專利名稱：大尺寸空間三維影院放映光學(xué)系統(tǒng)及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及信息技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種大尺寸空間三維影院放映光學(xué)系統(tǒng)及其 方法。
背景技術(shù)：
三維顯示是人們不斷追求的目標，人們提出各種三維顯示技術(shù)以滿足人類雙眼的 視覺要求。在影院級的顯示技術(shù)方面，目前主要有膠片電影放映機、數(shù)字電影放映機以及三 維視差型電影放映機。目前的三維顯示技術(shù)可以分成三大類第一類是基于雙目視差型的 立體顯示，如目前的立體電影院的三維電影，三維電視以及各種視差光柵與柱面鏡陣列構(gòu) 成的體視顯示；第二類是基于全息原理的三維顯示，如全息照片等；第三類空間三維顯示 技術(shù)，如體三維顯示以及旋轉(zhuǎn)屏式的全景360°三維顯示。目前的三維電影院的光學(xué)成像系統(tǒng)是基于視差原理的立體顯示，他需要借助與特 殊的眼鏡，將電影放映機投射的左眼與右眼的圖像分開，分別相應(yīng)為左眼與右眼觀看，這些 眼鏡可以是液晶眼鏡、偏振眼鏡或互補色眼鏡等，各自對應(yīng)于時序式的體視三維、偏振式的 體視三維以及互補色式的體視三維。在目前三維電影院中看三維電影，所有的觀眾是坐在 屏幕前面的區(qū)域觀看的，而且所有的觀眾雖然在影院中的位置不同，看到的是同樣的三維 場景的同樣的視角。而目前可以實現(xiàn)全景360°三維顯示多數(shù)采用旋轉(zhuǎn)屏的方式，由于屏幕 或其他機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)、海量數(shù)據(jù)的傳輸?shù)榷喾N問題導(dǎo)致其三維顯示的空間比較小，不能實現(xiàn) 大場景的空間三維顯示。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種大尺寸空間三維影院放映光學(xué)系 統(tǒng)及其方法。大尺寸空間三維影院放映光學(xué)系統(tǒng)包括環(huán)狀定向散射屏、環(huán)狀分布投影儀陣列、 主控計算機陣列、同步控制模塊、觀眾區(qū)和空間三維圖像顯示區(qū)；主控計算機陣列與環(huán)狀分 布投影儀陣列相連接；同步控制模塊與環(huán)狀分布投影儀陣列相連接，環(huán)狀定向散射屏內(nèi)外 分別設(shè)有空間三維圖像顯示區(qū)和觀眾區(qū)；當環(huán)狀定向散射屏為反射式的定向散射屏?xí)r，環(huán) 狀分布投影儀陣列分布于環(huán)狀定向散射屏的外部；當環(huán)狀定向散射屏為透射式的定向散射 屏?xí)r，環(huán)狀分布投影儀陣列分布于環(huán)狀定向散射屏的內(nèi)部。所述的環(huán)狀定向散射屏是定向散射全息屏、光柵結(jié)構(gòu)的二元光學(xué)元件或一個或多 個微光學(xué)陣列的組合。所述的環(huán)狀定向散射屏的形狀是旋轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)的屏幕。所述的旋轉(zhuǎn) 對稱結(jié)構(gòu)的屏幕是圓柱狀屏或錐狀屏。所述的環(huán)狀排布的投影儀陣列按照視點間隔進行排 布；采用多排環(huán)狀排布或斜排環(huán)狀排布。所述的主控計算機陣列是單臺計算機、多臺計算機 或多臺計算機與圖像處理模塊的組合。所述的主控計算機陣列與環(huán)狀分布投影儀陣列的連 接方式是分量接口連接、AV接口連接、D-Sub接口連接、HDMI接口連接、USB接口連接、以太 網(wǎng)接口連接、1394接口連接或光纖接口連接。
