CN202206504U - 基于多屏旋转扫描的体积显示系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于多屏旋转扫描的体积显示系统，包括系统支架、旋转体扫描显示装置、显示控制装置、实时检测装置和专为各装置供电的电源。旋转体扫描显示装置固定安装在系统支架上方，旋转体扫描显示装置包括位置固定安装的投影机、可旋转的投影幕布、驱动投影幕布旋转的电机和控制电机运行的电机控制器，投影幕布包括至少2片成像屏，各成像屏呈中心对称式均匀分布，各成像屏围绕其共同的对称中心线旋转。该系统搭载多片投影幕布，可以提高显示刷新率，降低电机转速和机械运动所产生的噪声，构成完整的裸视三维成像系统，实现均匀、逼真的立体图像显示。本实用新型成本较低，实现容易，运行可靠，体像素分布均匀，显示稳定性高。

Description

基于多屏旋转扫描的体积显示系统

技术领域

本实用新型涉及一种三维图像显示系统，特别是一种动态多屏体积显示系统，用于立体图像的显示。

背景技术

客观世界是存在三维尺寸的立体空间，为了可以真实地再现客观世界，人们从未间断对于立体显示技术的研究，人类对理性的追求推动了显示设备的诞生。人们通过显示设备显示画面感知的图像包括平面显示和立体显示图像，所谓平面显示是指能显示图像的二维效果，所谓立体显示是指能显示图像深度效果，也称为三维效果，就像我们看真实世界一样，是立体的。立体显示技术按是否添加立体眼镜的角度来说可分为裸眼立体显示技术和非裸眼立体显示技术。

真三维显示技术（True 3D Volumetric Display Technique）是目前最新的三维立体显示技术之一，基于这种显示技术，可以直接观察到具有物理景深的三维图像，它无需配戴任何立体眼镜就能呈现视差图像从而获得深度信息。根据成像空间构成方式的不同，可以把真三维立体显示技术分为静态成像技术和动态体扫描技术两种，静态体成像技术的成像空间是一个静止不动的立体空间，而动态体扫描技术的成像空间是一个依靠显示设备的周期性运动构成的。

静态成像技术是在一个由特殊材料制造的透明立体空间里，一个激励源把两束激光照到成像空间上，经过折射，两束光相交到一点，便形成了组成立体图像的具有自身物理景深的最小单位—体素，每个体素点对应构成真实物体的一个实际的点，当这两束激光束快速移动时，在成像空间中就形成了无数交叉点，这样，无数个体素点就构成了具有真正物理景深的真三维立体图像。基于静态成像技术的显示系统对成像空间介质材料的设计和选取要求较高，由于体素是在充满均匀介质的成像空间内生成，体素是由两束光源交叉生成，光源在入射角度和位置上的较小的误差会使生成体素的位置误差被明显放大，使得生成的图像产生较大的变形，降低了真三维显示效果。

动态体扫描技术是依靠显示设备的周期性运动构成成像空间，例如屏幕的平移、旋转等运动来形成立体的成像空间。在该技术中，通过一定方式把显示的立体图像用二维切片的方式投影到一个屏幕上，该屏幕同时做高速的平移或旋转运动，由于人眼的视觉暂留，从而在人眼观察到的不是离散的二维图片，而是由它们组成的三位立体图像。因此，使用动态体扫描技术的立体系统可以更好地实现图像的真三维显示。动态体扫描技术中根据屏幕的运动方式分为平移体扫描技术和旋转体扫描技术。现有的动态体扫描显示系统主要部件包括系统支架、由投影机、电机、单个投影幕布组成的平动体扫描显示装置、显示控制器和供电电源等，投影机每秒在漫射屏上输出截面画面，随着屏幕的旋转，最终可产生体像素填充区域，其体象素可达到1亿个。平移体扫描技术是用平移运动构造成像空间，运动的幅度决定了景深。平动扫描的体积显示系统结构复杂，机械设备的对稳定性要求高。现有的旋转体扫描显示系统为单屏显示，屏幕要绕中心轴进行旋转，中心轴的存在会产生死区，而且屏幕上生成的体素会由于距离中心轴的不同生成的体素密度有所不同，会使得生成的图像的均匀度和清晰度较差。虽然现有的动态体扫描显示系统能实现了体三维显示，但其单个屏幕以20转每秒运行，转速高噪音大，每秒20次刷新空间画面仍不能满足稳定显示的要求，显示将出现闪烁，单幕旋转显示的体像素内部密集外部稀疏，体像素在空间内的分布不均匀，影响三维显示效果。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种基于多屏旋转扫描的体积显示系统，该系统搭载多片投影幕布，可以提高显示刷新率，降低电机转速和机械运动所产生的噪声，构成完整的裸视三维成像系统，实现均匀、逼真的立体图像显示。

