TWI734538B - 三維成像系統及方法 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種三維成像系統及方法，所述三維成像系統包括懸浮力場產生器、投影模組及控制器。懸浮力場產生器用以產生懸浮力場，使得用以對入射光進行散射的複數個散射粒子懸浮並分布於一投影平面。投影模組用以投射影像於投影平面。控制器耦接懸浮力場產生器及投影模組，且經配置以控制懸浮力場產生器改變懸浮力場，使得散射粒子所分布的投影平面在一顯示空間中移動，並從由三維立體影像切分出的多張切平面影像中擷取符合投影平面位置的切平面影像，而控制投影模組投影所擷取的切平面影像至投影平面。

Description

三維成像系統及方法

本發明是有關於一種顯示裝置及方法，且特別是有關於一種三維成像系統及方法。

三維成像技術是將物體的立體影像呈現於三維空間，可為觀看者帶來真實的立體空間視覺感受。其中，三維投影技術是採用平行投影及/或透視投影的方式，在二維的平面上投射出物體的三維影像。此技術需要設置多個投影機，並將各個投影機的位置、朝向、視野等配置與顯示平面建立關聯，從而透過變換投影的方式來實現三維投影。全息投影（holographic projection）技術則是一種能夠再現物體三維影像的虛擬成像技術，其是利用光的干涉和衍射原理，記錄物體的各個角度的信息，並透過將光投射到特殊材質的透明薄膜或鏡片上來形成三維影像。

然而，上述的三維投影和全息投影皆是透過光的投射產生，其投影影像受限於二維平面，因而使得使用者的觀看視角受到限制，無法實現多人多視角的觀看。

本發明一實施例的三維成像系統包括懸浮力場產生器、投影模組及控制器。懸浮力場產生器用以產生懸浮力場，使複數個散射粒子懸浮並使用以對入射光進行散射的複數個散射粒子懸浮並分布於一投影平面。投影模組用以投射影像於投影平面。控制器耦接懸浮力場產生器及投影模組，且經配置以控制懸浮力場產生器改變懸浮力場，使散射粒子所分布的投影平面在一顯示空間中移動，並從由三維立體影像切分出的多張切平面影像中擷取符合投影平面位置的切平面影像，而控制投影模組投影所擷取的切平面影像至投影平面。

本發明一實施例的三維成像方法適用於包括懸浮力場產生器、投影裝置及控制器的三維成像系統。此方法包括下列步驟：控制懸浮力場產生器產生懸浮力場，使複數個散射粒子懸浮並分布於一投影平面，經由改變懸浮力場，使散射粒子所分布的投影平面在一顯示空間中移動，以及從由三維立體影像切分出的多張切平面影像中擷取符合投影平面的位置的切平面影像，而控制投影裝置投影所擷取的切平面影像至投影平面。

為讓本發明能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

本揭露實施例提出一種三維成像系統，其是利用可對入射光進行散射的粒子作為顯示介質，並利用懸浮控制技術在散射粒子周圍產生聲場、磁場或其他可控制之超距力場，以控制散射粒子在顯示空間中來回掃描，形成一高速移動之投影平面，同時將三維物體的切平面影像精準地投射在掃描的投影平面上，使得人眼能夠藉由視覺暫留而觀賞到立體影像。

圖1是依據本揭露一實施例所繪示的三維成像技術的示意圖。請參照圖1，本實施例是利用影像擷取裝置12掃描物體10以進行三維建模，所述影像擷取裝置12例如是相機、攝影機、紅外線感測器、雷射感測器等，在此不設限。在一實施例中，可利用全像術（Holography）記錄物體10的反射或透射光波的振幅或相位等訊息，以重建物體10的不同方位和角度的三維圖資影像。在取得三維圖資影像之後，即可對物體10的三維圖資影像進行二維切平面影像處理，例如是將三維圖資影像依切平面C1~Cn的位置切分出切平面影像I1~In，其中n為正整數。而在成像過程中，則可藉由在散射粒子14周圍產生懸浮力場，以控制散射粒子14在顯示空間中來回掃描，形成高速移動之投影平面，同時利用投影裝置16將切平面影像I1~In精準地投射在各個投影平面上，而形成投影影像I1’~In’。藉此，人眼能夠透過對投影影像I1’~In’的視覺暫留，而觀賞到物體10的三維立體影像。

