CN106526878B - 多维度自由立体显示装置 - Google Patents

Abstract

多维度自由立体显示装置，包括显示装置、多维度位置探测模块、瞳孔随动调整模块、智能光学模组，瞳孔随动调整模块包括平面调整机构和光线调制器；以显示装置平面作为空间三维的坐标基准，设有多维度位置探测模块，获得观看者的空间三维位置，中央处理单元根据观看者的空间三维位置实时控制瞳孔随动调整模块，智能光学模组发出的光线经过光线调制器汇聚成左右观看窗口，平面调整机构位于智能光学模组和光线调制器之间用于调节光线调制器与智能光学模组之间的距离，实现在不同的距离形成左右观看窗口，即左右观看窗口在特定距离实现汇聚，并实时跟随观众左右瞳孔。

Description

多维度自由立体显示装置

一、技术领域

本发明涉及信息显示技术领域，是一种多维度自由立体显示装置。

二、背景技术

双眼视物时，主观上可产生被视物体的厚度以及空间的深度或者距离等感觉，称为立体视觉。同一被视物体在两眼视网膜上的像并不完全相同，左眼从左方看到物体的左侧面较多，而右眼从右方看到物体的右侧面较多，来自两眼的图像信息经过视觉高级中枢处理以后，产生一个有立体感的物体形象。然而，在单眼视物的时候，有时也能产生一定程度的立体感觉，这主要是通过调节和单眼运动而获得，而这种立体感觉的产生和生活经验、物体表面的阴影、前后遮挡等有关。但是，良好的立体视觉只有在双眼同时观察室才有可能。3D感知在人的信息获取中，占有极其重要地位，吸引了科学、工程和企业界相当大的关注，并且各种不同的3D显示方法都得到研究。大多数的3D显示至少都可以划归于三大类中的某一类：双眼立体(Stereosis)、空间体(Volumetric)或全息术(Holography)显示。在双眼立体显示中，离散的2D图像被分别呈送给观察者的左右眼；在空间体显示中，图像被显示在一个3D的空间内；而在全息术中，图像由波阵面重构并为观察者提供一个完全舒适和逼真的体验。双眼立体又可以分为辅助立体和自由立体。辅助立体需要佩戴相应的辅助设备，限制了其应用，而自由立体不需要佩戴其他设备，观看方式灵活。因此或得了很大的发展。

辅助立体技术相对成熟，主要特征为佩戴眼镜、头盔等设备。主要原理始保证左右图像分别进入观看者的左右眼，在人脑的视觉中枢合成立体图像。具体实现方式有偏振眼镜，主动快门式眼镜，互补色眼镜等。

辅助立体需要佩戴一定的设备观看立体效果。通过辅助设备，使具有一定视差的左右图进入观看者的左右眼。常见有色差方法、偏光方法和快门方法。

对于已经是近视的朋友来说，再戴一副3D眼镜真的非常痛苦，而最理想的解决方式为裸眼3D，又可成为自由立体。目前主流的裸眼3D技术手段有：狭缝式光栅、柱状棱镜、指向光源、多层显示。狭缝光栅的原理是在屏幕前加了一个狭缝式光栅之后，应该由左眼看到的图像显示在液晶屏上时，不透明的条纹会遮挡右眼；同理，应该由右眼看到的图像显示在液晶屏上时，不透明的条纹会遮挡左眼，通过将左眼和右眼的可视画面分开，使观者看到3D影像。柱状棱镜的原理是通过透镜的折射原理，将左右眼对应的像素点分别投射在左右眼中，实现图像分离。对比狭缝光栅技术最大的优点是透镜不会遮挡光线，所以亮度有了很大改善，指向光源的原理是精确控制两组屏幕分别向左右眼投射图像。多层显示的原理是采用两块液晶显示器进行立体图像显示。这种技术的好处是不会让观众产生观看的不良反应，如恶心，眩晕等。同时这种技术还突破了视野以及角度的限制，使得观看场所可以进一步的扩大。

但是，目前的裸眼立体显示器都必须在距离立体显示器适当的位置才可以看到很好的效果，超过了观看范围就会有重影现象，因此限制了观看者的体验范围。尽管很多设备采用了人眼跟踪装置增强立体感，减少串影，但是区域仍然限制在与立体显示器平行的一定范围内。