为达到上述发明目的，本实用新型采取如下技术方案：

一种基于多屏旋转扫描的体积显示系统，包括系统支架、旋转体扫描显示装置、显示控制装置和专为各装置供电的电源。旋转体扫描显示装置固定安装在系统支架上方，旋转体扫描显示装置包括位置固定安装的投影机、可旋转的投影幕布、驱动投影幕布旋转的电机和控制电机运行的电机控制器，电机固定安装在系统支架上，投影幕布包括至少2片成像屏，各成像屏呈中心对称式均匀分布，各成像屏围绕其共同的对称中心线旋转；显示控制装置的电机驱动通讯信号输出端与电机控制器的信号接收端相连接，显示控制装置的图像信号输出端与投影机的图像信号接收端相连接；体积显示系统还包括在观众的当前视野中的检测成像屏位置的实时检测装置，实时检测装置固定安装在系统支架上，实时检测装置的信号输出端与显示控制装置的信号接收端相连接。

垂直上述电机的传动主轴的传动端固定连接一片可同步转动的风叶，有2～6片成像屏以星形均匀分布式固定于风叶上，各成像屏与风叶垂直，各成像屏所在的平面相交于空间中的同一条公共相交直线，各成像屏围绕公共相交直线旋转。

上述实时检测装置为红外检测装置，由固定安装于系统支架上的红外线发射器和红外线接收器组成，投影幕布的每一片成像屏旋转至投影机的正投射方向时，红外线发射器向红外线接收器发射红外信号，红外线接收器的信号输出端与显示控制装置的信号接收端相连接。

上述显示控制装置为一个同步控制器，红外光接收器的信号线与同步控制器相连接，同步控制器还通过一条信号线与电机控制器的信号接收端相连接，同步控制器还通过另一条视频信号线连接投影机。

上述同步控制器由现场可编程门阵列芯片、SDRAM、存储芯片、电源管理模块和I/O端口组成。

上述现场可编程门阵列芯片为CycloneII2C35 FPGA芯片，存储芯片为NAND flash芯片，I/O端口至少包括进行外联通信的USB接口、向投影机传输图像的VGA接口、输入红外线接收器的采集信号的红外信号接收接口和向电机控制器输出指令信号的电机驱动信号接口。

本实用新型优选的技术方案中，最好有3片成像屏以星形均匀分布式固定于风叶上，相邻的成像屏之间的相位差为120°。

对应上述投影幕布的最低位置处安装红外检测装置，红外检测装置优选安装在系统支架上面并靠近风叶。

作为实用新型的改进，上述显示控制装置还通过信号电缆连接微机，微机为显示控制装置的上位机。

本实用新型与现有技术相比较，具有如下实质性特点和优点：

1. 本实用新型与基于单屏投影的真三维显示系统相比，由于采用多片投影幕布，其单个旋转周期可刷新多次立体画面。以具有3片成像屏的技术方案推算，当电机转速降低一半，减少大部分系统噪音时，立体影像的刷新率仍可提高1.5倍。

