CN101038421B - 基于多投影机旋转屏的体三维显示*** - Google Patents

基于多投影机旋转屏的体三维显示*** Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于多投影机旋转屏的体三维显示***，包括：一旋转屏，由电机带动旋转；图像处理装置，在柱坐标系中将三维物体模型分解成一系列多角度的二维图像并传送给各个投影机的数据处理单元；至少两台投影机，沿旋转屏周围摆放，将对应角度的一个二维图像同步投影在一个旋转屏幕上，从而重构出与真实物体相似的三维图像。采用本发明，可以提高刷新率、分辨率及灰阶，在现有的软硬件技术水平上，能够制造出成本更低，显示效果更好的体三维显示装置。

Description

基于多投影机旋转屏的体三维显示***
技术领域
本发明涉及一种体三维显示技术，更特别的，涉及一种基于多投影机旋转屏的体三维显示技术，可以广泛地应用于气象分析、医学成像、空中交通控制、军事模拟、机械装配等领域。
背景技术
三维显示能够提供直观、自然的交流模式，有助于人们在综合运用各种深度暗示之后，获得真实、丰富、可靠的感知体验，是显示技术的必然发展趋势。借助于眼镜或者斜光栅的体视三维显示只能提供有限的体视对，显示效果有限，而且人眼在观察时，会聚和调节不能匹配，长期观看对眼睛有害。全息动态显示海量的数据传输和存储在目前的技术水平上基本不现实。体三维显示技术能满足“直接可视、全角度可视及群视”等一系列要求，在技术实现和显示效果上都比较有优势，因而在气象分析、医学成像和空中交通控制以及军事模拟等领域中具有广阔的应用前景。
近年来，国内外对真三维显示做了大量的研究，提出了一系列的显示方案，主要可分为体积静止型和体积扫掠型两大类型。
体积静止型的体显示是通过适当的方式来激励或寻址静止体积内的显示介质，并以高于人眼闪烁融合频率的速度进行刷新，以便在每一个指定的空间位置产生体像素，由此构成真实地加载于三维实空间内的体图像。这类体显示根据显示介质不同，又可以分为以下三种类型。1)基于光活性介质的体积静止型显示，这种显示通常基于双频两步激励过程，要求光活性介质具有三个递增能级，能展示出两个不同波长的双光子吸收，在交汇处串行地发出基态-中间态，中间态-激发态的转换。这样，从激发态返回基态时的衰减将伴随着可见光子的发射。缺点是缺乏合适激励源和具有充分光转化效率的显示介质；2)基于无源矩阵的体积静止型显示，利用多层液晶来构成显示体积，将原始三维图像分解成多个二维截面图像，然后分别用多个液晶层来表述对应的二维图像信息。由于液晶的响应时间过长，显示装置极其复杂，可操作性不高；3)基于有源矩阵的体积静止型显示，这种方案利用发光元件在物理空间中构成均匀的、各向同性的三维阵列，每个元件对应于一个自发光的物理体积元，可被选择性地寻址而形成体像素。缺点是三维阵列的大小与图像空间的范围直接相关，元件本身尺寸和间隔决定了所显示图像的细腻程度，电气连接复杂，体像素密度难以满足应用要求。
体积扫掠型的体显示是利用一个二维表面的周期性运动，把预先处理的原始三维信息按时序快速显示在该表面所扫掠的一些空间位置处，再以高于人眼闪烁融合频率的速度进行刷新，由此而构成真实加载于三维实空间内的再现图像。这类真三维显示根据屏幕运动方式的不同又可以分为以下两类方式：1)基于平面屏移动的体积扫掠型显示，通过投影屏幕的一维运动来产生二维图像的扫掠。由于很难制造出达到大的实用尺度的高频机械驱动***，因此，***运作机理限制了目标屏的移动幅度，导致这种基于平面屏移动的体积扫掠型方案无法推广；2)基于平面屏旋转的体积扫掠型显示，主要有基于单投影机旋转屏的体三维显示***和基于二维LED屏旋转的体三维显示***。
