CN107147899B - 一种采用led 3d屏幕的cave显示***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采用LED 3D屏幕的CAVE显示***及显示方法，该方法包括以下步骤：采集3D眼镜上红外标记点的坐标位置；利用所述坐标位置估算出用户双眼的位置；根据所述位置计算得到相对所述3D眼镜显示的两组画面；在LED 3D屏幕上交替显示所述两组画面；对所述3D眼镜进行左、右镜片开关切换，切换频率与所述两组画面交替显示的切换频率相配合。通过本发明的技术方案，区别于现有的CAVE***，虚拟显示空间适用于光线较强的环境，可实际应用在明亮的室内环境，甚至室外环境；虚拟显示空间画面色彩饱和度高，显示屏间拼接无缝，给用户很好的观看效果；使用寿命长。
Description
技术领域
本发明涉及数据显示技术领域，具体涉及一种采用LED 3D屏幕的CAVE显示***及方法。
背景技术
CAVE***可以应用于任何具有沉浸感需求的虚拟仿真应用领域。例如，虚拟设计与制造，虚拟演示，协同规划等等，应用十分广泛。现有的大部分CAVE***中，虚拟显示空间的墙壁通常由背投影墙组成。地面部分的显示除了可以进行背投，还可以在显示空间上方安置投影仪投影到地面上。而随着技术的发展，也出现了由LCD 3D拼接屏或大尺寸LCD 3D屏代替投影显示的技术。但是仍然缺少使用LED 3D屏幕作为CAVE***显示的方式。
现有技术中两种常见的CAVE***。
(一)基于背投影墙的CAVE***
CAVE***虚拟显示空间是由3个面以上(含3面)硬质背投影墙组成。***利用多通道视景同步技术，在投影墙上显示整个三维场景内容。用户站在虚拟显示空间内，并佩戴用于观看影墙三维成像的3D眼镜，其中3D眼镜上附着红外标记点。在虚拟显示空间的角落上分别放置红外摄像头。由于3D眼镜上红外标记点的位置和用户的人眼位置相距不大，对比整个***的规格，可以忽略不计，从而***利用红外摄像头获取红外标记点的位置参数以获取用户人眼的位置参数。***根据获得的用户人眼位置参数，调整影墙图像以匹配用户观看的当前位置(例如：离影墙近画面就会放大，离影墙远画面就会缩小)。并且结合画面校准***，校准折角处的画面，使显示图像不会产生畸变。
(二)基于LCD 3D拼接屏或基于大尺寸LCD屏的CAVE***
该技术原理和技术(一)基本一致，但虚拟显示空间由背投影墙替换成LCD 3D拼接屏或大尺寸LCD屏构成(除地屏)，并且改变成显示相匹配的渲染通道和拼接处理器。
然而，现有技术中的CAVE***存在以下缺点：
技术(一)中由背投影墙构成虚拟显示的CAVE***需要在环境较暗才能看清，对环境光线要求高。并且显示画面的色彩饱和度不高，观看效果不佳。投影机寿命较短。
技术(二)中基于LCD 3D拼接屏或基于大尺寸LCD屏的CAVE***，虽然比起背投影墙不需要对环境光线有过高的要求，色彩饱和度也更高，但是长期使用，会造成单元间亮度与色彩衰减不一致，并不可恢复。此外LCD屏间还有物理拼缝，影响观看效果。大尺寸LCD屏还存在不好运输的问题。
随着显示屏制造技术的提高，出现了LED 3D显示屏。LED 3D显示屏自体发光，不受环境光线限制；显示画面色彩饱和度高、显示屏间拼接无缝、使用寿命长。如果它可应用于CAVE***中，就可以大大减少现有CAVE***中各种终端显示的局限性。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种采用LED 3D屏幕的CAVE***显示方法，该方法包括以下步骤：
1)采集3D眼镜上红外标记点的坐标位置；
2)利用所述坐标位置估算出用户双眼的位置；
3)根据所述位置计算得到相对所述3D眼镜显示的两组画面；
4)在LED 3D屏幕上交替显示所述两组画面；
5)对所述3D眼镜进行左、右镜片开关切换，切换频率与所述两组画面交替显示的切换频率相配合，使用户体验到沉浸式立体视觉虚拟环境。
根据本发明的实施方式，优选的，所述步骤2)中将所述用户双眼的位置发送给多通道控制服务器。
