(19)中华人民共和国国家知识产权局
*CN102591124A*
(10)申请公布号 CN 102591124 A(43)申请公布日 2012.07.18
(12)发明专利申请
(21)申请号 201210039156.1(22)申请日 2012.02.21
(71)申请人浙江大学
地址310027 浙江省杭州市西湖区浙大路
38号(72)发明人李海峰 彭祎帆 刘旭 钟擎(74)专利代理机构杭州求是专利事务所有限公
司 33200
代理人张法高(51)Int.Cl.
G03B 35/18(2006.01)G02B 27/22(2006.01)H04N 13/04(2006.01)
权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 2 页权利要求书1页 说明书4页 附图2页
(54)发明名称
基于拼接光场的横向大视场三维显示方法及系统(57)摘要
本发明公开了一种基于拼接光场的横向大视场三维显示方法及系统。方法步骤包括：获取三维场景横向不同视点正对观看所需图像源；使用多投影显示单元正对平面定向散射屏投影；观察者沿横向移动可以观看到不同投影显示单元正对投影的竖条影像拼接而成的三维场景横向不同部分，实现横向大视场三维显示。系统包括投影三维显示单元、平面定向散射屏及控制计算机。采用二维显示单元像素区域分割与正前方对应的透镜和孔阑阵列构造投影单元并正对平面定向散射屏投影。本发明的优点是可以产生在横向很大视场范围都能观察到细腻横向视差的三维图像。相对于单个裸眼立体显示器，多屏拼接的设置可实现视角的拓展，增加三维图像的空间尺度及观赏范围。
CN 102591124 ACN 102591124 A
权 利 要 求 书
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1.一种基于拼接光场的横向大视场三维显示方法，其特征在于方法的步骤如下：1)将被显示的三维场景使用空间光场追迹的方法进行三维立体空间描述，解析成一系列沿横向不同视点位置正对平面定向散射屏观看所需的平行投影图像源；
2)使用沿同一平面横向布置的多投影显示单元投影，将对应视点观看所需的图像源正对平面定向散射屏投影到平面定向散射屏的背侧，形成一系列竖条影像；
3)多投影显示单元正对投影的影像成像于空间指定位置，观察区域内任一视点所处的位置，观察者只能观看到由人眼视角范围内的一部分投影显示单元正对投影的竖条影像拼接而成的三维场景横向一部分，沿观察区域横向移动不同视点位置，观察者可以观看到不同投影显示单元正对投影的竖条影像拼接而成的三维场景横向不同部分，实现横向大视场三维显示。
2.一种实施如权利要求1所述方法的基于拼接光场的横向大视场三维显示系统，其特征在于包括多个在同一平面沿直线布置呈模块化拼接的投影三维显示单元（1）、平面定向散射屏（2）和控制计算机（3），其中，投影显示单元（1）包括依次设置的二维显示单元阵列（4）、透镜阵列（5）和孔阑阵列（6），控制计算机（3）与二维显示单元阵列（4）相连接；多个投影显示单元（1）中显示单元显示的图像通过对应的透镜阵列（5）、孔阑阵列（6）均正对平面定向散射屏（2）投影到平面定向散射屏（2）背侧成像，供观察区域（7）的横向多个视点同时观看，在任一视点位置观看到的图像由投影三维显示单元（1）中一部分显示单元提供。
3.根据权利要求2所述的一种基于拼接光场的横向大视场三维显示系统，其特征在于所述的平面定向散射屏（2）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为横向。
4.根据权利要求2所述的一种基于拼接光场的横向大视场三维显示系统，其特征在于所述的二维显示单元是LCD、LCOS、PDP、LED、CRT、OLED或投影机。
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说 明 书
基于拼接光场的横向大视场三维显示方法及系统
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技术领域
本发明涉及三维显示方法，尤其涉及一种基于拼接光场的横向大视场三维显示方
法及系统。
[0001]
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系统，这两个因素极大地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，然而基于体三维显示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；裸眼自体视三维显示虽然具有可观的商业前景，但大多仅提供在有限视角范围内实现高分辨三维显示。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。
