專利名稱：一種三維圖像實(shí)像顯示系統(tǒng)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明方法屬于信息技術(shù)、光電子技術(shù)領(lǐng)域背景技術(shù)目前，人們顯示三維景物是首先用各種方法構(gòu)成三維立體模型存入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，然后運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖形圖像處理方法，將三維景物投影到二維顯示平面上(各類顯示屏、投影儀)進(jìn)行觀察，當(dāng)需要變換視角時(shí)，又運(yùn)用上述方法將三維模型投影到另一視角對(duì)應(yīng)的合理的視平面上，然后進(jìn)行觀察。
通常所謂的立體電影是運(yùn)用兩臺(tái)放映機(jī)將影片投影到放映屏上，人戴上立體眼鏡可以感知到物體的深度差別，給出立體感覺。這種裝置顯示的仍然是平面圖像，仍然不能算作真正的三維顯示。
隨著激光技術(shù)的運(yùn)用和信息時(shí)代的到來，美國科學(xué)家目前已在一定范圍制造出了人工海市蜃樓群。據(jù)外刊報(bào)道，美國科學(xué)家已能將人工海市蜃樓景象重現(xiàn)戰(zhàn)場(chǎng)實(shí)況，戰(zhàn)場(chǎng)上的地形地貌，雙方作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)及其變化都能同時(shí)真實(shí)地在人造蜃景中展現(xiàn)出來，“戰(zhàn)場(chǎng)”被搬到了指揮員面前。這種虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)被視為高度機(jī)密，嚴(yán)加保護(hù)。因?yàn)檎l具有這種虛擬技術(shù)，誰就能更加對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)了如指掌，甚至可以打一場(chǎng)完全單向透明的戰(zhàn)爭。
這種系統(tǒng)就是新概念的信息“激光沙盤”。電腦把轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)的信息傳輸給激光發(fā)射器，激光發(fā)射器便向“沙盤”發(fā)射出一定頻率的激光。而“沙盤”是一個(gè)長寬各1米，高0.5米的空氣玻璃箱，其中密封著各種惰性氣體，箱內(nèi)的氣壓傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器及空氣懸浮顆粒傳感器等與電腦連接，以便制造蜃景，當(dāng)幾臺(tái)激光發(fā)射器按照數(shù)學(xué)信號(hào)連續(xù)快速射擊箱內(nèi)空氣后，一副清晰的彩色立體圖景就會(huì)展現(xiàn)面前，并隨著輸入圖像的變化而變化，比如山川、河流、道路、隘口、橋梁、車站、機(jī)場(chǎng)等。
東京-日立有限公司已經(jīng)開發(fā)出全景3D顯示器原型——TransPort。這種三維顯示系統(tǒng)由“日立人類交流實(shí)驗(yàn)室”開發(fā)而成，外觀呈圓柱體，在其底部和頂部分別有一臺(tái)投影儀和一面鏡子，兩者呈對(duì)立放置。圓柱體顯示器的中間則分布有24塊鏡面，它們環(huán)繞圓柱體的內(nèi)面排列開來。24塊鏡面的中央還有一塊顯示3D圖像的旋轉(zhuǎn)屏幕。在這個(gè)三維顯示器開始工作時(shí)，內(nèi)置照相機(jī)會(huì)首先從24個(gè)方向?qū)π枰上竦奈矬w(靜態(tài)或動(dòng)態(tài))進(jìn)行拍照，然后顯示器底部的投影儀會(huì)將這些照得的圖像投射到頂部的鏡子上去。