光屏障式3D显示技术是由夏普公司欧洲研发部的几位工程师共同研发出来的新型显示技术，该技术是通过在LCD液晶面板和内部发光器件之间增设偏振模和高分子层，当图像通过液晶面板显示在观众面前时，偏振模可以将左右眼接受的画面区分开来，从而在观众大脑中形成立体的显示画面。这种技术是将偏振模和高分子层集成在了显示器的内部，在一定程度上控制了成本。但是在图像的显示方面难以提高亮度，同时难以达到高清显示效果。因此也不算是一种成熟的裸眼3D显示技术。在实施过程中，将光屏障倾斜放置来平衡立体图像分辨率在水平和竖直方向的损失，并同时减小莫尔条纹的影响.但是，却因此造成了相邻视点图像间的串扰。串扰的存在降低了立体图像质量，且易引起观看者的视觉疲劳。

柱状透镜式顾名思义就是要使用到柱状的透镜。在液晶显示屏幕前加装一排柱状的透镜，这样图像就会呈现在透镜的焦平面上。从而将图像中的各个像素点通过透镜呈现在人的两个眼睛中，一旦像素点的光通过不同的角度进入左右眼后，人就会在大脑中将双眼所接收到的图像进行叠加形成3D图像。柱状透镜式3D显示技术与其他的显示技术相比，主要优势就是在于能够达到图像的亮度要求，但是图像毕竟是通过了一层透镜呈现在观众眼前，所以在图像的分辨率上很难有更大的突破。而且在液晶屏幕前加装透镜需要更大的制造成本，后期维护成本也很高，不利于推广使用。

美国的Pure Depth公司研究开发出来的多层显示技术(MLD-Multi LayerDisplay)就是一种裸眼3D显示技术，这种技术的好处是不会让观众产生观看的不良反应，如恶心，眩晕等。同时这种技术还突破了视野以及角度的限制，使得观看场所可以进一步的扩大，但是存在视差不宜控制的问题。

方向性光源3D技术在显示原理上和上述显示技术基本类似，不同的是该技术在呈现3D画面时需要两块背景光源。在观众的左右眼同时接收画面时，处在不同方向上的背景光源依次交替点亮，透过3M反射膜交替在观众面前呈现左右眼画面。由于人眼具有一定的视觉暂停时间，所以交替出现的画面就能够在人脑中形成3D画面。该技术需要辅助人眼跟踪，同时为了获得很好的立体效果，需要严格控制光源尺寸，因此显示器亮度普遍不高。具体可参考中国专利：平板化无辅助立体显示装置及方法-103605211A。

而本发明提供采用空间光调制器的无辅助立体显示装置，克服了传统立体显示器的缺点。本发明的凸出特点为可在多个距离观看、串扰率低、平面立体兼容、便携、可用于各尺寸显示器。

三、发明内容

本发明目的是，提出一种多维度无辅助立体显示装置，克服了裸眼立体显示中观看位置固定的弊端，观看者不仅可以在与显示器水平的位置移动，同时可以靠近或者远离显示器，实现了三个维度的自由移动。

本发明通过以下技术方案实现，多维度自由立体显示装置，显示装置、多维度位置探测模块、瞳孔随动调整模块、智能光学模组，瞳孔随动调整模块包括平面调整机构和光线调制器，以显示装置平面作为空间三维的坐标基准，设有多维度位置探测模块，获得观看者的空间三维位置，中央处理单元根据观看者的空间三维位置实时控制瞳孔随动调整模块，智能光学模组发出的光线经过光线调制器汇聚成左右观看窗口，平面调整机构位于智能光学模组和光线调制器之间用于调节光线调制器与智能光学模组之间的距离，实现在不同的距离形成左右观看窗口，即左右观看窗口在特定距离实现汇聚，并实时跟随观众左右瞳孔。观众的左右瞳孔分别接收到带有一定视差的左右视图，在人脑视觉中枢形成立体画面。

进一步，本发明方案采用智能光学模组为光线调制器提供光源。中央处理单元实时检测播放内容，当播放内容为平面内容时，智能光学模组发出平面显示需要的光线，当播放内容为立体内容时，智能光学模组发出立体显示所需要的光线。通过实时检测播放内容并改变智能光学模块的方式，实现平面立体兼容的功能。