根据本发明的实施方式，优选的，所述步骤4)中所述多通道控制服务器根据所述用户双眼的位置生成四个LED 3D屏幕的画面控制信号，将四个LED 3D屏幕的画面控制信号分别发送给四个通道渲染服务器，以实现把校准好的两组画面连续交替地显示在所述四个LED 3D屏幕上。
根据本发明的实施方式，优选的，所述步骤5)中，所述对所述3D眼镜进行左、右镜片开关切换具体为：左眼画面出现，3D眼镜左眼镜片打开，右眼镜片关闭；右眼画面出现，3D眼镜右眼镜片打开，左眼镜片关闭。
根据本发明的实施方式，优选的，通过IR发射器接收所述多通道控制服务器发送的同步信号，并根据该画同步信号发射红外信号，所述3D眼镜根据所述红外信号控制对所述3D眼镜左、右镜片的切换频率。
根据本发明的实施方式，优选的，显示在所述LED 3D屏幕上的画面由所述CAVE***的虚拟环境中的两个虚拟摄像机模拟人的左、右眼拍摄已有素材得到的两组画面而组成。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种采用LED 3D显示屏的CAVE显示***，该***包括：3D眼镜、IR发射器、多通道控制服务器、多个通道渲染服务器、多个LED 3D显示屏、网络交换机、动捕电脑和红外跟踪***；
所述红外跟踪***跟踪得到所述3D眼镜的坐标位置，并发送给所述网络交换机；
所述动捕电脑通过所述网络交换机获取所述坐标位置，得到用户双眼的位置参数；
将所述位置参数通所述网络交换机传输给所述多通道控制服务器；
所述多通道控制服务器根据接收的位置参数，生成画面控制信号，分别发送给所述多个通道渲染服务器；
根据所述多个通道渲染服务器的控制，把校准好的两组画面图像，分别连续交替地显示在所述多个LED 3D显示屏上；
通过无线发射器接收所述多通道控制服务器发送的同步信号，并根据该画同步信号发射红外信号，所述3D眼镜根据所述红外信号控制对所述3D眼镜左、右镜片的切换频率，使用户体验到沉浸式立体视觉虚拟环境。
根据本发明的实施方式，优选的，所述无线发射器为IR发射器。
根据本发明的实施方式，优选的，所述3D眼镜附有两个红外标记点，对应用户双眼，所述红外跟踪***通过跟踪所述3D眼镜上的红外标记点获得3D眼镜的坐标位置，从而确定用户双眼的位置。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种计算机存储介质，其包括计算机程序指令，当执行所述计算机程序指令时，执行上述方法之一。
通过本发明的技术方案取得了以下技术效果：
本发明区别于现有的CAVE***，虚拟显示空间适用于光线较强的环境，可实际应用在明亮的室内环境，甚至室外环境；虚拟显示空间画面色彩饱和度高，显示屏间拼接无缝，给用户很好的观看效果；使用寿命长。
附图说明
图1是现有本发明***构成图
图2是本发明的控制流程图
具体实施方式
<本发明的***架构>
3D眼镜主要通过提高画面的快速刷新率(通常要达到120Hz)来实现3D效果，属于主动式3D技术,又叫时分法遮光技术或液晶分时技术。当3D信号输入到显示设备(诸如显示器、投影机等)后，图像便以帧序列的格式实现左右帧交替产生，通过红外发射器，蓝牙等无线方式将这些帧信号传输出去，负责接收的3D眼镜在刷新同步实现左右眼观看对应的图像，并且保持与2D视像相同的帧数，观众的两只眼睛看到快速切换的不同画面，并且在大脑中产生错觉(摄像机拍摄不出来效果)，便观看到立体影像。
如图1，本发明的虚拟显示空间由四块LED 3D显示屏组成，LED 3D显示屏具有以下特点：自体发光、不受环境光线限制；显示画面色彩饱和度高、显示屏间拼接无缝、使用寿命长。在LED 3D显示屏的空间角落安置多个红外摄像头；摄像头的个数可以从至少3个到多个，具体根据具体需求而定，优选的，摄像头个数为八个。有若干红外标记点附着在3D眼镜上。每副3D眼镜具有左、右两个镜片，3D眼镜可根据接收的外部信号，分别实现对左、右3D眼镜镜片的打开和关闭，从而实现对左、右镜片的交替开关切换。此外还需要有四个独立的三维通道渲染服务器，多通道控制服务器，IR发射器，动捕电脑和红外跟踪***以及网络交换机。