基于多臺高速投影機拼接的360°三維顯示裝置和方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于多臺高速投影機拼接的360°三維顯示裝置，包括定向散射屏組、轉(zhuǎn)動裝置組、轉(zhuǎn)動檢測模塊、投影拼接合成模塊、圖像存儲模塊和N臺高速投影機，通過多臺高速投影機拼接算法計算得到每臺高速投影機實時投射的二維幀圖像序列并分送到各圖像存儲模塊中，在轉(zhuǎn)動檢測模塊的調(diào)制下對各臺高速投影機進行控制使之配合一組或多組定向散射屏的旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)各高速投影機投影區(qū)域的拼接合成成像，成倍提高了三維顯示的空間分辨率。通過基于高速投影機拼接算法配合多組定向散射屏成像，擴展了三維成像空間，增大了三維像的橫向尺度與縱向尺度以及景深尺度，并實現(xiàn)了大尺度空間三維顯示的空間拓展。
【專利說明】基于多臺高速投影機拼接的360°三維顯示裝置和方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于三維顯示【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種基于多臺高速投影機拼接的高分辨率360°三維顯示裝置和顯示方法。

【背景技術(shù)】
[0002]人類是以視覺作為接觸世界，認識世界的第一方式的物種，視覺也是人類獲取信息的首要源頭，因此視覺上信息的呈現(xiàn)與表達在當今信息時代的發(fā)展顯得尤為重要。然而，與人類正常觀察方式不同，現(xiàn)有表達可視信息的主要手段仍是二維的，傳統(tǒng)的二維顯示技術(shù)去除了實際物體的深度信息，作為天生的三維空間思維者的人類，對二維信息會有明顯的不適感與矛盾感。同樣，人類也在不斷追求真實的空間三維顯示體驗，相關(guān)的三維顯示技術(shù)與裝置不斷提出，現(xiàn)有的三維顯示技術(shù)主要分為四類:體視三維顯示技術(shù)、體三維顯示技術(shù)、光場三維顯示技術(shù)以及全息三維顯示技術(shù)等。然而，全息三維顯示技術(shù)顧名思義，為記錄再現(xiàn)物體全部信息的技術(shù)，由于其記錄信息的數(shù)據(jù)量巨大與極難尋找適用的全息記錄介質(zhì)等原因，發(fā)展緩慢。
[0003]體視三維顯示技術(shù)是作為在一定的相對立體空間，在寬度、高度、深度三個維度的空間內(nèi)對實際物體信息進行再現(xiàn)，可以實現(xiàn)由多個觀察者環(huán)繞觀看；體三維顯示技術(shù)基于在空間內(nèi)的透明介質(zhì)，該介質(zhì)可以在可見光波或不可見輻射的激勵下形成發(fā)出不同顏色可見光波的體素，并由控制陣列來進行顯示重構(gòu)出實際物體的三維信息進行顯示，該方法可以使觀察者看到具有遮擋感，以及較好的橫縱視差表現(xiàn)的三維物體像；光場三維顯示技術(shù)通過重構(gòu)還原真實物體在不同環(huán)境光照射下或自發(fā)光下的光場分布，得到可以環(huán)繞觀看，各個視角畫面精確呈現(xiàn)的三維物體圖像。通過這些技術(shù)可以實現(xiàn)多人多視角，裸眼觀察并無需借助助視設(shè)備的三維圖像實施顯示系統(tǒng)，并且基于光場三維顯示技術(shù)的三維成像系統(tǒng)可以借由高速投影機與旋轉(zhuǎn)散射屏構(gòu)建出真彩色的360°三維像顯示，符合人類在心理感知與視覺感知等方面的自然習慣。
[0004]申請?zhí)枮镃N201110106479.3的專利文獻公開了一種基于高速投影機的懸浮式360°視場空間三維顯示裝置，它包括透射式偏折型散射屏、高速投影機、圖像發(fā)生器、探測模塊、電機和傳動機構(gòu)；其中，透射式偏折型散射屏由透射式鋸齒型光柵和柱面光柵構(gòu)成，并且兩者的光柵方向互相平行；高速投影機位于透射式偏折型散射屏的下方并往上方投影，投影圖像落在透射式偏折型散射屏上；傳動機構(gòu)和透射式偏折型散射屏相連，通過電機的轉(zhuǎn)動，帶動偏折型散射屏轉(zhuǎn)動；探測模塊與圖像發(fā)生器、高速投影機順次相連；透射式偏折型散射屏把高速投影機的投影光線往一側(cè)偏折，并且在偏折方向發(fā)生散射，而和偏折方向垂直的方向小角度透射。上述基于高速投影機的懸浮式360°空間三維顯示可供多人360°視場裸眼同時觀看，實現(xiàn)空間遮擋消隱并可探入觸摸交互。
[0005]但是，光場重構(gòu)式三維顯示系統(tǒng)分辨率的提高要求更高分辨率的空間光調(diào)制器以及超高速的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。然而，對于360°三維顯示系統(tǒng)，要進一步提高系統(tǒng)的分辨率，已有的高分辨率空間光調(diào)制器與高速數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)已經(jīng)滿足不了更高分辨率的需求。無法實現(xiàn)更高分辨率的需求，三維圖像表面具有顆粒感，成像范圍小等問題均無法解決，會給三維圖像真實感帶來影響，降低觀察者的視覺體驗。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明提供了一種基于多臺高速投影機拼接的360°三維顯示裝置，通過投影拼接合成模塊基于多臺高速投影機拼接算法計算得到每臺高速投影機實時投射的幀圖像序列并分送到各臺高速投影機的圖像存儲模塊中，在轉(zhuǎn)動檢測模塊的調(diào)制下對各臺高速投影機系統(tǒng)進行控制使之配合一組或多組定向散射屏的旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)各臺高速投影機投影區(qū)域的拼接合成成像，實時顯示幀圖像序列，得到高分辨率的360°三維顯示，實現(xiàn)了可供多人、多視角裸眼同時觀看的高分辨率360°三維像顯示，通過成倍數(shù)提高三維圖像空間分辨率，提升了三維顯示的圖像質(zhì)量，通過基于高速投影機拼接算法配合多組定向散射屏成像，擴展了三維成像空間，增大了三維像的橫向尺度與縱向尺度以及景深尺度，并實現(xiàn)了大尺度空間三維顯示的空間拓展，從而克服現(xiàn)有技術(shù)的不足。