本发明方案采用多维度位置探测模块，实现观众的高精度三维定位。该模块实时检测观众的空间位置信息。以显示装置为基准建立坐标系，x轴y轴平面为显示平面，z轴为显示装置指向观众的方向。当观众在z轴方向变化，即靠近或者远离显示装置时，中央处理单元根据观众在z轴的距离变化，控制瞳孔随动调整模块使光线汇聚在z轴特定的距离。当观众在z轴的特定距离，且在x轴y轴方向发生位置移动时，中央处理单元根据在x轴y轴的位置变化，控制在当前距离汇聚的左右观看窗口汇聚到观众左右瞳孔，并随观众左右瞳孔移动。

瞳孔随动调整模块采用平面调整机构，平面调整机构通过实时改变智能光学模组和光线调制器之间的距离s，实现左右观看窗口在不同的位置实现汇聚；多维度位置探测模块实时检测观众位置，中央处理单元根据位置变化实时调整瞳孔随动调整模块，实现左右观看窗口在不同位置汇聚。光线调制器最小单元长度t，视点间距q；

本发明方案采用瞳孔随动调整模块实现左右观看窗口随观众左右瞳孔实时随动。多维度位置探测模块在检测到观众的三维位置发生变化以后，中央处理单元实时控制平面调整机构和光线调制器做出相应的调整。当观众在z轴的距离发生变化以后，平面调整机构改变光线调制器和智能光学模块之间的距离，使光线在特定的距离实现汇聚形成左右观看窗口。当观众在z轴的特定距离，且在x轴y轴方向发生位置移动时，光线调制器会根据观众的位置变化切换光线调制模式，使在该距离汇聚的左右观看窗口在观众左右瞳孔汇聚，并实时跟随左右瞳孔移动。光线调制器模式M，调节距离N，观众x,y,z空间位置，可以得到以下闭环控制***。

(M,N)＝F(x,y,z)

该方案采用平面调整机构实现光线汇聚距离的调整。光线调制器和智能光学模组需要在静止或者移动过程中保持相对平行，且在移动过程中相应速度要迅速。观众在z轴的距离发生变化以后，左右观看窗口的汇聚位置需要在z轴方向实时跟随观众左右瞳孔，在此过程中，平面调整机构根据多维度位置探测模块发出的实时位置信息，迅速调整光线调制器和智能光学模组之间的距离，实现左右观看窗口在z轴方向随左右瞳孔移动。

多维度自由立体显示方法，基于显示装置、多维度位置探测模块、瞳孔随动调整模块、智能光学模组，瞳孔随动调整模块包括平面调整机构和光线调制器，以显示装置平面作为空间三维的坐标基准，设有多维度位置探测模块，获得观看者的空间三维位置，中央处理单元根据观看者的空间三维位置实时控制瞳孔随动调整模块，智能光学模组发出的光线经过光线调制器汇聚成左右观看窗口，平面调整机构位于智能光学模组和光线调制器之间用于调节光线调制器与智能光学模组之间的距离，实现在不同的距离形成左右观看窗口，即左右观看窗口在特定距离实现汇聚，并实时跟随观众左右瞳孔。观众的左右瞳孔分别接收到带有一定视差的左右视图，在人脑视觉中枢形成立体画面。观看者多维度位置探测模块实时检测观看者与装置之间的距离，并实现高精度的瞳孔追踪，调节瞳孔随动调整模块实现左右观看窗口在观看者左右瞳孔实现汇聚，将左右视图分别投射到左右瞳孔；控制引擎通过位置信息和距离信息调整装置，实现左右观察窗口随左右瞳孔移动，保证左右视图分别进入到观看者的左右瞳孔；在观看者与装置之间发生距离变化以后，瞳孔随动调整模块的控制引擎发出指令控制平面调整机构，改变光线调制器和智能背光之间的距离，实现左右观看窗口在不同的距离实现汇聚；