所述多通道控制服务器用于接收用户双眼的位置信息，并根据该位置信息生成用于控制四个LED 3D显示屏的画面控制信号，并将四个画面控制信号发送给四个通道渲染服务器，以分别对所述四个LED 3D显示屏的显示进行控制。所述IR发射器放置在所述LED 3D显示屏组成的显示空间上方，与所述多通道控制服务器连接，接收所述多通道控制服务器发送的同步信号。所述IR发射器接收多通道控制服务器发送的同步信号，根据所述同步信号发射红外信号，3D眼镜根据IR发射器发送的红外信号，控制对3D眼镜左、右镜片开关切换的频率，以与在LED 3D显示屏上交替显示的画面图像频率相一致。需要说明的是，所述IR发射器仅属于一种优选的实施方式，在实际应用中可采用蓝牙、高频无线信号通讯的信号发射器与3D眼镜进行无线通讯，控制对3D眼镜左、右镜片开关切换的频率。
动捕电脑通过网络交换机获取由多个红外摄像头(优选为八个)得到3D眼镜上的红外标记点的位置参数，从而间接得到用户双眼的位置参数。在每个3D眼镜的镜框上设置两个距离固定的标记点，例如红外LED。红外摄像头获取的图像中，红外LED在绝大多数情况下是最亮的点，取合适阈值，就可以把LED位置与背景分开。获取的LED在图像中的位置，反映了用户相对于摄像头的水平角度和用户高度，而两个LED之间的距离，则反映了用户离摄像头的距离。这样，相当于获得了以摄像头为原点的圆柱坐标系内的用户坐标。结合摄像头自身位置坐标，经过简单的坐标系变换，就可以获得用户的绝对坐标。单台红外摄像头因为视角有限，无法完成360°位置捕捉的任务，可以用几台进行视场的拼接。也可以使用环带相机，则一台就可以实现360°位置捕捉的任务，原理与红外摄像头相同。利用电脑中的MotiveTracker，将用户双眼的位置参数信息通过交换机传输给四个通道渲染服务器和多通道控制服务器。所述多通道控制服务器与所述动捕电脑可整合在同一电脑中，也可以分别由不同的电脑实现其功能。
显示在LED 3D屏幕上的画面图像实际上是由CAVE***中虚拟环境中两个虚拟摄像机模拟人的左、右眼拍摄已有素材得到的两组画面而组成的。CAVE***使用多摄像头红外定位***通过拍摄附着在3D眼镜上的红外标记点，读取用户双眼的位置参数，以计算出***中虚拟环境里两个摄像机的位置参数(两个虚拟摄像机模拟3D眼镜左、右镜片的位置)，从而得到用于分别显示于四个LED 3D显示屏的两组显示空间的图像。每个3D眼镜上均有两个距离固定的标记点，以供红外跟踪***捕捉位置。CAVE***再根据用户双眼位置的变化，分别调整显示空间的图像以匹配用户观看的当前位置(例如：离显示屏近画面就会放大，离显示屏远画面就会缩小)。并且结合画面校准***，校准折角处的画面，使显示空间图像不会产生畸变。其中显示空间图像是由四个独立的三维渲染服务来输出显示的。CAVE***把已校准好的两组画面，连续交替地显示在LED 3D显示屏上。同时，3D眼镜配合这个连续交替显示的画面图像进行左右镜片的切换：左眼画面出现，3D眼镜左眼镜片就打开，右眼镜片就关闭；右眼画面出现，3D眼镜右眼镜片就打开，左眼镜片就关闭。为了使左、右眼画面的切换和3D眼镜镜片的切换同步，把IR发射器放置在显示空间上方，连接多通道控制服务器，和3D眼镜，配合使用。
3D眼镜的每一只镜片均包含有一个液晶层，可以在加载一定电压的情况下变黑(透光率下降)。反之，在没有附加电压的情况下就和普通镜片类似。由于每一帧的3D图像均包含有左、右两幅不同角度拍摄的画面，只有当左画面对应通过左镜片(镜片上没加载固定电压)，右画面对应通过右镜片时，观众才能看到3D图像。
另外，3D眼镜应具有超高速的帧频，以匹配高速投影机的帧频，在较低频率，如几百Hz，可以通过铁电液晶实现，如果用户较多，则可以通过两块铁电液晶板，以级联的方式，实现高速的调制。这种情况下，只有前后两块液晶板处于开状态时，眼镜片才处于开的状态，而只要有一块液晶板处于关闭状态，则整个镜片处于关闭状态，通过时钟的调制，可以把两块液晶板开启与关闭的时间差设置的很小，则可以得到很快的开关速度。