2. 投影幕布旋转，系统运动方式简单。

3. 采用多屏旋转，平面成像屏的旋转轴不在成像屏的中部，不存在图像投影的死区。

4. 本实用新型系统结构简单，实现容易，运行可靠，体像素在空间内的分布均匀，显示稳定性高，成本较低。

附图说明

图1是本实用新型第一个实施例的系统结构示意图。

图2是本实用新型第二个实施例的系统结构示意图。

图3是本实用新型第三个实施例的系统结构示意图。

图4是本实用新型第四个实施例的系统结构示意图。

图5是本实用新型第四个实施例的同步控制器系统结构和周边设备连接示意图。

具体实施方式

本实用新型的优选实施例结合附图说明如下：

实施例一：

参见图1，一种基于多屏旋转扫描的体积显示系统，包括系统支架1、旋转体扫描显示装置、显示控制装置和专为各装置供电的电源。旋转体扫描显示装置固定安装在系统支架1上方，旋转体扫描显示装置包括位置固定安装的投影机7、可旋转的投影幕布2、驱动投影幕布旋转的电机8和控制电机8运行的电机控制器9，电机8固定安装在系统支架1上，投影幕布2包括至少2片成像屏，各成像屏呈中心对称式均匀分布，各成像屏围绕其共同的对称中心线旋转；显示控制装置的电机驱动通讯信号输出端与电机控制器9的信号接收端相连接，显示控制装置的图像信号输出端与投影机7的图像信号接收端相连接；本实用新型体积显示系统还包括在观众12的当前视野中的检测成像屏位置的实时检测装置，实时检测装置固定安装在系统支架1上，实时检测装置的信号输出端与显示控制装置的信号接收端相连接。在本实施例中，采用多屏旋转扫描的体积显示技术，可实现真三维显示。由于体积显示技术是靠屏幕的周期运动来构成成像空间，过高的运动速度，会产生一系列的机械问题：机械部分的稳定性、投影幕布的使用寿命、机械部分的噪声和振动等，本实施例中，通过采用可旋转的多屏组成的投影幕布组，比单屏旋转投影的真三维显示系统更具优势，实现连续循环投影，这样在保证三维影像稳定流畅的前提下，可以相应降低电机8的转速，减少系统所受到的机械冲击，而每片投影幕布2的匀速旋转消除了投影幕布2以加速度运动带来的机械振动，使显示系统工作更加稳定。

垂直上述电机8的传动主轴10的传动端固定连接一片可同步转动的风叶11，有2～6片成像屏以星形均匀分布式固定于风叶11上，各成像屏与风叶11垂直，各成像屏所在的平面相交于空间中的同一条公共相交直线，各成像屏围绕公共相交直线旋转。在本实施例中，风叶11转动进而带动与其固定连接的由多片成像屏组成的投影幕布组旋转。安装风叶11可以方便投影幕布2的安装连接和定位，同时风叶11可以切断投影幕布2旋转过程中形成的气流流场，减小空气扰动对投影幕布2的干扰。

上述实时检测装置为红外检测装置，由固定安装于系统支架1上的红外线发射器4和红外线接收器5组成，投影幕布2的每一片成像屏旋转至投影机7的正投射方向时，红外线发射器4向红外线接收器5发射红外信号，红外线接收器5的信号输出端与显示控制装置的信号接收端相连接。采用红外检测装置对投影幕布2的每一片成像屏进行位置检测，将采集的成像屏实时位置传感数据向显示控制装置发送，显示控制装置分析在观众12的当前视野中的检测成像屏位置数据，向投影机7发出投影控制指令，实现不同物理景深的投影画面在不同的成像屏上生成。

上述显示控制装置为一个同步控制器3，红外光接收器5的信号线与同步控制器3相连接，同步控制器3还通过一条信号线与电机控制器9的信号接收端相连接，同步控制器3还通过另一条视频信号线14连接投影机7。显示控制装置采用同步控制器3，可实现成像屏投影当前位置时点和投影机7投影变换时点的同步，生成流畅的不同物理景深的投影画面。