圖像再按照一定的角度反射到24塊鏡面，最后到達(dá)中央顯示屏以形成3D圖像，其圖像的旋轉(zhuǎn)速率為1秒30次。這種屏幕能夠依次顯示一個(gè)圖像的24個(gè)反射畫面。由于其顯示屏為雙面設(shè)計(jì)，因此，觀眾在特定的角度(為了不會(huì)產(chǎn)生圖像重疊，該顯示屏具有較大的視角限制)上就能夠看到1/60秒的圖像，這樣，在觀眾的眼里就形成了三維畫面。目前，日立正在對(duì)這種三維顯示器的商業(yè)前景做可行性研究。它可能被用于廣告或者街機(jī)游戲的顯示，能夠同時(shí)顯示全彩的靜止和運(yùn)動(dòng)圖像，日立表示，這種技術(shù)將很有希望取代現(xiàn)在的全景顯示技術(shù)。全景顯示技術(shù)曾被認(rèn)為是顯示三維圖像的最佳渠道，但它在顯示運(yùn)動(dòng)圖像時(shí)還需要解決很多技術(shù)難題。
本項(xiàng)發(fā)明提出一種顯示真三維彩色景物圖像的方法，及該發(fā)明方法和方案，可以把存在計(jì)算機(jī)中的三維景物用構(gòu)成三維實(shí)像的方式進(jìn)行顯示，實(shí)現(xiàn)真正的三維顯示，在這種裝置所在環(huán)境中，人觀察三維物體，可以圍繞實(shí)像，就像看沙盤一樣任意觀察。

發(fā)明內(nèi)容
本項(xiàng)發(fā)明的目的是為了將存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)中的三維彩色立體模型(包括動(dòng)態(tài)的三維彩色立體模型序列-三維電影)在空間中顯示出來，使人可以在該顯示區(qū)域周圍從任意角度觀察該裝置形成的實(shí)像或?qū)嵪裥蛄小?br> 該三維圖像實(shí)像顯示系統(tǒng)由高速計(jì)算機(jī)、拋物面反射鏡、拋物面反射鏡伺服系統(tǒng)幾個(gè)部分構(gòu)成。將待顯示的三維彩色景物模型存入計(jì)算機(jī)，該三維景物可以表達(dá)為幾個(gè)垂直剖面，當(dāng)顯示屏顯示一副彩色圖像，即三維彩色景物物一個(gè)剖面時(shí)，立即在拋物面反射鏡焦點(diǎn)附近形成一個(gè)實(shí)體，即一個(gè)剖面，伺服系統(tǒng)使拋物面反射鏡后移一步，顯示屏顯示下一副圖像，在拋物面反射鏡焦點(diǎn)附近形成第二個(gè)剖面的實(shí)像。照此順序顯示幾個(gè)剖面，將對(duì)應(yīng)的不同位置上的剖面依序顯示出來，從1、2、n個(gè)剖面，它們對(duì)應(yīng)的焦點(diǎn)位置為F1、F2、Fn。照此辦理表示整個(gè)三維景物的n個(gè)剖面依次顯示，而且彼此銜接，如此正反向往復(fù)運(yùn)動(dòng)當(dāng)一次行程時(shí)間小于10～25分之一秒時(shí)，即人眼視覺暫留時(shí)間時(shí)，就可以持續(xù)顯示一個(gè)區(qū)域的三維景物。
三維圖像實(shí)像顯示系統(tǒng)的方法，其特征是伺服系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)速度應(yīng)滿足如下公式。
即每秒鐘1米～2.5米以上的運(yùn)動(dòng)速度。
其特征是顯示刷新頻率ω＝(10～25)Body/s＝n(10～25)frame/s＝n(10～25)幀/s即ω＝200幀-500幀/s以上其特征是拋物面鏡的焦距f應(yīng)該滿足以下公式f-L＞＞b


圖1三維圖像實(shí)像顯示系統(tǒng)原理圖。
圖2反射鏡伺服器及其運(yùn)動(dòng)圖。
圖3在計(jì)算機(jī)中設(shè)定的觀察視角對(duì)應(yīng)人景物剖面圖。