需要一个同步信号来控制左右镜片的交替和左右画面的交替保持一致。通常，使用红外线来传输这个同步信号。但由于存在着诸如易受日光灯干扰，通讯范围有限等不利因素，也发展出了利用蓝牙，高频无线信号通讯的3D快门式眼镜。在同步信号的控制下，加载在左右两只镜片上的电压交替变化，然后由大脑将两幅图像合成一体来实现3D的视觉效果。
3D技术的原理是根据人眼对影像频率的刷新时间来实现的，所以通过提高画面的快速刷新率(一般要达到120Hz)左眼和右眼各60Hz的快速刷新才会让人不会对图像产生抖动感，并且保持与2D视像相同的帧数。
它主要是靠液晶眼镜来实现的，它的眼镜片实质上是可以分别控制开/关的两片液晶屏，眼镜中的液晶层有黑和白两种状态，平常显示为白色即透明状态，通电之后就会变黑色。通过IR发射器，让3D眼镜和屏幕之间实现精确同步。显示屏幕上会交替进行左右眼画面的播放，在播放左画面时，左眼镜打开，右眼镜关闭，观众左眼看到需要让左眼看见的画面，右眼什么都看不到。在播放右眼画面是，右眼看右画面，左眼看不到画面，就这样让左右眼分别看到左右各自的画面，从而实现3D立体效果。这个过程交替至少达到120次/每秒，人眼才能欣赏到连贯而不闪烁的3D画面，所以主动式3D显示技术要求屏幕的刷新率至少达到120Hz。
<本发明的方法流程>
如图2，本发明公开了一种采用LED 3D屏幕的CAVE***显示方法，该方法包括以下步骤：
步骤S1，采集3D眼镜上红外标记点的坐标位置。
CAVE***使用多摄像头红外定位***通过拍摄附着在3D眼镜上的红外标记点，读取用户双眼的位置参数，以计算出***中虚拟环境里两个摄像机的位置参数(两个虚拟摄像机模拟3D眼镜左、右镜片的位置)。
步骤S2，利用所述坐标位置估算出用户双眼的位置。
动捕电脑通过网络交换机获取由多个红外摄像头(优选为八个)得到3D眼镜上的红外标记点的位置参数，从而间接得到用户双眼的位置参数。***利用电脑中的MotiveTracker软件，数据通过交换机传输给四个通道渲染服务器和多通道控制服务器。
步骤S3，根据所述位置计算得到相对所述3D眼镜显示的两组画面。
CAVE***再根据用户双眼位置的变化，分别调整显示空间的图像以匹配用户观看的当前位置(例如：离显示屏近画面就会放大，离显示屏远画面就会缩小)。并且结合画面校准***，校准折角处的画面，使显示空间图像不会产生畸变。其中显示空间图像是由四个独立的三维渲染服务来输出显示的。
步骤S4，在LED 3D屏幕上交替显示所述两组画面。
所述多通道控制服务器根据所述3D眼镜的位置的生成四个LED 3D屏幕的画面控制信号，将四个LED 3D屏幕的画面控制信号分别发送给四个通道渲染服务器，以实现把校准好的两组画面连续交替地显示在所述四个LED 3D屏幕上。
步骤S5，对所述3D眼镜进行左、右镜片开关切换，切换频率与所述两组画面交替显示的切换频率相配合。
同时，3D眼镜配合这个连续交替显示的画面图像进行左右镜片的切换：左眼画面出现，3D眼镜左眼镜片就打开，右眼镜片就关闭；右眼画面出现，3D眼镜右眼镜片就打开，左眼镜片就关闭。为了使左、右眼画面的切换和3D眼镜镜片的切换同步，还需要把IR发射器放置在显示空间上方，连接多通道控制服务器和3D眼镜，配合使用。
当左眼画面和右眼画面各高于60Hz的快速刷新，由于人眼的视觉暂留现象，左右眼图像经由大脑重合，产生立体感。用户就会看到校准后不闪烁的3D图像。
显示在所述LED 3D屏幕上的画面由所述CAVE***的虚拟环境中的两个虚拟摄像机模拟人的左、右眼拍摄已有素材得到的两组画面而组成。
<本发明的具体实施例>
本发明使用了点间距为P1.667的LED 3D显示屏，搭建了正面屏，左、右屏以及地屏，组成四面显示空间，视频拼接器为MVC系列。为了分别渲染LED屏上的画面，还需要四台三维通道渲染服务器，服务器采用惠普系列。此外，还有红外跟踪***进行摄像机的空间定位，此红外跟踪***包含八个红外摄像头，把它们分布在显示空间的角落。
