專利名稱：多模式混合投影的真三維顯示系統的制作方法
技術領域：
本發明屬于三維顯示技術領域，具體涉及一種真三維顯示(truethree-dimensional display)系統,特別是一種多模式混合投影的真三維顯示系統。
背景技術：
傳統平面顯示技術只限于二維圖像，并不能讓觀察者獲得真實的三維深度信息和完整的表面特性。二維平面成像與顯示“強迫”我們用二維窗口來觀察豐富生動的三維世界，不僅遺失了重要的深度信息(Depth Cue)，無法準確表達三維空間關系，而且只能體現某個角度上的物體的表面特性。傳統二維平面成像和顯示技術的這一根本缺陷嚴重地阻礙了人類對客觀世界的感知，影響了人類對信息獲取、處理、傳遞、人機交互和決策的準確度、深度、速度和效率。在人眼感知的最真實的完整的三維內容信息中，不僅包含了物體的三維幾何尺度特性(長、寬和深度)，而且還包含了物體表面的色彩亮度和散射屬性等表面特性，以及由于相對位置關系造成的遮擋和陰影等信息。真三維顯示(true three-dimensionaldisplay)技術試圖構造新型顯示裝置，最大限度地展示三維物體的真實三維信息。所謂“真三維顯示”是指被顯示圖像每個三維像點(又稱體元，voxel)具有真實的表面特性，體元之間相對位置關系也被真實地體現在三維顯示裝置中，組成真正意義上的三維空間圖像，具有真實物理深度和照片質量的表面特性。觀察者不需要任何輔助設備，就可以從360度方向任意觀察被顯示物體，感知最真實的完整的三維內容信息。真三維顯示技術從根本上更新了信息顯示的概念，使被顯示圖像栩栩如生，向觀看者提供了完備的心理和生理的三維感知信息，為理解三維圖像和其中物體之間的空間關系提供了獨特的手段。真三維顯示系統目前主要通過體元空間繪制而實現。在目前眾多的真三維顯示模式中，體元空間三維顯示(Volumetric 3D Display)與光場三維顯示(Optical Field 3DDisplay)受到比較多的關注，取得了相當不錯的顯示效果。然而這兩大類三維顯示模式都無法無縫地同時再現出三維物體具有遮擋效應、表面特性和可三維測量的真實物理深度信息。基于多視點的光場三維顯示技術能夠產生高質量表面特性和具有遮擋效應的三維圖像，使觀測者感受到高質量的三維場景，但是缺乏可度量的真實三維空間關系，不能在顯示物體反映出準確的三維尺寸和相互空間關系；而體元空間三維顯示技術可以準確反映物體尺寸和空間關系，具有寬視角，能夠形成令人印象深刻可視化效果，但是不能實現遮擋，并缺乏足夠的表面特性。目前，體元空間三維顯示包括基于發光介質的三維顯示、基于旋轉屏或移動屏并配合高速顯示器的三維顯示兩大類。第一類是利用發光介質(包括特殊玻璃，氣體，液體以及空間排布的光纖等固定結構)配合激發光束的掃描與尋址，產生真三維顯示效果(參見
圖1);第二類主要是通過快速轉動或移動各種形狀的屏幕，配合以高速的投影顯示器或其它高速顯示器，實現空間三維體素尋址，形成真三維顯示效果。(I)基于可發光介質的空間激發掃描
1996年Downing采用三對高功率紅外激光束激勵摻雜了鐠、鉺、銩的氟化物玻璃以對應產生紅、綠、藍色體素，最終在厘米級小立方體范圍內實現了彩色三維顯示。這類顯示的缺點在于，缺乏合適的激勵源和具有充分光轉換效率的發光介質，體素被串行激活，體素總數不超過五十萬，無法表述復雜的圖像信息或活動的光點信息，諸多的物理和技術限制使建成了的實驗裝置顯示范圍小、分辨率低、局限于簡單的字母或圖形靜態顯示，近期內不可能實現大尺度、高分辨率、高亮度的真三維顯示。