上述同步控制器3由现场可编程门阵列芯片21、SDRAM22、存储芯片23、电源管理模块24和I/O端口组成。

上述现场可编程门阵列芯片21为CycloneII2C35 FPGA芯片，存储芯片23为NAND flash芯片，I/O端口至少包括进行外联通信的USB接口25、向投影机7传输图像的VGA接口26、输入红外线接收器5的采集信号的红外信号接收接口27和向电机控制器9输出指令信号的电机驱动信号接口28。同步控制器3可由CycloneII2C35 FPGA（Field－Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）、SDRAM(Synchronous Dynamic Random Access Memory，同步动态随机存储器)、NAND flash(NAND闪存)、VGA(Video Graphics Array，显示绘图阵列)接口芯片ADV7123和电源管理等模块组成，计算机可通过USB接口与同步控制器进行通信，同步控制器存储图像并在立体显示系统运行时VGA视频接口向投影机传输图像，同步控制器根据红外光接收器的电机转速信号和成像屏位置信号向投影机发送视频图像。同步控制器3采用低成本的芯片或低成本模块设计，保证较好的性价比，采用丰富的I/O端口，方便了芯片的功能扩展。

实施例二：

本实施例与第一个实施例的技术方案基本相同，不同之处在于：

参见图2，在本实施例中，有3片成像屏以星形均匀分布式固定于风叶11上，相邻的成像屏之间的相位差为120°。在本实施例中，投影幕布组被分别垂直安装在风叶11上，相邻的成像屏之间之间互成120度夹角，优选3片成像屏作为投影幕布2更加科学、合理，与基于单屏投影的真三维显示系统相比，由于采用3片成像屏，其1个旋转周期可刷新3次立体画面，当电机8转速降低一半，减少一半以上的系统噪音时，立体影像的刷新率仍可提高1.5倍。电机8以每秒10转的速度旋转，投影机7即可伴随旋转并同步输出流畅的立体画面。在本实施例中，优选3片成像屏的技术方案在电机转速和成像屏上显示刷新率之间可以实现科学选择，一方面电机8减速可以降低噪声，另一方面电机8减速还可以降低机械振动，此外电机8减速还可以减少空气阻力对设备稳定性的不利影响，减小投影幕布2旋转时受到的空气阻力，提高相同工作的稳定性，提高相同运行的可靠性。

实施例三：

本实施例与第一个实施例和第二个实施例的技术方案基本相同，不同之处在于：

参见图3，在本实施例中，对应投影幕布2的最低位置处安装红外检测装置，红外检测装置安装在系统支架1上面并靠近风叶11。对应投影幕布2的最低位置处安装红外检测装置，可以方便选择组件固定安装位置，使红外检测装置在系统支架1上的位置稳固，保证红外检测装置对投影幕布2当前位置的测量精度。在投影幕布随风叶11转动时，可以减少由于空气阻力可能使投影幕布2发生的变形，红外检测装置安装靠近风叶11安装，可以减小投影幕布2变形对红外检测装置测量精度带来的不利影响，使整个系统保持较高同步性和稳定性。

实施例四：

本实施例与第一个实施例的技术方案基本相同，不同之处在于：

参见图4和图5，在本实施例中，显示控制装置还通过信号电缆13连接微机6，微机6为显示控制装置的上位机。采用上位机外联控制方式与在本实施例中的显示控制装置进行通讯，可以提高本实用新型自动控制功能的扩展能力，提高系统智能化程度。

上面结合附图对本实用新型实施例进行了说明，但本实用新型不限于上述实施例，还可以根据本实用新型的实用新型创造的目的做出多种变化，凡依据本实用新型技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，如投影幕布2包含的多片成像屏在风叶11上的分布形式还可以采用其他均匀分布形式，可以采用以电机8的传动主轴10的轴线为对称中心分布，只要是基于多屏旋转扫描的体积显示原理，都属于本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1. 一种基于多屏旋转扫描的体积显示系统，包括系统支架（1）、旋转体扫描显示装置、显示控制装置和专为所述各装置供电的电源，其特征在于：

