專利名稱：基于高速投影機(jī)的真彩色360°三維顯示裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于三維顯示技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及ー種基于高速投影機(jī)的真彩色360°視場三維顯示裝置和方法。
背景技術(shù)：
視覺是人類認(rèn)識世界、認(rèn)識自然的主要途徑，人類獲得的信息大多數(shù)來自視覺。而長期以來，表達(dá)可視信息的主要手段仍然是ニ維的。傳統(tǒng)ニ維顯示技術(shù)遺失了真實(shí)物理世界的深度信息，嚴(yán)重地阻礙了人類對客觀世界的感知。人類是天生的空間思維者，如何實(shí)現(xiàn)真實(shí)空間三維顯示一直是人們孜孜以求的目標(biāo)。目前，三維顯示技術(shù)主要分為四類體視三維顯示技術(shù)、自體視三維顯示技術(shù)、體三維顯示技術(shù)、光場三維顯示技術(shù)以及全息三維顯示技術(shù)等?？臻g三維顯示是一種能夠在ー個(gè)真正具有寬度、高度和深度的真實(shí)三維空間內(nèi)進(jìn)行圖像信息再現(xiàn)的技術(shù)，可供多個(gè)觀察者同時(shí)環(huán)繞觀看，是目前的研究熱點(diǎn)。體三維顯示技術(shù)是通過適當(dāng)方式來激勵(lì)位于透明顯示體積內(nèi)的物質(zhì)，利用可見輻射的產(chǎn)生、吸收或散射而形成體素來實(shí)現(xiàn)三維顯示。光場三維顯示技術(shù)通過再現(xiàn)三維物體向各個(gè)方向發(fā)射的光線的方式將要顯示三維場景的各個(gè)側(cè)面的圖像準(zhǔn)確地成像到相應(yīng)的方位。采用這種技術(shù)重建三維圖像，眾多觀看者能以其習(xí)慣的觀看方式同時(shí)觀看到空間三維場景360°的各個(gè)側(cè)面，猶如ー個(gè)在現(xiàn)實(shí)空間的三維物體一祥，能自動(dòng)滿足多種生理和心理深度暗示，可多人、多角度、同時(shí)、裸眼觀察，無需任何助視儀器，符合人類在視覺觀察及深度感知方面的自然生理習(xí)慣。目前，高速投影機(jī)在 體三維顯示和光場三維顯示中均有比較重要的應(yīng)用，但實(shí)現(xiàn)的三維顯示目前多數(shù)采用高速投影ニ值圖像來實(shí)現(xiàn)，沒有實(shí)現(xiàn)真彩色的三維顯示。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種基于高速投影機(jī)的真彩色360°視場三維顯示裝置和顯示方法，利用了 LED的快速響應(yīng)特性，通過對LED亮度的時(shí)序調(diào)制降低了實(shí)現(xiàn)真彩色360°視場三維顯示所需要高速投影機(jī)投影ニ值圖像的幀頻，實(shí)現(xiàn)了可供多人多視角裸眼同時(shí)觀看的真彩色360°視場三維顯示，提高了三維顯示的圖像質(zhì)量，從而克服現(xiàn)有技術(shù)的不足。一種基于高速投影機(jī)的真彩色360°三維顯示裝置，其特征在干，包括LED光源組、第一照明光學(xué)系統(tǒng)、第二照明光學(xué)系統(tǒng)、第三照明光學(xué)系統(tǒng)、第一高速空間光調(diào)制器、第ニ高速空間光調(diào)制器、第三高速空間光調(diào)制器、合色棱鏡、投影鏡頭、定向散射屏、轉(zhuǎn)動(dòng)裝置、轉(zhuǎn)動(dòng)檢測模塊和光源驅(qū)動(dòng)控制模塊，其中LED光源組，包括紅色LED光源、綠色LED光源和藍(lán)色LED光源，作為高速投影機(jī)的照明光源，與光源驅(qū)動(dòng)控制模塊連接；第一照明光學(xué)系統(tǒng)，將紅色LED光源發(fā)出的光線進(jìn)行收集并作為照明光會聚到第一高速空間光調(diào)制器上；