圖2是依據本揭露一實施例所繪示的三維成像系統的方塊圖。請參照圖2，本實施例的三維成像系統20包括懸浮力場產生器22、投影模組24及控制器26，其功能分述如下：

懸浮力場產生器22例如是可產生聲場的揚聲器、可產生磁場的永久磁鐵、可產生電磁場的電磁鐵，或是可產生其他可控制之超距力的裝置，在此不設限。

在一些實施例中，懸浮力場產生器22可選擇性搭配反射裝置以產生或加強其所產生之懸浮力場的效果。此反射裝置例如是相對於懸浮力場產生器22而配置，而用以反射懸浮力場產生器22所生成的懸浮力場，使得散射粒子懸浮並分布於懸浮力場產生器22與反射裝置之間的投影平面。例如，在使用揚聲器發出聲場的實施例中，可藉由在散射粒子相對於揚聲器所在一側的另一側配置一反射平面，使其可反射揚聲器所發出的聲場，而在揚聲器與反射平面之間形成駐波，使得散射粒子移動至駐波節點所在的平面而形成投影平面。

在一些實施例中，懸浮力場產生器22可配置在散射粒子的兩側，以形成懸浮力場。例如，在使用電磁鐵產生磁場的實施例中，可藉由在散射粒子的兩側分別配置電磁鐵，並控制這兩個電磁鐵發出相同極性的磁場，以將散射粒子控制在兩個電磁鐵之間，並可藉由調整個別電磁鐵所產生磁場的強度來改變散射粒子的位置。

舉例來說，圖3A及圖3B是依據本揭露一實施例所繪示的三維成像系統的示意圖。請參照圖3A，三維成像系統30a包括懸浮力場產生器22、投影模組24及控制器26。其中，三維成像系統30a可在散射粒子P相對於懸浮力場產生器22所在一側的另一側配置反射裝置28，用以反射懸浮力場產生器22所產生的懸浮力場，使得散射粒子P懸浮並分布於懸浮力場產生器22與反射裝置28之間的投影平面C。請參照圖3B，三維成像系統30b包括配置於散射粒子P兩側的懸浮力場產生器22a及22b、投影模組24及控制器26，用以在懸浮力場產生器22a及22b之間形成懸浮力場，使得散射粒子P懸浮並分布於懸浮力場產生器22a及22b之間的投影平面C。

在一些實施例中，三維成像系統20更包括粒子產生器（未繪示），其可產生極性相同或不同的有機材料粒子、無機材料粒子、水分子、磁性粒子、帶電粒子、塑膠粒子及高分子材料粒子其中之一或其組合，而作為上述的散射粒子。其中，在產生相同極性的散射粒子的情況下，粒子之間相斥，搭配相同極性的懸浮力場，可進一步使散射粒子均勻地分佈在顯示空間中。例如，在使用帶電荷粒子作為散射粒子的情況下，藉由採用相同極性的帶電荷粒子，搭配可產生相同極性之電磁場的電磁鐵，可有助於電磁場的穩定，達到使帶電荷粒子均勻地分佈在電磁場的懸浮空間中的效果。

舉例來說，在圖3B所示的三維成像系統30b中，散射粒子P若為帶電荷粒子，懸浮力場產生器22a及22b若是產生與帶電荷粒子極性相同的電磁場，則由於上下兩端的電磁場與帶電荷粒子同極性，將可進一步侷限帶電荷粒子在垂直方向（即Z軸）上的運動距離，且可降低產生懸浮力場所需要之功率，提高效能。另一方面，由於極性相同的帶電荷粒子彼此相斥，粒子間不易聚集變大增加重量，而產生粒子移動緩慢或是墜落的問題，且可增加粒子彼此間的震動，而可提高散射粒子分布呈均勻平面之效果，提高三維成像的影像品質。

在一些實施例中，對散射粒子施加的聲場可依據揚聲器的特性、懸浮粒子的大小及材質以及顯示空間的大小、形狀、空氣阻力等變因進行建模，以模擬出對揚聲器給定不同參數（例如電壓）下所產生之聲場的聲壓分佈，從而作為控制聲場以移動散射粒子的依據。

圖4A是依據本揭露一實施例所繪示的揚聲器配置圖，圖4B及圖4C是依據本揭露一實施例所繪示的聲壓分佈的側視圖及俯視圖。請參照圖4A，三維成像系統40包括彼此相距例如15公分的兩個揚聲器陣列42、44，各個揚聲器陣列42、44例如可包括5×5個揚聲器。依據揚聲器陣列42、44之間的空間大小，可調整揚聲器的參數，以在揚聲器陣列42、44之間產生一聲場平面，並在其外圍產生一高壓聲場，可防止懸浮粒子溢散。由圖4B所示的模擬聲壓分佈側視圖40a可看出揚聲器陣列42、44之間形成一聲場平面46，而圖4C所示的模擬聲壓分佈俯視圖40b可看出揚聲器陣列42、44的外圍則形成一高壓聲場48，可防止懸浮粒子溢散。