[0007]—種基于多臺高速投影機拼接的360°三維顯示裝置，包括定向散射屏組、轉(zhuǎn)動裝置組、轉(zhuǎn)動檢測模塊、投影拼接合成模塊、圖像存儲模塊和N臺高速投影機:
[0008]定向散射屏組，由S個定向散射屏組成，用于向觀察者提供三維圖像，其中S彡1，且為整數(shù)；
[0009]轉(zhuǎn)動裝置組，與定向散射屏組相連接的，并帶動各組定向散射屏轉(zhuǎn)動的裝置；
[0010]轉(zhuǎn)動檢測模塊，檢測所述的定向散射屏組內(nèi)各組定向散射屏的轉(zhuǎn)動角度位置信息與初始轉(zhuǎn)動位置信息，并將探測到的上述信息傳送至投影拼接合成模塊；
[0011]投影拼接合成模塊，計算各臺高速投影機需要投射的二維幀圖像序列，并根據(jù)接收到的轉(zhuǎn)動角度位置信息與初始轉(zhuǎn)動位置信息，按照N臺高速投影機的投影順序，將二維幀圖像序列分送到各臺高速投影機的圖像存儲模塊，并將各臺高速投影機的幀頻傳送給圖像存儲模塊；
[0012]圖像存儲模塊，分別與N臺高速投影機的投影單元相連接，接收由投影拼接合成模塊分送的二維幀圖像序列與各臺高速投影機的幀頻，將投影拼接控制模塊傳送進來的二維幀圖像序列存儲，根據(jù)接收的投影幀頻實時同步地將二維幀圖像序列分別傳送給各臺高速投影機；
[0013]N臺高速投影機，將二維幀圖像序列投射到定向散射屏組的特定區(qū)域，配合定向散射屏組的轉(zhuǎn)動實現(xiàn)三維圖像的顯示，其中N ^ 2，且為整數(shù)。
[0014]投影拼接合成模塊計算需要投射的二維幀圖像序列時，主要是依據(jù)需要顯示的三維模型、N臺高速投影機的數(shù)量、N臺高速投影機的安放位置、N臺高速投影機分別與定向散射屏組的空間位置、N臺高速投影機投影光學(xué)系統(tǒng)的視場角、N臺高速投影機投影光學(xué)系統(tǒng)在定向散射屏組上投影區(qū)域的位置分布、定向散射屏組的形狀尺寸及轉(zhuǎn)動特性、觀察者的位置和定向散射屏組旋轉(zhuǎn)一周需要投射的圖像數(shù)M(M為100?2000)等，依據(jù)現(xiàn)有的算法計算得到。
[0015]所述的定向散射屏組為會使投影光線發(fā)生特定角度的偏折，并具有一定的散射特性的散射屏幕組。每組散射屏均對光線的出射角度進行一定程度的散射使光線入射到觀察者的觀測范圍內(nèi)，使觀察者觀察到三維顯示圖像。所述的定向散射屏組可選擇多組反射式偏折型散射屏或透射式偏折型散射屏，該反射式或透射式偏折型散射屏底面與轉(zhuǎn)動裝置組的電機轉(zhuǎn)軸垂直，由對出射光線在一個維度具有較大散射角度，另一個維度具有較小散射角度，低色散的散射屏幕構(gòu)成，如全息微結(jié)構(gòu)定向散射屏，或光柵方向相互平行的鋸齒形光柵和柱面光柵構(gòu)成的定向組合散射屏等。作為優(yōu)選，所述的定向散射屏組由反射式偏折型全息微結(jié)構(gòu)散射屏組成。
[0016]定向散射屏組可以采用一塊，也可以由多塊規(guī)格參數(shù)任意的定向散射屏交疊拼接組成，可通過多臺或一臺轉(zhuǎn)動裝置對各組定向散射屏的轉(zhuǎn)動進行控制。N臺高速投影機在定向散射屏組的投影區(qū)域間要緊密拼合，在定向散射屏組形成沒有縫隙及交疊區(qū)域的投影空間，以保證合成三維圖像的成像質(zhì)量。
[0017]所述的N臺高速投影機中過投影中心垂直于定向散射屏組的連線為投影中心線。與現(xiàn)有技術(shù)的技術(shù)方案不同，本發(fā)明的各臺高速投影機的投影中心線與定向散射屏組的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸不一定同軸。并且當N臺高速投影機的設(shè)置位置不同時，N臺高速投影機的投影中心線可能會與定向散射屏組的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸不同軸并且具有一定夾角。即，在N臺高速投影機對定向散射屏組投影的過程中，一塊轉(zhuǎn)動的獨立定向散射屏或者定向散射屏組中的一塊獨立轉(zhuǎn)動的定向散射屏的屏幕上，所拼合的高速投影機投影區(qū)域?qū)?yīng)的高速投影機中，一定有一臺或一臺以上的高速投影機的投影中心線與所述定向散射屏的轉(zhuǎn)軸不同軸。
[0018]N臺高速投影機的相對空間位置及在定向散射屏組投影區(qū)域拼接的分布方案，根據(jù)各臺高速投影機內(nèi)部投影芯片的尺寸與規(guī)格，N臺高速投影機的數(shù)量，高速投影機距離定向散射屏組的垂直距離，高速投影機的投影主光線與定向散射屏組的夾角和高速投影機投射區(qū)域的面積與形狀等條件進行考慮。
[0019]N臺高速投影機的排布方式需要根據(jù)實際安裝條件以及投影芯片的形狀確定，作為優(yōu)選，所述的N臺高速投影機采用對稱陣列式排布方式或者為圍繞轉(zhuǎn)軸中心分布的環(huán)狀陣列式排布方式。
