CN102169282B - 多视角桌面式三维显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多视角桌面式三维显示装置。它包括对称分布的双投影机阵列、双纵向散射屏及桌面结构，其中第一投影机阵列放置于第一纵向散射屏一侧，第二投影机阵列放置于第二纵向散射屏一侧，桌面形式可以是回字形桌面或是中部开口L形桌面，双纵向散射屏嵌入桌面结构并设置成V形、直角形、梯形或弧形，双投影机阵列通过对应的散射屏向桌面中心投影图像。本发明的优点是可以产生高图像分辨率、高视角分辨率，并且在桌面两侧或一侧很大视场范围内都能观察到细腻的横向视差的三维图像。嵌入桌面的结构可以实现三维图像的悬浮效果。相对于单个裸眼立体显示器，多投影设置可以实现三维图像的拼接，大大增加三维图像的空间尺度。

Description

多视角桌面式三维显示装置

技术领域

本发明涉及三维显示装置，尤其涉及一种多视角桌面式三维显示装置。

背景技术

显示技术正朝着高清晰、三维全景显示的方向发展。三维显示区别于传统二维显示就是通过各种方法给观看者带来视觉上的深度感知，使其自然与不自然地获得画面中的第三维度信息。国内外众多三维显示技术一般可分为全息三维显示和非全息三维显示两种。全息三维显示因其是真三维的信息记录和显示而被誉为未来理想的三维显示方式，但在动态显示方面需要高分辨的空间光调制器以及超高速的数据处理***，这两个因素极大地限制了这种技术的进步使其不能很好地进入实际应用，目前仅适用于静态图像的摄取和显示。因此非全息三维显示是目前的主流显示技术，而实现非全息三维显示技术一般又可分为体三维显示、集成成像三维显示、体视三维显示等。体三维显示和体视三维显示目前都已有较好的显示设备出现，然而基于这两种方法的显示装置大都依靠转动屏幕来满足全视角观看的需求，所以显示装置结构相对复杂造价也较高。传统的集成成像三维显示技术则在视角数目、图像串扰、显示区域深度和大小等方面存在很多需要解决的问题。 

目前已经开发出的裸眼三维显示装置大都仅仅具有一个方向的立体视角，在另一方向没有立体视角，因此缺乏具体的实际应用。并且单个裸眼立体显示器显示的图像分辨率低、视角少而不连续、纵深感不够等问题，更使其在军事模拟及沙盘推演领域的应用缺乏创新。本发明的主要目的在于构建一个显示桌面二侧分别可以看到三维图像各自侧面的三维显示装置，且满足多人多视角观看的诉求。其优点在于可以产生高图像分辨率、高视角分辨率，并且可以在桌面二侧都观看到具备细腻的横向视差的三维图像。细腻的视角间隔，会给观察者带来完全连续无跳变的三维感知，减少常规三维显示中视角不连续带来的疲惫感。嵌入桌面的结构可以实现三维图像的悬浮效果，满足多人同时、多视角、可触式观看的诉求。同时利用桌面两侧的相对投影实现三维图像的拼接，可增加三维图像的空间尺度。

整合了传统三维显示技术的优势，创新的桌面式三维显示装置设计可以广泛应用于军事沙盘推演、医学模拟、对弈赛事、楼盘销售演示等领域。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术和显示装置的不足，提供一种多视角桌面式三维显示装置。

多视角桌面式三维显示装置包括第一投影机阵列、第二投影机阵列、第一纵向散射屏、第二纵向散射屏、回字形桌面和凹槽，回字形桌面的开口下方设有第一纵向散射屏和第二纵向散射屏，第一纵向散射屏和第二纵向散射屏构成凹槽，所述凹槽的形状为V形、直角形、梯形或弧形，第一投影机阵列放置于第一纵向散射屏一侧并投影到第一纵向散射屏另一侧成像，第二投影机阵列放置于第二纵向散射屏一侧并投影到第二纵向散射屏另一侧成像。

多视角桌面式三维显示装置包括第一投影机阵列、第二投影机阵列、第一纵向散射屏、第二纵向散射屏、中部开口L形桌面，中部开口L形桌面的中部开口下方和后方设有第一纵向散射屏和第二纵向散射屏，第一纵向散射屏和第二纵向散射屏构成直角形，第一投影机阵列放置于第一纵向散射屏下方并投影到第一纵向散射屏上方成像，第二投影机阵列放置于第二纵向散射屏后方并投影到第二纵向散射屏前方成像。

