彩色动态显示，实现三维电影的行为，为军事指挥提供服务。

2.用于城市规划，建筑规划设计

三维彩色显示器(系统)可将一个地区一个城市的三维景物显示出来。同建筑CAD软件相结合就可以进行城市规划和建筑设计方面的工作，并显示真三维彩色图像。

3.实现三维彩色电影、电视：这是明显的，

4.在商业广告、娱乐业、体育运动等多个领域亦可应用。

5.在科学研究，教育活动中可获得广泛应用，成为显示三维数据的重要手段。

总之，人类必将从二维显示向三维显示发展，本项成果具有重要意义，必将获得广泛应用。

Claims (4)

1.一种三维图像实像显示系统的方法，其特征是实现该方法的装置由一个抛物面反射镜，反射镜伺服系统和高速电子计算机构成；将待显示的三维彩色景物模型存入计算机，该三维景物可以表达为n个垂直剖面，当显示屏显示一帧彩色图像，即三维彩色景物一个剖面时，立即在抛物面反射镜焦点附近形成一个实像，即一个剖面，伺服系统使抛物面反射镜后移一步，显示屏显示下一帧图像，在抛物面反射镜焦点附近形成第二个剖面的实像，照此顺序显示n个剖面，将对应的不同位置上的剖面依序显示出来，从1、2、n个剖面，它们对应的焦点位置为F₁、F₂、F_n。照此办理表示整个三维景物的几个剖面依次显示，而且彼此衔接，如此正反向往复运动，当一次行程时间为1/10～1/25秒时，就可以持续显示一个区域的三维景物。

2.根据权利要求1所述的一种三维图像实像显示系统的方法，其特征是伺服系统的运动速度应满足如下公式：

即每秒钟往复运动速度至少应在1米～2.5米/秒以上。

3.根据权利要求1所述的一种三维图像实像显示系统的方法，其特征是显示刷新频率：

ω＝(10～25)Body/s＝n(10～25)frame/s＝n(10～25)帧/s

即ω＝200帧-500帧/s以上。

4.根据权利要求1所述的一种三维图像实像显示系统的方法，其特征是抛物面镜的焦距f应该满足以下公式：

f-L＞＞b。

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