CN103777455A - 基于光场拼接的球形沉浸式三维显示方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光场拼接的球形沉浸式三维显示***，包括图像生成和控制模块、投影仪阵列和球幕散射屏，图像生成和控制模块将所需要显示的三维显示场景解析成一系列沿半径指向球心方向投影的所需的图像元，并编码压缩，由图像分屏控制模块将编码压包后的各子图像传输分配给每一台投影仪，投影仪将图像投影到球幕二向散射屏上，光线经过二向散射后，位于球幕内的观察者便可观察到具有双目视差的细腻的立体三维场景。本发明还提供了一种基于光场拼接的球形沉浸式三维显示方法。本发明的基于光场拼接的球体沉浸式的***结构可实现三维场景环绕观察者的效果，增强了三维场景的真实感。

Description

基于光场拼接的球形沉浸式三维显示方法及***

技术领域

本发明涉及三维显示技术领域，特别涉及一种基于拼接光场的沉浸式三维显示方法及***。

背景技术

随着现代科技的不断发展，人们获取信息的渠道不断丰富，获得的信息量也不断提高。相较于其他获取方式，视觉感知又被认为是人们获得信息的最重要的渠道之一，因此显示技术的研究也越来越受到学界的重视。相较于传统的二维显示，三维显示能提供更直观的视觉感受、更丰富的细节、更具表现力的场景，可以在许多行业中得到广泛的应用，是未来显示技术的发展趋势。

目前，非全息三维显示技术一般分为：体视三维显示技术、自体视三维显示技术、体三维显示技术、光场三维显示技术。体三维显示和体视三维显示目前都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，已经开发出的平面或柱面的拼接光场的三维显示方法已经初步实现三维立体显示。例如公开号为CN101819375A的专利文献公开了一种全视差三维显示装置。它包括投影机阵列、正交柱面光栅屏，正交柱面光栅屏包括第一柱面光栅、第二柱面光栅，依次放置的投影机阵列、正交柱面光栅屏，投影机阵列向正交柱面光栅屏投影图像，正交柱面光栅屏中的第一柱面光栅和第二柱面光栅的光栅方向分别平行于x轴和y轴。另外，公开号为CN103048866A的专利文献公开了一种基于平面显示器的悬浮式360°光场三维显示装置，包括：依次放置的平面显示器阵列、第一透镜组阵列、第二透镜与散射屏，其中平面显示器阵列由若干平面显示器拼接而成，每个平面显示器用于显示三维对象一周360°各子图像的其中一部分，即一个子图像序列，平面显示器阵列显示的图像序列中各子图像、第一透镜组阵列中各第一透镜组以及观察区的各视点一一对应。上述装置限于***装置的结构，三维物体远离观察者。

发明内容

本发明的主要目的在于构建一个扩展性强，具有沉浸于三维场景环绕效果的基于拼接光场的球形沉浸式三维显示装置，满足了球体内多人多视角观看的诉求；同时球形屏幕的结构可以实现观察者沉浸于三维场景的效果，满足多人同时、多视角、可触式、身临其境的观看诉求。

本发明还提供了一种基于光场拼接的球形沉浸式三维显示方法，该方法处理简单，需要三维显示的场景利用该方法显示时，逼真感更强，同时减少了常规三维显示方法中的视角不连续带来的疲惫感。

一种基于光场拼接的球形沉浸式三维显示***，包括：投影仪阵列、球幕散射屏、以及图像生成和控制模块；

所述的球幕散射屏用于显示立体三维场景，球幕散射屏内为观察区域；

所述的图像生成和控制模块根据平面二维坐标与空间球坐标系的映射关系，将需要三维显示的场景从二维坐标系解析到球坐标系内，得到一系列沿球半径指向球心方向投影的图像元；然后将图像元编码压包、传输、解压后分配给投影仪阵列中的每一台投影仪；

所述的投影仪阵列围绕球幕散射屏外周设置，其投影范围能覆盖整个球幕散射屏，每台投影仪光轴均指向球幕散射屏球心；同时投影仪阵列将接收的图像元投影到球幕散射屏上，光线经过二向散射后，位于球幕内的观察者便可观察到具有双目视差的细腻的立体三维场景。