大尺寸空間三維影院放映方法是主控計算機陣列對顯示的三維模型或?qū)嶋H采集 的三維場景處理成顯示的二維真彩色圖像序列，并按順序送入環(huán)狀分布投影儀陣列；同步 控制模塊對環(huán)狀分布投影儀陣列進行同步控制，將二維真彩色圖像投影到環(huán)狀定向散射屏 上，并對二維真彩色圖像的出射光線進行方向控制，在水平方向上的發(fā)散角度與環(huán)狀分布 投影儀陣列的間隔相配合；位于觀眾區(qū)內(nèi)的觀眾均能觀察到位于空間三維圖像顯示區(qū)內(nèi)的 三維場景。本發(fā)明利用二向性散射特性環(huán)狀屏幕與環(huán)狀分布的多臺投影儀陣列配合構(gòu)成空 間三維電影院型光學(xué)顯示系統(tǒng)?；诒景l(fā)明的三維顯示系統(tǒng)，可實現(xiàn)空間大場景的真實三 維顯示，使觀察區(qū)不同位置的觀察者均能裸眼觀察到對應(yīng)于這一視角的相應(yīng)三維場景，讓 觀察者感受到一種身臨其境的感受。


圖1是大尺寸空間三維影院放映光學(xué)系統(tǒng)三維示意圖；圖2是大尺寸空間三維影院放映光學(xué)系統(tǒng)的俯視結(jié)構(gòu)圖；圖3是大尺寸空間三維影院放映光學(xué)系統(tǒng)前投式示意圖；圖4是大尺寸空間三維影院放映光學(xué)系統(tǒng)背投式示意圖；圖5(a)是圓柱形環(huán)狀定向散射屏結(jié)構(gòu)示意圖；圖5(b)是錐形環(huán)狀定向散射屏結(jié)構(gòu)示意圖；圖6(a)是環(huán)狀投影儀陣列等間隔排列圖；圖6(b)是環(huán)狀投影儀陣列等間隔斜錯位排列圖；圖7(a)是反射式環(huán)狀定向散射屏光學(xué)特性示意圖；圖7(b)是透射式環(huán)狀定向散射屏光學(xué)特性示意圖；圖中環(huán)狀定向散射屏1、環(huán)狀分布投影儀陣列2、主控計算機陣列3、同步控制模 塊4、觀眾區(qū)5、空間三維圖像顯示區(qū)6。
具體實施例方式如圖1、2所示，大尺寸空間三維影院放映光學(xué)系統(tǒng)包括環(huán)狀定向散射屏1、環(huán)狀分 布投影儀陣列2、主控計算機陣列3、同步控制模塊4、觀眾區(qū)5和空間三維圖像顯示區(qū)6 ；主 控計算機陣列3與環(huán)狀分布投影儀陣列2相連接；同步控制模塊4與環(huán)狀分布投影儀陣列 2相連接，環(huán)狀定向散射屏1內(nèi)外分別設(shè)有空間三維圖像顯示區(qū)6和觀眾區(qū)5 ；當環(huán)狀定向 散射屏1為反射式的定向散射屏?xí)r，環(huán)狀分布投影儀陣列2分布于環(huán)狀定向散射屏1的外 部；當環(huán)狀定向散射屏1為透射式的定向散射屏?xí)r，環(huán)狀分布投影儀陣列2分布于環(huán)狀定向 散射屏1的內(nèi)部?？臻g影院為觀眾環(huán)繞一個軸旋轉(zhuǎn)對稱屏幕或顯示區(qū)域分布的影院結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的原理是圍繞屏幕環(huán)狀排布的投影儀陣列將不同所要顯示的空間三維場 景的各個角度投影的組合圖像投影成像于中心區(qū)域的環(huán)狀屏幕，該環(huán)狀屏幕為二向散射特 性的屏幕，即在水平方向?qū)θ肷涔鈱嵤╃R像的反射或者透射，但是在垂直方向?qū)θ肷涔鈱?施一定角度的散射或者說漫射。這樣環(huán)狀的二向散射特性屏幕就將環(huán)形排布的投影儀陣列 投影的圖像轉(zhuǎn)換成360°環(huán)繞可視的空間三維場景圖像，供圍繞在屏幕周邊的觀眾觀看。主 控計算機陣列3的作用是對環(huán)狀分布投影儀陣列2進行數(shù)據(jù)傳輸，它將三維場景分割投影