第二照明光學(xué)系統(tǒng)，將綠色LED光源發(fā)出的光線進(jìn)行收集并作為照明光會聚到第ニ高速空間光調(diào)制器上；第三照明光學(xué)系統(tǒng)，將藍(lán)色LED光源發(fā)出的光線進(jìn)行收集并作為照明光會聚到第三高速空間光調(diào)制器上；第一高速空間光調(diào)制器，被紅色照明光束照亮，將需要顯示紅色分量的ニ值圖像加載其上并按順序高速顯示出來；第二高速空間光調(diào)制器，被緑色照明光束照亮，將需要顯示綠色分量的ニ值圖像加載其上并按順序高速顯示出來；第三高速空間光調(diào)制器，被藍(lán)色照明光束照亮，將需要顯示藍(lán)色分量的ニ值圖像加載其上并按順序高速顯示出來；合色棱鏡，將分別帶有圖像信息的紅色光束、綠色光束、藍(lán)色光束合成為具有相同光軸方向的光束；投影鏡頭，將合成后的具有相同光軸方向的光束投影到定向散射屏上；定向散射屏，對投影其上的光束的出射角度進(jìn)行控制，保證觀察區(qū)域的觀察者的雙眼看到具有視差的圖像；轉(zhuǎn)動(dòng)裝置，與定向散射屏連接，并帶動(dòng)定向散射屏轉(zhuǎn)動(dòng)；轉(zhuǎn)動(dòng)檢測模塊，檢測轉(zhuǎn)動(dòng)裝置的轉(zhuǎn)速信號和角度位置并傳輸給光源驅(qū)動(dòng)控制模塊；光源驅(qū)動(dòng)控制模塊，根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)裝置的轉(zhuǎn)速信號和角度位置控制驅(qū)動(dòng)LED光源的電流大小，同時(shí)根據(jù)轉(zhuǎn)速信號 和角度位置控制第一高速空間光調(diào)制器、第二高速空間光調(diào)制器以及第三高速空間光調(diào)制器上需要加載的ニ值圖像的同步更新。所述LED光源組為紅色、綠色和藍(lán)色三色分離的三塊高亮度LED芯片或LED芯片陣列。所述第一高速空間光調(diào)制器、第二高速空間光調(diào)制器和第三高速空間光調(diào)制器為反射型的高速數(shù)字微鏡器件。所述定向散射屏為反射式偏折型散射屏，該反射式偏折型散射屏底面與電機(jī)轉(zhuǎn)軸垂直，由光柵方向互相平行的反射式鋸齒型光柵和柱面光柵構(gòu)成。所述定向散射屏為斜面定向散射屏，由柱面光柵構(gòu)成，光柵方向與電機(jī)轉(zhuǎn)軸的徑向方向垂直，斜面定向散射屏底面與電機(jī)轉(zhuǎn)軸成ct角，ct 一般為30 60°。所述轉(zhuǎn)動(dòng)檢測模塊為基于現(xiàn)場可編程門陣列為核心的控制模塊或基于數(shù)字信號處理器為核心的控制模塊。所述光源驅(qū)動(dòng)控制模塊為基于現(xiàn)場可編程門陣列為核心的恒流源控制模塊或基于單片機(jī)為核心的恒流源控制模塊，用于時(shí)序控制點(diǎn)亮LED光源的電流。本發(fā)明還提供了一種基于高速投影機(jī)的真彩色360°三維顯示方法，包括(I)計(jì)算機(jī)根據(jù)三維模型、高速投影機(jī)的視場角和距離定向散射屏的距離、定向散射屏的尺寸、觀察者位置、色彩深度等參數(shù)計(jì)算需要投影的三通道圖像序列信息；(2)計(jì)算機(jī)將需要顯示的三通道圖像序列信息分別傳入第一高速空間光調(diào)制器、第二高速空間光調(diào)制器和第三高速空間光調(diào)制器以供顯示；(3)定向散射屏安裝在轉(zhuǎn)動(dòng)裝置上并由其帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)檢測模塊檢測轉(zhuǎn)動(dòng)裝置的轉(zhuǎn)速信號和角度位置并傳輸給光源驅(qū)動(dòng)控制模塊，光源驅(qū)動(dòng)控制模塊與高速投影機(jī)相連接，并將傳入的轉(zhuǎn)動(dòng)裝置的轉(zhuǎn)速和角度位置信號傳送給高速投影機(jī)；
(4)定向散射屏每旋轉(zhuǎn)ー圈，光源驅(qū)動(dòng)控制模塊改變一次驅(qū)動(dòng)LED光源的電流來改變LED光源的亮度以適應(yīng)相應(yīng)的灰階；(5)定向散射屏每旋轉(zhuǎn)ー圈的過程中，第一高速空間光調(diào)制器、第二高速空間光調(diào)制器和第三高速空間光調(diào)制器分別顯示相應(yīng)的單個(gè)灰階的M幅圖像，并通過合色棱鏡合成為彩色圖像，經(jīng)投影鏡頭投影到定向散射屏上；(6)定向散射屏旋轉(zhuǎn)N圏，第一高速空間光調(diào)制器、第二高速空間光調(diào)制器和第三高速空間光調(diào)制器分別顯示了 NXM幅圖像并順序投影到定向散射屏上，通過定向散射屏對出射光線的限制，每個(gè)視點(diǎn)可觀察到圖像為3X2N色，位于周圍的觀察者均可以觀察到真彩色的空間三維場景。所述的M為100-2000，所述的N為1-8。本發(fā)明將LED的亮度調(diào)制和現(xiàn)有幀頻的高速空間光調(diào)制器結(jié)合起來，并采用定向散射屏控制出射光線的出射角度，實(shí)現(xiàn)了真彩色360°視場空間三維顯示，提高了空間三維顯示的圖像分辨率、色深度以及刷新頻率。