作为优选，所述的投影仪阵列为N层环形阵列，N层环形阵列沿球幕散射屏同一中轴线轴向布置，各层以180o/N的等纬度差间隔均匀分布，

且每台投影仪距离球幕散射屏距离相等；其中N为自然数，且：

（球幕散射屏的周长/单台投影仪。投影画面纵向尺寸)。

上述投影仪阵列一般由

台投影仪构成，m_i表示第i层投影仪数量。投影仪通常为LCD、LCOS、DLP等投影仪，用于提供球幕散射屏上每一个子单元区域对应的投影图像。所述的投影仪阵列的层数N一般为大于3的自然数，保证投影仪阵列的投影范围能覆盖整个球幕散射屏，避免出现黑影区域，影响三维场景的显示效果。所述的单层环形阵列中，每一台投影仪投影在球幕散射屏上的图像单元相对球形的经度范围为θ1，θ1为一个小角度，且mi值越大，θ1越小，在观察区域看到的三维场景图像越细腻。设单层环形阵列中有mi台投影仪，则m_i×θ₁=360°，且投影仪等间隔分布，投影仪的光轴指向球心。

作为进一步优选，所述的N层环形阵列中，最上面一层投影仪位于纬度

，最下面一层投影仪位于纬度

所述的球幕散射屏是透射式的定向散射屏，对入射光沿球面经线延伸方向大角度散射，沿纬线延伸方向小角度散射。

作为优选的方案，所述的球幕定向散射屏若干子定向散射屏进行球形拼接而成。在该技术方案基础上，为实现多种方式球幕拼接，一种更进一步的优选方案为：所述的子定向散射屏的边缘为对称结构，由两个对称的圆弧组成。此时，子定向散射屏为类似柳叶状的子定向散射屏。每一片柳叶状子定向散射屏对应球幕上θ2的经度范围，q片同等的柳叶状子定向散射屏，且q×θ₂=360°，实现球幕散射屏360°的无缝拼接。作为另一种跟进一步的优选方案，所述的球幕定向散射屏也可以有多个正多边形拼接而成。所述的子定向散射屏为正五边形、正六边形中的一种或者两种的混合。例如，由12个等边的正五边形拼接而成，在拼接正五边形时，不同的正五边形子区域均符合在球幕上，纬线方向透射，经线方向大角度散射。球幕定向散射屏也可以由12个等边的正五边形和20个等边的正六边形拼接而成，不同的正五边形子区域均符合在球幕上，纬线方向透射，经线方向大角度散射。本发明提供了多种球幕散射屏的正多边形的拼接方法，多边形拼接方式符合欧拉公式：V-E+F=2，即（定点-边+面=2）。

所述的图像生成和控制模块由计算机、以及与其相连的图像分屏控制模块，所述图像分屏控制模块由呈辐射状多级连接的图像分屏器组成；所述的计算机将三维显示的场景解析成一系列沿球幕散射屏半径指向球心方向投影的所需的球坐标系内的图像元，经过多级图像分屏器后，分配成与投影仪数量匹配的子图像元，最后将子图像元输给每一台投影仪。所述的图像分屏器主要由DVI接口、DVI解码电路、FPGA（Field ProgrammableGate Array，现场可编程门阵列）、数模转换电路组成。所述的计算机通过DVI接口输出图像信号，经DVI解码电路，将图像信号解出24位宽的RGB信号和行场同步信号，经FPGA、3路数模转换电路、DVI接口，输出图像信号。