4計算得到的對應(yīng)不同視角供顯示的圖像傳入對應(yīng)的投影儀以供顯示，同步控制模塊4對投 影儀陣列中的不同投影儀的顯示進行同步控制保證陣列里的不同投影儀顯示同一時刻正 確的圖像。本發(fā)明的關(guān)鍵是二向散射特性屏幕，該屏幕控制著觀眾觀看到的投影儀圖像，屏 幕對入射的圖像光束的反射與散射特性的控制，使得觀眾無需其它工具，就能夠看到真正 的與自己觀看位置的視角相對應(yīng)的空間三維顯示。無論環(huán)狀分布投影儀陣列2位于環(huán)狀定 向散射屏1的外側(cè)還是內(nèi)側(cè)，空間三維圖像顯示區(qū)6的大小僅與環(huán)狀分布投影儀陣列2的 位置以及其每一個投影儀的視場角有關(guān)。假設(shè)環(huán)狀分布投影儀陣列2里的每個投影儀距離 中軸的距離為D，其半視場角為θ，那么共同顯示區(qū)區(qū)域(360°觀眾區(qū)域均能看到的空間 三維顯示范圍)的半徑僅與D及sin θ成正比。因此可以看出要想獲得大的影院式空間三 維顯示的效果，就可以通過選擇大的D與大視場角的投影儀來實現(xiàn)。這是本發(fā)明之所以可 以獲得大的三維顯示的理論依據(jù)。所述的主控計算機陣列3是單臺計算機、多臺計算機或 多臺計算機與圖像處理模塊的組合。所述的主控計算機陣列3與環(huán)狀分布投影儀陣列2的 連接方式是分量接口連接、AV接口連接、D-Sub接口連接、HDMI接口連接、USB接口連接、以 太網(wǎng)接口連接、1394接口連接或光纖接口連接。大尺寸空間三維影院放映方法是主控計算機陣列3對顯示的三維模型或?qū)嶋H采 集的三維場景處理成顯示的二維真彩色圖像序列，并按順序送入環(huán)狀分布投影儀陣列2 ； 同步控制模塊4對環(huán)狀分布投影儀陣列2進行同步控制，使環(huán)狀分布投影儀陣列2里的每 一個投影儀投影的圖像對應(yīng)于同一時刻的三維場景，環(huán)狀分布投影儀陣列2將二維真彩色 圖像投影到環(huán)狀定向散射屏1上，并對二維真彩色圖像的出射光線進行方向控制，在水平 方向上的發(fā)散角度與環(huán)狀分布投影儀陣列2的間隔相配合，在垂直方向上大角度散射；位 于觀眾區(qū)5內(nèi)的觀眾可以看到連續(xù)的多個投影儀的組合圖像，并產(chǎn)生雙目視差，形成立體 視覺，保證位于觀眾區(qū)5內(nèi)的觀眾均能觀察到位于空間三維圖像顯示區(qū)6內(nèi)的三維場景。如圖3所示，大尺寸空間三維影院放映光學(xué)系統(tǒng)，所述的環(huán)狀定向散射屏1是反射 式的定向散射屏。環(huán)狀分布投影儀陣列2分布于環(huán)狀定向透射屏1的外部其分布與屏幕同 樣旋轉(zhuǎn)對稱中心。環(huán)狀定向散射屏將投影機陣列投射其上的圖像反射出來，在水平方向小 角度出射，在垂直方向以大的發(fā)散角度散射。在觀察區(qū)的每一個位置僅能看到對應(yīng)于這個 位置的一個投影儀投射出的小窄條圖像，而每一個位置能看到多個投影儀投射出的多個窄 條圖像的組合圖像形成這一位置完整的畫面。而在觀眾區(qū)5的不同位置上均能看到對應(yīng)于 相應(yīng)位置的不同圖像，這就能保證在觀眾區(qū)5人的雙眼看到的兩幅圖像是不同的，通過雙 目視差形成三維視覺。如圖4所示，大尺寸空間三維影院放映光學(xué)系統(tǒng)，所述的環(huán)狀定向散射屏1是透射 式的定向散射屏。環(huán)狀分布投影儀陣列2分布于定向透射屏的內(nèi)部且其分布與屏幕同樣旋 轉(zhuǎn)對稱中心。環(huán)狀定向散射屏1將內(nèi)部的環(huán)狀分布投影機陣列2投射其上的圖像透射出來， 在水平方向小角度出射，在垂直方向以大的發(fā)散角度散射。在外部的觀察區(qū)的每一個位置 僅能看到對應(yīng)于這個位置的一個投影儀投射出的小窄條圖像，而每一個位置能看到多個投 影儀投射出的多個窄條圖像的組合圖像形成這一位置完整的畫面。而在觀眾區(qū)5的不同位 置上均能看到對應(yīng)于相應(yīng)位置的不同圖像，這就能保證在觀眾區(qū)5人的雙眼看到的兩幅圖 像是不同的，通過雙目視差形成三維視覺。如圖5所示，環(huán)狀定向散射屏1的形狀是旋轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)的屏幕。所述的旋轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)的屏幕是圓柱狀屏或錐狀屏。在前述討論的系統(tǒng)均是采用圓柱型環(huán)狀二向反射式散射 特性屏來進行討論及說明的。