圖1是本發(fā)明的基于高速投影機(jī)的真彩色360°三維顯示裝置的實(shí)施例1的示意圖。圖2是本發(fā)明的基于高速投影機(jī)的真彩色360°三維顯示裝置的實(shí)施例1中反射式偏折型散射屏的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1為LED光源組、21為第一照明光學(xué)系統(tǒng)、22為第二照明光學(xué)系統(tǒng)、23為第三照明光學(xué)系統(tǒng)、31為第一高速空間光調(diào)制器、32為第二高速空間光調(diào)制器、33為第三高速空間光調(diào)制器、4為合色棱鏡、5為投影鏡頭、6為反射式偏折型散射屏、7為轉(zhuǎn)動(dòng)裝置、8為轉(zhuǎn)動(dòng)檢測模塊、9為光源驅(qū)動(dòng)控制模塊、為斜面定向散射屏。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例和附圖來詳細(xì)說明本發(fā)明，但本發(fā)明并不僅限于此。實(shí)施例1如圖1所示，一種基于高速投影機(jī)的真彩色360°視場三維顯示裝置，包括LED光源組1、第一照明光學(xué)系統(tǒng)21、第二照明光學(xué)系統(tǒng)22、第三照明光學(xué)系統(tǒng)23、第一高速空間光調(diào)制器31、第二高速空間光調(diào)制器32、第三高速空間光調(diào)制器33、合色棱鏡4、投影鏡頭
5、反射式偏折型散射屏6、轉(zhuǎn)動(dòng)裝置7、轉(zhuǎn)動(dòng)檢測模塊8和光源驅(qū)動(dòng)控制模塊9。LED光源組1、第一照明光學(xué)系統(tǒng)21、第二照明光學(xué)系統(tǒng)22、第三照明光學(xué)系統(tǒng)23、第一高速空間光調(diào)制器31、第二高速空間光調(diào)制器32、第三高速空間光調(diào)制器32、合色棱鏡4、投影鏡頭5組成了三通道的彩色高速投影機(jī)。LED光源組I作為高速投影機(jī)的照明光源，與光源驅(qū)動(dòng)控制模塊9連接。LED光源組I包括紅色LED光源、綠色LED光源和藍(lán)色LED光源，具體為紅色、綠色和藍(lán)色三色分離的三塊高亮度LED芯片或LED芯片陣列。紅色LED光源、綠色LED光源和藍(lán)色LED光源的亮度由驅(qū)動(dòng)各個(gè)LED光源的電流所決定，在系統(tǒng)中由光源驅(qū)動(dòng)控制模塊9控制。第一照明光學(xué)系統(tǒng)21、第二照明光學(xué)系統(tǒng)22和第三照明光學(xué)系統(tǒng)23分別對應(yīng)了紅色、緑色和藍(lán)色的LED光源。第一照明光學(xué)系統(tǒng)21，將紅色LED光源發(fā)出的光線進(jìn)行收集并作為照明光會聚到第一高速空間光調(diào)制器31上；第二照明光學(xué)系統(tǒng)22，將綠色LED光源發(fā)出的光線進(jìn)行收集并作為照明光會聚到第二高速空間光調(diào)制器32上；第三照明光學(xué)系統(tǒng)23，將藍(lán)色LED光源發(fā)出的光線進(jìn)行收集并作為照明光會聚到第三高速空間光調(diào)制器33上。第一照明光學(xué)系統(tǒng)21、第二照明光學(xué)系統(tǒng)22和第三照明光學(xué)系統(tǒng)23 —般為方棒積分器件和透鏡的組合、復(fù)眼透鏡和透鏡的組合等，其目標(biāo)都是獲取與空間光調(diào)制器的面積相匹配的均勻光斑，充分提高光源的能量利用率。第一高速空間光調(diào)制器31、第二高速空間光調(diào)制器32和第三高速空間光調(diào)制器33分別將需要顯示紅色分量、藍(lán)色分量和綠色分量的對應(yīng)二值圖像加載其上并按順序同步地高速顯示出來。由于目前液晶(IXD)空間光調(diào)制器、硅基液晶(LCOS)空間光調(diào)制器的刷新頻率不能太高，本發(fā)明中的第一高速空間光調(diào)制器31、第二高速空間光調(diào)制器32和第三高速空間光調(diào)制器33 —般采用反射型的高速數(shù)字微鏡器件(DMD)。合色棱鏡4，一般為X棱鏡、Philips棱鏡或兩個(gè)不同分色鏡的組合。將分別帶有空間光調(diào)制器加載圖像信息的紅、綠、藍(lán)三束光合成為具有相同方向的光束并通過投影鏡頭5投影到反射式偏折型散射屏6上。