體驗(yàn)空間集成操控系統(tǒng)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種體驗(yàn)空間集成操控系統(tǒng)，包括：高速投影機(jī)，用于投射圖像，并同時(shí)輸出每一幀圖像所對(duì)應(yīng)的同步信號(hào)；屏幕，用于對(duì)所述高速投影機(jī)投射的圖像漫反射，顯示每個(gè)觀察者所需的圖像；位置追蹤設(shè)備，用于獲取各觀察者的位置信息；圖像發(fā)生器，用于根據(jù)待顯示的3D場(chǎng)景信息和各觀察者的位置信息，向所述高速投影機(jī)輸送圖像；主動(dòng)式快門(mén)3D眼鏡，為各觀察者佩戴，用于根據(jù)與之匹配的同步信號(hào)，控制鏡片的通光狀態(tài)，使觀察者在所述屏幕上觀看到具有立體視覺(jué)的圖像。本發(fā)明的實(shí)施例的體驗(yàn)空間集成操控系統(tǒng)可同時(shí)對(duì)多人提供全視差、360度的特定顯示圖像，并具有三維場(chǎng)景顯示效果，顯示信息量大、分辨率高。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
體驗(yàn)空間集成操控系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及3D顯示技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種體驗(yàn)空間集成操控系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]視覺(jué)是人類(lèi)最重要信息來(lái)源，人類(lèi)60%以上的信息均來(lái)自于視覺(jué)。而人類(lèi)本身正是生活于三維世界中，視覺(jué)亦是三維視覺(jué)。因此，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，二維平面顯示技術(shù)已經(jīng)不能滿(mǎn)足人們的需要，3D顯示技術(shù)隨之蓬勃發(fā)展?，F(xiàn)在，3D顯示技術(shù)已經(jīng)越來(lái)越廣泛的應(yīng)用于包括娛樂(lè)、醫(yī)療、軍事和廣告等多個(gè)領(lǐng)域。
[0003]現(xiàn)有的三維顯示技術(shù)，主要包括雙目視差型三維顯示，集成成像立體顯示，全息三維顯示以及光場(chǎng)重構(gòu)型三維顯示。雙目視差型三維顯示結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，是最普遍使用的三維顯示技術(shù)，但只有兩個(gè)固定的視角，沒(méi)有運(yùn)動(dòng)視差，不能提供較好的3D觀看體驗(yàn)。集成成像技術(shù)利用微透鏡陣列，可以顯示全視差的3D場(chǎng)景，但現(xiàn)有的技術(shù)分辨率較低，顯示效果較差。而全息三維顯示則由于數(shù)據(jù)量巨大，無(wú)論是對(duì)獲取還是存儲(chǔ)、傳輸，還是對(duì)空間調(diào)制器都有非常高的要求，因此在短時(shí)間內(nèi)，無(wú)法進(jìn)入實(shí)用階段。光場(chǎng)重構(gòu)型三維顯示技術(shù)顯示效果較好，但是也存在信息量較大的問(wèn)題，雖然不及全息三維顯示，但是一般還是以水平視差型為主。
[0004]隨著體驗(yàn)的要求越來(lái)越高，需要三維顯示系統(tǒng)可以對(duì)多人提供全視差、360度的三維場(chǎng)景顯示效果，而現(xiàn)有的技術(shù)，無(wú)論是視差型三維顯示，還者是光場(chǎng)重構(gòu)三維顯示，集成成像三維顯示，均不能滿(mǎn)足要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的之一是提供一種體驗(yàn)空間集成操控系統(tǒng)，可同時(shí)對(duì)多人提供全視差、360度的特定顯示圖像，并具有三維場(chǎng)景顯示效果，顯示信息量大、分辨率高。