[0003] 目前已经投入产业化的投影式裸眼三维显示装置大都结构复杂，需要大量的投影机和控制电路，往往是大成本和复杂结构换来横向有限的观察视场，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，更使其在虚拟现实领域应用缺乏创新。本发明的主要目的在于构建一个拓展性强、成本可控，并且具有很大视场范围的空间三维显示装置，且满足多人多视角观看的诉求。其优点在于可以产生在平面定向散射屏屏幕前观看到具备细腻的横向视差的三维图像悬浮效果。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视角不连续带来的疲惫感。平面光场拼接投影显示单元及平面定向散射屏幕的结构在大大简化了系统结构的基础上扩大了横向视场。同时利用模块化多屏拼接的方式实现横向投影视场的扩展，可大大增加三维图像的横向空间尺度。
[0002]
发明内容
[0004] 本发明的目的是克服现有技术和显示方法的不足，提供一种基于拼接光场的横向大视场三维显示方法及系统。
[0005] 基于拼接光场的横向大视场三维显示方法的步骤如下：
1)将被显示的三维场景使用空间光场追迹的方法进行三维立体空间描述，解析成一系列沿横向不同视点位置正对平面定向散射屏观看所需的平行投影图像源；
2)使用沿同一平面横向布置的多投影显示单元投影，将对应视点观看所需的图像源正
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说 明 书
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对平面定向散射屏投影到平面定向散射屏的背侧，形成一系列竖条影像；
3)多投影显示单元正对投影的影像成像于空间指定位置，观察区域内任一视点所处的位置，观察者只能观看到由人眼视角范围内的一部分投影显示单元正对投影的竖条影像拼接而成的三维场景横向一部分，沿观察区域横向移动不同视点位置，观察者可以观看到不同投影显示单元正对投影的竖条影像拼接而成的三维场景横向不同部分，实现横向大视场三维显示。
[0006] 基于拼接光场的横向大视场三维显示系统包括多个在同一平面沿直线布置呈模块化拼接的投影三维显示单元、平面定向散射屏和控制计算机，其中，投影显示单元包括依次设置的二维显示单元阵列、透镜阵列和孔阑阵列，控制计算机与二维显示单元阵列相连接；多个投影显示单元中显示单元显示的图像通过对应的透镜阵列、孔阑阵列均正对平面定向散射屏投影到平面定向散射屏背侧成像，供观察区域的横向多个视点同时观看，在任一视点位置观看到的图像由投影三维显示单元中一部分显示单元提供。
[0007] 所述的平面定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为横向。所述的二维显示单元是LCD、LCOS、PDP、LED、CRT、OLED或投影机。所述的透镜阵列单元可以是单片透镜或多片透镜组合或其他光学成像器件。
[0008] 本发明可以构建一个拓展性强、成本可控，并且具有很大视场范围的空间三维显示装置，且满足多人多视角观看的诉求。其优点在于可以产生在平面定向散射屏屏幕前观看到具备细腻的横向视差的三维图像悬浮效果。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视角不连续带来的疲惫感。平面光场拼接投影显示单元及平面定向散射屏幕的结构在大大简化了系统结构的基础上扩大了横向视场。同时利用模块化多屏拼接的方式实现横向投影视场的扩展，可大大增加三维图像的横向空间尺度。
附图说明
[0009] 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0010] 图1是基于拼接光场的横向大视场三维三维显示系统整体示意图；
图2是基于拼接光场的横向大视场三维三维显示系统成像原理俯视图；图3是横向三个不同观察视点观察平面定向散射屏的观察效果示意图。[0011] 图中，投影三维显示单元1、平面定向散射屏2、控制计算机3、二维显示单元阵列4、透镜阵列5、孔阑阵列6、观察区域7。具体实施方式
[0012] 基于拼接光场的横向大视场三维显示方法的步骤如下：
1)将被显示的三维场景使用空间光场追迹的方法进行三维立体空间描述，解析成一系列沿横向不同视点位置正对平面定向散射屏观看所需的平行投影图像源；