所述的第一纵向散射屏和第二纵向散射屏是透射式柱面光栅或具有相同纵向散射特性的光学全息屏幕，透射式柱面光栅栅线方向和回字形桌面或中部开口L形桌面表面平行。所述的第一投影机阵列和第二投影机阵列是多个投影机组成的阵列，或由二维显示器和镜头阵列组成。所述的二维显示器是LCD、LCOS、PDP、LED、CRT、OLED或投影机。

本发明可产生高图像分辨率、高视角分辨率的三维图像，双投影机阵列提供了常规桌面显示应用所需的多视角观察范围，在每个方向的视角范围内又可以显示具有一系列连续视角的三维图像。细腻的视角间隔，会给观察者带来连续无跳变的三维感知，而多视角范围的观察区域以及可触式的桌面显示设计，则给三维显示在更广泛领域的应用提供了巨大前景。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1(a)是多视角桌面式三维显示装置（回字形桌面形式）整体示意图；

图1(b)是多视角桌面式三维显示装置（L形桌面形式）整体示意图；

图2(a)是多视角桌面式三维显示装置成像原理纵向剖视图一；

图2(b)是多视角桌面式三维显示装置成像原理纵向剖视图二；

图3是多视角桌面式三维显示装置成像原理俯视图；

图4是二维显示器和投影镜头组成的阵列示意图；

图5(a)是凹槽状纵向散射屏结构示意图一；

图5(b)是凹槽状纵向散射屏结构示意图二；

图6是右侧视点观察凹槽结构中心的观察效果示意图。

图中，第一投影机阵列1、第二投影机阵列2、第一纵向散射屏3、第二纵向散射屏4、回字形桌面5、凹槽6、中部开口L形桌面7。

具体实施方式

如图1(a)所示，多视角桌面式三维显示装置（回字形桌面形式）包括第一投影机阵列1、第二投影机阵列2、第一纵向散射屏3、第二纵向散射屏4、回字形桌面5和凹槽6，回字形桌面5的开口下方设有第一纵向散射屏3和第二纵向散射屏4，第一纵向散射屏3和第二纵向散射屏4构成凹槽6，所述凹槽6的形状为V形、直角形、梯形或弧形，第一投影机阵列1放置于第一纵向散射屏3一侧并投影到第一纵向散射屏3另一侧成像，第二投影机阵列2放置于第二纵向散射屏4一侧并投影到第二纵向散射屏4另一侧成像。

如图1(b)所示，多视角桌面式三维显示装置（L形桌面形式）包括第一投影机阵列1、第二投影机阵列2、第一纵向散射屏3、第二纵向散射屏4、L形桌面7，L形桌面7中部开口下方和后方设有第一纵向散射屏3和第二纵向散射屏4，第一纵向散射屏3和第二纵向散射屏4构成直角形，第一投影机阵列1放置于第一纵向散射屏3下方并投影到第一纵向散射屏3上方成像，第二投影机阵列2放置于第二纵向散射屏4后方并投影到第二纵向散射屏4前方成像。

所述的第一纵向散射屏3和第二纵向散射屏4是透射式柱面光栅或具有相同纵向散射特性的光学全息屏幕，透射式柱面光栅栅线方向和回字形桌面5或中部开口L形桌面7表面平行。所述的第一投影机阵列1、第二投影机阵列2是多个投影机组成的阵列，或由二维显示器和镜头阵列组成。

所述的二维显示器是LCD、LCOS、PDP、LED、CRT、OLED或投影机。

结合附图说明本发明的工作过程如下:

多视角桌面式三维显示装置结构形式可以是回字形桌面呈左右对称排布的投影形式，如图1(a)所示，也可以是中部开口L形桌面直角排布的投影形式，如图1(b)所示。图1(a)所示装置其观看范围为回字形桌面上方两侧视角，且两侧视点分别仅可以观看到该视角物体对应视图图像信息。图1(b)所示装置其观看范围为中部开口L形桌面前方和上方视角，即直角平分线两侧视角，且两侧视点分别仅可以观看到该视角物体对应视图图像信息。

以回字形桌面形式为例，如图2(a)所示，多视角桌面式三维显示装置包括嵌入回字形桌面5的两组投影机阵列、一组凹槽6，投影机阵列包括第一投影机阵列1、第二投影机阵列2，凹槽6包括呈凹槽状对称设置的第一纵向散射屏3、第二纵向散射屏4。由于机构的对称性，以单侧为例，依次设置投影机阵列1、纵向散射屏3，所述的投影机阵列中的每一个投影机的图像都是由三维物体不同视角图像的一竖条图像拼接而成，每一个投影***各自将每一条竖条图像投影到纵向散射屏上，并且该竖条图像的投影光线方向和其所属视角方向相同。第一纵向散射屏3和第二纵向散射屏4使用的柱面光栅，其栅线方向应平行于回字形桌面5。位于第一投影机阵列1一侧的视点观察到的视图是由第二投影机阵列2贡献的，位于第二投影机阵列2一侧的视点观察到的视图是由第一投影机阵列1提供的，在两侧都只能观察带物体对应视角的视图，而无法观察到对面视角的视图。