用户把红外标记点固定在3D眼镜上。3D眼镜为Active Glasses for TV。动捕电脑通过网络交换机获取由八个红外摄像头得到3D眼镜上的红外标记点的位置参数，从而间接得到用户双眼的位置参数。***利用电脑中的软件Motive Tracker，数据通过交换机传输给四个三维通道渲染服务器和多通道控制服务器。多通道控制服务器把观众人眼的坐标信息匹配到虚拟环境中使用，得到左、右眼两组画面图像，使显示空间画面符合人眼真实视角，并且整个显示空间画面无畸变。
CAVE***把已校准好的两组画面，连续交替地显示在LED 3D屏幕上。同时，3D眼镜配合这个连续交替的画面显示进行左右镜片的开关切换。为了使LED 3D屏幕上左、右眼画面的切换与3D眼镜左、右镜片的切换同步，还需要把IR发射器放置在显示空间上方，连接多通道控制服务器，和3D眼镜配合使用。
当左眼画面和右眼画面各高于60Hz的快速刷新。用户便会看到校准后不闪烁的3D图像。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换以及改进等，均应保护在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种采用LED3D屏幕的CAVE***显示方法，该方法包括以下步骤：
1)采集3D眼镜上红外标记点的坐标位置；
2)利用所述坐标位置估算出用户双眼的位置；
3)根据所述用户双眼的位置计算得到相对所述3D眼镜显示的两组画面；
4)在LED3D屏幕上交替显示所述两组画面；
5)对所述3D眼镜进行左、右镜片开关切换，切换频率与所述两组画面交替显示的切换频率相配合，使用户体验到沉浸式立体视觉虚拟环境；
所述步骤2)中将所述用户双眼的位置信息发送给多通道控制服务器；
所述步骤4)中所述多通道控制服务器根据所述用户双眼的位置生成四个LED3D屏幕的画面控制信号，将四个LED3D屏幕的画面控制信号分别发送给四个通道渲染服务器，以实现把校准好的两组画面连续交替地显示在所述四个LED3D屏幕上；
其中，通过IR发射器接收所述多通道控制服务器发送的同步信号，并根据该同步信号发射红外信号，所述同步信号控制左右镜片的交替和左右画面的交替保持一致，所述3D眼镜根据所述红外信号控制对所述3D眼镜左、右镜片的切换频率；
所述显示在所述LED3D屏幕上的画面由所述CAVE***的虚拟环境中的两个虚拟摄像机模拟人的左、右眼拍摄已有素材得到的两组画面而组成。
2.根据权利要求1所述的方法，所述步骤5)中，所述对所述3D眼镜进行左、右镜片开关切换具体为：左眼画面出现，3D眼镜左眼镜片打开，右眼镜片关闭；右眼画面出现，3D眼镜右眼镜片打开，左眼镜片关闭。
3.一种采用LED3D显示屏的CAVE显示***，该***包括：3D眼镜、IR发射器、多通道控制服务器、多个通道渲染服务器、多个LED3D显示屏、网络交换机、动捕电脑和红外跟踪***；
所述红外跟踪***跟踪得到所述3D眼镜的坐标位置，并发送给所述网络交换机；
所述动捕电脑通过所述网络交换机获取所述坐标位置，得到用户双眼的位置参数；
将所述位置参数通所述网络交换机传输给所述多通道控制服务器；
所述多通道控制服务器根据接收的位置参数，生成画面控制信号，分别发送给所述多个通道渲染服务器；
根据所述多个通道渲染服务器的控制，把校准好的两组画面图像，分别连续交替地显示在所述多个LED3D显示屏上；
通过所述IR发射器接收所述多通道控制服务器发送的同步信号，并根据该同步信号发射红外信号，所述3D眼镜根据所述红外信号控制对所述3D眼镜左、右镜片的切换频率，所述同步信号控制左右镜片的交替和左右画面的交替保持一致，使用户体验到沉浸式立体视觉虚拟环境；
所述显示在所述LED3D屏幕上的画面由所述CAVE显示***的虚拟环境中的两个虚拟摄像机模拟人的左、右眼拍摄已有素材得到的两组画面而组成。
4.根据权利要求3所述的CAVE显示***，所述3D眼镜附有两个红外标记点，对应用户双眼，所述红外跟踪***通过跟踪所述3D眼镜上的红外标记点获得3D眼镜的坐标位置，从而确定用户双眼的位置。
5.一种计算机可读存储介质，其包括计算机程序指令，当执行所述计算机程序指令时，执行上述权利要求1-2之一的方法。
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