圖4三維景物顯示范圍長L與拋物面反射鏡焦距之間的關(guān)系。
具體實(shí)施例方式
根據(jù)說明書圖1、圖2、圖3、圖4對(duì)一種三維圖像實(shí)像顯示系統(tǒng)的方法作祥細(xì)說明如下1.一臺(tái)高速計(jì)算機(jī)其計(jì)算速度必須達(dá)到每秒數(shù)十億次以上(越快效果越好)內(nèi)外存容量充分大，內(nèi)存應(yīng)有1G以上，外存選以存儲(chǔ)容量很大的三維彩色數(shù)據(jù)。至少應(yīng)有100G以上，甚至外掛幾個(gè)T容量的磁盤陣列，其顯示屏是一個(gè)高速顯示屏(應(yīng)配有相應(yīng)板卡)，顯示速度應(yīng)達(dá)到200幀/S以上。
2.一個(gè)拋物面反射鏡該拋物面反射鏡，反射鏡大于計(jì)算機(jī)顯示屏的大小，拋物面反射鏡焦距即為三維景物顯示的位置，該鏡直徑越大，顯示的實(shí)像越大。
3.拋物面反射鏡伺服系統(tǒng)該裝置控制反射鏡沿軌道作快速往復(fù)運(yùn)動(dòng)，依次改變焦點(diǎn)的位置。到達(dá)終點(diǎn)后，又向相反方向運(yùn)動(dòng)，回到起點(diǎn)。然后依此方式往復(fù)運(yùn)動(dòng)。它的行動(dòng)配合計(jì)算機(jī)顯示器中的顯示內(nèi)容。該伺服器系統(tǒng)由軌道、絲桿、齒輪、交流伺服電機(jī)(或步進(jìn)電機(jī))、交流伺服電機(jī)(步進(jìn)電機(jī))控制器構(gòu)成。由于伺服系統(tǒng)是常規(guī)技術(shù)，此處不細(xì)述。當(dāng)伺服器帶動(dòng)反射鏡往復(fù)勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，焦點(diǎn)位置不斷改變，其起點(diǎn)和終點(diǎn)就是三維景物顯示的范圍。
4.將高速計(jì)算機(jī)顯示屏放置在拋物面反射鏡正對(duì)面使顯示屏中軸線同反射鏡中軸線完全重合。
5.計(jì)算機(jī)內(nèi)已制備-三維彩色立體模型，選定了視角，并計(jì)算出該三維景物針對(duì)該視角的投影平面的由起始點(diǎn)到終點(diǎn)邊的各個(gè)剖面，并可按人的要求在計(jì)算機(jī)顯示屏上進(jìn)行顯示。
6.如前所述，由于計(jì)算機(jī)顯示屏發(fā)出的是一束平行光線，每個(gè)象素相當(dāng)于一個(gè)小光源，光線平行投射到對(duì)面的拋物反射鏡上去的時(shí)候，光線將聚焦到焦點(diǎn)f附近形成實(shí)像，顯示屏和反射鏡越大形成的實(shí)像就越大。若反射鏡位置移動(dòng)，則焦點(diǎn)位置也移動(dòng)，那么形成的實(shí)像也出現(xiàn)在移動(dòng)后的位置上。由于顯示屏位置移動(dòng)，顯示屏依照三維立體模型剖面的順序一幀一幀顯示，計(jì)算機(jī)控制伺服系統(tǒng)每換一幀(即換一個(gè)剖面)，則帶動(dòng)反射鏡移動(dòng)到剖面對(duì)應(yīng)顯示的位置，那么就會(huì)將對(duì)應(yīng)的不同位置上的剖面依序顯示出來。從第1，2，…n個(gè)剖面，它們對(duì)應(yīng)的焦點(diǎn)位置為f1，f2，……fn。)照次辦理表示整個(gè)三維景物的n個(gè)剖面依次顯示，而且彼此銜接。當(dāng)反射鏡移動(dòng)速度充分快，使得n個(gè)剖面成像時(shí)間間隔小于人眼視覺暫留時(shí)間差τ的時(shí)候(通常8-10幀/s就會(huì)有整體感覺，16幀/s以上就質(zhì)量較好，若25幀/s那么就會(huì)感覺沒有間隔)人眼就可以看到一個(gè)完整的三維景物實(shí)像。