[發(fā)明專利]基于空間逐層掃描的真三維立體顯示系統(tǒng)及其顯示方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201010521329.4
• 申請(qǐng)日: 2011-02-23
• 公開（公告）號(hào): CN102055996A
• 公開（公告）日: 2011-05-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 邢建芳;趙曉庚;岳健;潘文平;王冬翠;耿征;張趙行;龔華軍;沈春林
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 南京航空航天大學(xué)
• 主分類號(hào): H04N13/00
• 分類號(hào): H04N13/00;H04N5/74;H04N9/31;G06T17/00
• 代理公司: 南京經(jīng)緯專利商標(biāo)代理有限公司 32200
• 代理人: 許方

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種基于空間逐層掃描的真三維立體顯示系統(tǒng)及其顯示方法，屬于一種人機(jī)交互領(lǐng)域的信息顯示技術(shù)，運(yùn)用于包含大量空間體數(shù)據(jù)以及對(duì)空間位置關(guān)系表達(dá)比較苛刻的場(chǎng)合，如虛擬仿真、科學(xué)計(jì)算可視化、醫(yī)學(xué)影像、油氣勘探、計(jì)算機(jī)輔助制造/設(shè)計(jì)、廣告娛樂等領(lǐng)域。

背景技術(shù)

人類是在三維世界中感知和認(rèn)識(shí)事物的，無疑空間思考和空間顯示媒介對(duì)于人的思維是很重要的。當(dāng)前普遍使用的平面顯示器如CRT（Cathode?Ray?Tube，陰極射線管）顯示器和LCD（Liquid?Crystal?Display，液晶顯示器）顯示器表達(dá)能力局限于平面，它通過類似油畫家在畫布上創(chuàng)作的技法，以深度暗示、陰影、透視、紋理梯度和遮擋等線索向視覺系統(tǒng)傳達(dá)三維場(chǎng)景的空間信息。關(guān)于人類的深度和距離感知參見“彭聃齡編著，《普通心理學(xué)》，北京師范大學(xué)出版社，2001”。平面顯示方式所呈現(xiàn)給人眼的實(shí)際上是三維物體在二維平面上的投影，空間印象的產(chǎn)生還有賴于觀察者的空間判斷能力和心理的想象。因此平面顯示更多的是在二維平面空間內(nèi)虛幻地追求三維空間的真實(shí)感。平面顯示僅提供單一視點(diǎn)的圖像，缺乏動(dòng)態(tài)的視覺線索包括水平和垂直視差、運(yùn)動(dòng)視差和運(yùn)動(dòng)透視等，場(chǎng)景不會(huì)因觀察方位的改變而改變，難以營(yíng)造動(dòng)態(tài)真實(shí)感。在很多情況下，二維圖像不能夠很好地提供適當(dāng)?shù)纳疃刃畔ⅲ@就造成了真實(shí)世界與數(shù)字世界的之間的障礙。

立體鏡或多視圖顯示技術(shù)是目前采用較多的立體顯示技術(shù)，參見“王煒，包衛(wèi)東，張茂軍等編著，《虛擬仿真系統(tǒng)導(dǎo)論》，國(guó)防科技大學(xué)出版社，2007”。它們采用的顯示設(shè)備也是平面的，利用雙目視覺原理，能夠提供水平視差，需要事先準(zhǔn)備好合適的立體圖像對(duì)，從特定的方位被雙眼正確的觀察到立體影像，當(dāng)觀察方位變化時(shí)，它不會(huì)產(chǎn)生新的立體視圖，在大范圍內(nèi)難以通過平面顯示器模擬完全的運(yùn)動(dòng)視差，同時(shí)長(zhǎng)時(shí)間觀看容易使人產(chǎn)生視覺疲勞。

體三維顯示與傳統(tǒng)的平面顯示技術(shù)有著根本的區(qū)別。體三維顯示所采用顯示器不再是平面的，而是將物體的立體影像顯示在一個(gè)真實(shí)的三維空間內(nèi)，即物體空間和顯示空間是一一對(duì)應(yīng)的，顯示空間保留了物體完整的三維信息。因?yàn)槿S影像占據(jù)真實(shí)的物理空間，這種顯示器也被稱為“真三維”顯示器。與二維數(shù)字圖像中像素的概念類似，構(gòu)成真三維影像的一個(gè)體積元可被稱為“體素”。體三維顯示器能夠?yàn)橛^察者提供真實(shí)的距離與深度，觀察者可以直接用裸眼觀察到懸浮于顯示空間中的三維影像，當(dāng)圍繞顯示器改變觀察方向時(shí)，便會(huì)看到物體的不同側(cè)面，如果觀者真實(shí)的物體一樣，自動(dòng)滿足物理深度和心理深度的需求，非常適合多個(gè)用戶分享數(shù)據(jù)。

對(duì)體三維顯示器的研究始于上世紀(jì)60年代，主要有兩種技術(shù)路線：掃描式體顯示技術(shù)和固態(tài)式體顯示技術(shù)。關(guān)于體三維顯示分類和詳細(xì)介紹參考“Barry?G.?Blundell編著，《Enhanced?visualization》，John?Wiley?&?Sons，Inc，2007”。固態(tài)式體顯示技術(shù)尚無合適的激勵(lì)源和具有充分光轉(zhuǎn)換效率的發(fā)光介質(zhì)，體素被串行激活，體素總數(shù)不超過五十萬，無法表述復(fù)雜的圖像信息或活動(dòng)的光點(diǎn)信息，諸多的物理和技術(shù)限制使建成的實(shí)驗(yàn)裝置顯示范圍小、分辨率低、局限于簡(jiǎn)單的字母或圖形靜態(tài)顯示，短期內(nèi)不易實(shí)現(xiàn)大尺度、高分辨率、高亮度的真三維顯示。掃描體技術(shù)應(yīng)用較多，該技術(shù)利用周期性運(yùn)動(dòng)的靶屏掃描出一個(gè)三維空間用于立體成像。1960年左右，ITT實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了一種基于高亮度陰極射線管和旋轉(zhuǎn)熒光屏的體三維顯示器。進(jìn)入九十年代和本世紀(jì)，體三維顯示技術(shù)的代表性樣機(jī)有：Felix系統(tǒng)和Perspecta系統(tǒng)。”

德國(guó)D.?Bahr等利用三色激光器掃描一個(gè)快速旋轉(zhuǎn)的螺旋屏，通過調(diào)制器和掃描器分別控制激光的強(qiáng)度和偏轉(zhuǎn)角度，在螺旋屏表面上產(chǎn)生瞬時(shí)光點(diǎn)，隨著激光器的偏轉(zhuǎn)和螺旋屏的旋轉(zhuǎn)，就能在圓柱狀的真實(shí)三維空間內(nèi)產(chǎn)生許多光點(diǎn)。參見“Knut?Langhans，Detlef?Bahr，Daniel?Bezecny?et?al．FELIX?3D?display:?an?interactive?tool?for?volumetric?imaging[C]，Proc.?SPIE，2002，4660：230-245．觀察者將因?yàn)橐曈X暫留而感知到一個(gè)三維影像體。這種基于螺旋屏加激光掃描的Felix體三維顯示系統(tǒng)，不需要復(fù)雜的轉(zhuǎn)向光學(xué)部件即可巧妙地避免體素重疊死區(qū)。但缺點(diǎn)是激光掃描器的速度有限，系統(tǒng)只能以串行方式傳輸數(shù)據(jù)流，每次只能產(chǎn)生一個(gè)體素，這對(duì)于傳送體三維顯示的海量數(shù)據(jù)來說是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。