[0020]根據(jù)投影芯片的規(guī)格不同，N臺高速投影機距離定向散射屏組之間的距離可以相同也可以不同，作為優(yōu)選，所述的N臺高速投影機具有相同的規(guī)格的投影芯片與投影光學(xué)系統(tǒng)，并距離定向散射屏組中定向散射屏幕垂直高度相同，且在定向散射屏組中定向散射屏幕上的投影區(qū)域面積相同。。N臺高速投影機可設(shè)置在定向散射屏組的一側(cè)或者兩側(cè)，作為優(yōu)選，所述的N臺高速投影機位于定向散射屏組一側(cè)。
[0021]為了提升三維顯示圖像的空間分辨率，采用在定向散射屏組上進行多臺高速投影機拼接成像的方法，在一塊獨立的定向散射屏上或定向散射屏組中的一塊定向散射屏上，各臺高速投影機投影區(qū)域的拼接需滿足嚴格的拼合，既不能相互交疊也不能留有縫隙，在考慮高速投影機對定向散射屏組垂直投射的條件下，高速投影機的投影中心線應(yīng)與所對應(yīng)的投影區(qū)域中心的垂軸同軸，高速投影機的分布方案與其投影區(qū)域中心垂軸有關(guān)，因此在本發(fā)明中，N臺高速投影機中一定有一臺或一臺以上的高速投影機與定向散射屏組的轉(zhuǎn)軸不同軸。
[0022]所述的轉(zhuǎn)動檢測模塊由電路處理控制模塊、將轉(zhuǎn)動信號轉(zhuǎn)換為電信號的探測傳感模塊組成，探測傳感模塊提供的電信號提供給電路處理控制模塊進行處理。所述的電路處理控制模塊為基于現(xiàn)場可編程門陣列為核心的控制模塊或基于數(shù)字信號處理器為核心的控制模塊。所述的探測傳感模塊由光電傳感器、機械位置開關(guān)或旋轉(zhuǎn)脈沖編碼器構(gòu)成。
[0023]本發(fā)明還提供了一種基于多臺高速投影機拼接的高分辨率360°三維顯示方法，包括:
[0024](I)利用轉(zhuǎn)動裝置組驅(qū)動定向散射屏組定向轉(zhuǎn)動；
[0025](2)利用轉(zhuǎn)動檢測模塊檢測所述的定向散射屏組內(nèi)各組定向散射屏的轉(zhuǎn)動角度位置信息與初始轉(zhuǎn)動位置信息，并將探測到的信息傳送至投影拼接合成模塊；
[0026](3)利用投影拼接合成模塊計算得到各臺高速投影機需要投射的二維幀圖像序列，并根據(jù)接收到的轉(zhuǎn)動角度位置信息與初始轉(zhuǎn)動位置信息，將二維幀圖像序列分送到各臺高速投影機的圖像存儲模塊，并將各臺高速投影機的幀頻傳送給圖像存儲模塊；
[0027](4)利用圖像存儲模塊根據(jù)接收的幀頻信息實時同步地將二維幀圖像序列分別傳送給各臺高速投影機；
[0028](5)N臺高速投影機，將二維幀圖像序列投射到定向散射屏組的特定區(qū)域，配合定向散射屏組的轉(zhuǎn)動實現(xiàn)三維圖像的顯示，其中N ^ 2，且為整數(shù)。
[0029]使用N臺(N彡2且為整數(shù))高速投影機進行高分辨率的360°三維顯示，并依據(jù)各臺高速投影機內(nèi)部投影芯片的尺寸與規(guī)格、各臺高速投影機規(guī)格、實際使用中環(huán)境與裝置特點要求等提出N臺高速投影機排布陣列及N臺高速投影機的投影區(qū)域在定向散射屏組上的拼接方案。
[0030]根據(jù)所述的定向散射屏組對投影光線的反射光線分布特性，投影拼接合成模塊基于本發(fā)明提供的多臺高速投影機拼接算法依據(jù)三維模型、N臺高速投影機的數(shù)量、N臺高速投影機的安放位置、N臺高速投影機的分別與定向散射屏組的空間位置、N臺高速投影機投影光學(xué)系統(tǒng)的視場角、N臺高速投影機投影光學(xué)系統(tǒng)在定向散射屏組上投影區(qū)域的位置分布、定向散射屏組的形狀尺寸及轉(zhuǎn)動特性、觀察者的位置和定向散射屏組旋轉(zhuǎn)一周需要投射的圖像數(shù)M(M為100?2000)等得到每臺高速投影機在定向散射屏組不同轉(zhuǎn)動角度位置處需要投射的圖像，在轉(zhuǎn)動檢測模塊與投影拼接合成模塊控制下，配合定向散射屏組的特定運動拼接成三維顯示圖像。
[0031]投影拼接合成模塊在拼接每臺特定高速投影機投影圖像時，基于在特定高速投影機投影區(qū)域內(nèi)定向散射屏組所處運動位置對投影光線的反射光線或透射光線的分布特性，考慮環(huán)繞成像區(qū)域360°內(nèi)觀測者在對應(yīng)的光線分布內(nèi)應(yīng)該觀測到的空間光場分布，進行在觀測區(qū)域的360°拼合計算得到特定高速投影機實時投射的二維幀圖像。實際計算時根據(jù)三維物體像與定向散射屏組的形狀尺寸及轉(zhuǎn)動特性、觀察者的位置生成整體需要投射在屏幕上的投影二維幀圖像，依據(jù)三維模型、N臺高速投影機的數(shù)量、N臺高速投影機的安放位置、N臺高速投影機分別與定向散射屏組的空間位置、N臺高速投影機投影光學(xué)系統(tǒng)的視場角計算出各臺高速投影機投影區(qū)域位于定向散射屏組的位置，依據(jù)各臺高速投影機的投影區(qū)域分布，對整體投影二維幀圖像進行分割，并將各臺高速投影機投影區(qū)域?qū)?yīng)的二維幀圖像轉(zhuǎn)存到N臺高速投影機對應(yīng)的圖像存儲模塊中。本實施例采用整體投影二維幀圖像分割生成N臺高速投影機投影二維幀圖像的方式實現(xiàn)了整體三維圖像的三維顯示，同時也提高了圖像的分辨率。定向散射屏組每旋轉(zhuǎn)360/M。，轉(zhuǎn)動檢測模塊發(fā)出相應(yīng)信號傳給投影拼接合成模塊。投影拼接合成模塊即通過圖像存儲模塊向N臺高速投影機發(fā)送各臺高速投影機需要實時投射的二維幀圖像與并由圖像存儲模塊控制N臺高速投影機顯示的幀頻信號。