反射式偏折型散射屏6安裝在轉(zhuǎn)動(dòng)裝置7上，并由其帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，反射式偏折型散射屏6的底面與轉(zhuǎn)動(dòng)裝置7中的電機(jī)轉(zhuǎn)軸垂直。反射式偏折型散射屏6的形狀可以為圓形、矩形或多邊形等，一般多為圓形以便于降低機(jī)械旋轉(zhuǎn)帶來的裝置不穩(wěn)定、噪聲大等因素。反射式偏折型散射屏6由光柵方向互相平行的反射式鋸齒型光柵61和柱面光柵62構(gòu)成。反射式偏折型散射屏6把高速投影機(jī)的投影光線往一側(cè)偏折。以偏折方向?yàn)橹鞣较颍谂c主方向垂直的豎直方向上發(fā)生散射，而和主方向垂直的水平方向小角度反射。轉(zhuǎn)動(dòng)檢測模塊8，檢測轉(zhuǎn)動(dòng)裝置7的轉(zhuǎn)速和角度位置信號并傳輸給光源驅(qū)動(dòng)控制模塊9來確定光源驅(qū)動(dòng)控制模塊9需要改變驅(qū)動(dòng)LED光源組I亮度的時(shí)刻。轉(zhuǎn)動(dòng)檢測模塊8—般為基于現(xiàn)場可編程門陣列為核心的控制模塊或基于數(shù)字信號處理器為核心的控制模塊，通過對轉(zhuǎn)動(dòng)裝置7的轉(zhuǎn)速和角度位置信號的采集處理整形后傳輸給光源驅(qū)動(dòng)控制模塊9。光源驅(qū)動(dòng)控制模塊9為基于現(xiàn)場可編程門陣列為核心的恒流源控制模塊或基于單片機(jī)為核心的恒流源控制模塊，通過轉(zhuǎn)動(dòng)檢測模塊8傳入的信號對驅(qū)動(dòng)LED光源組I的電流進(jìn)行時(shí)序控制，從而改變不同時(shí)刻LED光源組I的亮度。光源驅(qū)動(dòng)控制模塊同時(shí)與高速投影機(jī)相連接，并將傳入的轉(zhuǎn)動(dòng)裝置的轉(zhuǎn)速和角度位置信號傳送給高速投影機(jī)以控制第一高速空間光調(diào)制器31、第二高速空間光調(diào)制器32和第三高速空間光調(diào)制器33的圖像同步刷新。假設(shè)反射式偏折型散射屏6每旋轉(zhuǎn)一圈，光源驅(qū)動(dòng)控制模塊改變一次驅(qū)動(dòng)LED光源的電流，第一高速空間光調(diào)制器31、第二高速空間光調(diào)制器32和第三高速空間光調(diào)制器33高速地時(shí)序顯示出對應(yīng)灰階的M幅圖像并投影到反射式偏折型散射屏6上。通過反射式偏折型散射屏6對出射光線的限制及其360°掃描，每個(gè)視點(diǎn)位置可觀察到圖像為3X2n色，位于周圍360°觀察區(qū)域的觀察者可以觀察到真彩色的空間三維場景，三維場景懸浮于反射式偏折型散射屏6的上方，顯示圖像真實(shí)細(xì)膩，顏色豐富。如圖2所示，反射式偏折型散射屏6由反射式鋸齒型光柵61和柱面光柵62構(gòu)成，并且兩者的光柵方向互相平行。反射式偏折型散射屏6把高速投影機(jī)的投影光線往一側(cè)偏折。以偏折方向?yàn)橹鞣较?，在與主方向垂直的豎直方向上發(fā)生散射，而和主方向垂直的水平方向小角度反射。反射式鋸齒型光柵61將透射的高速投影機(jī)2的投影主光線往一側(cè)偏折，反射式鋸齒型光柵61的鋸齒楔角決定了主偏折角度的大小和方向；柱面光柵62將投影在其上的圖像在光柵方向上和垂直于光柵方向上分別對其出射角度進(jìn)行限制，在光柵方向上以比較小的發(fā)散角度出射，在垂直于光柵方向上以比較大的角度進(jìn)行散射。反射式偏折型散射屏6在和偏折方向垂直的水平方向上以小角度出射,其角度大小一般小于360/M°。而反射式偏折型散射屏6在與偏折方向垂直的豎直方向上發(fā)生以大角度散射，但其散射上端的最邊緣光線的水平方向與偏折方向的水平分量方向相同，否則在偏折方向另外一側(cè)也能看到部分的圖像。實(shí)施例2一種基于高速投影機(jī)的真彩色360°三維顯示裝置，包括LED光源組1、第一照明光學(xué)系統(tǒng)21、第二照明光學(xué)系統(tǒng)22、第三照明光學(xué)系統(tǒng)23、第一高速空間光調(diào)制器31、第二高速空間光調(diào)制器32、第三高速空間光調(diào)制器33、合色棱鏡4、投影鏡頭5、轉(zhuǎn)動(dòng)裝置7、轉(zhuǎn)動(dòng)檢測模塊8、光源驅(qū)動(dòng)控制模塊9和斜面定向散射屏。