我們也可以采用錐狀二向反射式散射特性屏或其它旋轉(zhuǎn)對稱 結(jié)構(gòu)的屏幕實現(xiàn)類似的顯示效果。不同的是，由于錐面反射以及屏幕散射特性的原因，在采 用錐面屏的系統(tǒng)中觀眾最佳的觀看角度是與錐面垂直的角度，因此位于觀眾區(qū)5的觀眾需 要俯視空間顯示的三維場景，當然俯視的角度由錐面屏幕的錐角所決定。如圖6所示，環(huán)狀排布的投影儀陣列2按照視點間隔進行排布；采用多排環(huán)狀排布 或斜排環(huán)狀排布以保證觀察區(qū)的觀察者產(chǎn)生雙目視差。環(huán)狀投影儀陣列的排布可以有兩大 類排布模式等間隔環(huán)狀排布(單圈或多圈環(huán)狀排布)或等間隔斜錯位環(huán)狀排布(也可以 單圈或多圈環(huán)狀等間隔斜錯位環(huán)狀排布)。對于不同的應(yīng)用場合，環(huán)狀投影儀陣列需要采 用不同的排列方式。前一種適合于投影儀較小的場合，即相鄰?fù)队皟x的軸線間距很小的場 合；對于大空間三維場景必須采用較大功率的投影儀，這是投影儀投影軸的間距比較大，為 了保證三維顯示的視角數(shù)，需要較小的投影儀間隔，這是就可以采用斜錯位環(huán)狀排布投影 儀的方法，減小投影儀的間距。通過錯位排列克服因投影儀自身導(dǎo)致的間距不能減小的缺 點ο如圖7所示，環(huán)狀定向散射屏1是定向散射全息屏、光柵結(jié)構(gòu)的二元光學(xué)元件或一 個或多個微光學(xué)陣列的組合。所述的環(huán)狀定向散射屏1為二向反射或者透射散射特性屏 幕，具有水平方向符合對照射其上的光束按照反射或透射關(guān)系反射與透射，而在垂直方向 上則按照一定的散射(漫射)方式在一定的角度范圍實現(xiàn)均勻散射。其水平方向的發(fā)散角 與視點間隔分布相配合。該二向反射或透射散射特性屏可以用特殊設(shè)計的微光學(xué)結(jié)構(gòu)來實 現(xiàn)，如水平方向一定周期的光柵結(jié)構(gòu)，光柵的周期長度決定垂直方向散射角度的大小，水 平方向由于沒有調(diào)制，光束依然按照反射與透射規(guī)律傳播。也可以從微透鏡陣列來構(gòu)造散 射屏，通過保持微透鏡在水平方向無焦距而在垂直方向的焦距按照特定的散射角來設(shè)計， 就可以獲得本發(fā)明中需要的屏幕。也可以利用兩個不同方向的透鏡陣列調(diào)節(jié)透鏡陣列之間 的距離來實現(xiàn)對垂直方向散射光角度的控制。還可以制備全息散射屏，使得全息屏在水平 方向不散射，而在垂直方向散射來實現(xiàn)。對于單俯仰視角的空間三維顯示，所述的定向透射 與定向反射屏在垂直方向散射角應(yīng)該大于60°以上，最好大于90°的散射角；對于多俯仰 視角的空間三維顯示，如η個俯仰視角的空間三維顯示系統(tǒng)，所述的定向透射與定向反射 屏在垂直方向散射角應(yīng)設(shè)定在90° /n以上。
權(quán)利要求
一種大尺寸空間三維影院放映光學(xué)系統(tǒng)，其特性在于包括環(huán)狀定向散射屏(1)、環(huán)狀分布投影儀陣列(2)、主控計算機陣列(3)、同步控制模塊(4)、觀眾區(qū)(5)和空間三維圖像顯示區(qū)(6)；主控計算機陣列(3)與環(huán)狀分布投影儀陣列(2)相連接；同步控制模塊(4)與環(huán)狀分布投影儀陣列(2)相連接，環(huán)狀定向散射屏(1)內(nèi)外分別設(shè)有空間三維圖像顯示區(qū)(6)和觀眾區(qū)(5)；當環(huán)狀定向散射屏(1)為反射式的定向散射屏?xí)r，環(huán)狀分布投影儀陣列(2)分布于環(huán)狀定向散射屏(1)的外部；當環(huán)狀定向散射屏(1)為透射式的定向散射屏?xí)r，環(huán)狀分布投影儀陣列(2)分布于環(huán)狀定向散射屏(1)的內(nèi)部。