[0032]一般由與投影拼接合成模塊相連接的計算機基于本發(fā)明提供的多臺高速投影機拼接算法得到N臺高速投影機需要實時投射的二維幀圖像序列與幀頻信號并傳送進圖像存儲模塊中。或者由投影拼接合成模塊中板載的圖像處理單元基于本發(fā)明提供的多臺高速投影機拼接算法得到N臺高速投影機需要實時投射的二維幀圖像序列與幀頻信號并傳送進圖像存儲模塊中。
[0033]所述投影拼接合成模塊計算各臺高速投影機需要投射的二維幀圖像序列時，首先對計算得到的整體投影畫面根據(jù)各臺高速投影機的投影區(qū)域分布進行分割，然后對應(yīng)得到各臺高速投影機相應(yīng)的實時投射畫面，最后得到各臺高速投影機需要投射的二維幀圖像序列。
[0034]圖像存儲模塊依據(jù)控制N臺高速投影機的幀頻信號將N臺高速投影機需要投射的二維幀圖像序列實時傳送至N臺高速投影機中，并由N臺高速投影機將對應(yīng)的二維幀圖像投射到定向散射屏組上。
[0035]相比單臺高速投影機投射二維幀圖像的分辨率為AXB pixels，基于多臺高速投影機拼接的高分辨率360°三維顯示方法可以將系統(tǒng)空間分辨率提高到NXAXB pixels,有效提高了系統(tǒng)空間分辨率。
[0036]使用N臺高速投影機對一組定向散射屏或多組拼接定向散射屏組基于多臺高速投影機拼接算法進行三維顯示成像，從而在定向散射屏組上得到更大尺度的三維圖像，提高了三維顯示的圖像質(zhì)量，擴展了三維成像空間的橫向空間、縱向空間以及景深空間。
[0037]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在:
[0038]第一，本發(fā)明首先引入了多臺高速投影機，在同樣大小的屏幕上，成倍提高了三維像的空間分辨率。
[0039]第二，多臺高速投影機可以通過算法在屏幕上通過多臺投影機投影二維幀圖像的拼接實現(xiàn)再現(xiàn)整體的三維像，這是現(xiàn)有技術(shù)無法實現(xiàn)的。
[0040]第三，現(xiàn)有技術(shù)中，為了增加再現(xiàn)三維像的大小，必須擴大投影機的投射區(qū)域與屏幕尺寸。但是單一轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)屏在機械性能上具有一定的尺寸極限，本發(fā)明提出的基于算法的定向散射屏組顯示三維圖像的方式，理論上可以實現(xiàn)屏幕的無限擴大，實現(xiàn)三維像在空間上的拓展。
[0041]第四，本發(fā)明中采用的全息微結(jié)構(gòu)散射屏的散射特性，色散特性都更好，對于再現(xiàn)圖像質(zhì)量更佳。
[0042]第五，本發(fā)明降低了對于高速投影芯片分辨率的限制。同時，使用現(xiàn)有的最高分辨率的高速投影芯片，那么就可以將再現(xiàn)三維像的空間分辨率比現(xiàn)有達到的極限水平提高幾倍以上，另外也在相同的分辨率條件下，降低了成本。
[0043]綜上所述，本發(fā)明通過N臺高速投影機基于多臺高速投影機拼接算法在定向散射屏組上進行拼接投影的方式，使N臺高速投影機投射的二維幀圖像與高速旋轉(zhuǎn)的定向散射屏組拼接結(jié)合起來，采用定向散射屏組控制出射光線的出射角度，多組散射屏擴展成像空間的方式，在實現(xiàn)了高分辨率360°視場空間三維顯示的同時，成倍地提高了 360°懸浮式空間光場重構(gòu)式三維顯示的空間分辨率，拓展了最大可投影空間，在投影空間的縱向和橫向以及景深空間進行擴展，提升了三維圖像的空間尺寸與精細程度。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0044]圖1是本發(fā)明的實施例1中基于多臺高速投影機拼接的360°三維顯示裝置的示意圖。
[0045]圖2是本發(fā)明的基于多臺高速投影機拼接的360°三維顯示裝置的定向散射屏的一種結(jié)構(gòu)不意圖。
[0046]圖3是本發(fā)明的基于多臺高速投影機拼接的360°三維顯示裝置中多臺高速投影機的兩種布置方式對應(yīng)的投影區(qū)域分布圖。
[0047]圖4是本發(fā)明的基于多臺高速投影機拼接的360°三維顯示裝置中高速投影機的相對位置與定向散射屏組的位置關(guān)系示意圖。
[0048]圖5是的基于多臺高速投影機拼接的360°三維顯示裝置中多臺高速投影機與多個定向散射屏的位置關(guān)系示意圖。
[0049]圖6是本發(fā)明的基于多臺高速投影機拼接的360°三維顯示裝置中多臺高速投影機投影區(qū)域與多個定向散射屏的位置關(guān)系示意圖。

【具體實施方式】
[0050]下面結(jié)合實施例和附圖來詳細說明本發(fā)明，但本發(fā)明并不僅限于此。
[0051]實施例1
[0052]如圖1所示，一種基于多臺高速投影機拼接的高分辨率360°三維顯示裝置，包括:第一臺高速投影機A、第二臺高速投影機B、第三臺高速投影機C、第四臺高速投影機D、投影拼接合成模塊1、第一臺高速投影機圖像存儲模塊21、第二臺高速投影機圖像存儲模塊22、第三臺高速投影機圖像存儲模塊23、第四臺高速投影機圖像存儲模塊24、轉(zhuǎn)動裝置
3、轉(zhuǎn)動檢測模塊4、定向散射屏5。
[0053]第一臺高速投影機A，第二臺高速投影機B，第三臺高速投影機C與第四臺高速投影機D分別設(shè)置于定向散射屏5的上方，采用2X2的對稱陣列式排布方式，向下投射圖像。其中四臺投影機距離定向散射屏5的垂直距離均相同，在定向散射屏5上的投影區(qū)域面積相同。本實施例投影儀的排布方式采用對稱陣列式排布，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護范圍。