为实现动态显示，图像生成和控制模块除了具有传输分配图像作用外，还需要对每一台投影仪投影的图像的刷新进行同步控制，保证动态视频显示过程中图像的同步刷新。

本发明还提供一种基于光场拼接的球形沉浸式三维显示方法，包括：

（1）按照平面二维坐标与空间球坐标系的映射关系，将需要三维显示的场景从二维坐标系解析到球坐标系内，得到一系列沿球半径指向球心方向投影的图像元；

（2）根据每一个图像元的格式和特点，对图像元编码压包；

（3）通过图像分屏控制模块将编码压包后的图像元传输、解压后分配给每一台投影仪；

（4）投影仪将接收的图像元投影到球幕散射屏上，光线经过二向散射后，位于球幕内的观察者便可观察到具有双目视差的细腻的立体三维场景。

本发明可以构建一个拓展性强、成本可控、具有很大的视场范围的空间三维显示装置，且满足观察者沉浸于显示空间中（“身临其境”）的诉求。其优点在于可以产生在球面定向散射屏屏幕前观看到具体细腻的球面纬向视差的三维图像悬浮效果，三维场景环绕于观察者。细腻的视角间隔，会给观察者带来连续无跳变的三维感知，减少常规三维显示中的视角不连续带来的疲惫感，沉浸式三维成像增强了观察者“身临其境”的逼真感。同时利用模块化多屏拼接的方式实现球形沉浸式三维显示空间的扩展，可用于展厅三维展示、军事场景模拟、沉浸式3D影院等领域。

附图说明

图1是一种基于光场拼接的球形沉浸式三维显示装置示意图。

图2是图1所述装置的图像生成和控制模块示意图。

图3是图1所述装置的纵向剖面图。

图4是图1所述装置的横向剖面图。

图5是图1所述装置中，不同层投影阵列的错位分布的示意图。

图6是图1所述装置中的球幕散射屏的拼接图。

图7是图1所述装置中的球幕散射屏的二向散射示意图。

图8是图1所述装置中的的球幕散射屏散射入射光以后的光场拼接示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图详细说明本发明，但发明内容不仅限于此。

如图1，一种基于光场拼接的球形沉浸式三维显示装置，包括：投影仪阵列1、球幕散射屏2、图像生成和控制模块3。

投影仪阵列1一般由N层环形阵列组成，每层环形阵列包括mi个投影仪，共有m_i×N台投影仪构成，投影仪通常为LCD、LCOS、DLP等投影仪，用于提供球幕散射屏上每一个子单元区域对应的投影图像。球幕散射屏2的作用是将投影仪阵列1中的投影仪的投影图像进行二向散射，即沿纬线方向透射或小角度α散射（一般小于等于6°），沿经线方向大角度γ（γ≥60°）散射。图像生成和控制模块3，由计算机和图像分屏控制模块组成，通过在计算机中进行坐标变换，将所需的三维显示的场景解析成一系列沿球半径指向球心O方向投影的所需的球坐标系内的图像元。在实际应用过程中，根据实际需要设置球幕外的投影仪阵列的层数N（N>3，为自然数），保证投影仪阵列的投影范围能覆盖整个球幕散射屏2。单层环形阵列中，每一台投影仪投影在球幕散射屏2上的图像单元相对球形的经度范围为θ₁，θ₁为一个小角度，且m_i值越大，θ₁越小，在观察区域4看到的三维场景图像越细腻。设单层环形阵列中有m_i台投影仪，则m_i×θ₁≥360°，且投影仪等间隔分布。不同单层投影仪错位布置。

如图2所示，一种基于光场拼接的球形沉浸式三维显示装置的图像生成和控制模块示意图。图像生成和控制模块3由计算机5和图像分屏控制模块组成，图像分屏控制模块由呈辐射状多级连接的图像分屏器6组成；由计算机将所需要显示的三维显示场景解析成一系列沿半径指向球心O方向投影的所需的球坐标系内的图像元，并编码压缩，由图像分屏控制模块将编码压包后的各子图像传输分配给每一台投影仪。图像生成和控制模块除了具有传输分配图像作用外，还需要对每一台投影仪投影的图像的刷新进行同步控制，保证动态视频显示过程中图像的同步刷新。站在球幕内观察区域4的观察者可以看到，三维立体场景，并随着自身的转动、移动，看到场景中不同的物体。

图像分屏器由DVI接口、DVI解码电路、FPGA（Field ProgrammableGate Array，现场可编程门阵列）、数模转换电路组成。计算机通过DVI接口输出分辨率为2400*1800的T.M.D.S图像信号，经DVI解码电路，将T.M.D.S信号解出24位宽的RGB信号和行场同步信号，经FPGA、3路数模转换电路、DVI接口，输出分辨率为800*1800的图像。计算机的图像，经过多级图像分屏器后，将图像输给每一台投影仪。