目前，基于单投影机旋转屏的体三维显示装置所使用的基于DMDTM技术的三片式投影引擎的帧频约为5KHz，体像素位置总数达到116,785,152，体刷新率30Hz；能实现3～21bit色阶显示，当实际激活的体像素总数与体像素位置总数一致时，再现的图像只能包含23种颜色；当实际激活的体像素总数少于体像素位置总数时，再现的图像最多能包含221种颜色。由于这一***采用了代表当代科技发展水平的软、硬件设施，所以其生产成本相当高，并且运行及维护费用也相当昂贵。同时它提供的体分辩率768×768×198主要得益于投影图像的分辩率768×768，而投影图像的总幅数由于受到投影仪帧频的限制，很难再突破198。由于采用了单投影机，DMD芯片长时间处于强光照射下的发热问题导致照明光源的功率不可能太大，从而显示图像的亮度受到了限制。
基于二维LED屏旋转的体显示***通过点亮在旋转屏上的LED来显示三维图像。由于图像产生装置在旋转屏上，给数据传输和电力供应带来了困难。屏幕单面发光，为了全方位可视，只能提高旋转屏的转速，不但增大了数据传输量同时也提高了机械***的要求。LED发光管芯的尺寸比较大，屏幕尺寸有限时，分辨率不可能很高。
发明内容
因此，本发明就是为了解决上述问题而提出的，其目的在于提供一种基于多投影机旋转屏的体三维显示技术，采用多投影机多角度投影方式，在刷新周期内，多投影机分时曝光，每个投影机只投影一幅图像，降低了对投影机的要求，从而极大的提高了刷新率、分辨率及灰阶。多投影机多角度投影方式，使得图像数据的并行传输成为可能，突破了单投影机和LED旋转屏方式所存在的图像数据传输速率瓶颈。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于多投影机旋转屏的体三维显示***，包括：
一旋转屏，由电机带动旋转；
至少两台投影机，沿旋转屏周围摆放，0°-180°为奇数角的投影机，180°-360°为偶数角的投影机；
图像处理装置，在柱坐标系中将三维物体模型分解成一系列多角度的二维图像并传送给各个投影机的数据处理单元；
投影机将对应角度的一个二维图像同步投影在一个旋转屏幕上，该二维图像是对应角度三维物体的二维截面图像；所述投影机的光源以一种基于连续光源的高亮度同步照明分配器来替代投影机所需的高亮度、高重频的白光频闪光源，当旋转屏转动时，奇数角的投影机和偶数角的投影机在对径方向上交替曝光，旋转屏转动180°，所有投影机曝光一次，完成一个三维图像刷新周期，重构出一个完整的360°观察范围的真三维图像。
较佳者，所需的投影机数量在满足角分辨率1°要求时为180架，角分辨率0.5°时为360架。
较佳者，其中所述旋转屏是双向散射屏。
较佳者，其中所述投影机的空间光调制器件是LCD(LiquidCrystal Display)、DMD(Liquid Crystal Display)或者LCOS(LiquidCrystal on Silicon)。
较佳者，其中所述图像处理装置是计算机或者其他处理装置。
较佳者，其中所述连续光源的高亮度同步照明分配器是反射光路，或者是玻璃棒、塑料棒或其他传光材料。
附图说明
图1为本发明的多投影机旋转屏体三维显示***的立体示意图；
图2为采用反射镜的同步照明分配器；
图3为采用传光束的同步照明分配器；
图4为采用双向散射屏和同步光源分配器的多投影机的体三维显示***；
图5为采用双向散射屏和同步光源分配器时投影机的摆放。
具体实施方式
下面结合本发明的应用之一--头部医疗显示，对本发明做进一步的描述。体三维显示提供的视觉场景是透明的，而在医学成像领域中，为了更好地进行病理诊断，要求被研究的对象按照原貌被显示在对应的生理位置上，彼此之间不能有任何遮挡。本***将CT扫描获得一系列二维图像进行三维建模，再在柱坐标系内将三维模型分解成一系列多角度的二维图像，由多个投影机多角度将对应角度的二维图像同步投影在一个旋转屏幕上，从而重构出与真实物体相似的三维图像，帮助医生诊断病情。