(2)基于旋轉屏和空間調制光掃描1996年德國D. Bahr等利用三色激光器作為光學系統，掃描一個快速旋轉的螺旋屏，通過調制器和掃描器作為空間光調制手段，分別控制激光的強度和偏轉角度，以便在螺旋屏表面上產生一個瞬時光點(參見圖2)，隨著激光器的偏轉和螺旋屏的旋轉，就能在圓柱狀的真實三維空間內產生許多光點，觀察者將因為視覺暫留而感知到一幅三維圖像。美國NEOS Technologies公司與美國海軍指揮、控制及海洋監視中心合作，建立類似的實驗裝置，可以產生8萬個大小為O. 7mm體素的紅、綠、黃三色圖像；德州儀器公司與美國空軍合作開發的OmniView 顯示設備，也在螺旋屏加激光投影技術的組合三維顯示上進行了嘗試。這類顯示的主要缺點是體素總數不超過五十萬，無法表述復雜動態信息。2002 年美國 Actuality Systems 公司研究的 Perspecta 3D System 系統利用高速DLP投影儀，將二維截面序列投射到一個快速旋轉的散射屏上，利用視覺暫留而融合到空間三維圖像。如圖3所示，Perspecta 真三維顯示器采用了結合傾斜光學器件的非常規的離軸投影方案，以便維持貫穿投影屏掃掠范圍的良好聚焦。高壓汞弧燈經積分棒和聚光透鏡后，照在3-SLM投影儀上。SLMs上的圖像被投射穿過一個敞口直流電機的中心，該電機帶動折疊鏡和屏幕旋轉。目前，該系統提供直徑為10英寸的球形圖像空間，二維截面的分辨率為768 X 768，截面總數為198，體素總數最多可達I億，顯示刷新率30Hz，最高分辨率時可顯示8種顏色，體顯示系統360度可周視，大于180度俯仰視。這是國際上唯一的一臺商品化的真三維顯示系統，該系統的出現進一步促進了真三維顯示技術的發展。但該設備(參見圖3a)的光學系統復雜(參見圖3b)、體素總數無法隨顯示空間增大而按比例增加、三維圖像分辨率與圖像顏色之間受DLP器件速度的限制，無法再提高，而且設備價格昂貴。采用的單投影機方式，投影機不轉，旋轉反射鏡，大傾斜投影。為保證各方向的投影效果一致，投影機鏡頭光軸與DMD芯片中心重合并垂直，反射鏡的回轉軸、屏幕的回轉軸與投影機鏡頭光軸同軸。為保證大的俯仰視角，采用傾斜投影。但傾斜投影使圖像產生上下離焦，清晰度下降、上大下小產生梯形畸變、上暗下亮均勻性不好，雖可用圖像校正畸變，但損失分辨率，圖像需進行梯形、旋轉和灰度修整等處理，增加運算量。減小口徑可減小離焦對清晰度的影響，但與提高亮度相矛盾，需采用光學的方法進行圖像亮度不均勻性的校正，有一定的難度。(3)基于發光體旋轉早期開發的真三維顯示技術采用將發光二極管密集安裝在可旋轉平板上，控制每一個發光二極管的發光時序并將其與平板的旋轉位置同步，可以在旋轉體內產生出三維圖像，這一方法最初在1963年由Schipper提出(US 3，097，261)。在1979年，Berlin發展出一個新方法，用光導方法解決了向旋轉面傳輸大量顯示數據的問題，并用高速LED(LightEmitterDiode)陣列取代了原來用的發光二極管(US 4，160，973)，這種顯示方法采用LED陣列平板旋轉出三維顯示空間。該技術的主要缺點在于三維圖像的清晰度受到LED陣列密度的限制和LED開關時間的影響。同時，由于該方法受限于平板旋轉屏的結構，三維體元的空間分布不均勻，從而影響顯示圖像質量。利用陰極射線球(Cathode Ray Sphere,簡稱CRS)來顯示三維圖像的概念最初由Ketchpel在1960年提，1979年，新西蘭學者Blundell在將此概念做了原理性實現。這一方法將熒光物質鍍在一個可旋轉的屏幕上，將此可旋轉屏幕置于真空容器內，再用電子射線束掃描處于真空中的可旋轉的屏幕，產生可見光點。如果將電子射線束的掃描時序與屏幕的旋轉同步，便可在屏幕的旋轉區域內顯示出真三維圖像。