CN105044912A - 一种3d旁轴虚像显示*** - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种3D旁轴虚像显示***，属于飞行仿真模拟器虚像显示技术领域。该显示***包括：场景生成模块、融合投影模块以及显示模块；场景生成模块用于根据左眼和右眼的位置，实时生成左眼画面2D视频信号和右眼画面2D视频信号；融合投影模块用于对左眼画面2D视频信号和右眼画面2D视频信号进行校正融合，并将2D视频信号相应的3D视频信号，再将左眼画面和右眼画面投射到显示模块；显示模块包括3D投影屏、球面反射镜以及3D眼镜，3D眼镜为偏光式3D眼镜。在该***中，当场景中出现远处目标时，通过虚像显示***较大的等效成像距离保证远处目标逼真的深度感；当场景中出现近处目标时，3D显示技术解决近端成像比例失真问题。

Description

一种3D旁轴虚像显示***
技术领域
本发明涉及飞行仿真模拟器虚像显示技术领域，特别涉及一种3D旁轴虚像显示***。
背景技术
旁轴虚像显示***是目前是飞行仿真模拟器常用的显示***，特别适用于左右双座驾驶舱飞行仿真模拟器。目前的旁轴虚像显示***主要包括图形工作站、投影机、投影屏以及球面反射镜。其中投影屏为背投式投影屏，投影屏距离球面反射镜的距离小于球面反射镜的一倍焦距。该***示意图如图1所示，图形工作站生成模拟场景的画面并将相应的视频信号传送给投影机，投影机将图像投射到投影屏上并在投影屏外凸的表面上呈实像，投影屏上所呈的像再投射到球面反射镜内凹的表面，在球面反射镜内凹的表面上呈正立放大的虚像。旁轴虚像显示***具有景深好、立体感强、亮度高、对比度好以及成像分别率高等优点，而且模拟起飞和着陆时左右飞行员视差小，便于机组协同。目前的旁轴虚像显示***的等效成像距离在10米以上，因此当球面反射镜上呈现的场景中有距离较近的目标时，例如模拟受油机与加油机密集编队时的场景，所呈现的画面比例失真。
在实现本发明的过程中，本发明人发现现有技术中至少存在以下问题：现有的旁轴虚像显示***不能满足距离较近的目标的模拟要求。
发明内容
为了解决上述的技术问题，本发明提供一种能够满足近距离目标模拟要求的3D旁轴虚像显示***。
具体而言，包括以下的技术方案：
一种3D旁轴虚像显示***，该3D旁轴虚像显示***包括：场景生成模块、融合投影模块以及显示模块；
所述场景生成模块用于根据左眼和右眼的位置，实时生成左眼画面2D视频信号和右眼画面2D视频信号；
所述融合投影模块用于对所述左眼画面2D视频信号和右眼画面2D视频信号进行校正融合，并将所述左眼画面2D视频信号和右眼画面2D视频信号转换为相应的左眼画面3D视频信号和右眼画面3D视频信号，然后将所述左眼画面3D视频信号和右眼画面3D视频信号生成相应的左眼画面和右眼画面，再将所述左眼画面和右眼画面投射到所述显示模块；
所述显示模块包括3D投影屏、球面反射镜以及3D眼镜，所述3D投影屏为背投式投影屏，所述3D投影屏与所述球面反射镜之间的距离小于所述球面反射镜的一倍焦距；所述3D眼镜为偏光式3D眼镜。
具体地，所述场景生成模块包括头位跟踪设备以及成像计算机；所述头位跟踪设备用于采集人体头部位置数据；所述成像计算机为双输出成像计算机，用于根据飞机姿态数据和所述人体头部位置数据确定左眼和右眼的位置，并根据所述左眼和右眼的位置实时生成所述左眼画面2D视频信号和右眼画面2D视频信号。