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0007]—種體驗(yàn)空間集成操控系統(tǒng)，包括:高速投影機(jī)，用于投射圖像，并同時(shí)輸出每一幀圖像所對(duì)應(yīng)的同步信號(hào)；屏幕，用于對(duì)所述高速投影機(jī)投射的圖像漫反射，顯示每個(gè)觀察者所需的圖像；位置追蹤設(shè)備，用于獲取各觀察者的位置信息；圖像發(fā)生器，用于根據(jù)待顯示的3D場(chǎng)景信息和各觀察者的位置信息，向所述高速投影機(jī)輸送圖像；主動(dòng)式快門(mén)3D眼鏡，為各觀察者佩戴，用于根據(jù)與之匹配的同步信號(hào)，控制鏡片的通光狀態(tài)，使觀察者在所述屏幕上觀看到具有立體視覺(jué)的圖像。
[0008]進(jìn)一步:所述高速投影機(jī)為一片或三片式DLP投影機(jī)。
[0009]進(jìn)一步:所述屏幕為與屏幕法線成30°到60°角之間具有較大增益的漫散射屏。
[0010]進(jìn)一步:所述位置追蹤設(shè)備包括成像設(shè)備和圖像識(shí)別處理器，所述位置追蹤設(shè)備用于確認(rèn)360°范圍內(nèi)的觀察者的位置；所述成像設(shè)備，用于獲取設(shè)于所述主動(dòng)式快門(mén)3D眼鏡上的兩個(gè)標(biāo)志點(diǎn)的圖像；圖像識(shí)別處理器，根據(jù)兩個(gè)所述標(biāo)志點(diǎn)在所述圖像中的位置、所述圖像中兩個(gè)所述標(biāo)志點(diǎn)之間的距離、以及所述成像設(shè)備位置坐標(biāo)，得到所述各觀察者的位置信息。
[0011]進(jìn)一步:還包括快門(mén)同步設(shè)備，用于獲取所述高速投影機(jī)輸出的同步信號(hào)并以無(wú)線方式輸出給所述各觀察者佩戴的所述主動(dòng)式快門(mén)3D眼鏡；所述同步信號(hào)中帶有各所述主動(dòng)式快門(mén)3D眼鏡的設(shè)備編碼信息，各所述主動(dòng)式快門(mén)3D眼鏡接收到所述同步信號(hào)后，先對(duì)比所述同步信號(hào)中的設(shè)備編碼信息是否與自身的設(shè)備編碼一致，在設(shè)備編碼匹配時(shí)，控制鏡片通光狀態(tài)。
[0012]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的實(shí)施例的體驗(yàn)空間集成操控系統(tǒng)可同時(shí)對(duì)多人提供全視差、360度的特定顯示圖像，并具有三維場(chǎng)景顯示效果，顯示信息量大、分辨率高。
【附圖說(shuō)明】
[0013]此處所說(shuō)明的附圖用來(lái)提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分，本發(fā)明的示意性實(shí)施例及其說(shuō)明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的不當(dāng)限定。在附圖中:
[0014]圖1為本發(fā)明實(shí)施例的體驗(yàn)空間集成操控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015]圖2為本發(fā)明實(shí)施例的體驗(yàn)空間集成操控系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016]在以下詳細(xì)描述中，提出大量特定細(xì)節(jié)，以便于提供對(duì)本發(fā)明的透徹理解。但是，本領(lǐng)域的技術(shù)人員會(huì)理解，即使沒(méi)有這些特定細(xì)節(jié)也可實(shí)施本發(fā)明。在其它情況下，沒(méi)有詳細(xì)描述眾所周知的方法、過(guò)程、組件和電路，以免影響對(duì)本發(fā)明的理解。
[0017]如圖1和2所示，分別為本發(fā)明實(shí)施例的體驗(yàn)空間集成操控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖和組成結(jié)構(gòu)框圖。該體驗(yàn)空間集成操控系統(tǒng)可以為多名觀察者提供360度、全視差且真實(shí)細(xì)膩的三維場(chǎng)景。主動(dòng)快門(mén)式三維顯示系統(tǒng)是通過(guò)圖像輸出設(shè)備與快門(mén)式3D眼鏡的配合，讓觀察者的左右眼看到稍有差別的視差對(duì)圖像，以產(chǎn)生立體視覺(jué)。高速投影機(jī)投影出高幀頻的圖像，同時(shí)輸出同步信號(hào)，經(jīng)過(guò)快門(mén)同步系統(tǒng)后，被3D眼鏡接收。3D眼鏡根據(jù)同步信號(hào)，控制鏡片的通光狀態(tài)，讓特定的圖像進(jìn)入設(shè)定的觀察者眼睛。