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大尺寸空間三維影院放映光學(xué)系統(tǒng)，其特性在于所述的 環(huán)狀定向散射屏(1)是定向散射全息屏、光柵結(jié)構(gòu)的二元光學(xué)元件或一個或多個微光學(xué)陣 列的組合。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大尺寸空間三維影院放映光學(xué)系統(tǒng)，其特性在于所述的 環(huán)狀定向散射屏(1)的形狀是旋轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)的屏幕。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種大尺寸空間三維影院放映光學(xué)系統(tǒng)，其特性在于所述的 旋轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)的屏幕是圓柱狀屏或錐狀屏。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大尺寸空間三維影院放映光學(xué)系統(tǒng)，其特性在于所述的 環(huán)狀排布的投影儀陣列(2)按照視點間隔進行排布；采用多排環(huán)狀排布或斜排環(huán)狀排布。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大尺寸空間三維影院放映光學(xué)系統(tǒng)，其特性在于所述的 主控計算機陣列(3)是單臺計算機、多臺計算機或多臺計算機與圖像處理模塊的組合。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大尺寸空間三維影院放映光學(xué)系統(tǒng)，其特性在于所述的 主控計算機陣列(3)與環(huán)狀分布投影儀陣列(2)的連接方式是分量接口連接、AV接口連接、 D-Sub接口連接、HDMI接口連接、USB接口連接、以太網(wǎng)接口連接、1394接口連接或光纖接口 連接。
8. 一種使用如權(quán)利要求1所述系統(tǒng)的大尺寸空間三維影院放映方法，其特性在于主 控計算機陣列(3)對顯示的三維模型或?qū)嶋H采集的三維場景處理成顯示的二維真彩色圖 像序列，并按順序送入環(huán)狀分布投影儀陣列(2)；同步控制模塊(4)對環(huán)狀分布投影儀陣列 (2)進行同步控制，將二維真彩色圖像投影到環(huán)狀定向散射屏(1)上，并對二維真彩色圖像 的出射光線進行方向控制，在水平方向上的發(fā)散角度與環(huán)狀分布投影儀陣列(2)的間隔相 配合；位于觀眾區(qū)(5)內(nèi)的觀眾均能觀察到位于空間三維圖像顯示區(qū)(6)內(nèi)的三維場景。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種大尺寸空間三維影院放映光學(xué)系統(tǒng)及其方法。方法是主控計算機陣列對顯示的三維模型或?qū)嶋H采集的三維場景處理成顯示的二維真彩色圖像序列，并按順序送入環(huán)狀分布投影儀陣列；同步控制模塊對環(huán)狀分布投影儀陣列進行同步控制，將二維真彩色圖像投影到環(huán)狀定向散射屏上，并對二維真彩色圖像的出射光線進行方向控制，在水平方向上的發(fā)散角度與環(huán)狀分布投影儀陣列的間隔相配合；位于觀眾區(qū)內(nèi)的觀眾均能觀察到位于空間三維圖像顯示區(qū)內(nèi)的三維場景。本發(fā)明可實現(xiàn)空間大場景的真實三維顯示，使觀察區(qū)不同位置的觀察者均能裸眼觀察到對應(yīng)于這一視角的相應(yīng)三維場景，讓觀察者感受到一種身臨其境的感受。
文檔編號G03B21/60GK101982806SQ201010285539
公開日2011年3月2日 申請日期2010年9月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月17日
發(fā)明者劉旭, 夏新星, 李海峰, 顏才杰 申請人:浙江大學(xué)