具体地，所述融合投影模块包括校正融合机、2D-3D信号转换器以及3D投影机；所述校正融合机为双卡式校正融合机，用于分别对所述左眼画面2D视频信号和右眼画面2D视频信号进行校正融合；所述2D-3D信号转换器用于将所述左眼画面2D视频信号和右眼画面2D视频信号转换为相应的左眼画面3D视频信号和右眼画面3D视频信号；所述3D投影机用于接收所述左眼画面3D视频信号和右眼画面3D视频信号，并将所述左眼画面3D视频信号和右眼画面3D视频信号生成相应的左眼画面和右眼画面，再将所述左眼画面和右眼画面投射到所述显示模块。
优选地，所述3D投影机为单镜头3D投影机，所述3D投影机采用的光源为激光光源。
具体地，所述3D投影屏的形状为球面形或者轮胎面形。
优选地，所述3D投影屏的材质为表面设置有光学散射层的有机玻璃板。
优选地，所述光学散射层为软幕布或者3D投影漆。
优选地，所述球面反射镜的反射介质为聚酯薄膜、镀有金属膜的硅玻璃板或者镀有金属膜的有机玻璃板。
本发明实施例提供的技术方案的有益效果：
本发明实施例将3D立体显示技术与旁轴虚像显示技术相结合，得到了一种3D旁轴虚像显示***。该3D旁轴虚像显示***结合了3D立体显示技术与旁轴虚像显示技术各自的优势。当场景中出现远处目标时，通过虚像显示***较大的等效成像距离保证远处目标逼真的深度感；当场景中出现近处目标时，3D显示技术的出屏能力有效解决近端成像比例失真问题，能够满足近处目标，例如模拟超密集编队和空中受油的成像距离要求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有的旁轴虚像显示***的示意图；
图2为本发明实施例提供的3D旁轴虚像显示***的示意图；
图3为单镜头3D投影机的原理示意图；
图4为球面形3D投影屏的示意图；
图5为轮胎面形3D投影屏的示意图。
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
本发明实施例提供一种3D旁轴虚像显示***，参见图2，该3D旁轴虚像显示***包括：场景生成模块、融合投影模块以及显示模块；
所述场景生成模块用于根据左眼和右眼的位置，实时生成左眼画面2D视频信号和右眼画面2D视频信号；
所述融合投影模块用于对所述左眼画面2D视频信号和右眼画面2D视频信号进行校正融合，并将所述左眼画面2D视频信号和右眼画面2D视频信号转换为相应的左眼画面3D视频信号和右眼画面3D视频信号，然后将所述左眼画面3D视频信号和右眼画面3D视频信号生成相应的左眼画面和右眼画面，再将所述左眼画面和右眼画面投射到所述显示模块；
所述显示模块包括3D投影屏、球面反射镜以及3D眼镜，所述3D投影屏为背投式投影屏，所述3D投影屏与所述球面反射镜之间的距离小于所述球面反射镜的一倍焦距；所述3D眼镜为偏光式3D眼镜。
人类通过右眼和左眼所看到的物体的细微差异来感知物体的深度，从而识别出立体图像，这种差异被称为视差。3D(三维，ThreeDimensional)立体显示技术就是基于双眼视差原理设计的。3D立体显示技术是通过人为的手段来制造人的左、右眼的视差，给左、右眼分别送去有视差的两幅图像，大脑在获取了左右眼看到的不同图像之后，产生观察真实三维物体的感觉。3D立体显示技术的特点是：相对投影面距离近的虚拟场景内容真实感比相对投影面距离远的真实感更强，即出屏画面效果好，而较远距离的画面内容与普通2D(二维，TwoDimensional)显示技术相近。3D立体显示技术分为主动3D立体显示技术和被动3D立体显示技术。其中，被动3D立体显示技术也称为偏光3D显示技术，是根据光的偏振性能来实现3D显示。被动3D立体显示无闪烁、长时间使用不会引起视力疲劳，被动3D立体显示所用的偏光式3D眼镜成本低。