LED光源組1、第一照明光學(xué)系統(tǒng)21、第二照明光學(xué)系統(tǒng)22、第三照明光學(xué)系統(tǒng)23、第一高速空間光調(diào)制器31、第二高速空間光調(diào)制器32、第三高速空間光調(diào)制器32、合色棱鏡4、投影鏡頭5組成了三通道的彩色高速投影機(jī)。LED光源組I作為高速投影機(jī)的照明光源，與光源驅(qū)動(dòng)控制模塊9連接。LED光源組I包括紅色、綠色和藍(lán)色三色分離的三塊高亮度LED芯片或LED芯片陣列。LED光源的亮度由驅(qū)動(dòng)各個(gè)LED的電流所決定，在系統(tǒng)中由光源驅(qū)動(dòng)控制模塊9控制。第一照明光學(xué)系統(tǒng)21、第二照明光學(xué)系統(tǒng)22和第三照明光學(xué)系統(tǒng)23分別對應(yīng)了紅色、綠色和藍(lán)色的LED光源。第一 照明光學(xué)系統(tǒng)21，將紅色LED光源發(fā)出的光線進(jìn)行收集并會聚到第一高速空間光調(diào)制器31上；第二照明光學(xué)系統(tǒng)22，將綠色LED光源發(fā)出的光線進(jìn)行收集并會聚到第二高速空間光調(diào)制器32上；第三照明光學(xué)系統(tǒng)23，將藍(lán)色LED光源發(fā)出的光線進(jìn)行收集并會聚到第三高速空間光調(diào)制器33上。第一照明光學(xué)系統(tǒng)21、第二照明光學(xué)系統(tǒng)22和第三照明光學(xué)系統(tǒng)23 —般為方棒積分器件和透鏡的組合、復(fù)眼透鏡和透鏡的組合等，其目標(biāo)都是獲取與空間光調(diào)制器的面積相匹配的均勻光斑，充分提高光源的能量利用率。第一高速空間光調(diào)制器31、第二高速空間光調(diào)制器32和第三高速空間光調(diào)制器33分別將需要顯示紅色分量、藍(lán)色分量和綠色分量的對應(yīng)二值圖像加載其上并按順序同步地高速顯示出來。由于目前液晶(IXD)空間光調(diào)制器、硅基液晶(LCOS)空間光調(diào)制器的刷新頻率不能太高，本發(fā)明中的第一高速空間光調(diào)制器31、第二高速空間光調(diào)制器32和第三高速空間光調(diào)制器33 —般采用反射型的高速數(shù)字微鏡器件(DMD)。合色棱鏡4，一般為X棱鏡、Philips棱鏡或兩個(gè)不同分色鏡的組合。將分別帶有空間光調(diào)制器加載圖像信息的紅、綠、藍(lán)三束光合成為具有相同方向的光束并通過投影鏡頭5投影到斜面定向散射屏上。斜面定向散射屏安裝在轉(zhuǎn)動(dòng)裝置7上，并由其帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)。斜面定向散射屏由反射式柱面光柵構(gòu)成，光柵方向與徑向方向垂直，其底面與電機(jī)轉(zhuǎn)軸成α角，α —般為3(Γ60°。斜面定向散射屏把高速投影機(jī)的投影光線往一側(cè)偏折反射。以斜面定向散射屏的底面為基準(zhǔn)面對高速投影機(jī)的投影光線進(jìn)行反射，主偏折方向由斜面定向散射屏底面與電機(jī)轉(zhuǎn)軸的傾角決定。反射式柱面光柵在與主偏折方向垂直的豎直方向上發(fā)生散射，而和主方向偏折垂直的水平方向小角度反射。轉(zhuǎn)動(dòng)檢測模塊8，檢測轉(zhuǎn)動(dòng)裝置7的轉(zhuǎn)速和角度位置信號并傳輸給光源驅(qū)動(dòng)控制模塊9來確定光源驅(qū)動(dòng)控制模塊9需要改變驅(qū)動(dòng)LED光源組I亮度的時(shí)刻。轉(zhuǎn)動(dòng)檢測模塊8一般為基于現(xiàn)場可編程門陣列為核心的控制模塊或基于數(shù)字信號處理器為核心的控制模塊，通過對轉(zhuǎn)動(dòng)裝置7的轉(zhuǎn)速和角度位置信號的采集處理整形后傳輸給光源驅(qū)動(dòng)控制模塊9。光源驅(qū)動(dòng)控制模塊9為基于現(xiàn)場可編程門陣列為核心的恒流源控制模塊或基于單片機(jī)為核心的恒流源控制模塊，通過轉(zhuǎn)動(dòng)檢測模塊8傳入的信號對驅(qū)動(dòng)LED光源組I的電流進(jìn)行時(shí)序控制，從而改變不同時(shí)刻LED光源組I的亮度。假設(shè)斜面定向散射屏每旋轉(zhuǎn)一圈，光源驅(qū)動(dòng)控制模塊改變一次驅(qū)動(dòng)LED光源的電流，第一高速空間光調(diào)制器31、第二高速空間光調(diào)制器32和第三高速空間光調(diào)制器33高速地時(shí)序顯示出對應(yīng)灰階的M幅圖像并投影到斜面定向散射屏上。