智能背光2控制引擎可根据显示内容的不同控制智能背光提供不同的光源，在立体模式下发出狭缝光，在平面模式下发出漫射光。观看者空间位置探测模块可实时检测观看者与装置之间的距离，并实现高精度的瞳孔追踪。控制引擎通过位置信息和距离信息调整装置，实现左右观察窗口随左右瞳孔移动，保证左右视图分别进入到观看者的左右瞳孔。

光线调制器采用光栅实现分光原理，前置和后置光栅原理相同。

光线调制器是采用空间光调制器，实现左右观看窗口跟随观看者左右瞳孔。狭缝光照射到空间光调制器以后，会在特定位置形成左右观看窗口。在此观看窗口范围的观看者可以看到两幅具有视差的图像，在大脑的视觉中枢合成立体场景。观看者位置变化以后，观看者空间位置探测模块及时追踪到瞳孔位置变化，并将位置信息传递给控制引擎。空间光调制器，根据控制引擎的相应指令改变光线调制模式，将左右观看窗口汇聚到移动后的左右瞳孔位置。此过程动态响应，实时性高，完全避免了切换过程中的抖动问题。控制引擎通过位置信息和距离信息调整装置，实现左右观察窗口随左右瞳孔移动，保证左右视图分别进入到观看者的左右瞳孔。观看者在不同的位置进行观看时，空间光调制器控制引擎通过调节空间光调制器进行模式切换，实现左右观看窗口在观看者左右瞳孔实现汇聚，将左右视图分别投射到左右瞳孔。空间光调制器控制引擎可根据显示内容的不同控制智能背光提供不同的光源，在立体模式下发出狭缝光，在平面模式下发出漫射光。通过这种方式，实现平面立体的兼容，装置紧凑，实用性强。

本发明的有益效果：与现有技术相比，其显著优点是：

1、采用瞳孔随动调整模块，实现左右观看窗口在任意位置实现汇聚，并可实时跟随左右瞳孔移动；

2、采用智能光学模组，可在不同模式下提供针对性背光；

3、采用多维度位置探测模块，以显示装置为基准，精准的探测观众的三维数据；

4、采用光线调制器，可根据观众的位置不同切换不同的调制模式；

5、结构紧凑、轻巧，实用性强；

四附图说明

图1为一个实施实例的整体结构图；

图2为任意位置观看示意图；

图3为四视点前置光栅示意图；

图4为四视点出瞳交错排列示意图；

图5为***整体原理框图。

五具体实施方式

图中，智能光学模组1、平面调整机构2、光线调制器3、位置A(x1,y1,z1)，位置B(x2,y2,z2)，光线调制器最小单元长度t，光线调制器与光栅间距s，光栅与观看位置间距l，光栅透光部分宽度a，光栅遮光部分宽度b，视点间距q，view1表示视点1，view2表示视点2，view3表示视点3，view4表示视点4。

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，本发明的基本思想是以显示装置作为坐标基准，多维度位置探测模块获得观众的空间三维位置，中央处理单元根据观看者的空间三维位置实时控制瞳孔随动调整模块，智能光学模组发出的光线经过光线调制器汇聚成左右观看窗口，并实时跟随观众左右瞳孔。观众的左右瞳孔分别接收到带有一定视差的左右视图，在人脑视觉中枢形成立体画面，如图1。有必要在此指出的是，以下实施实例只用于本发明做进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域技术成熟人员根据上述发明内容对本发明做出一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。

在本实施实例中，装置由光线调制器、智能光学模组、瞳孔随动调整模块和多维度位置探测模块构成，如图5。在本实施实例中，光线调制器采用了超高清液晶显示器，在平面模式和立体模式下均能实现高清显示。

在本实施实例中，装置采用狭缝光栅实现视图分离的效果。在此有必要指出，前置光栅和后置光栅从原理上没有差别，因此本实施实例以前置光栅进行阐述。光线调制器最小单元长度t，光线调制器与光栅间距s，光栅与观看位置间距l，光栅透光部分宽度a，光栅遮光部分宽度b，视点间距q，如图3，根据几何光学原理，可得以下公式。

根据上面的公式可知，改变光线调制器与光栅间距s可以改变光栅与观看位置间距l。装置通过实时改变智能光学模组和光线调制器之间的距离s，实现左右观看窗口在不同的位置实现汇聚。多维度位置探测模块实时检测观众位置，中央处理单元根据位置变化实时调整瞳孔随动调整模块，实现左右观看窗口在不同位置汇聚。如图4，视点view1到view4成周期性排列，任意位置观看时，总能看到两个不同的视图。例如同时看到view2和view3，此时呈现给观众的就是正常的立体。但是在某些位置看到的就是反立体，例如同时看到view4和view1，引起视觉不适。