注意，當(dāng)一次正向移動(dòng)結(jié)束時(shí)，伺服器將反射鏡牽引作反向運(yùn)動(dòng)，其移動(dòng)速度不變，但是計(jì)算機(jī)顯示屏顯示三維景物剖面順序倒序，即按n，n-1，n-2，……1的順序顯示三維景物的剖面。移動(dòng)到始點(diǎn)以后，又反過來反射鏡按正向移動(dòng)，顯示剖面的順序恢復(fù)到正序1，2，…n。采取這種策略可充分利用反方向移動(dòng)的時(shí)間，如此正反向往復(fù)運(yùn)動(dòng)就可以持續(xù)顯示一個(gè)區(qū)域的三維景物。
三維景物顯示范圍(顯示屏主拋物面反射鏡中軸線方向)受制于伺服器系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)反射鏡的適用范圍。而更根本的是，計(jì)算機(jī)屏幕顯示兩個(gè)不同畫面最短的切換時(shí)間T或掃描換幀的頻率W。
為了更好的描述該三維景物實(shí)像顯示器的原理和結(jié)構(gòu)，我們作以下的約定1)三維景物顯示范圍三維景物在本裝置所能形成的實(shí)像的最大范圍L×W×H(長*寬*高)L沿光軸方向最大長度；W與光軸方向垂直，水平面內(nèi)的最大顯示寬度；H在垂直于光軸平面的內(nèi)側(cè)能顯示物體的最大高度。
L、W、H可以在三維景物數(shù)字化時(shí)給出對(duì)應(yīng)的實(shí)際空間距離2)三維景物顯示剖面數(shù)n與顯示器的要求本項(xiàng)發(fā)明是以高速計(jì)算機(jī)、高速顯示器和拋物面反射鏡為關(guān)鍵部件，若將三維景物剖面數(shù)增加，顯示效果就更逼真、更細(xì)致、更準(zhǔn)確，但是剖面數(shù)太多時(shí)顯示屏和反射鏡伺服系統(tǒng)提出了更高的要求。目前計(jì)算機(jī)配置的顯示器刷新速度為85～100幀/s。特殊領(lǐng)域如國防領(lǐng)域中、衛(wèi)星、火箭系統(tǒng)中的顯示器也有刷新速度高達(dá)數(shù)百幀/s的。
將一個(gè)三維物體剖分為幾個(gè)剖面，每顯示一個(gè)剖面我們稱之為顯示一幀。而將整個(gè)三維景物的n個(gè)剖面全部顯示一次稱之為顯示一體(Body)或一集(Set)一個(gè)衡量單位為體/秒、集/秒(B/s，Set/s)。
實(shí)驗(yàn)心理、生理學(xué)結(jié)果表明，一般較合適的視覺暫留時(shí)間為1/24秒，即每秒鐘顯示24幀～25幀，基本上看不出影片序列的時(shí)間間隔。若降至10幀～16幀/s也可以看到基本連續(xù)的圖象序列，但質(zhì)量不會(huì)太好。
現(xiàn)在要顯示一個(gè)三維景物，依據(jù)上述原理，最差的情況顯示速度也必須有10～16體/s(B/s)要得到好的效果應(yīng)達(dá)到24～25體/s，即1體＝n幀，1body＝n frame顯示屏顯示刷新頻率ω＝(10～25)Body/s＝n(10～25)frame/s＝n(10～25)幀/s3)三維景物與拋物面反射鏡伺服系統(tǒng)的要求前面已定義的顯示范圍的三個(gè)參數(shù)L、W、H，W與H與顯示屏大小和拋物面反射鏡大小相關(guān)。而L與伺服系統(tǒng)的性能相關(guān)。
如前所述拋物面反射鏡要作勻速往復(fù)運(yùn)動(dòng)，改變焦點(diǎn)位置，一次運(yùn)動(dòng)距離應(yīng)等于L之值。反向運(yùn)動(dòng)亦然。運(yùn)動(dòng)一次(無論正反向運(yùn)動(dòng))，即顯示一次整個(gè)三維景物，為要達(dá)到視覺暫留的要求，伺服系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)速度應(yīng)滿足如下的公式 若要顯示一個(gè)L＝100mm大小的三維景物，剖面就選n＝10～25，那么伺服系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)速度應(yīng)有V＝(10～25)L＝(10～25)×100＝1000～2500mm/s＝1m～2.5m/s即每秒鐘1米～2.5米的運(yùn)動(dòng)速度。這種運(yùn)動(dòng)速度在技術(shù)上是可以實(shí)現(xiàn)的。