基于上述被动3D立体显示技术的特点，本发明实施例将被动3D立体显示技术应用到旁轴虚像显示***中，将被动3D立体显示技术与旁轴虚像显示技术各自的优势结合起来，得到了一种3D旁轴虚像显示***。该3D旁轴虚像显示***的工作原理为：场景生成模块根据左眼和右眼的位置，实时生成左眼画面2D视频信号和右眼画面2D视频信号；由于飞行模拟场景较大，通常需要多幅画面进行拼接，因此场景生成模块通常生成多个通道的画面(例如3通道)，为了使各个通道生成的画面连续，融合投影模块对左眼画面2D视频信号和右眼画面2D视频信号进行校正融合，并将左眼画面2D视频信号和右眼画面2D视频信号转换为符合HDMI(高清晰度多媒体接口，HighDefinitionMultimediaInterface)规范的左眼画面3D视频信号和右眼画面3D视频信号，再将左眼画面和右眼画面投射到3D投影屏，在3D投影屏上呈实像，所成实像作为球面反射镜的物像，最终在球面反射镜呈正立放大的虚像，飞行员佩戴3D眼睛观看球面反射镜上所成的虚像。当场景中出现远处目标时，通过虚像显示***较大的等效成像距离保证远处目标逼真的深度感；当场景中出现近处目标时，3D显示技术的出屏能力有效解决近端成像比例失真问题，能够满足近处目标，例如模拟超密集编队和空中受油的成像距离要求。
在上述的3D旁轴虚像显示***中，场景生成模块包括头位跟踪设备以及成像计算机。当飞行员利用真实座舱的某些特征物(例如受油管)与虚拟场景内的目标(加油管伞套或加油机机身标志线等)作为相对关系的参照物时，由于观察距离较近，头位变化时观察到的细节变化也很显著，因此需要利用头位跟踪设备解决头位变化引起画面的附加实时变化的问题。头位跟踪设备上设置有传感器，传感器检测飞行员头部位置并将采集的头部位置数据传送给成像计算机。成像计算机为双输出成像计算机，即将左、右眼画面2D视频信号分别输出，以保证后续的3D显示效果。成像计算机将飞机姿态数据和人体头部位置数据叠加，形成实际的成像眼点参数，在成像眼点参数的基础上通过左右偏移确定左眼和右眼的位置，再根据教员台的设置生成左眼画面2D视频信号和右眼画面2D视频信号。例如根据教员台设置生成加油机实时位置姿态，按照加油伞套的空气动力学模拟计算伞套的相对运动，分别生成该时刻左右眼场景画面。
在上述的3D旁轴虚像显示***中，融合投影模块包括校正融合机、2D-3D信号转换器以及3D投影机；校正融合机为双卡式校正融合机，分别对应双输出成像计算机的左右眼画面，每个卡的校正融合机制与传统校正融合机相同，只需要调定左右画面中任意一个的校正融合参数，另一画面完全克隆即可。2D-3D信号转换器将左眼画面2D视频信号和右眼画面2D视频信号转换为符合HDMI规范的左眼画面3D视频信号和右眼画面3D视频信号。3D投影机接收左眼画面3D视频信号和右眼画面3D视频信号后并将左眼画面和右眼画面投射到3D投影屏上。
在上述的3D旁轴虚像显示***中，3D投影机可以采用现有被动3D立体显示中常用的3D投影机。由于3D立体显示是根据双眼视差原理设计的，因此通常需要两台投影机分别投射左右眼画面，两台投影机的配置方式比较复杂。因此，3D投影机优选单镜头3D投影机。单镜头3D投影机采用“钻石4倍频光路”技术(光路图如图3所示)，将左右眼画面在投影机内部合为一个光路，通过一个共同的镜头投出。采用单镜头3D投影机在保留被动3D立体投影优势的前提下，避免了对双投影机进行配置，避免了画面对准的问题；左右眼画面投射光路重合，融合校正参数复制即可，不增加调试工作量除了降低成本；使用过程中亮度同步变化；同时减少维护。该单镜头3D投影机采用激光光源，其工作原理示意图如图3所示。激光显示***主要由三基色激光光源、光学引擎和光学投影***三部分组成。光学引擎则主要由红绿蓝三色光阀、合束X棱镜、光阀驱动组成，光阀驱动加有图像调制信号，使光阀上分别生成红、绿、蓝三色对应的小画面，然后分别引入三色激光照明，通过投影***投影到屏幕上，即产生全色显示图像。充当光阀的微型显示芯片有LCD(液晶显示器，LiquidCrystalDisplay)，LCOS(硅基液晶，LiquidCrystalonSilicon)，DLP(数字光处理，DigitalLightProcession)电路板，GLV(光栅光阀，GratingLightValve)等。激光光源寿命长，20000小时无衰减；光源与光机独立，维修不破坏光路。