[0054]第一臺高速投影機A，第二臺高速投影機B，第三臺高速投影機C與第四臺高速投影機D將需要顯示的對應(yīng)二維幀圖像序列隨著定向散射屏5的旋轉(zhuǎn)按順序同步地高速顯示出來。按照系統(tǒng)需求，每臺高速投影機需要在定向散射屏5轉(zhuǎn)動一圈的過程中投射M幅二維圖像，因此對于高速投影機的內(nèi)部顯示芯片要求為具備高速幀頻調(diào)制能力的顯示芯片，一般采用反射型的高速數(shù)字微鏡器件(DMD)。
[0055]投影拼接合成模塊1，基于本發(fā)明提供的多臺高速投影機拼接算法依據(jù)需要顯示的三維模型、N臺高速投影機的數(shù)量、N臺高速投影機的安放位置、N臺高速投影機分別與定向散射屏組的空間位置、N臺高速投影機投影光學(xué)系統(tǒng)的視場角、N臺高速投影機在定向散射屏組上投影區(qū)域的位置分布、定向散射屏組的形狀尺寸及轉(zhuǎn)動特性、觀察者的位置和定向散射屏組旋轉(zhuǎn)一周需要投射的圖像數(shù)M(M為100?2000)等得到第一臺高速投影機A、第二臺高速投影機B、第三臺高速投影機C與第四臺高速投影機D在定向散射屏不同轉(zhuǎn)動角度位置處需要投射的圖像，對轉(zhuǎn)動檢測模塊4傳送的定向散射屏5的轉(zhuǎn)動角度信息與轉(zhuǎn)動初始位置信息進行處理來控制第一臺高速投影機A、第二臺高速投影機B、第三臺高速投影機C與第四臺高速投影機D的投影幀頻和輸入圖像存儲模塊的二維幀圖像序列，配合定向散射屏的特定運動拼接成三維顯示圖像。
[0056]如圖3所示，投影拼接合成模塊根據(jù)已有技術(shù)可實現(xiàn)的算法根據(jù)三維物體像與定向散射屏組的形狀尺寸及轉(zhuǎn)動特性、觀察者的位置生成整體需要投射在屏幕上的投影畫面，依據(jù)三維模型、N臺高速投影機的數(shù)量、N臺高速投影機的安放位置、N臺高速投影機分別與定向散射屏組的空間位置、N臺高速投影機投影光學(xué)系統(tǒng)的視場角計算出第一臺高速投影機A、第二臺高速投影機B、第三臺高速投影機C與第四臺高速投影機D投影區(qū)域位于定向散射屏的位置，依據(jù)第一臺高速投影機A、第二臺高速投影機B、第三臺高速投影機C與第四臺高速投影機D的投影區(qū)域分布，對整體投影二維幀圖像進行分割，并將第一臺高速投影機A、第二臺高速投影機B、第三臺高速投影機C與第四臺高速投影機D的投影區(qū)域?qū)?yīng)的二維幀圖像轉(zhuǎn)存到第一臺高速投影機A，第二臺高速投影機B，第三臺高速投影機C與第四臺高速投影機D的圖像存儲模塊21、圖像存儲模塊22、圖像存儲模塊23和圖像存儲模塊24。本實施例采用整體投影二維幀圖像分割生成N臺高速投影機投影二維幀圖像的方式生成對應(yīng)各臺高速投影機的投影畫面，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護范圍。
[0057]投影拼接合成模塊I的計算由與投影拼接合成模塊相接的計算機完成或由投影拼接合成模塊I板載的圖形處理單元完成。計算機將上述計算以供顯示的M幅圖像幀序列通過高速連接接口傳入投影拼接合成模塊1，并由投影拼接合成模塊依據(jù)轉(zhuǎn)動檢測模塊4傳送的轉(zhuǎn)動角度信息與轉(zhuǎn)動初始位置信息，將需要實時顯示的二維幀圖像序列與控制幀頻信號分送到第一臺高速投影機A、第二臺高速投影機B、第三臺高速投影機C與第四臺高速投影機D的圖像存儲模塊21、圖像存儲模塊22、圖像存儲模塊23和圖像存儲模塊24。
[0058]第一臺高速投影機的圖像存儲模塊21、第二臺高速投影機圖像的存儲模塊22、第三臺高速投影機的圖像存儲模塊23、第四臺高速投影機的圖像存儲模塊24接收到投影拼接合成模塊I分送的計算得出的供第一臺高速投影機A、第二臺高速投影機B、第三臺高速投影機C與第四臺高速投影機D顯示的二維幀圖像序列并存儲，根據(jù)投影拼接合成模塊I傳送的幀頻信息實時同步地將二維幀圖像分別傳送給第一臺高速投影機A、第二臺高速投影機B、第三臺高速投影機C與第四臺高速投影機D，實現(xiàn)與定向散射屏5的轉(zhuǎn)動同步顯示形成三維像。
[0059]轉(zhuǎn)動裝置3帶動定向散射屏進行轉(zhuǎn)動，配合N臺高速投影機投射的二維幀圖像序列實現(xiàn)三維圖像的顯示。對于多組定向散射屏組的轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動裝置3對于各組定向散射屏可以完成同步轉(zhuǎn)動或分立轉(zhuǎn)動的控制。
[0060]轉(zhuǎn)動檢測模塊4，包括由電路處理控制模塊、將轉(zhuǎn)動信號轉(zhuǎn)換為電信號的探測傳感模塊組成，探測傳感模塊提供的電信號提供給電路處理控制模塊進行處理。電路處理控制模塊為基于現(xiàn)場可編程門陣列為核心的控制模塊或基于數(shù)字信號處理器為核心的控制模塊。探測傳感模塊由光電傳感器、機械位置開關(guān)或旋轉(zhuǎn)脈沖編碼器構(gòu)成。其工作原理為，位于轉(zhuǎn)盤探測部位的傳感器，借由附在轉(zhuǎn)盤上或內(nèi)置與傳感器中隨著轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動一個小角度能夠使傳感器引發(fā)相應(yīng)響應(yīng)的標記，通過傳感器對于標記的響應(yīng)配合相應(yīng)的電路處理控制模塊實現(xiàn)對于定向散射屏5轉(zhuǎn)動的檢測。轉(zhuǎn)動檢測模塊4完成定向散射屏5的轉(zhuǎn)動初始位置的檢測與轉(zhuǎn)動角度的檢測，并將探測到的轉(zhuǎn)動角度信息與轉(zhuǎn)動初始位置信息傳送給投影拼接合成模塊I確定傳送給第一臺高速投影機A、第二臺高速投影機B、第三臺高速投影機C與第四臺高速投影機D的二維圖像幀序列與控制N臺高速投影機的投影幀頻。