[0018]該體驗(yàn)空間集成操控系統(tǒng)包括圖像發(fā)生器1，高速投影機(jī)2，位置追蹤設(shè)備3，快門(mén)同步設(shè)備4，屏幕5，N個(gè)主動(dòng)式快門(mén)3D眼鏡6，即3D眼鏡61，3D眼鏡62,...,3D眼鏡6N。
[0019]圖像發(fā)生器I為高性能計(jì)算機(jī)或圖形工作站，需要根據(jù)3D場(chǎng)景模型及觀察者的位置數(shù)據(jù)，針對(duì)每一個(gè)觀察者，輸出對(duì)應(yīng)位置的視差對(duì)圖像。每個(gè)觀察者所看到的圖像應(yīng)為在觀察者眼睛位置對(duì)3D場(chǎng)景向屏幕上的映射，而觀察者的位置并不是不變的，為了保證觀察者始終能看到正確的圖像，圖像必須根據(jù)觀察者位置實(shí)時(shí)的繪制，3D場(chǎng)景越復(fù)雜，所需的計(jì)算量越大。同時(shí)，為了使觀察者能不感覺(jué)到閃爍感，每名觀察者每只眼睛看到的圖像需要達(dá)到60Hz的刷新速度，即提供給每名觀察者的圖像的幀頻需要為120Hz，那么如果有N個(gè)觀察者，則需要輸出的幀頻為N*120Hz。同時(shí)，位置追蹤設(shè)備追蹤觀察者位置時(shí)，也需要較大的運(yùn)算量，因此，需要高性能的計(jì)算機(jī)或者圖形工作站才能滿(mǎn)足這里的要求。
[0020]高速投影機(jī)2為可高幀頻輸出圖像的投影機(jī)設(shè)備，現(xiàn)有的投影機(jī)設(shè)備中，液晶(LCD)和硅基液晶(LCOS)刷新頻率都不能太高，現(xiàn)在的能做到240Hz已經(jīng)屬于較高的水準(zhǔn)，只有DLP技術(shù)可以做到高幀率輸出，甚至可達(dá)30000幀以上。不過(guò)DLP投影的圖像為二值化圖像，如果需要具有灰度的圖像，需要進(jìn)行脈寬調(diào)制(PWM)，幀率會(huì)有較大幅度的下降。但是，如果配合照明的光源強(qiáng)度調(diào)制技術(shù)，如LED亮度調(diào)制技術(shù)，則下降的幅度則較小。同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)色彩，可以采用色輪技術(shù)，或者是3片式DLP技術(shù)，3片式DLP技術(shù)成本較高，但是亮度，色彩還原性，幀率等，均比色輪技術(shù)有較大優(yōu)勢(shì)。
[0021]高速投影機(jī)2能根據(jù)圖像發(fā)生器提供的數(shù)據(jù)，將所需的圖像投影到屏幕上，同時(shí)，對(duì)應(yīng)于每一幀輸出圖像，高速投影機(jī)應(yīng)輸出對(duì)應(yīng)的同步信號(hào)。
[0022]位置追蹤設(shè)備3用來(lái)確定觀察者三維位置，并將每一個(gè)觀察者位置的三維數(shù)據(jù)傳輸給圖像發(fā)生器1，作為生成視差對(duì)圖像的參數(shù)。位置追蹤設(shè)備的一種較優(yōu)方案是利用普通的攝像頭，結(jié)合裝有圖像識(shí)別軟件的計(jì)算機(jī)對(duì)3D眼鏡上的標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行跟蹤。在每個(gè)3D眼鏡的鏡框上設(shè)置兩個(gè)距離固定的標(biāo)志點(diǎn)，例如紅外LED，用加裝可以濾除可見(jiàn)光的紅外濾光片的普通攝像頭獲取圖像。獲取的圖像中，紅外LED在絕大多數(shù)情況下是最亮的點(diǎn)，取合適閾值，就可以把LED位置與背景分開(kāi)。獲取的LED在圖像中的位置，反映了觀察者相對(duì)于攝像頭的水平角度和觀察者高度，而兩個(gè)LED之間的距離，則反映了觀察者離攝像頭的距離。