[發明專利]一種新型三維懸浮顯示系統及實時光場渲染方法

有效

• 申請號: 201710058992.7
• 申請日: 2017-01-23
• 公開（公告）號: CN106773090B
• 公開（公告）日: 2019-10-18
• 發明（設計）人: 廖洪恩;黃天琪;張欣然
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G02B27/22
• 分類號: G02B27/22
• 代理公司: 北京路浩知識產權代理有限公司 11002
• 代理人: 湯財寶

本發明提供本申請提出一種新型三維懸浮顯示系統及實時光場渲染方法，與傳統的光場成像技術相比，實現了遠距離的懸浮顯示，其成像中心在整個顯示器外部，而且像與觀察者之間沒有任何遮擋物。另外，該方案通過多個三維圖像投影源來提高其顯示圖像的光場密度，提出對應的渲染算法實現實時性的渲染。

技術領域

本發明涉及三維顯示技術領域，更具體地，涉及一種新型三維懸浮顯示系統及實時光場渲染方法。

背景技術

目前，傳統的裸眼三維顯示技術能夠提供可以直接觀察、具有立體視察、能夠多人觀看的顯示方案。但是這種顯示方法將圖像局限在顯示器內部(對體積顯示)或顯示器附近(對集成成像、全息顯示及光場顯示)。由于受到顯示器硬件的顯示，對于目前的裸眼顯示技術，無法顯示離顯示器過遠的三維圖像。這種三維圖像對顯示器硬件的依賴性導致三維交互能力的局限性。特別是在AR/VR領域，基于裸眼顯示的方案中觀察者難以直接在圖像顯示的位置接觸或操作虛擬圖像。該問題限制了裸眼三維顯示技術在AR/VR領域的應用。

空間懸浮顯示技術，指的是不依賴于投影屏幕或介質而將圖像懸浮在空中的技術，并且在觀察者和顯示圖像之間沒有其他介質。為克服裸眼三維顯示中圖像被顯示器局限的問題，研究者們針對目前的裸眼顯示技術提出多種實現空間懸浮顯示的方式。目前已經公開報道的主要有4種：利用兩個對稱的反射面具有光線匯聚能力的反射鏡實現懸浮顯示；日本研究者利用圓錐形的定向反射膜與多個激光投影儀實現懸浮顯示；浙江大學利用旋轉機構、定向散射屏和高速投影儀實現懸浮顯示；韓國研究者利用集成成像和凸透鏡實現空間上的懸浮顯示。這些顯示方式各有優缺點，如兩個反射面具有光線匯聚能力的反射鏡的懸浮距離有限，日本和浙江大學研究者實現的三維顯示器顯示精度有限并且無法在空間中精確成像，韓國研究者的顯示器圖像質量并不理想且存在空間聚焦的問題。

由上可知，傳統的裸眼三維顯示并不能夠提供合適的AR/VR交互方案。新型懸浮顯示技術則可能在未來滿足該技術要求，但是目前尚無一種高質量、具有準確空間成像能力的裸眼三維懸浮顯示方案能夠滿足AR/VR的交互需求。

發明內容

本發明為克服上述問題或者至少部分地解決上述問題，提供一種新型三維懸浮顯示系統及實時光場渲染方法。

根據本發明的一個方面，提供一種新型三維懸浮顯示系統，包括：三維圖像投影源、反射面具有光線匯聚能力的半透半反鏡和反射面具有光線匯聚能力的反射鏡；

所述三維圖像投影源為至少一個，位于所述反射面具有光線匯聚能力的半透半反鏡側面，用于產生待顯示三維影像的光線并將所述光線發射到所述反射面具有光線匯聚能力的半透半反鏡的側面上；

所述反射面具有光線匯聚能力的半透半反鏡頂點朝所述反射面具有光線匯聚能力的反射鏡的凹面放置，用于利用其側面將所述三維圖像投影源發射來的光線反射到所述反射面具有光線匯聚能力的反射鏡上，利用其側面接收所述反射面具有光線匯聚能力的反射鏡反射來的光線，將所述光線投射在其底面上方，從而形成所述待顯示三維影像；

所述反射面具有光線匯聚能力的反射鏡位于所述反射面具有光線匯聚能力的半透半反鏡頂點朝向的一側，用于接收所述反射面具有光線匯聚能力的半透半反鏡側面反射來的光線，將所述光線反射給所述反射面具有光線匯聚能力的半透半反鏡的側面；

所述反射面具有光線匯聚能力的半透半反鏡和反射面具有光線匯聚能力的反射鏡為有中軸線的旋轉體。

根據本發明的一個方面，提供一種實時光場渲染方法，包括：步驟1，利用光線追跡法確定三維圖像投影源發射的光線經反射面具有光線匯聚能力的半透半反鏡和反射面具有光線匯聚能力的反射鏡兩次反射后的出射光場；

步驟2，基于所述出射光場對待顯示三維影像進行實時渲染。