[0061]如圖2所示，在實施例1中，定向散射屏5由光柵方向互相平行的反射式鋸齒形光柵511和柱面光柵512構(gòu)成。定向散射屏會使N臺高速投影機投射光線的反射光線發(fā)生偏折，并在特定的轉(zhuǎn)動位置對于N臺高速投影機投射的區(qū)域具有特定發(fā)散角度的散射，以偏折光線為中心光線，會在過中心光線與柱面光柵柵線垂直的平面內(nèi)發(fā)生一定角度的散射，在過中心光線與柱面光柵柵線平行的平面內(nèi)發(fā)生小角度的散射。并且，在定向散射屏組轉(zhuǎn)動一周的過程中，每轉(zhuǎn)動一個微小角度，投射光線經(jīng)反射發(fā)出的散射光線都會發(fā)生微小的偏轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)一周后，散射光線的不斷偏轉(zhuǎn)完成了整個投影區(qū)域的高密度掃描。本實施例采用反射式鋸齒型光柵與柱面光柵構(gòu)成的定向組合散射屏，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護范圍。
[0062]如圖3所示，在實施例1中，依據(jù)N臺高速投影機的數(shù)量、N臺高速投影機內(nèi)部顯示芯片尺寸與規(guī)格、高速投影機A、高速投影機B、高速投影機C和高速投影機D的投影鏡頭在定向散射屏5投影像的相對位置與投影區(qū)域拼接方案，N臺高速投影機既可以采用2X2的對稱陣列式排布方式，也可以采用圍繞轉(zhuǎn)軸中心分布的環(huán)狀陣列式排布方式等。在環(huán)狀陣列式排布方式中，高速投影機A、高速投影機B、高速投影機C和高速投影機D在屏幕上的拼接投影區(qū)域未覆蓋定向散射屏5的中心區(qū)域，依據(jù)定向散射屏特性，對于觀察者的觀測，相比定向散射屏中心區(qū)域距離觀察者更近的屏幕邊緣位置對投影光線的散射必然會有一部分散射光線射入人眼，因此形成的三維圖像會遮擋住中心投影未覆蓋區(qū)域，并不影響光場重構(gòu)下的三維顯示圖像質(zhì)量。本實施例投影儀的排布方式采用對稱陣列式與環(huán)狀陣列式排布，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護范圍。
[0063]如圖4所示，在實施例1中相鄰兩臺高速投影機在定向散射屏上進行拼接投影時，需要保證各投影區(qū)域拼接形成沒有縫隙及交疊區(qū)域的投影空間。原因在于在兩臺高速投影機重合的交疊區(qū)域所分別對應(yīng)的各臺高速投影機投射光線的入射角度是不相同的。對于散射特性一致的區(qū)域，不同入射角度的投影光的反射散射光也是不同的，因此投影交疊區(qū)域的圖像會有一部分形成其他可視區(qū)域的雜散光，影響成像質(zhì)量。相鄰兩臺高速投影機既可以設(shè)置為對稱位置，也可以設(shè)計為距定向散射屏幕垂直高度不同的位置，或者兩臺高速投影機的投影中心線與定向散射屏5的轉(zhuǎn)軸存在一定傾角α，以及兩臺高速投影機中有至少一部高速投影機采用位于定向散射屏5下方，向上方進行透射式投射的位置排布方案等。本實施例投影儀間相對位置排布方案所采用上述方案，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護范圍。
[0064]第一臺高速投影機Α、第二臺高速投影機B、第三臺高速投影機C與第四臺高速投影機D對于定向散射屏5進行基于多臺高速投影機拼接的高分辨率360°三維顯示，使三維成像空間的空間分辨率為4ΧΑΧΒ pixels,通過定向散射屏5對第一臺高速投影機A、第二臺高速投影機B、第三臺高速投影機C與第四臺高速投影機D的出射光線的偏折與散射完成360°掃描，位于周圍360°觀察區(qū)域的觀察者可以觀察到更高空間分辨率的空間三維場景，三維場景懸浮于定向散射屏5的上方，顯示的三維圖像獲得更高的圖像質(zhì)量。
[0065]實施例2
[0066]如圖5所示，一種基于多臺高速投影機拼接的高分辨率360°三維顯示示意圖，包括:第一組定向散射屏51、第二組定向散射屏52、第三組定向散射屏53、第一臺高速投影機A、第二臺高速投影機B、第三臺高速投影機C、第四臺高速投影機D、第五臺高速投影機E。同樣包括實施例1中的投影拼接合成模塊、圖像存儲模塊、轉(zhuǎn)動裝置和轉(zhuǎn)動檢測模塊等，連接方式同實施例1。第一臺高速投影機A、第二臺高速投影機B、第三臺高速投影機C、第四臺高速投影機D與第五臺高速投影機E分別設(shè)置于第一組定向散射屏51、第二組定向散射屏52和第三組定向散射屏53的上方，采用5X I的對稱陣列式排布方式，向下投射圖像。其中五臺投影機距離定向散射屏5的垂直距離均相同，在定向散射屏5上的投影區(qū)域面積相同。本實施例投影儀的排布方式采用對稱陣列式排布，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護范圍。
[0067]第一臺高速投影機A、第二臺高速投影機B、第三臺高速投影機C、第四臺高速投影機D與第五臺高速投影機E將需要顯示的對應(yīng)二維幀圖像序列隨著第一組定向散射屏51、第二組定向散射屏52和第三組定向散射屏53的旋轉(zhuǎn)按順序同步地高速顯示出來。按照系統(tǒng)需求，每臺高速投影機需要在第一組定向散射屏51、第二組定向散射屏52和第三組定向散射屏53轉(zhuǎn)動一圈的過程中投射M幅二維圖像，因此對于高速投影機的內(nèi)部顯示芯片要求為具備高速幀頻調(diào)制能力的顯示芯片，一般采用反射型的高速數(shù)字微鏡器件(DMD)。