由這種顯示方法生成的三維圖像質量較差，受到玻璃容器壁的光線折射，及旋轉屏幕透明度的影響。另外，影響像質的因素是熒光發光物質的發光啟動時間和余暉。(4)光場三維顯不光場三維顯示(Light Field 3D Display)技術試圖記錄和重構物體的360度范圍光場，如同全息顯示一樣，因此它不僅可以真實再現三維景物的空間特性，而且能夠正確表現景物之間的相互遮攔關系。觀察者從不同角度可以觀察到不同的畫面，長時間觀看沒有不良生理反應。為了減少信息量，光場重構時可以壓縮某一維度的信息，如垂直方向的光場變化信息，也可以根據人眼特性減少光場分布的角度精細程度，從而使信息量與全息技術相比大大減少，從而能夠實現360度的動態空間三維顯示，滿足實際應用的需要。生成三維圖像的多視點光場三維顯示的原理比較直觀，將從某個視角采集(或計算機生成的)真實物體的三維視差圖像逆向投影到相同的視角。如果多視點系統能夠在顯示設備附近以正確的視差生成足夠數量的視圖，觀測者就能夠感受到被顯示物體的三維效果。圖4顯示了傳統的多視點三維顯示從采集到三維顯示的過程。通常視場被限制前方100度左右。利用旋轉屏幕，可以將多視點光場三維顯示的視場擴展環形360度到視場角，如圖5所示。圖5的左邊的圖描繪了生成360度環繞視場角的多視點圖像的機理，而右邊的圖形描述了利用具有方向性的投影機制來產生在360度范圍內每個視角的方向圖片。一個高速的投影成像引擎將多視點光場圖像投影到45度傾角的旋轉屏。投影的圖像序列與屏幕的旋轉角同步。對于一個特定的視角，被投影的圖像就是從這個視角采集到的對應圖像。旋轉屏幕采用平面，使用具有方向性的定向反射材料構成。這種特殊的各向異性的反射材料可以使得反射出來的光線在垂直方向具有較大的散射角，保證足夠視場角，而水平方向只有非常窄的視角(大約I度)。這個獨特的光學特性給我們提供了一個完美的機制向在特定觀察角度的觀察者顯示出高質量的具有表面紋理和遮擋特性的彩色圖像，而處在其他角度的觀察者則看到不同的圖像。因此，從不同視場角的觀測者可以看到的對應這個特定視場角的具有正確視差的圖像。其結果是周圍的觀測者都能夠感受到三維視差效應。與在對應的三維位置上繪制一個體元的體三維顯示方法相比，多視點光場三維顯示方法產生與不同的視角相對于的多幅光場圖像。這種方法并不提供體元的真三維位置，但是能夠生成被顯示物體的照片的紋理表面特性，并且可以生成顯示的三維物體之間的遮擋效應。(5)動態全息三維顯示
按照物理學的近距作用觀點，人眼之所以能看見外界物體，其直接原因并不是因為物體的客觀存在，而是由于物體發出的光波到達了人眼的視網膜，視神經細胞接收到物光波，從而產生三維空間像的視覺。通常可以將全息圖理解為一個大容量的存儲器件，存儲或“凍結” 了三維物體的全部信息。為了從全息圖中提取物光波的信息，還必須用適當的光波照射全息圖，“解凍”或恢復原來的物光波，人眼迎著再現物光波觀察時，就如同通過全息圖這個窗口去觀察原來的真實物體一樣。全息術是一個兩步成像過程，即物體光波的記錄(存儲或編碼)和再現(恢復或解碼)的過程，通常前一過程利用光的干涉實現，后一過程利用光的衍射完成。全息顯示原理如圖6所示。圖6是多模式混合投影真三維顯示系統的基于快速二維投影儀和快速移動屏多平面的體掃描三維顯示模式的原理圖。如圖6所示，假定一個掃描屏以較快的循環周期在Z軸上來回移動(比如大于24Hz)。在掃描運動的每個時間周期內，通過高速投影儀將N幅二維圖像模式朝移動平面進行投影，移動屏與二維圖像投影在Z軸的不同位置上相交，在真三維空間形成二維圖像棧。如果移動屏的循環周期足夠高，在每趟運動中二維投影儀能夠產生足夠數量的二維圖像切片，由于人眼的視覺暫留效應，觀測者就能夠感受到一個真三維圖像懸浮在三維空間中，沒有抖動。在真三維顯示系統中，一個高速成像引擎和一個光學投影系統被使用來生成超高速的圖像模式并投影(每秒幾千幅)到一多模式混合旋轉屏的螺旋屏。投影圖像模式與螺旋表面在不同的高度上相交(取決于螺旋面的不同旋轉角度)，于是螺旋面的每次旋轉能夠在這個三維顯示空間內生成三維像素。螺旋表面的每個部分能夠使用數學方程描述