投影模組24例如是投影機、雷射等可於空間中投射出影像的裝置。在一些實施例中，投影模組24包括配置於懸浮力場產生器22的周圍、中心或散射粒子相對於懸浮力場產生器22所在一側的另一側的至少一個投影裝置。這些投影裝置可將至少一個顏色的影像投射至投影平面或分別投射至投影平面的多個固定區間。

圖5A及圖5B是依據本揭露一實施例所繪示的三維成像系統的示意圖。請參照圖5A，三維成像系統50a包括配置於散射粒子P兩側的懸浮力場產生器22a及22b、配置在懸浮力場產生器22b周圍的投影模組24以及控制器26。其中，控制器26可控制投影模組24投射單色或彩色的影像於投影平面C。請參照圖5B，三維成像系統50b包括配置於散射粒子P兩側的懸浮力場產生器22a及22b、配置在懸浮力場產生器22b周圍的三個投影裝置24a、24b、24c以及控制器26。其中，控制器26可控制投影裝置24a、24b、24c分別投射例如紅、綠、藍（R、G、B）的影像於投影平面C，以在投影平面C上形成彩色影像。在其他實施例中，控制器26可依據投影裝置24a、24b、24c的特性及位置，控制其投射不同顏色或強度的影像，在此不設限。

在一些實施例中，三維成像系統20更包括屏障產生器（未繪示），其可在顯示空間的周圍產生屏障，以限制散射粒子於顯示空間內移動。所述的屏障例如是由力場（例如聲場、磁場、氣場）組成，或是由流體或固體材料（例如玻璃、壓克力等透明固態物體）組成，而可限制散射粒子在所屏障的空間內運動並抑制散射粒子擴散。

舉例來說，圖6是依據本揭露一實施例所繪示的三維成像系統的示意圖。請參照圖6，三維成像系統60包括配置於散射粒子P兩側的懸浮力場產生器22a及22b、配置在懸浮力場產生器22b周圍的投影裝置24以及控制器26。此外，三維成像系統60還包括配置在懸浮力場產生器22b周圍的屏障產生器29，其可針對懸浮力場產生器22a及22b之間的顯示空間周圍產生屏障B，以抑制散射粒子由顯示空間向外擴散。

控制器26耦接懸浮力場產生器22及投影模組24，其例如是中央處理單元（Central Processing Unit，CPU）、微控制器（Microcontroller unit，MCU）、微處理器（Microprocessor）、可程式化控制器、特殊應用積體電路（Application Specific Integrated Circuits，ASIC）、可程式化邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）或其他類似裝置或這些裝置的組合，而可載入並執行電腦程式，以執行本揭露實施例的三維成像方法。

圖7是依照本發明一實施例所繪示的三維成像方法的流程圖。請同時參照圖2及圖7，本實施例的方法適用於上述的三維成像系統20，以下即搭配三維成像系統20的各項元件說明本實施例的三維成像方法的詳細步驟。

在步驟S702中，控制器26控制懸浮力場產生器22產生懸浮力場，使散射粒子懸浮並分布於投影平面，並改變懸浮力場，使散射粒子所分布的投影平面在顯示空間中移動。其中，控制器26例如是控制懸浮力場產生器22改變所產生的聲場、磁場等懸浮力場，以推動散射粒子，從而使得由散射粒子形成的投影平面在顯示空間中移動。

在步驟S704中，控制器26從由三維立體影像切分出的多張切平面影像中擷取符合移動後投影平面的位置的切平面影像。其中，所述的三維立體影像例如是預先針對目標物體進行掃描及三維建模所取得的三維圖資影像或是以電腦繪圖的方式所繪製出的三維立體影像，本實施例不限制三維立體影像的取得及產生方式。為了在顯示空間中重建出物體的三維立體影像，控制器26例如是將三維立體影像以預定間隔切分為多張切平面影像，從而在移動（由散射粒子所形成的）投影平面的過程中，能夠依據移動後投影平面的所在位置，擷取對應位置的切平面影像，以供投影模組24投射。

在步驟S706中，控制器26控制投影模組24投影所擷取的切平面影像至投影平面。在一些實施例中，控制器26可控制單一個投影裝置，例如控制焦平面或焦深，以投影單一顏色或彩色的影像至投影平面。在一些實施例中，控制器26可控制多個投影裝置分別投影不同顏色的影像至投影平面，例如分別投影紅、綠、藍影像，以組成彩色影像。在一些實施例中，控制器26可控制多個投影裝置將單一顏色或彩色的影像分別投射至投影平面上的多個固定區間，以組成完整的影像。本揭露不限制於上述的投影方式。