如图3所示，一种基于光场拼接的球形沉浸式三维显示装置的纵向剖面图。本实施例的投影仪阵列的层数N=6，下半球幕***的投影阵列的层次排布和上半球幕***的投影阵列的排布关于球体赤道平面对称。设上极点到下极点的单层环形阵列的层次编号分别为：m₁、m₂、m₃、m₄、m₅、m6，即最上面单排投影阵列编号为m1，最下面单排投影阵列编号为m₆，分别位于纬度75°、45°、15°、-15°、-45°、-75°处。各层投影阵列的投影图像区域均与相邻的投影图像阵列的投影图像区域边缘重合，即m₁投影图像区域下边缘与m₂投影图像区域上边缘重合、m₂投影图像区域下边缘与m₃投影图像区域上边缘重合……以此类推，实现了不同层次的投影阵列的投影图像区域无缝拼接，并且m₁、m₆的投影阵列，每一台投影仪的投影图像区域均包含各自所在的极点。本次实施例中，每一层投影仪错位布置。多层投影仪按图3排布，实现了多投影阵列投影的图像在球幕散射屏无盲点、无缝拼接。

如图4所示，一种基于光场拼接的球形沉浸式三维显示装置的横向剖面图。本次实施例中，每一台投影仪正投影所对应的球幕为圆心角为θ₁的弧形区域，每一单层环形阵列的投影仪数量分别为96、264、360、360、264、96。每一台投影仪投影的图像有重合，多个投影仪投影的光线经过球幕散射屏中的每一个点，观察者观看时就产生双目视差，形成立体视觉，观察者在球幕区域内移动、转动，就会看到三维场景中的不同部分，就会产生沉浸与三维场景的感觉。

如图5所示，一种基于光场拼接的球形沉浸式三维显示装置中，不同层环形阵列的错位分布的示意图。图5以m₁、m₂、m₃三层中相邻的的9台相邻的投影仪为例，m₁中相邻两台投影仪A、B的间距为l，m₂的投影仪C与m₁中的投影仪A的沿纬线方向的间距为l/3，m₃中的投影仪D与m₂的投影仪C的沿纬线方向的间距为l/3，m₁中投影仪B与m₃中的投影仪D的间距为l/3。投影仪的错位分布，使得光场中光线分布更加均匀，避免黑影条纹。

如图6所示，一种基于光场拼接的球形沉浸式三维显示装置的球幕散射屏的拼接图。本次实施例中，球幕定向散射屏由多片柳叶状子区域屏幕拼接而成，每一片柳叶状子区域屏幕对应球幕上θ₂的经度范围，q片同等的柳叶状子定向散射屏，且q×θ₂=360°，实现球幕散射屏360°的无缝拼接。本次实施例q=12，柳叶状子屏幕为两边为半径R=1.5m的圆弧，中心宽度Δd=0.786m，中心轴对称的几何形状。

如图7所示，一种基于光场拼接的球形沉浸式三维显示装置的球幕散射屏的二向散射示意图。投影仪的光从一侧入射，透射过散射屏以后，光线沿经线延伸方向大角度散射，沿纬线延伸方向小角度散射。设入射点为坐标原点O’，指向球心方向为Z轴，球幕散射屏展开为柳叶状拼接模块时，经线延伸方向为X轴，纬线延伸方向为Y轴。所述的球幕散射屏即由二向散射特性的平面散射屏幕拼接而成，该二向平面散射屏在YO’Z平面内对称小角度散射，在XO’Z面内对称大角度散射，实现了对入射光线的二向散射，使得观察者在观察区域内观察区域内观察到具有双目视差、细腻的三维场景。