通過斜面定向散射屏對出射光線的限制，每個(gè)視點(diǎn)位置可觀察到圖像為3X2N&，位于周圍360°觀察區(qū)域的觀察者可以觀察到真彩色的空間三維場景，顯示圖像真實(shí)細(xì)膩，顏色豐富。如圖1所示，一種基于高速投影機(jī)的真彩色360°三維顯示方法首先，計(jì)算機(jī)需要根據(jù)需要顯示的彩色空間三維模型數(shù)據(jù)、以及硬件系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)高速投影機(jī)的視場角和距離定向散射屏的距離、定向散射屏的尺寸、觀察者位置和一周投影圖像數(shù)M等來計(jì)算需要投影的RGB三通道的真彩色圖像序列信息，每個(gè)通道的真彩色圖像序列的數(shù)量為M，每幅圖單通道的色深度為8位。根據(jù)需要顯示的色彩深度N (—般N < 8)對上面計(jì)算出的RGB三通道圖像序列信息進(jìn)行二值量化處理，得到每通道對應(yīng)的2NXM幅二值圖像。由于考慮到高速投影機(jī)的幀頻以及三維場景的刷新頻率，我們一般選取M 為 100-2000。其次，計(jì)算機(jī)將上述計(jì)算以供顯示的RGB三通道圖像序列(每通道2nXM幅二值圖像)分別通過高速連接接口傳入第一高速空間光調(diào)制器、第二高速空間光調(diào)制器和第三高速空間光調(diào)制器的存儲器中以供顯示，高速連接接口 一般為USB接口，千兆網(wǎng)接口，高清視頻接口(DVI，HDMI)，PC1-E 接口等。在硬件上，轉(zhuǎn)動(dòng)裝置由電機(jī)驅(qū)動(dòng)并帶動(dòng)定向散射屏旋轉(zhuǎn)，一般情況下轉(zhuǎn)動(dòng)裝置的轉(zhuǎn)軸與高速投影機(jī)的光軸重合。轉(zhuǎn)動(dòng)檢測模塊通過與轉(zhuǎn)動(dòng)裝置相連接的傳感器(接觸式、非接觸式)檢測轉(zhuǎn)動(dòng)裝置的轉(zhuǎn)速和角度位置信號并傳輸給光源驅(qū)動(dòng)控制模塊以及高速投影機(jī)。高速投影機(jī)根據(jù)傳入的轉(zhuǎn)動(dòng)裝置的轉(zhuǎn)速和角度位置信號，以及一周投影圖像數(shù)M，計(jì)算出每幅二值圖像所要顯示的時(shí)間以及開始顯示的位置。定向散射屏在開始旋轉(zhuǎn)第I圈時(shí)，光源驅(qū)動(dòng)控制模塊改變驅(qū)動(dòng)紅色LED光源的電流為I1來改變紅色LED光源的亮度為L1，與此同時(shí)第一高速空間光調(diào)制器開始投影與紅色LED光源的亮度L1相對應(yīng)的M幅二值圖像序列，當(dāng)定向散射屏旋轉(zhuǎn)到不同位置的時(shí)候顯示相對應(yīng)的二值圖像；定向散射屏完成第I圈旋轉(zhuǎn)，開始旋轉(zhuǎn)第2圈時(shí)，光源驅(qū)動(dòng)控制模塊改變驅(qū)動(dòng)紅色LED光源的電流為I2來改變紅色LED光源的亮度為L2,與此同時(shí)第一高速空間光調(diào)制器開始投影與紅色LED光源的亮度L2相對應(yīng)的M幅二值圖像序列，當(dāng)定向散射屏旋轉(zhuǎn)到不同位置的時(shí)候顯示相對應(yīng)的二值圖像；以此類推，當(dāng)定向散射屏開始旋轉(zhuǎn)第i圈時(shí)，光源驅(qū)動(dòng)控制模塊改變驅(qū)動(dòng)紅色LED光源的電流為Ii來改變紅色LED光源的亮度為Li,與此同時(shí)第一高速空間光調(diào)制器開始投影與紅色LED光源的亮度Li相對應(yīng)的M幅二值圖像序列；當(dāng)定向散射屏旋轉(zhuǎn)了 N圈后，第一高速空間光調(diào)制器共顯示了 NXM幅二值圖像。因此，在某一角度位置上投影的圖像信息為每一圈的對應(yīng)此位置的圖像與該圈光源亮度乘積的疊加。類似地，第二高速空間光調(diào)制器和第三高速空間光調(diào)制器在定向散射屏旋轉(zhuǎn)了 N圈的過程中也分別順序顯示了對應(yīng)的NXM幅二值圖像。每旋轉(zhuǎn)一圈，光源驅(qū)動(dòng)模塊對與第二高速空間光調(diào)制器相對應(yīng)的綠色LED光源以及與第三高速空間光調(diào)制器相對應(yīng)的藍(lán)色LED光源的驅(qū)動(dòng)電流分別進(jìn)行改變實(shí)現(xiàn)對其亮度的調(diào)節(jié)以適應(yīng)不同的灰階。第一高速空間光調(diào)制器、第二高速空間光調(diào)制器和第三高速空間光調(diào)制器分別順序同步顯示的NXM幅二值圖像，通過合色棱鏡合成為彩色圖像投影到定向散射屏上，通過定向散射屏對出射光線的限制，每個(gè)視點(diǎn)可觀察到圖像為3X2N&，位于周圍的觀察者均可以觀察到真彩色的空間三維場景。Li為將投影的灰度圖像量化為N幅二值圖像后，第i幅二值圖像對應(yīng)的光源亮度。在定向散射屏旋轉(zhuǎn)了 N圈的過程中，每一圈對應(yīng)的RGB LED均改變一次亮度，其亮度變化一般為逐漸增大的趨勢，這樣避免了電流的快速變化帶來的影響。采用的LED光源需具有比較高的響應(yīng)速度，以適應(yīng)圖像的高速切換。