藉由上述方法，本揭露實施例的三維成像系統20可提供全視角的立體影像，且所產生的立體影像符合真實空間維度，而可供多人共同觀看，在一些實施例中，三維成像系統20可依需要應用至不同場景中。

圖8A及圖8B是依照本發明一實施例所繪示的三維成像系統的應用範例。請參照圖8A，三維成像系統80a可由高功率的音波產生器82a、82b及封閉性的透明管壁W組成，藉由控制音波產生器82a、82b所產生聲場的駐波在垂直（Z軸）方向上掃描，以推動散射粒子P形成快速移動的投影平面C，同時藉由配置於下方中心位置的投影裝置84a，將垂直方向上不同位置的切平面影像投射至移動中的投影平面C，藉此可產生物體的三維立體影像。此三維成像系統80a可例如用以投影立體人像以作為私人助理，或可投影三維物體以作為視訊通話或會議討論的標的。

請參照圖8B，三維成像系統80b是由高功率的音波產生器82c及封閉性的透明管壁W組成，藉由控制音波產生器82c所產生聲場的駐波在垂直（Z軸）方向上掃描，以推動散射粒子P形成快速移動的投影平面C，同時藉由配置於上方中心位置的投影裝置84b，將垂直方向上不同位置的切平面影像投射至移動中的投影平面C，藉此可產生物體的三維立體影像。此三維成像系統80b可例如用以投影展覽物品O，以供使用者U觀賞。

本發明實施例的三維成像系統及方法，運用可散射光線的粒子作為投影媒介，藉由懸浮力場控制散射粒子懸浮及運動，以產生快速移動的投影平面，搭配投影裝置精確地將三維物體的切平面影像投射至移動中的投影平面，而可使觀看者藉由視覺暫留觀賞到全視角且符合真實空間維度的三維立體影像。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍及其均等範圍所界定者為準。

10:物體 12:影像擷取裝置 14、P:散射粒子 16、24a、24b、24c、84a、84b:投影裝置 20、30a、30b、40、50a、50b、60、80a、80b:三維成像系統 22、22a、22b:懸浮力場產生器 24:投影模組 26:控制器 28:反射裝置 29:屏障產生器 40a:模擬聲壓分佈側視圖 40b:模擬聲壓分佈俯視圖 42、44:揚聲器陣列 46:聲場平面 48:高壓聲場 82a、82b、82c:音波產生器 B:屏障 C:投影平面 C1~Cn:切平面 I1~In:切平面影像 I1’~In’:投影影像 O:展覽物品 U:使用者 W:透明管壁 S702~S706:步驟

圖1是依據本揭露一實施例所繪示的三維成像技術的示意圖。 圖2是依據本揭露一實施例所繪示的三維成像系統的方塊圖。 圖3A及圖3B是依據本揭露一實施例所繪示的三維成像系統的示意圖。 圖4A是依據本揭露一實施例所繪示的揚聲器配置圖。 圖4B及圖4C是依據本揭露一實施例所繪示的聲壓分佈的側視圖及俯視圖。 圖5A及圖5B是依據本揭露一實施例所繪示的三維成像系統的示意圖。 圖6是依據本揭露一實施例所繪示的三維成像系統的示意圖。 圖7是依照本發明一實施例所繪示的三維成像方法的流程圖。 圖8A及圖8B是依照本發明一實施例所繪示的三維成像系統的應用範例。

20:三維成像系統

22:懸浮力場產生器

24:投影模組

26:控制器

Claims (15)