權利要求
1.一種多模式混合投影的真三維顯示系統，其特征在于，包括成像引擎、光學投影系統、機械和電子模塊、多模式混合旋轉屏， 所述成像引擎用于產生切片圖像序列的投影光； 所述光學投影系統用于接收來由成像引擎產生的切片圖像序列的投影光，并將其投影到多模式混合屏上； 所述機械和電子模塊用于控制所述多模式混合旋轉屏幕的旋轉運動； 所述多模式混合旋轉屏包括一個定向反射屏和ー個螺旋屏，該定向反射屏用于生成光場三維圖像，該螺旋屏用于生成真三維體掃描圖像。
2.如權利要求1所述的多模式混合投影的真三維顯示系統，其特征在于，所述成像引擎包括光源、準直透鏡、極性化分光器和空間光調制器，其中， 所述光源用于產生光線； 所述準直透鏡用于將所述光線準直并投射到所述極性化分光器上； 所述極性化分光器用于反射所述極性化的光線至所述空間光調制器； 所述空間光調制器用于根據所述極性化的光線產生所述圖像切片的投影光。
3.如權利要求2所述的多模式混合投影的真三維顯示系統，其特征在于，所述光學投影系統包括投影光學器件，所述投影光學器件用于將經空間光調制器生成的圖像切片進行調整并消除像差，然后投射到所述多模式旋轉混合屏上。
4.如權利要求3中任一項所述的多模式混合投影的真三維顯示系統，其特征在于，所述多模式顯示屏幕由兩部分組成，第一部分是體三維顯示屏幕，第二部分是光場三維顯示屏幕。
5.如權利要求4所述的多模式混合投影的真三維顯示系統，其特征在于，所述光源為RGB三色光源。
6.如權利要求4所述的多模式混合投影的真三維顯示系統，其特征在干，屏幕材料選為主動電子切換屏幕。
7.如權利要求4所述的多模式混合投影的真三維顯示系統，其特征在于，所述空間光調制器的最高變換率不低于毎秒32，OOO幀。
8.如權利要求4所述的多模式混合投影的真三維顯示系統，其特征在干，還包括控制主機6，其用于控制空間光調制器5的圖像信息和時序，進而調制空間光調制器5，當所述空間光調制器5上的像素被開啟時，通過該像素的光線便被反射回所述極性化分光器。
9.如權利要求4所述的多模式混合投影的真三維顯示系統，其特征在于，所述成像引擎產生的圖像投影光的速度高于每秒3000幅。
10.如權利要求1-9中任一項所述的多模式混合投影的真三維顯示系統，其特征在干，還包括透明保護罩，其設置于所述多模式混合旋轉屏幕的外圍，用于保護所述多模式混合旋轉屏。
全文摘要
本發明公開了一種多模式混合投影的真三維顯示系統，包括成像引擎、光學投影系統、機械和電子模塊、多模式混合旋轉屏，所述成像引擎用于產生切片圖像序列的投影光；所述光學投影系統用于接收來由成像引擎產生的切片圖像序列的投影光，并將其投影到多模式混合屏上；所述機械和電子模塊用于控制所述多模式混合旋轉屏幕的旋轉運動；所述多模式混合旋轉屏包括一個定向反射屏和一個螺旋屏，該定向反射屏用于生成光場三維圖像，該螺旋屏用于生成真三維體掃描圖像。本發明將多種三維顯示模式有機地融合到一個集成的顯示系統中，利用切換控制技術，凸顯各種顯示模式的優異性能，彌補各自的不足，從而形成一種嶄新的真三維顯示系統。
文檔編號G02B27/22GK103048867SQ201210593038
公開日2013年4月17日 申請日期2012年12月31日 優先權日2012年12月31日
發明者耿征 申請人:中國科學院自動化研究所