在本实施实例中，装置采用光线调制器即液晶显示屏。光线调制器可以通过光线调制的方式任意切换视图，从而保证正常的立体视角排列。观众在自由观看的过程中位置发生了变化，如果移动到了view4和view1的视角范围内，看到的是反立体画面，不仅不存在立体感，还会有一定的视觉不适。多维度位置探测模块实时检测到观众位置以后，中央处理单元根据相应的位置信息发出指令控制光线调制器，调整其调制模式，使view4和view1的视图颠倒，此时观众看到的就是正常的立体画面。

在本实施实例中，装置采用平面调整机构实现左右观看窗口根据观众距离实时汇聚，如图2。多维度位置探测模块实时检测观众的位置变化，中央处理单元接收到观众的实时空间数据以后，发出指令调整平面调整机构和光线调制器，实现左右观看窗口实时跟随左右瞳孔。在平面调整机构中，光线调制器和智能光学模组之间需要保持高度的平行性。两者通过平行导轨连接，通过步进电机驱动丝杆转动控制相对距离的变化。两者在静止或者运动过程中均能保持良好的平行性。光线调制器模式M，调节距离N，观众x,y,z空间位置，可以得到以下闭环控制***。

(M,N)＝F(x,y,z)

以装置作为三维坐标原点，多维度位置探测模块实时检测到观众的三维位置(x,y,z)，中央处理器根据三维位置(x,y,z)实时调整瞳孔随动调整模块，调整该模块中的参数M和N，使左右观看窗口汇聚到观众左右瞳孔。同时，探测模块可以检测左右窗口汇聚到观众左右瞳孔的效果，即是否出现偏差。在出现偏差以后以极快的速度实时进行调整参数M和N，确保左右窗口准确的覆盖到观众左右瞳孔。

该装置采用该方案采用智能光学模组为光线调制器提供光源。中央处理单元实时检测播放内容，当播放内容为平面内容时，智能光学模组发出平面显示需要的光线，当播放内容为立体内容时，智能光学模组发出立体显示所需要的光线。通过实时检测播放内容并改变智能光学模块的方式，实现平面立体兼容的功能。智能背光采用高亮LED作为光源，成阵列方式排列，整体结构与普通直下式液晶背光类似。当播放内容为平面内容时，发出漫射光为光线调制器提供光源。当播放内容为立体内容时，调节其内部的电控器件，发出立体显示所需要的狭缝光源。

该装置采用多维度位置探测模块，多摄像头不仅可以获得清晰的视频图像，还能准确的测算出观众与显示器之间的距离信息。中央处理单元根据观众的实时三维数据发出指令控制瞳孔随动调整模块，实现左右观看窗口实时跟随观众左右瞳孔。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (6)

1.多维度自由立体显示装置，其特征是，包括显示装置、多维度位置探测模块、瞳孔随动调整模块、智能光学模组，瞳孔随动调整模块包括平面调整机构和光线调制器；以显示装置平面作为空间三维的坐标基准，设有多维度位置探测模块，获得观看者的空间三维位置，中央处理单元根据观看者的空间三维位置实时控制瞳孔随动调整模块，智能光学模组发出的光线经过光线调制器汇聚成左右观看窗口，平面调整机构位于智能光学模组和光线调制器之间用于调节光线调制器与智能光学模组之间的距离，实现在不同的距离形成左右观看窗口，即左右观看窗口在特定距离实现汇聚，并实时跟随观众左右瞳孔；

瞳孔随动调整模块采用平面调整机构，平面调整机构通过实时改变智能光学模组和光线调制器之间的距离s，实现左右观看窗口在不同的位置实现汇聚；多维度位置探测模块实时检测观众位置，中央处理单元根据位置变化实时调整瞳孔随动调整模块，实现左右观看窗口在不同位置汇聚；