在上述的3D旁轴虚像显示***中，3D眼镜可以在现有飞行员在实际飞行过程中所佩戴的飞行眼镜的基础上进行改进，使其满足偏光式3D眼镜的要求，使模拟训练更贴近实际。
在上述的3D旁轴虚像显示***中，3D投影屏的形状可以为球面形(如图4所示)或者轮胎面形(如图5所示)。其中，球面是圆绕着其直径旋转所成的面，轮胎面是圆绕着非直径的旋转轴旋转形成的面，类似汽车轮胎的表面，也称为圆环面或者双曲面。投影屏的材质为表面设置有光学散射层的有机玻璃板。首先通过热弯工艺将有机玻璃板加工成球面或者轮胎面的形状，再在成型后的有机玻璃板外凸的表面上涂覆(或者铺设)光学散射层。对于3D旁轴虚像显示***来说，投影屏表面的光学散射层应当使3D投影机在背投屏上呈现的画面仍然能够保持偏振特性，为眼点处左右眼画面隔离创造必要条件。因此光学散射层可以为软幕布或者3D投影漆。其中3D投影漆的型号可以为ChromaFluxSilver3DCoatScreen。软幕布的铺设工艺和3D投影漆的涂覆工艺本发明实施例不做特殊限定，本领域常规技术手段均可。软幕布的铺设工艺可以为在软幕布四周系上绳子，再一起拉拽到投影屏上，然后调节各个绳子上的受力情况，使软幕布严密均匀的铺设在投影屏上。3D投影漆的喷涂工艺可以为首先在清洁的投影屏表面喷砂然后再喷涂3D投影漆。
在上述的3D旁轴虚像显示***中，球面反射镜所用的反射介质可以采用现有的聚酯薄膜或者镀有金属膜的硅玻璃板。聚酯薄膜球面反射镜的加工工艺为：将聚酯薄膜张贴在的镜座边框上，再通过真空吸附的方法使其张紧到光学***所需要的形状；通过预埋螺栓和边条，保证聚酯薄膜成型后各形状参数指标均在容差范围以内，没有肉眼可见的疵点、缺陷和阶跃点。镜座上留有抽气接口和传感器安装接口，安装在镜座外的控制***通过传感器随时监控镜座空腔内空气负压，驱动真空泵工作维持空气负压力，保证反射膜的工作面形。上述的镜座可以采用重量轻、强度高的材料加工，以满足飞行仿真模拟器工作需求。例如可以采用纤维增强环氧树脂基复合材料并填充蜂窝的形式，按照由外到内2层碳纤维布、1层短切毡(即玻璃纤维原丝短切毡)、厚度为15mm的铝制或者塑料蜂窝以及2层玻璃纤维布的顺序通过模具袋压法成型，但是由于聚酯薄膜受成膜工艺的影响，聚酯薄膜的尺寸仅限于特定的尺寸，不能满足较大显示视场的要求。镀有金属膜的硅玻璃球面反射镜的加工工艺为：首先将一定厚度(如10mm)的硅玻璃板材高温软化，利用模具热弯成型，然后用纤维增强环氧树脂基复合材料将成型的硅玻璃板材与铸铝基座进行粘接，用磨镜机对硅玻璃板的内凹表面进行研磨使其表面粗糙度达到要求，再在处理后的硅玻璃板内表面镀金属膜。由于硅玻璃板可以通过拼接的方法来扩展尺寸，因此采用硅玻璃板作为球面反射镜的反射介质能够满足较大显示视场的要求，但是硅玻璃板的重量较重。由于上述的反射介质都存在一些不足，因此可以采用镀有金属膜的有机玻璃板作为球面反射镜的反射介质。有机玻璃球面反射镜的加工工艺为：首先将一侧表面镀有金属膜的有机玻璃板放置在模具表面，将有机玻璃板与模具加热至90～120℃后，向有机玻璃板施加压力使有机玻璃板贴合在模具表面；再经冷却、脱除模具后得到有机玻璃球面镜片；再通过真空吸附的方法使所得有机玻璃球面镜片贴合在镜座表面。采用表面镀有金属膜的有机玻璃板作为球面反射镜的反射介质不仅能够满足较大显示视场的要求，而且强度高、重量轻。