1. 一種三維成像系統，包括：懸浮力場產生器，產生懸浮力場，使複數個散射粒子懸浮並分布於一投影平面，所述散射粒子對入射光進行散射，其中所述懸浮力場產生器包括配置於所述散射粒子的相對兩側的揚聲器陣列、永久磁鐵或電磁鐵；投影模組，投射影像於所述投影平面；以及控制器，耦接所述懸浮力場產生器及所述投影模組，經配置以：控制所述懸浮力場產生器改變所述懸浮力場，使所述散射粒子所分布的所述投影平面在一顯示空間中移動，其中包括依據所述顯示空間的大小，調整所述揚聲器陣列中的各個揚聲器、所述永久磁鐵或所述電磁鐵的參數，以在所述顯示空間中產生用以控制所述散射粒子分布的所述投影平面的一懸浮力場平面，且在所述顯示空間的外圍產生一屏障，以限制所述散射粒子於所述顯示空間內移動；從由三維立體影像切分出的多張切平面影像中擷取符合所述投影平面的位置的切平面影像；以及控制所述投影模組投影所擷取的所述切平面影像至所述投影平面。
2. 如請求項1所述的三維成像系統，更包括： 反射裝置，相對於所述懸浮力場產生器而配置，反射所述懸浮力場產生器所產生的所述懸浮力場，使得所述散射粒子懸浮並分布於所述懸浮力場產生器與所述反射裝置之間的所述投影平面。
3. 如請求項1所述的三維成像系統，其中所述散射粒子包括極性相同或不同的有機材料粒子、無機材料粒子、水分子、磁性粒子、帶電粒子、塑膠粒子及高分子材料粒子其中之一或其組合。
4. 如請求項1所述的三維成像系統，其中所述散射粒子具有相同極性。
5. 如請求項1所述的三維成像系統，其中所述投影模組包括配置於所述懸浮力場產生器的周圍、中心或所述散射粒子相對於所述懸浮力場產生器所在一側的另一側的至少一投影裝置。
6. 如請求項5所述的三維成像系統，其中所述至少一投影裝置包括將至少一顏色的所述影像投射至所述投影平面或分別投射至所述投影平面的多個固定區間。
7. 如請求項1所述的三維成像系統，其中所述控制器更依據所述揚聲器陣列中的各所述揚聲器的特性、所述散射粒子的大小及材質以及所述顯示空間的大小、形狀、空氣阻力中的至少一者進行建模，以模擬出對所述揚聲器給定不同的所述參數下所產生之聲場的聲壓分佈，而用以作為控制所述聲場以移動所述散射粒子的依據。
8. 如請求項1所述的三維成像系統，更包括：屏障產生器，在所述顯示空間的周圍產生屏障，以限制所述散射粒子於所述顯示空間內移動。
9. 如請求項1所述的三維成像系統，更包括：粒子產生器，產生所述散射粒子並噴射所述散射粒子至所述顯示空間。
10. 一種三維成像方法，適用於包括懸浮力場產生器、投影裝置及控制器的三維成像系統，其中所述懸浮力場產生器包括配置於複數個散射粒子的相對兩側的揚聲器陣列、永久磁鐵或電磁鐵，所述方法包括下列步驟：控制所述懸浮力場產生器產生懸浮力場，使所述散射粒子懸浮並分布於一投影平面，經由改變所述懸浮力場，使所述散射粒子所分布的所述投影平面在一顯示空間中移動，其中包括依據所述顯示空間的大小，調整所述揚聲器陣列中的各個揚聲器、所述永久磁鐵或所述電磁鐵的參數，以在所述顯示空間產生用以控制所述散射粒子分布的所述投影平面的一懸浮力場平面，且在所述顯示空間的外圍產生一屏障，以限制所述散射粒子於所述顯示空間內移動；從由三維立體影像切分出的多張切平面影像中擷取符合所述投影平面的位置的切平面影像；以及控制所述投影裝置投影所擷取的所述切平面影像至所述投影平面。
11. 如請求項10所述的三維成像方法，其中所述投影模組包括配置於所述懸浮力場產生器的周圍、中心或所述散射粒子相對於所述懸浮力場產生器所在一側的另一側的至少一投影裝置，所述方法更包括：所述控制器控制所述至少一投影裝置將至少一顏色的所述影像投射至所述投影平面或分別投射至所述投影平面的多個固定區間。
12. 如請求項10所述的三維成像方法，其中所述三維成像系統更包括屏障產生器，所述方法更包括：所述控制器控制所述屏障產生器在所述顯示空間的周圍產生屏障，以限制所述散射粒子於所述顯示空間內移動。
13. 如請求項10所述的三維成像方法，其中所述散射粒子包括極性相同或不同的有機材料粒子、無機材料粒子、水分子、磁性粒子、帶電粒子、塑膠粒子及高分子材料粒子其中之一或其組合。
14. 如請求項10所述的三維成像方法，其中所述散射粒子具有相同極性。
15. 如請求項10所述的三維成像方法，更包括：依據所述揚聲器陣列中的各所述揚聲器的特性、所述散射粒子的大小及材質以及所述顯示空間的大小、形狀、空氣阻力中的至少一者進行建模，以模擬出對所述揚聲器給定不同的所述參數 下所產生之聲場的聲壓分佈，而用以作為控制所述聲場以移動所述散射粒子的依據。

Images