其中：平面调整机构通过实时改变智能光学模组和光线调制器之间的距离s，光线调制器最小单元长度t，视点间距q；

光线调制器为狭缝光栅时，光线调制器最小单元长度t，光线调制器与光栅间距s，光栅与观看位置间距l，光栅透光部分宽度a，光栅遮光部分宽度b，视点间距q，

根据上式知，改变光线调制器与光栅间距s改变光栅与观看位置间距l；通过实时改变智能光学模组和光线调制器之间的距离s，实现左右观看窗口在不同的位置实现汇聚；

瞳孔随动调整模块的平面调整机构中，光线调制器和智能光学模组之间需要保持高度的平行性；光线调制器和智能光学模组两者通过起码两根平行导轨连接，通过步进电机驱动丝杆转动控制相对距离的变化；光线调制器和智能光学模组两者在静止或者运动过程中均能保持良好的平行性；光线调制器模式M，调节距离N，观众x,y,z空间位置，得到以下闭环控制***；

(M,N)＝F(x,y,z)。

2.根据权利要求1所述的多维度自由立体显示装置，其特征是瞳孔随动调整模块的光线调制器当观众在z轴的特定距离，且在x轴y轴方向发生位置移动时，光线调制器会根据观众的位置变化切换光线调制模式，使在该距离汇聚的左右观看窗口在观众左右瞳孔汇聚，并实时跟随左右瞳孔移动。

3.根据权利要求1所述的多维度自由立体显示装置，其特征是中央处理单元实时检测播放内容，当播放内容为平面内容时，智能光学模组发出平面显示需要的光线，当播放内容为立体内容时，智能光学模组发出立体显示所需要的光线；通过实时检测播放内容并改变智能光学模块的方式，实现平面立体兼容的功能。

4.根据权利要求1-3所述的多维度自由立体显示装置进行多维度自由立体显示方法，其特征是，基于显示装置、多维度位置探测模块、瞳孔随动调整模块、智能光学模组，瞳孔随动调整模块包括平面调整机构和光线调制器，以显示装置平面作为空间三维的坐标基准，设有多维度位置探测模块，获得观看者的空间三维位置，中央处理单元根据观看者的空间三维位置实时控制瞳孔随动调整模块，智能光学模组发出的光线经过光线调制器汇聚成左右观看窗口，平面调整机构位于智能光学模组和光线调制器之间用于调节光线调制器与智能光学模组之间的距离，实现在不同的距离形成左右观看窗口，即左右观看窗口在特定距离实现汇聚，并实时跟随观众左右瞳孔；控制引擎通过位置信息和距离信息调整装置，实现左右观察窗口随左右瞳孔移动，保证左右视图分别进入到观看者的左右瞳孔；在观看者与装置之间发生距离变化以后，瞳孔随动调整模块的控制引擎发出指令控制平面调整机构，改变光线调制器和智能背光之间的距离，实现左右观看窗口在不同的距离实现汇聚。

5.根据权利要求4所述的多维度自由立体显示方法，其特征是智能背光(2)控制引擎可根据显示内容的不同控制智能背光提供不同的光源，在立体模式下发出狭缝光，在平面模式下发出漫射光， 观看者空间位置探测模块可实时检测观看者与装置之间的距离，并实现高精度的瞳孔追踪；控制引擎通过位置信息和距离信息调整装置，实现左右观察窗口随左右瞳孔移动，保证左右视图分别进入到观看者的左右瞳孔。

6.根据权利要求4所述的多维度自由立体显示方法，其特征是采用瞳孔随动调整模块实现左右观看窗口随观众左右瞳孔实时随动。多维度位置探测模块在检测到观众的三维位置发生变化以后，中央处理单元实时控制平面调整机构和光线调制器做出相应的调整， 当观众在z轴的距离发生变化以后，平面调整机构改变光线调制器和智能光学模块之间的距离，使光线在特定的距离实现汇聚形成左右观看窗口；当观众在z轴的特定距离，且在x轴y轴方向发生位置移动时，光线调制器会根据观众的位置变化切换光线调制模式，使在该距离汇聚的左右观看窗口在观众左右瞳孔汇聚，并实时跟随左右瞳孔移动；光线调制器模式M，调节距离N，观众x,y,z空间位置，能得到以下闭环控制***；

(M,N)＝F(x,y,z)。