如图2(b)所示，第一投影机阵列1向第一纵向散射屏3上的同一位置投影图像，第二投影机阵列2向第二纵向散射屏4上的同一位置投影图像，二者投影图像成像后在凹槽6中心位置拼接重建光场。第一纵向散射屏3和第二纵向散射屏4纵向散射角度                                               应小于等于第一投影机阵列1和第二投影机阵列2的角度间隔

（当二者相等时，相当于桌面两侧视角在垂直桌面中心处无缝拼接），保证只在对侧视角获得合适的观看范围并且光线不会被回字形桌面5和凹槽6的边缘阻挡，在第二投影机阵列2一侧视角观看得到三维物体对应视角的信息由第一投影机阵列1投影的视图提供，在第一投影机阵列1一侧视角观看得到三维物体对应视角的信息由第二投影机阵列2投影的视图提供。

如图3所示，第一投影机阵列中1的投影机P1-Pn各自向纵向散射屏3投影，将在凹槽6中心成像并在右侧对应形成V1-Vn个视点。透过纵向散射屏3观看投影机阵列1，发现所有投影机出瞳都会在纵向上被散射开形成一竖条而在横向上的宽度保持不变，这样在右侧不同视点V1-Vn观察凹槽6视场中心就可以看到不同的视图，且任意一个视点观察到的完整视图都是由每台投影机各自投影的一竖条图像拼接而成，这样在不同视点就可以观察到由n个竖条图像块组成的三维物体对应视角的视图，各个视点的图像是连续变化的，从而实现在右侧获得横向视差的观看效果。第二投影机阵列2与第二纵向散射屏4的成像原理与此一致。

所述的第一投影机阵列1和第二投影机阵列2分别是由多个投影机P1-Pn、Q1-Qn横向排列组成。若要提供更加细腻的视角间隔，投影机镜头可根据实际需求和尺寸在纵向上错位排列，保持相邻两台投影机的横向间距一定，且保持均向定向散射屏上同一位置投影。

如图4所示，所述的投影机阵列也可以是由二维显示器和镜头阵列通过纵向上错位、横向等间隔排布组成。

如图5所示，所述的第一纵向散射屏3、第二纵向散射屏4均为在纵向具有一定散射角而横向无散射的透射式柱面光栅，保证了在凹槽6的左上方和右上方观察空间内观察者在纵向很宽的范围内均可以看到出射光线，获得三维感知。

所述的凹槽6俯视图为矩形开口，凹槽状结构和倾斜参数设置应保证通过第一纵向散射屏3、第二纵向散射屏4的光线不会被凹槽6上边缘阻挡，能够互相在对应视点范围内成像。

在任意一个视点观看凹槽6视场中心，看到的完整视图是由一系列竖条图像拼接起来的，每一竖条图像与相应一侧的投影机阵列中的投影机一一对应。投影机阵列1投影三维立体图的正面多视角图像，投影机阵列2投影三维立体图的背面多视角图像，各视角图像在视场中心实现拼接。假定于回字形桌面5右侧视场范围内观看凹槽6视场中心，任一视点看到视图的是由回字形桌面5左侧第一投影机阵列1中n台投影机投影而得的n个竖条图像拼接而成。如图6所示，一幅完整的视图中的S1~Sn分别对应于投影机P1~Pn。

Claims (3)

1.一种多视角桌面式三维显示装置，其特征在于包括第一投影机阵列（1）、第二投影机阵列（2）、第一纵向散射屏（3）、第二纵向散射屏（4）、中部开口L形桌面（7），中部开口L形桌面（7）中部开口下方和后方设有第一纵向散射屏（3）和第二纵向散射屏（4），第一纵向散射屏（3）和第二纵向散射屏（4）构成直角形，第一投影机阵列（1）放置于第一纵向散射屏（3）下方并投影到第一纵向散射屏（3）上方成像，第二投影机阵列（2）放置于第二纵向散射屏（4）后方并投影到第二纵向散射屏（4）前方成像。

2.根据权利要求1所述的一种多视角桌面式三维显示装置，其特征在于所述的第一投影机阵列（1）和第二投影机阵列（2）是多个投影机组成的阵列，或由二维显示器和镜头阵列组成。

3.根据权利要求2所述的一种多视角桌面式三维显示装置，其特征在于所述的二维显示器是LCD、LCOS、PDP、LED、CRT、OLED或投影机。

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