在上述的3D旁轴虚像显示***中，球面反射镜的尺寸、3D投影屏的尺寸以及球面反射镜和3D投影屏之间具体的位置关系都没有严格限定，可以通过调整上述参数来调整所得3D旁轴虚像显示***的水平视场以及垂直视场的大小。
综上，本发明实施例通过结合被动3D立体显示技术与旁轴虚像显示技术的优势，得到了一种3D旁轴虚像显示***，有效解决了近端成像比例失真问题。所得3D旁轴虚像显示***的技术指标如下：
水平视场角，180°～220°；
垂直视场角，40°～60°；
亮度，≮6英尺朗伯；
对比度，≮10:1；
物理成像距离，≮8500mm；
虚拟成像距离，1.5m-30km。
以上所述仅是为了便于本领域的技术人员理解本发明的技术方案，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种3D旁轴虚像显示***，其特征在于，所述3D旁轴虚像显示***包括：场景生成模块、融合投影模块以及显示模块；
所述场景生成模块用于根据左眼和右眼的位置，实时生成左眼画面2D视频信号和右眼画面2D视频信号；
所述融合投影模块用于对所述左眼画面2D视频信号和右眼画面2D视频信号进行校正融合，并将所述左眼画面2D视频信号和右眼画面2D视频信号转换为相应的左眼画面3D视频信号和右眼画面3D视频信号，然后将所述左眼画面3D视频信号和右眼画面3D视频信号生成相应的左眼画面和右眼画面，再将所述左眼画面和右眼画面投射到所述显示模块；
所述显示模块包括3D投影屏、球面反射镜以及3D眼镜，所述3D投影屏为背投式投影屏，所述3D投影屏与所述球面反射镜之间的距离小于所述球面反射镜的一倍焦距；所述3D眼镜为偏光式3D眼镜。
2.根据权利要求1所述的3D旁轴虚像显示***，其特征在于，所述场景生成模块包括头位跟踪设备以及成像计算机；
所述头位跟踪设备用于采集人体头部位置数据；
所述成像计算机为双输出成像计算机，用于根据飞机姿态数据和所述人体头部位置数据确定左眼和右眼的位置，并根据所述左眼和右眼的位置实时生成所述左眼画面2D视频信号和右眼画面2D视频信号。
3.根据权利要求1所述的3D旁轴虚像显示***，其特征在于，所述融合投影模块包括校正融合机、2D-3D信号转换器以及3D投影机；
所述校正融合机为双卡式校正融合机，用于分别对所述左眼画面2D视频信号和右眼画面2D视频信号进行校正融合；
所述2D-3D信号转换器用于将所述左眼画面2D视频信号和右眼画面2D视频信号转换为相应的左眼画面3D视频信号和右眼画面3D视频信号；
所述3D投影机用于接收所述左眼画面3D视频信号和右眼画面3D视频信号，并将所述左眼画面3D视频信号和右眼画面3D视频信号生成相应的左眼画面和右眼画面，再将所述左眼画面和右眼画面投射到所述显示模块。
4.根据权利要求3所述的3D旁轴虚像显示***，其特征在于，所述3D投影机为单镜头3D投影机，所述3D投影机采用的光源为激光光源。
5.根据权利要求1所述的3D旁轴虚像显示***，其特征在于，所述3D投影屏的形状为球面形或者轮胎面形。
6.根据权利要求1所述的3D旁轴虚像显示***，其特征在于，所述3D投影屏的材质为表面设置有光学散射层的有机玻璃板。
7.根据权利要求6所述的3D旁轴虚像显示***，其特征在于，所述光学散射层为软幕布或者3D投影漆。
8.根据权利要求1所述的3D旁轴虚像显示***，其特征在于，所述球面反射镜的反射介质为聚酯薄膜、镀有金属膜的硅玻璃板或者镀有金属膜的有机玻璃板。
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