所述旋转体扫描显示装置固定安装在所述系统支架（1）上方，所述旋转体扫描显示装置包括位置固定安装的投影机（7）、可旋转的投影幕布（2）、驱动投影幕布旋转的电机（8）和控制所述电机（8）运行的电机控制器（9），所述电机（8）固定安装在所述系统支架（1）上，所述投影幕布（2）包括至少2片成像屏，各所述成像屏呈中心对称式均匀分布，各所述成像屏围绕其共同的对称中心线旋转；

所述显示控制装置的电机驱动通讯信号输出端与所述电机控制器（9）的信号接收端相连接，所述显示控制装置的图像信号输出端与所述投影机（7）的图像信号接收端相连接；

所述体积显示系统还包括在观众（12）的当前视野中的检测成像屏位置的实时检测装置，所述实时检测装置固定安装在所述系统支架（1）上，所述实时检测装置的信号输出端与所述显示控制装置的信号接收端相连接。

2. 根据权利要求1所述的基于多屏旋转扫描的体积显示系统，其特征在于：垂直所述电机（8）的传动主轴（10）的传动端固定连接一片可同步转动的风叶（11），有2～6片成像屏以星形均匀分布式固定于所述风叶（11）上，各所述成像屏与所述风叶（11）垂直，各所述成像屏所在的平面相交于空间中的同一条公共相交直线，各所述成像屏围绕所述公共相交直线旋转。

3. 根据权利要求2所述的基于多屏旋转扫描的体积显示系统，其特征在于：所述实时检测装置为红外检测装置，由固定安装于所述系统支架（1）上的红外线发射器（4）和红外线接收器（5）组成，所述投影幕布（2）的每一片成像屏旋转至所述投影机（7）的正投射方向时，所述红外线发射器（4）向红外线接收器（5）发射红外信号，所述红外线接收器（5）的信号输出端与所述显示控制装置的信号接收端相连接。

4. 根据权利要求3所述的基于多屏旋转扫描的体积显示系统，其特征在于：所述显示控制装置为一个同步控制器（3），所述红外光接收器（5）的信号线与同步控制器（3）相连接，所述同步控制器（3）还通过一条信号线与所述电机控制器（9）的信号接收端相连接，所述同步控制器（3）还通过另一条视频信号线（14）连接所述投影机（7）。

5. 根据权利要求4所述的基于多屏旋转扫描的体积显示系统，其特征在于：所述同步控制器（3）由现场可编程门阵列芯片（21）、SDRAM（22）、存储芯片（23）、电源管理模块（24）和I/O端口组成。

6. 根据权利要求5所述的基于多屏旋转扫描的体积显示系统，其特征在于：所述现场可编程门阵列芯片（21）为CycloneII2C35 FPGA芯片，所述存储芯片（23）为NAND flash芯片，所述I/O端口至少包括进行外联通信的USB接口（25）、向所述投影机（7）传输图像的VGA接口（26）、输入所述红外线接收器（5）的采集信号的红外信号接收接口（27）和向所述电机控制器（9）输出指令信号的电机驱动信号接口（28）。

7. 根据权利要求2～6中任意一项所述的基于多屏旋转扫描的体积显示系统，其特征在于：有3片成像屏以星形均匀分布式固定于所述风叶（11）上，相邻的所述成像屏之间的相位差为120°。

8. 根据权利要求7所述的基于多屏旋转扫描的体积显示系统，其特征在于：对应所述投影幕布（2）的最低位置处安装所述红外检测装置，所述红外检测装置安装在所述系统支架（1）上面并靠近所述风叶（11）。

9. 根据权利要求7所述的基于多屏旋转扫描的体积显示系统，其特征在于：所述显示控制装置还通过信号电缆（13）连接微机（6），所述微机（6）为所述显示控制装置的上位机。

10. 根据权利要求8所述的基于多屏旋转扫描的体积显示系统，其特征在于：所述显示控制装置还通过信号电缆（13）连接微机（6），所述微机（6）为所述显示控制装置的上位机。

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