這樣，相當(dāng)于獲得了以攝像頭為原點(diǎn)的圓柱坐標(biāo)系內(nèi)的觀察者坐標(biāo)。結(jié)合攝像頭自身位置坐標(biāo)，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的坐標(biāo)系變換，就可以獲得觀察者的絕對(duì)坐標(biāo)。單臺(tái)普通攝像頭因?yàn)橐暯怯邢?，無(wú)法完成360°位置捕捉的任務(wù)，可以用幾臺(tái)進(jìn)行視場(chǎng)的拼接。也可以使用環(huán)帶相機(jī)，則一臺(tái)就可以實(shí)現(xiàn)360°位置捕捉的任務(wù)，原理與普通攝像頭相同。例如，4個(gè)加裝了紅外濾光片的普通攝像頭11、普通攝像頭12、普通攝像頭13、普通攝像頭14，通過(guò)視場(chǎng)拼接，獲取360。的圖像。
[0023]快門(mén)同步設(shè)備4用于將高速投影機(jī)輸出的同步信號(hào)處理后，以紅外線，藍(lán)牙，或者是wifi等無(wú)線傳輸方式與所有3D眼鏡進(jìn)行通信，確保高速投影機(jī)2發(fā)出的對(duì)應(yīng)于每個(gè)觀察者的視差對(duì)圖像只能被該觀察者看到。
[0024]3D眼鏡6為主動(dòng)快門(mén)式3D眼鏡，每個(gè)3D眼鏡有自身的設(shè)備編碼，而快門(mén)同步設(shè)備發(fā)出的同步信號(hào)中，也含有設(shè)備編碼信息，這樣3D眼鏡接收到同步信號(hào)后，先對(duì)比同步信號(hào)中的設(shè)備碼是否與自身的一致，如果一致則按信號(hào)中的信號(hào)控制相應(yīng)鏡片的開(kāi)關(guān)，如果設(shè)備碼不一致，則保持兩個(gè)鏡片關(guān)閉。如上所述，每個(gè)3D眼鏡上均有兩個(gè)距離固定的標(biāo)志點(diǎn)，以供位置追蹤設(shè)備捕捉位置。另外，每個(gè)3D眼鏡上應(yīng)該還設(shè)有其他標(biāo)識(shí)，如互不相同的紅外高反射圖案，例如二維碼，以供位置追蹤設(shè)備區(qū)別不同的觀察者。
[0025]另外，3D眼鏡應(yīng)具有超高速的幀頻，以匹配高速投影機(jī)的幀頻，在較低頻率，如幾百Hz，可以通過(guò)鐵電液晶實(shí)現(xiàn)，如果觀察者較多，則可以通過(guò)兩塊鐵電液晶板，以級(jí)聯(lián)的方式，實(shí)現(xiàn)高速的調(diào)制。這種情況下，只有前后兩塊液晶板處于開(kāi)狀態(tài)時(shí)，眼鏡片才處于開(kāi)的狀態(tài)，而只要有一塊液晶板處于關(guān)閉狀態(tài)，則整個(gè)鏡片處于關(guān)閉狀態(tài)，通過(guò)時(shí)鐘的調(diào)制，可以把兩塊液晶板開(kāi)啟與關(guān)閉的時(shí)間差設(shè)置的很小，則可以得到很快的開(kāi)關(guān)速度。
[0026]3D眼鏡61，62，...，6N，在位置追蹤設(shè)備中的計(jì)算機(jī)注冊(cè)，將其設(shè)備碼與其識(shí)別標(biāo)志對(duì)應(yīng)關(guān)系輸入到計(jì)算機(jī)中。圖像生成器由輸入的N，決定輸出幀頻為120*N。攝像頭(或環(huán)帶相機(jī))以30幅/s的幀頻采集一幅360°的圖像，輸入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)先進(jìn)行閾值分割，得到每個(gè)3D眼鏡的LED標(biāo)志點(diǎn)及標(biāo)志圖案，經(jīng)過(guò)坐標(biāo)運(yùn)算，得到每個(gè)觀察者的位置。計(jì)算機(jī)根據(jù)3D場(chǎng)景模型及各個(gè)觀察者位置，生成N個(gè)視差對(duì)圖像，同時(shí)，將這些視差對(duì)圖像輸出給高速投影機(jī)。高速投影機(jī)將N個(gè)視差對(duì)圖像投影到屏幕上，并同時(shí)向快門(mén)同步設(shè)備輸出同步信號(hào)，快門(mén)同步設(shè)備將同步信號(hào)與3D眼鏡的設(shè)備碼編碼后，調(diào)制到載波上以無(wú)線方式發(fā)送，3D眼鏡接收后，對(duì)比同步信號(hào)中的設(shè)備碼是否與自身的一致，如果一致則按信號(hào)中的信號(hào)控制相應(yīng)鏡片的開(kāi)關(guān)，如果設(shè)備碼不一致，則保持兩個(gè)鏡片關(guān)閉。于是，每個(gè)觀察者都能且只能觀察到屬于自己的視差對(duì)圖像，由此產(chǎn)生立體視覺(jué)。