權(quán)利要求
1.一種基于高速投影機(jī)的真彩色360°三維顯示裝置，其特征在于，包括LED光源組、第一照明光學(xué)系統(tǒng)、第二照明光學(xué)系統(tǒng)、第三照明光學(xué)系統(tǒng)、第一高速空間光調(diào)制器、第二高速空間光調(diào)制器、第三高速空間光調(diào)制器、合色棱鏡、投影鏡頭、定向散射屏、轉(zhuǎn)動(dòng)裝置、轉(zhuǎn)動(dòng)檢測模塊和光源驅(qū)動(dòng)控制模塊，其中 LED光源組，包括紅色LED光源、綠色LED光源和藍(lán)色LED光源，作為高速投影機(jī)的照明光源，與光源驅(qū)動(dòng)控制模塊連接； 第一照明光學(xué)系統(tǒng)，將紅色LED光源發(fā)出的光線進(jìn)行收集并作為照明光會聚到第一高速空間光調(diào)制器上； 第二照明光學(xué)系統(tǒng)，將綠色LED光源發(fā)出的光線進(jìn)行收集并作為照明光會聚到第二高速空間光調(diào)制器上； 第三照明光學(xué)系統(tǒng)，將藍(lán)色LED光源發(fā)出的光線進(jìn)行收集并作為照明光會聚到第三高速空間光調(diào)制器上； 第一高速空間光調(diào)制器，被紅色照明光束照亮，將需要顯示紅色分量的ニ值圖像加載其上并按順序高速顯示出來； 第二高速空間光調(diào)制器，被緑色照明光束照亮，將需要顯示綠色分量的ニ值圖像加載其上并按順序高速顯示出來； 第三高速空間光調(diào)制器，被藍(lán)色照明光束照亮，將需要顯示藍(lán)色分量的ニ值圖像加載其上并按順序高速顯示出來； 合色棱鏡，將分別帶有圖像信息的紅色光束、緑色光束、藍(lán)色光束合成為具有相同光軸方向的光束； 投影鏡頭，將合成后的具有相同光軸方向的光束投影到定向散射屏上； 定向散射屏，對投影其上的光束的出射角度進(jìn)行控制，保證觀察區(qū)域的觀察者的雙眼看到具有視差的圖像； 轉(zhuǎn)動(dòng)裝置，與定向散射屏連接，并帶動(dòng)定向散射屏轉(zhuǎn)動(dòng)； 轉(zhuǎn)動(dòng)檢測模塊，檢測轉(zhuǎn)動(dòng)裝置的轉(zhuǎn)速信號和角度位置并傳輸給光源驅(qū)動(dòng)控制模塊；光源驅(qū)動(dòng)控制模塊，根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)裝置的轉(zhuǎn)速信號和角度位置控制驅(qū)動(dòng)LED光源的電流大小，同時(shí)根據(jù)轉(zhuǎn)速和角度位置信號控制第一高速空間光調(diào)制器、第二高速空間光調(diào)制器以及第三高速空間光調(diào)制器上需要加載的ニ值圖像的同步更新。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于高速投影機(jī)的真彩色360°三維顯示裝置，其特征在干，所述LED光源組為紅色、綠色和藍(lán)色三色分離的三塊高亮度LED芯片或LED芯片陣列。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于高速投影機(jī)的真彩色360°三維顯示裝置，其特征在干，所述第一高速空間光調(diào)制器、第二高速空間光調(diào)制器和第三高速空間光調(diào)制器為反射型的高速數(shù)字微鏡器件。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于高速投影機(jī)的真彩色360°三維顯示裝置，其特征在干，所述定向散射屏為反射式偏折型散射屏，該反射式偏折型散射屏底面與電機(jī)轉(zhuǎn)軸垂直，由光柵方向互相平行的反射式鋸齒型光柵和柱面光柵構(gòu)成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于高速投影機(jī)的真彩色360°三維顯示裝置，其特征在干，所述定向散射屏為斜面定向散射屏，由柱面光柵構(gòu)成，光柵方向與電機(jī)轉(zhuǎn)軸的徑向方向垂直，斜面定向散射屏底面與電機(jī)轉(zhuǎn)軸成a角，a —般為3(T60°。