所需顯示屏的顯示刷新頻率ω＝n(10～25)frame/s＝20×(10～25)＝200幀～500幀/s這種顯示刷新頻率技術(shù)上也是可以做到的。
4)拋物面反射鏡的某些參數(shù)為了防止拋物面反射鏡遮擋三維景物實(shí)像，所作拋物面鏡的焦距f應(yīng)該滿足以下公式(圖四)f-L＞＞b如前所述，當(dāng)前的顯示器顯示三維景物并不是真正的三維景物，而是三維景物在二維顯示平面上的投影，我們提出的三維彩色顯示系統(tǒng)具有廣闊的應(yīng)用前景。
三維彩色圖像顯示系統(tǒng)產(chǎn)生的意義從二維顯示器發(fā)展到三維顯示器是一次意義重大的技術(shù)革命。它使人類可以用技術(shù)手段控制顯示所需的三維景物將導(dǎo)致產(chǎn)生一類科學(xué)技術(shù)設(shè)備-三維彩色顯示器系列產(chǎn)品，形成一個(gè)巨大的產(chǎn)業(yè)和其他相關(guān)產(chǎn)業(yè)，使社會(huì)生活、生產(chǎn)、科研、國防等領(lǐng)域產(chǎn)生革命性的變化。
產(chǎn)生一系列拓展到各行各業(yè)的多種應(yīng)用。
同其他技術(shù)的結(jié)合會(huì)產(chǎn)生許多出神入化，妙不可言的新的裝備，推動(dòng)其他領(lǐng)域的發(fā)展。
當(dāng)前可預(yù)見的一些應(yīng)用三維彩色圖像顯示系統(tǒng)在凡是需要顯示三維圖像信息的領(lǐng)域都有極大的用處?，F(xiàn)在人們?cè)絹碓讲粷M足于用二維顯示器來顯示三維景物的某一視點(diǎn)圖像。經(jīng)初步思考就可以列出以下應(yīng)用。
1.三維彩色電子沙盤將三維彩色顯示器同地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫技術(shù)結(jié)合起來，可以構(gòu)成真正的三維彩色電子沙盤。為軍事指揮決策提供更加直觀，靈活，生動(dòng)的顯示裝置。將來還可以把從衛(wèi)星，飛機(jī)，地面在戰(zhàn)場(chǎng)附近拍攝的和重建的三維景物用高速計(jì)算機(jī)組合到該系統(tǒng)之中，然后進(jìn)行三維顯示。又可能實(shí)現(xiàn)三維彩色動(dòng)態(tài)顯示，實(shí)現(xiàn)三維電影的行為，為軍事指揮提供服務(wù)。
2.用于城市規(guī)劃，建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)三維彩色顯示器(系統(tǒng))可將一個(gè)地區(qū)一個(gè)城市的三維景物顯示出來。同建筑CAD軟件相結(jié)合就可以進(jìn)行城市規(guī)劃和建筑設(shè)計(jì)方面的工作，并顯示真三維彩色圖像。
3.實(shí)現(xiàn)三維彩色電影、電視這是明顯的，4.在商業(yè)廣告、娛樂業(yè)、體育運(yùn)動(dòng)等多個(gè)領(lǐng)域亦可應(yīng)用。
5.在科學(xué)研究，教育活動(dòng)中可獲得廣泛應(yīng)用，成為顯示三維數(shù)據(jù)的重要手段。
總之，人類必將從二維顯示向三維顯示發(fā)展，本項(xiàng)成果具有重要意義，必將獲得廣泛應(yīng)用。
權(quán)利要求