根据一般头部的尺寸，本***采用320mm×240mm的旋转显示屏。投影机采用320×240分辨率的真彩色液晶显示屏，为避免图像帧频过低引起闪烁，采用30Hz的帧频，一周使用180个投影机。屏幕采用双向散射屏，可以有效的减少投影机的数量、降低屏幕转速。
如图4所示，双向散射屏由电机1带动旋转，上下光源经双向反光镜分别对径反向出射。并由电机2带动反射镜与屏同步旋转。光源焦点打到传光束入射端时，对应投影机(预先写入图像处于等待状)曝光并成像在屏幕上，在360°圆周方向都可看到图像。角分辨率1°，180架投影机，若角分辨率0.5°，则需要360架投影机。投影机在圆周方向布置，如图5所示，其中0～180°为奇数角的投影机，180°～360°为偶数角的投影机，投影机所投影的是对应角度三维物体的截面图像。当屏幕转动时，奇偶投影机对径方向上交替曝光，屏幕转动180°，所有投影机曝光一次，完成一个三维图像刷新周期，重构出一个完整的360°观察范围的真三维图像。
***中的图像处理装置采用PC机，由PC机对CT扫描获得一系列二维图像进行三维建模，再在柱坐标系内将三维模型分解成一系列多角度的二维图像，然后将图像传输给投影机进行三维显示。由于观看CT扫描图不需要实时，故可以采用先将PC机中处理好的一系列图像数据传输给各个投影机的缓存后再进行显示，显示时可以通过PC机实时向各个投影机的数据处理单元传送一些信息，例如需要叠加的一些字符或者简单的图像信息等，由数据处理单元完成字符图像的叠加等。若需要实时显示三维图像，由于体三维实时显示对图像数据传输率有非常高的要求，采用单台PC机基本不可能满足数据传输的需要。为满足数据传输的需要，可以开发PCI-E接口的计算机板卡，在提高单台PC机的数据传输率的基础上，采用多台PC机并行数据传输。为了保证多台PC机在传输数据时基本同步，设置其中一台作为主控机，通过PCI-E的板卡完成对所有PC机的同步控制。
对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容后，能够在不背离本发明的原理和范围的情况下，根据本发明的方法进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于多投影机旋转屏的体三维显示***，该***包括：
一旋转屏，由电机带动旋转；
至少两台投影机，沿旋转屏周围摆放，0°-180°为奇数角的投影机，180°-360°为偶数角的投影机；
图像处理装置，在柱坐标系中将三维物体模型分解成一系列多角度的二维图像并传送给各个投影机的数据处理单元；其特征在于，
投影机将对应角度的一个二维图像同步投影在旋转屏上，该二维图像是对应角度三维物体的二维截面图像；所述投影机的光源以一种基于连续光源的高亮度同步照明分配器来替代投影机所需的高亮度、高重频的白光频闪光源，当旋转屏转动时，奇数角的投影机和偶数角的投影机在对径方向上交替曝光，旋转屏转动180°，所有投影机曝光一次，完成一个三维图像刷新周期，重构出一个完整的360°观察范围的真三维图像。
2.根据权利要求1所述的***，所需的投影机数量在满足角分辨率1°要求时为180架，角分辨率0.5°时为360架。
3.根据权利要求1所述的***，其特征在于所述旋转屏是双向散射屏。
4.根据权利要求1所述的***，其特征在于所述投影机的空间光调制器件是LCD、DMD或者LCOS。
5.根据权利要求1所述的***，其特征在于所述图像处理装置是计算机或其他处理装置。
6.根据权利要求1所述的***，其特征在于所述连续光源的高亮度同步照明分配器是反射光路，或是玻璃棒、塑料棒或其他传光材料。
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