[0068]第一組定向散射屏51、第二組定向散射屏52和第三組定向散射屏53,由光柵方向互相平行的反射式鋸齒形光柵511和柱面光柵512構(gòu)成。定向散射屏組會使N臺高速投影機投射光線的反射光線發(fā)生偏折，并在特定的轉(zhuǎn)動位置對于N臺高速投影機投射的畫面具有特定發(fā)散角度的散射，以偏折光線為中心光線，會在過中心光線與柱面光柵柵線垂直的平面內(nèi)發(fā)生一定角度的散射，在過中心光線與柱面光柵柵線平行的平面內(nèi)發(fā)生小角度的散射。并且，在定向散射屏轉(zhuǎn)動一周的過程中，每轉(zhuǎn)動一個微小角度，投射光線經(jīng)反射發(fā)出的散射光線都會發(fā)生微小的偏轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)一周后，散射光線的不斷偏轉(zhuǎn)完成了整個投影區(qū)域的高密度掃描。多組定向散射屏拼接，配合多臺高速投影機拼接成像的方法，可以在定向散射屏組上得到更大尺度的三維圖像，這種顯示方法在軟件上的基礎(chǔ)為多臺高速投影機拼接算法。
[0069]第一組定向散射屏51、第二組定向散射屏52和第三組定向散射屏53的空間位置既可以為平面的拼接，也可以是空間的曲面拼接等。如圖5所示，第一組定向散射屏51、第二組定向散射屏52和第三組定向散射屏53沿弧形面布置。第一組定向散射屏51、第二組定向散射屏52和第三組定向散射屏53的轉(zhuǎn)動由轉(zhuǎn)動裝置進行控制。
[0070]第一臺高速投影機A、第二臺高速投影機B、第三臺高速投影機C、第四臺高速投影機D和第五臺高速投影機E相對于第一組定向散射屏51、第二組定向散射屏52和第三組定向散射屏53既可以在定向散射屏組的上方向下反射式投射圖像，也可以在定向散射屏組下方向上進行透射式投射圖像或者高速投影機的投射中心與定向散射屏組旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸成一定角度a P α 2，α 3，α 4……等方法。本實施例投影儀與定向散射屏組間相對位置排布方案所采用上述方案，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護范圍。
[0071]如圖6所示，第一組定向散射屏51、第二組定向散射屏52、第三組定向散射屏53、第四組定向散射屏54和第五組定向散射屏55在拼接的方案中，可以出現(xiàn)邊緣的交疊。由于采用反射式偏折性定向散射屏組，因此定向散射屏組交疊區(qū)域的散射性質(zhì)取決于最上層定向散射屏的結(jié)構(gòu)特性。本實施例定向散射屏組間相對位置的排布方案所采用上述方案，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護范圍。
[0072]屏幕拼接的高分辨率360°三維顯示方法:
[0073]首先，投影拼接合成模塊根據(jù)需要顯示的空間三維模型數(shù)據(jù)、以及硬件系統(tǒng)的各項參數(shù):N臺高速投影機投影鏡頭的數(shù)量、N臺高速投影機投影的安放位置、N臺高速投影機投影分別與定向散射屏組的空間位置、N臺高速投影機投影光學(xué)系統(tǒng)的視場角、N臺高速投影機在定向散射屏組上投影區(qū)域的位置分布，定向散射屏組的形狀尺寸及轉(zhuǎn)動特性、觀察者的位置和定向散射屏組旋轉(zhuǎn)一周需要投射的圖像數(shù)M等來計算得到多臺高速投影機在隨著定向散射屏組不同轉(zhuǎn)動角度位置處需要投射的二維圖像序列，得到的二維圖像序列的數(shù)量為NXM。
[0074]其中，投影拼接合成模塊在拼接每臺特定高速投影機投影圖像時，基于特定高速投影機在特定高速投影機投影區(qū)域內(nèi)對應(yīng)定向散射屏組的運動位置的投影反射光線或透射光線的分布特性，對環(huán)繞成像區(qū)域360°內(nèi)觀測者應(yīng)該觀測到的空間光場分布進行拼合，得到高速投影機實時投射的二維幀圖像。
[0075]在定向散射屏組轉(zhuǎn)動一周的過程中，每轉(zhuǎn)動一個微小角度，投射光線經(jīng)反射發(fā)出的散射光線都會發(fā)生微小的偏轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)一周后，散射光線的不斷偏轉(zhuǎn)完成了整個投影區(qū)域的高密度掃描。由于設(shè)定每臺高速投影機在定向散射屏組旋轉(zhuǎn)一周的過程中投射M幅二維幀圖像，即控制每臺高速投影機隨著定向散射屏組每旋轉(zhuǎn)360/M。向定向組合散射屏組投射特定的二維幀圖像。
[0076]投影拼接合成模塊依據(jù)轉(zhuǎn)動檢測模塊傳送的轉(zhuǎn)動角度信息與轉(zhuǎn)動初始位置信息，將需要實時顯示的二維幀圖像序列與控制投影的幀頻信號分送到每臺高速投影機的圖像存儲模塊。每臺高速投影機的圖像存儲模塊接收到投影拼接合成模塊分送的二維幀圖像序列并存儲，根據(jù)投影拼接合成模塊傳送的控制投影的幀頻信息實時同步地將二維幀圖像分別傳送給每臺高速投影機，實現(xiàn)與定向散射屏組每旋轉(zhuǎn)360/M。的轉(zhuǎn)動同步投影顯示，拼接合成形成高分辨率的三維像。