1.一種三維圖像實(shí)像顯示系統(tǒng)的方法，其特征是實(shí)現(xiàn)該方法的裝置由一個(gè)拋物面反射鏡，反射鏡伺服系統(tǒng)和高速電子計(jì)算機(jī)構(gòu)成；將待顯示的三維彩色景物模型存入計(jì)算機(jī)，該三維景物可以表達(dá)為n個(gè)垂直剖面，當(dāng)顯示屏顯示一幀彩色圖像，即三維彩色景物一個(gè)剖面時(shí)，立即在拋物面反射鏡焦點(diǎn)附近形成一個(gè)實(shí)像，即一個(gè)剖面，伺服系統(tǒng)使拋物面反射鏡后移一步，顯示屏顯示下一幀圖像，在拋物面反射鏡焦點(diǎn)附近形成第二個(gè)剖面的實(shí)像，照此順序顯示n個(gè)剖面，將對(duì)應(yīng)的不同位置上的剖面依序顯示出來，從1、2、n個(gè)剖面，它們對(duì)應(yīng)的焦點(diǎn)位置為F1、F2、Fn。照此辦理表示整個(gè)三維景物的幾個(gè)剖面依次顯示，而且彼此銜接，如此正反向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)一次行程時(shí)間為1/10～1/25秒時(shí)，就可以持續(xù)顯示一個(gè)區(qū)域的三維景物。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三維圖像實(shí)像顯示系統(tǒng)的方法，其特征是伺服系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)速度應(yīng)滿足如下公式 即每秒鐘往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度至少應(yīng)在1米～2.5米/秒以上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三維圖像實(shí)像顯示系統(tǒng)的方法，其特征是顯示刷新頻率ω＝(10～25)Body/s＝n(10～25)frame/s＝n(10～25)幀/s即ω＝200幀-500幀/s以上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三維圖像實(shí)像顯示系統(tǒng)的方法，其特征是拋物面鏡的焦距f應(yīng)該滿足以下公式f-L＞＞b。
全文摘要
本項(xiàng)發(fā)明提出了一種顯示真三維圖像實(shí)像的方法。實(shí)現(xiàn)該方法的裝置由一個(gè)拋物面反射鏡，反射鏡伺服系統(tǒng)和高速電子計(jì)算機(jī)(配有高速刷新顯示屏)構(gòu)成，將待顯示的三維彩色景物模型存入計(jì)算機(jī)，該三維景物可以表達(dá)為n個(gè)垂直剖面。當(dāng)顯示屏顯示一幀彩色圖像(三維彩色景物的一個(gè)剖面)時(shí)，立即在拋物面反射鏡焦點(diǎn)附近形成一個(gè)實(shí)像，即一個(gè)剖面。伺服系統(tǒng)使拋物面反射鏡后移一步，顯示屏顯示下一幀圖像，在拋物面反射鏡焦點(diǎn)附近形成第二個(gè)剖面的實(shí)像。照此辦理，可以順序顯示n個(gè)剖面。當(dāng)顯示屏的顯示刷新速度和伺服系統(tǒng)移動(dòng)拋物面反射鏡速度快到接近人眼視覺暫留范圍內(nèi)時(shí)，人眼就可以看到一個(gè)完整的三維彩色景物。
文檔編號(hào)H04N13/00GK1825981SQ20051001829
公開日2006年8月30日 申請(qǐng)日期2005年2月22日 優(yōu)先權(quán)日2005年2月22日
發(fā)明者李德華, 姚迅, 阮軍, 李清光, 金良海 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)