如图8所示，一种基于光场拼接的球形沉浸式三维显示装置，球幕散射屏散射入射光以后的光场拼接示意图。最小的虚线矩形单元表示投影仪经过球幕二向散射屏以后的光场范围，窄边表示沿纬线方向小角度散射后的光场范围，宽边表示沿经度方向大角度散射后的光场范围，投影仪错位布置使得各子光场错位拼接，横向实现光场的均匀性。多子光场拼接后，在散射屏观察区域一侧形成了悬浮的三维场景。

Claims (10)

1.一种基于光场拼接的球形沉浸式三维显示***，其特征在于，包括：投影仪阵列、球幕散射屏、以及图像生成和控制模块； 

所述的球幕散射屏用于显示立体三维场景，球幕散射屏内为观察区域； 

所述的图像生成和控制模块根据平面二维坐标与空间球坐标系的映射关系，将需要三维显示的场景从二维坐标系解析到球坐标系内，得到一系列沿球半径指向球心方向投影的图像元；然后将图像元编码压包、传输、解压后分配给投影仪阵列中的每一台投影仪； 

所述的投影仪阵列围绕球幕散射屏外周设置，其投影范围能覆盖整个球幕散射屏，每台投影仪光轴均指向球幕散射屏球心；同时投影仪阵列将接收的图像元投影到球幕散射屏上，光线经过二向散射后，位于球幕内的观察者便可观察到具有双目视差的细腻的立体三维场景。 

2.根据权利要求1所述的基于光场拼接的球形沉浸式三维显示***，其特征在于，所述的投影仪阵列为N层环形阵列，N层环形阵列沿球幕散射屏同一中轴线轴向布置，各层以180o/N的等纬度差间隔均匀分布，且每台投影仪距离球幕散射屏距离相等；其中N为自然数，且： 

(球幕伞射屏的周长/单台投影仪投影画面纵向尺寸）。 

3.根据权利要求2所述的基于光场拼接的球形沉浸式三维显示***，其特征在于，所述的N层环形阵列中，最上面一层投影仪位于纬度 

，最下面一层投影仪位于纬度

4.根据权利要求1所述的基于光场拼接的球形沉浸式三维显示***，其特征在于，所述的球幕散射屏是透射式的定向散射屏，对入射光沿球面经线延伸方向大角度散射，沿纬线延伸方向小角度散射。 

5.根据权利要求1所述的基于光场拼接的球形沉浸式三维显示***，其特征在于，所述的球幕定向散射屏若干子定向散射屏进行球形拼接而成。 

6.根据权利要求5所述的基于光场拼接的球形沉浸式三维显示***，其特征在于，所述的子定向散射屏的边缘为对称结构，由两个对称的圆弧组成。 

7.根据权利要求5所述的基于光场拼接的球形沉浸式三维显示***，其特征在于，所述的子定向散射屏为正五边形、正六边形中的一种或者两种的混合。 

8.根据权利要求1所述的基于光场拼接的球形沉浸式三维显示***，其特征在于，所述的图像生成和控制模块由计算机、以及与其相连的图像分屏控制模块，所述图像分屏控制模块由呈辐射状多级连接的图像分屏器组成；所述的计算机将三维显示的场景解析成一系列沿球幕散射屏半径指向球心方向投影的所需的球坐标系内的图像元，经过多级图像分屏器后，分配成与投影仪数量匹配的子图像元，最后将子图像元输给每一台投影仪。 

9.根据权利要求1所述的所述的基于光场拼接的球形沉浸式三维显示***，其特征在于，所述的图像生成和控制模块同时对每一台投影仪投影的图像的刷新进行同步控制，保证动态视频显示过程中图像的同步刷新。 

10.一种基于光场拼接的球形沉浸式三维显示方法，其特征在于，包括： 

（1）按照平面二维坐标与空间球坐标系的映射关系，将需要三维显示的场景从二维坐标系解析到球坐标系内，得到一系列沿球半径指向球心方向投影的图像元； 

（2）根据每一个图像元的格式和特点，对图像元编码压包； 

（3）通过图像分屏控制模块将编码压包后的图像元传输、解压后分配给每一台投影仪； 

（4）投影仪将接收的图像元投影到球幕散射屏上，光线经过二向散射后，位于球幕内的观察者便可观察到具有双目视差的细腻的立体三维场景。 

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