[0027]計(jì)算機(jī)每秒所要繪制的圖像總數(shù)為N*30*2幅，因?yàn)殡m然每個(gè)人眼所需要的幀頻為60Hz，但是實(shí)際上只要30幅的圖像就可以讓人感覺(jué)到連續(xù)。因?yàn)楫a(chǎn)生的圖像是根據(jù)觀察者位置實(shí)時(shí)繪制的，因此觀察者可以觀察到逼真細(xì)膩的3D場(chǎng)景，且具有運(yùn)動(dòng)視差。
[0028]以上實(shí)施例的說(shuō)明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想；同時(shí)，對(duì)于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本發(fā)明的思想，在【具體實(shí)施方式】及應(yīng)用范圍上均會(huì)有改變之處，綜上所述，本說(shuō)明書(shū)內(nèi)容不應(yīng)理解為對(duì)本發(fā)明的限制。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種體驗(yàn)空間集成操控系統(tǒng)，其特征在于，包括: 高速投影機(jī)，用于投射圖像，并同時(shí)輸出每一幀圖像所對(duì)應(yīng)的同步信號(hào)； 屏幕，用于對(duì)所述高速投影機(jī)投射的圖像漫反射，顯示每個(gè)觀察者所需的圖像； 位置追蹤設(shè)備，用于獲取各觀察者的位置信息； 圖像發(fā)生器，用于根據(jù)待顯示的3D場(chǎng)景信息和各觀察者的位置信息，向所述高速投影機(jī)輸送圖像； 主動(dòng)式快門(mén)3D眼鏡，為各觀察者佩戴，用于根據(jù)與之匹配的同步信號(hào)，控制鏡片的通光狀態(tài)，使觀察者在所述屏幕上觀看到具有立體視覺(jué)的圖像。2.如權(quán)利要求1所述的體驗(yàn)空間集成操控系統(tǒng)，其特征在于:所述高速投影機(jī)為一片或三片式DLP投影機(jī)。3.如權(quán)利要求1所述的體驗(yàn)空間集成操控系統(tǒng)，其特征在于:所述屏幕為與屏幕法線成30°到60°角之間具有較大增益的漫散射屏。4.如權(quán)利要求3所述的體驗(yàn)空間集成操控系統(tǒng)，其特征在于:所述位置追蹤設(shè)備包括成像設(shè)備和圖像識(shí)別處理器，所述位置追蹤設(shè)備用于確認(rèn)360°范圍內(nèi)的觀察者的位置； 所述成像設(shè)備，用于獲取設(shè)于所述主動(dòng)式快門(mén)3D眼鏡上的兩個(gè)標(biāo)志點(diǎn)的圖像； 圖像識(shí)別處理器，根據(jù)兩個(gè)所述標(biāo)志點(diǎn)在所述圖像中的位置、所述圖像中兩個(gè)所述標(biāo)志點(diǎn)之間的距離、以及所述成像設(shè)備位置坐標(biāo)，得到所述各觀察者的位置信息。5.如權(quán)利要求1所述的體驗(yàn)空間集成操控系統(tǒng)，其特征在于:還包括快門(mén)同步設(shè)備，用于獲取所述高速投影機(jī)輸出的同步信號(hào)并以無(wú)線方式輸出給所述各觀察者佩戴的所述主動(dòng)式快門(mén)3D眼鏡；所述同步信號(hào)中帶有各所述主動(dòng)式快門(mén)3D眼鏡的設(shè)備編碼信息，各所述主動(dòng)式快門(mén)3D眼鏡接收到所述同步信號(hào)后，先對(duì)比所述同步信號(hào)中的設(shè)備編碼信息是否與自身的設(shè)備編碼一致，在設(shè)備編碼匹配時(shí)，控制鏡片通光狀態(tài)。
【文檔編號(hào)】G03B35/18GK105892217SQ201510038687
【公開(kāi)日】2016年8月24日
【申請(qǐng)日】2015年1月26日
【發(fā)明人】趙剛, 范川遠(yuǎn)
【申請(qǐng)人】北京英潮元吉科技有限公司