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于高速投影機(jī)的真彩色360°三維顯示裝置，其特征在干，所述轉(zhuǎn)動(dòng)檢測模塊為基于現(xiàn)場可編程門陣列為核心的控制模塊或基于數(shù)字信號處理器為核心的控制模塊。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于高速投影機(jī)的真彩色360°三維顯示裝置，其特征在干，所述光源驅(qū)動(dòng)控制模塊為基于現(xiàn)場可編程門陣列為核心的恒流源控制模塊或基于單片機(jī)為核心的恒流源控制模塊，用于時(shí)序控制點(diǎn)亮LED光源的電流。
8.一種基于高速投影機(jī)的真彩色360°三維顯示方法，其特征在于，包括 (1)計(jì)算機(jī)根據(jù)三維模型、高速投影機(jī)的視場角和距離定向散射屏的距離、定向散射屏的尺寸、觀察者位置、色彩深度計(jì)算需要投影的三通道圖像序列信息； (2)計(jì)算機(jī)將需要顯示的三通道圖像序列信息分別傳入第一高速空間光調(diào)制器、第二高速空間光調(diào)制器和第三高速空間光調(diào)制器以供顯示； (3)定向散射屏安裝在轉(zhuǎn)動(dòng)裝置上并由其帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)檢測模塊檢測轉(zhuǎn)動(dòng)裝置的轉(zhuǎn)速和角度位置信號并傳輸給光源驅(qū)動(dòng)控制模塊，光源驅(qū)動(dòng)控制模塊與高速投影機(jī)相連接，并將傳入的轉(zhuǎn)動(dòng)裝置的轉(zhuǎn)速和角度位置信號傳送給高速投影機(jī)； (4)定向散射屏每旋轉(zhuǎn)ー圈，光源驅(qū)動(dòng)控制模塊改變一次驅(qū)動(dòng)LED光源的電流來改變LED光源的亮度以適應(yīng)相應(yīng)的灰階； (5)定向散射屏每旋轉(zhuǎn)ー圈的過程中，第一高速空間光調(diào)制器、第二高速空間光調(diào)制器和第三高速空間光調(diào)制器分別顯示相應(yīng)的單個(gè)灰階的M幅圖像，并通過合色棱鏡合成為彩色圖像，經(jīng)投影鏡頭投影到定向散射屏上； (6)定向散射屏旋轉(zhuǎn)N圏，第一高速空間光調(diào)制器、第二高速空間光調(diào)制器和第三高速空間光調(diào)制器分別顯示了 NXM幅圖像并順序投影到定向散射屏上，通過定向散射屏對出射光線的限制，每個(gè)視點(diǎn)可觀察到圖像為3X2N色，位于周圍的觀察者均可以觀察到真彩色的空間三維場景。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于高速投影機(jī)的真彩色360°三維顯示方法，其特征在干，所述的M為100-2000，所述的N為1-8。
全文摘要
本發(fā)明公開了基于高速投影機(jī)的真彩色360°三維顯示裝置，包括LED光源組、照明光學(xué)系統(tǒng)、空間光調(diào)制器、合色棱鏡、投影鏡頭、定向散射屏、轉(zhuǎn)動(dòng)裝置、轉(zhuǎn)動(dòng)檢測模塊和光源驅(qū)動(dòng)控制模塊。本發(fā)明還公開了基于高速投影機(jī)的真彩色360°三維顯示方法。本發(fā)明通過光源驅(qū)動(dòng)控制模塊對LED光源的光強(qiáng)進(jìn)行灰度二進(jìn)制編碼并與定向散射屏的轉(zhuǎn)動(dòng)保持同步，高速投影機(jī)將不同灰階的二值圖像序列時(shí)序投影到旋轉(zhuǎn)的定向散射屏上來實(shí)現(xiàn)360°視場三維顯示，實(shí)現(xiàn)了供多人多視角裸眼同時(shí)觀看的真彩色空間三維顯示，提高了三維顯示圖像的質(zhì)量，降低了對空間光調(diào)制器幀頻的要求。
文檔編號G03B21/60GK103064244SQ20131000584
公開日2013年4月24日 申請日期2013年1月7日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月7日
發(fā)明者劉旭, 夏新星, 李海峰, 蘇忱, 鄭臻榮 申請人:浙江大學(xué)