2)使用沿同一平面横向布置的多投影显示单元投影，将对应视点观看所需的图像源正对平面定向散射屏投影到平面定向散射屏的背侧，形成一系列影像，影像在通过平面定向散射屏后只沿纵向散射，使得人眼只能观察到一系列竖条影像；
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3)多投影显示单元正对投影的影像成像于空间指定位置，观察区域内任一视点所处的位置，观察者只能观看到由人眼视角范围内的一部分投影显示单元正对投影的竖条影像拼接而成的三维场景横向一部分，沿观察区域横向移动不同视点位置，观察者可以观看到不同投影显示单元正对投影的竖条影像拼接而成的三维场景横向不同部分，实现横向大视场三维显示。
[0013] 如图1所示，基于拼接光场的横向大视场三维显示系统包括多个在同一平面沿直线布置呈模块化拼接的投影三维显示单元1、平面定向散射屏2和控制计算机3，其中，投影显示单元1包括依次设置的二维显示单元阵列4、透镜阵列5和孔阑阵列6，控制计算机3与二维显示单元阵列4相连接；多个投影显示单元1中显示单元显示的图像通过对应的透镜阵列5、孔阑阵列6均正对平面定向散射屏2投影到平面定向散射屏2背侧成像，供观察区域7的横向多个视点同时观看，在任一视点位置观看到的图像由投影三维显示单元1中一部分显示单元提供。
[0014] 所述的平面定向散射屏2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为横向。所述的二维显示单元是LCD、LCOS、PDP、LED、CRT、OLED或投影机。所述的透镜阵列单元可以是单片透镜或多片透镜组合或其他光学成像器件。
[0015] 本发明的工作过程如下：
以3个液晶显示器同一平面沿直线拼接组成的模块形式为例，如图1所示。实施基于拼接光场的横向大视场三维显示方法的三维显示系统设置有投影三维显示单元1、平面定向散射屏2和控制计算机3，其中，投影显示单元1包括依次设置的二维显示单元阵列4、透镜阵列5和孔阑阵列6，透镜阵列5中的所有透镜和孔阑阵列6中的所有孔阑依次在纵向上错位排列，在横向上拼接排列。控制计算机3与二维显示单元阵列4中的每个液晶显示器相连接，每个液晶显示器可以由单个计算机整体控制或多个计算机分别控制。[0016] 所有投影镜组依次在纵向上错位排列，为充分利用二维显示器的显示区域空间，且保证透镜阵列5和孔阑阵列6布置的一致性和可操作性，本实施例中采用纵向错位1/3的方式进行排布，最终构造出由3个模块完整组合成的投影显示装置。[0017] 如图2所示，根据光场拼接的成像原理，首先用计算机图像处理方法获取显示所需的图像源，多个投影显示单元1中显示单元阵列4显示的图像通过对应的透镜阵列5、孔阑阵列6均正对平面定向散射屏2投影到平面定向散射屏2背侧成像，所有投影光瞳都被平面定向散射屏2在纵向展开成竖条图像，供观察区域7的横向多个视点同时观看。平面定向散射屏2横向尺寸需至少满足所有构造投影单元在横向宽度之和，任一视点位置观看到的图像由投影三维显示单元1中一部分显示单元提供的一系列竖条图像在横向拼接构成。[0018] 如图3所示，由于人眼的观看视角和投影张角有限，在观察区域7横向3个不同视点位置观看该三维显示装置，看到的是整个三维场景横向不同部分的图像，这里设定三维场景含有多个横向分布的物体，则观察者需沿横向移动可以观看到完整的、连续的三维场景，以此实现横向大视场三维显示。
[0019] 虽然这里是通过示意和举例的方式对本发明进行进一步描述的，但应该认识到，本发明并不局限于上述实施方式和实施例，前文的描述只被认为是说明性的，而非性的，本领域技术人员可以做出多种变换或修改，只要没有离开所附权利要求中所确立的范
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围和精神实质，均视为在本发明的保护范围之内。
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说 明 书 附 图
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图1
图2
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说 明 书 附 图
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图3
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