[0077]投影拼接合成模塊根據(jù)已有技術(shù)可實現(xiàn)的算法根據(jù)三維物體像與定向散射屏組的形狀尺寸及轉(zhuǎn)動特性、觀察者的位置生成整體需要投射在屏幕上的二維幀圖像畫面，依據(jù)三維模型、N臺高速投影機的數(shù)量、安放位置、分別與定向散射屏組的空間位置、N臺高速投影機投影光學(xué)系統(tǒng)的視場角計算出各臺高速投影機投影區(qū)域位于定向散射屏組的位置，依據(jù)各臺高速投影機的投影區(qū)域分布，對整體投影二維幀圖像進行分割，并將各臺高速投影機投影區(qū)域?qū)?yīng)的二維幀圖像轉(zhuǎn)存到N臺高速投影機對應(yīng)的圖像存儲模塊中。本實施例采用整體投影二維幀圖像分割生成N臺高速投影機投影二維幀圖像的方式實現(xiàn)了整體三維圖像的三維顯示，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種基于多臺高速投影機拼接的360°三維顯示裝置，其特征在于，包括定向散射屏組、轉(zhuǎn)動裝置組、轉(zhuǎn)動檢測模塊、投影拼接合成模塊、圖像存儲模塊和N臺高速投影機，其中: 定向散射屏組，由S個定向散射屏組成，用于向觀察者提供三維圖像，其中S彡1，且為整數(shù)； 轉(zhuǎn)動裝置組，驅(qū)動定向散射屏組定向轉(zhuǎn)動； 轉(zhuǎn)動檢測模塊，檢測所述的定向散射屏組內(nèi)各定向散射屏的轉(zhuǎn)動角度位置信息與初始轉(zhuǎn)動位置信息，并將探測到的上述信息傳送至投影拼接合成模塊； 投影拼接合成模塊，計算各臺高速投影機需要投射的二維幀圖像序列，并根據(jù)接收到的轉(zhuǎn)動角度位置信息與初始轉(zhuǎn)動位置信息，按照N臺高速投影機的投影順序，將二維幀圖像序列分送到各臺高速投影機的圖像存儲模塊，并將各臺高速投影機的幀頻傳送給圖像存儲豐吳塊； 圖像存儲模塊，根據(jù)接收的投影幀頻實時同步地將二維幀圖像序列分別傳送給各臺高速投影機； N臺高速投影機，將二維幀圖像序列投射到定向散射屏組的特定區(qū)域，配合定向散射屏組的轉(zhuǎn)動實現(xiàn)三維圖像的顯示，其中N彡2，且為整數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多臺高速投影機拼接的360°三維顯示裝置，其特征在于，N臺高速投影機在定向散射屏組的投影區(qū)域間要緊密拼合，在定向散射屏組上形成沒有縫隙及交疊區(qū)域的投影空間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多臺高速投影機拼接的360°三維顯示裝置，其特征在于，所述的定向散射屏組中定向散射屏由光柵方向互相平行的反射式鋸齒形光柵和柱面光柵交疊拼接而成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多臺高速投影機拼接的360°三維顯示裝置，其特征在于，所述的N臺高速投影機采用對稱陣列式排布方式或者為圍繞轉(zhuǎn)軸中心分布的環(huán)狀陣列式排布方式。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于多臺高速投影機拼接的360°三維顯示裝置，其特征在于，所述的N臺高速投影機具有相同的規(guī)格的投影芯片與投影光學(xué)系統(tǒng)，并距離定向散射屏組中定向散射屏幕垂直高度相同，且在定向散射屏組中定向散射屏幕上的投影區(qū)域面積相同。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于多臺高速投影機拼接的360°三維顯示裝置，其特征在于，所述的N臺高速投影機位于定向散射屏組一側(cè)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于多臺高速投影機拼接的360°三維顯示裝置，其特征在于，所述的定向散射屏組由反射式偏折型全息微結(jié)構(gòu)散射屏組成。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7任一權(quán)項所述的基于多臺高速投影機拼接的360°三維顯示裝置，其特征在于，所述投影拼接合成模塊計算各臺高速投影機需要投射的二維幀圖像序列時，首先對計算得到的整體投影畫面根據(jù)各臺高速投影機的投影區(qū)域分布進行分割，然后對應(yīng)得到各臺高速投影機相應(yīng)的實時投射畫面，最后得到各臺高速投影機需要投射的二維幀圖像序列。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于多臺高速投影機拼接的360°三維顯示裝置，其特征在于，所述各臺高速投影機的投影中心線與所對應(yīng)的投影區(qū)域中心的垂軸同軸。
10.一種基于多臺高速投影機拼接的360°三維顯示方法，其特征在于，包括: (1)利用轉(zhuǎn)動裝置組驅(qū)動定向散射屏組定向轉(zhuǎn)動； (2)利用轉(zhuǎn)動檢測模塊檢測所述的定向散射屏組內(nèi)各組定向散射屏的轉(zhuǎn)動角度位置信息與初始轉(zhuǎn)動位置信息，并將探測到的信息傳送至投影拼接合成模塊； (3)利用投影拼接合成模塊計算得到各臺高速投影機需要投射的二維幀圖像序列，并根據(jù)接收到的轉(zhuǎn)動角度位置信息與初始轉(zhuǎn)動位置信息，將二維幀圖像序列分送到各臺高速投影機的圖像存儲模塊，并將各臺高速投影機的幀頻傳送給圖像存儲模塊； (4)利用圖像存儲模塊根據(jù)接收的幀頻信息實時同步地將二維幀圖像序列分別傳送給各臺高速投影機； (5)N臺高速投影機，將二維幀圖像序列投射到定向散射屏組的特定區(qū)域，配合定向散射屏組的轉(zhuǎn)動實現(xiàn)三維圖像的顯示，其中N ^ 2，且為整數(shù)。
【文檔編號】G03B21/60GK104298065SQ201410447253
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年9月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月7日
【發(fā)明者】李海峰, 郭添翼, 蘇忱, 劉旭, 徐良, 鐘擎, 夏新星, 匡翠方 申請人:浙江大學(xué)