基于镜像序列的体积成像方法及其显示装置 所属技术领域
本发明涉及三维图像显示技术，尤其涉及一种基于镜像序列的体积成像方法及其显示装置。
背景技术
与基于立体图像对的显立体示方式不同，体积显示方式是通过控制一幅快速运动并作同步刷新的二维图像，在三维空间的不同纵深处制造发光点，借助视觉暂留效应，使观察者看到具有物理景深的三维图象。
目前，关于体积显示的发明大多集中在与旋转屏幕相关的一些装置上。它们虽然实施方便，但其体素的大小与分布都不均匀，而是从转轴向外沿半径方向线性增长。正因如此，这些装置比较适合散乱数据或模糊点集的三维显示，并不适合工程对象的精确显示。此外，由于屏幕厚度的影响，在观察视野中会形成暗影。
除基于旋转屏幕的显示装置外，也有个别文献涉及到移动屏幕的。基于移动屏幕的体积显示装置可以做到体素地大小一致与分布均匀，这是基于旋转屏幕的显示装置所不能比拟的。但基于移动屏幕的体积显示装置有两个难以克服的困难：
第一，屏幕与投影仪之间的距离是不断变化的，要使屏幕上获得清晰图像，就必须解决动态调焦问题，而这是难以实施的。
第二，为了减轻屏幕厚度带来的暗影，屏幕必须做得足够薄。与此同时，为了形成视觉暂留，屏幕必须快速调头，此时它将承受惯性带来的弯曲载荷，这就要求屏幕做得足够厚。很显然，这两个要求是相互矛盾的。加之屏幕必须采用半透明的光学材质这一限制，屏幕的选材在实际上几乎不可能实施。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种既可获得大小一致且分布均匀的体素、又可克服基于移动屏幕的体积显示装置所固有的困难、同时还可消除屏厚暗影的体积成像方法及其显示装置。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
1、一种基于镜像序列的体积成像方法：将数字化投影仪射出的同步刷新的二维图像投影到一个静止不动的背投屏幕上，经一个沿法线方向作往复运动的前表面反光镜的反射后，形成一个连续的镜像序列，借助视觉暂留效应，该镜像序列被观察者感知为一个具有物理景深的三维图像。
2、一种基于镜像序列的体积成像方法的显示装置，它包括：
1)机械驱动系统：包括从动件、第一滚轮、第一导轨、第二导轨、配重从动件、齿轮、凸轮、花键轴、配重凸轮、第二滚轮、第三滚轮和第四滚轮各两件，它们分别对称布置在光学成像系统的两侧；两个从动件之间安装有前表面反光镜；花键轴上从内向外依次装有凸轮、配重凸轮和齿轮，齿轮接动力源，凸轮与配重凸轮具有相同的曲线轮廓但呈180°反相安装；从动件通过安装于其上的第一滚轮和第二滚轮与凸轮接触；从动件与第一导轨构成滑动副；配重从动件通过安装于其上的第三滚轮和第四滚轮与配重凸轮接触，并跨过花键轴与第二导轨构成滑动副；
2)光学成像系统：包括前表面反光镜、观察视窗、数字化投影仪、背投屏幕、第一反光平面、第二反光平面；数字化投影仪射出的光线依次经过第一反光平面、与其相互垂直的第二反光平面、投射到垂直的背投屏幕；前表面反光镜与背投屏幕相平行，与观察视窗成45°。
本发明与背景技术相比，具有的有益效果是：
1)采用了静止不动的背投屏幕，从而完全避免了动态调焦问题，并且为屏幕的实施提供了很大的自由度。
2)设计了沿法线方向往复运动的前表面反光镜，用于形成背投屏幕上同步刷新的二维图像的连续镜像序列。由于反光镜的工作表面是前表面，其背面并不工作，所以在具体实施时，可以在背后采用筋板结构以提高其弯曲强度，并可以采用高强度的非光学材质经前表面镀膜而成。这样，无论在材质上还是结构上，其实施都有很大的可选空间。
3)构造了一个观察视窗，用以限制观察视角，确保观察者只能看到镜像，而看不到背投屏幕上的实像。由于空间图像仅由连续的镜像序列构成，所以消除了屏厚带来的暗影。
4)由四个等径凸轮构成的组合凸轮机构，对称安装并同步运转，实现了惯性力与惯性力矩的平衡，从而在具体实施时可以作成台式机。
由于上述特点，本发明特别适合三维对象的精确显示，在工业设计、科学研究、教学演示、机场调度、医学CT分析、分子结构仿真等涉及三维对象的领域都有广阔的应用前景。
【附图说明】
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是本发明的立体结构示意图；
图2是本发明机械系统的剖视示意图；
图3是本发明光学成像系统的立体结构示意图；
图4是本发明的光学成像原理图。
图中：1.从动件，2.前表面反光镜，3.观察视窗，4.第一滚轮，5.第一导轨，6.第二导轨，7.配重从动件，8.齿轮，9.凸轮，10.花键轴，11.配重凸轮，12.第二滚轮，13.第三滚轮，14.数字化投影仪，15.背投屏幕，16.第一反光平面，17.第二反光平面，18.第四滚轮，19.镜像序列。
【具体实施方式】
如图1～图4所示，本发明包括：
1)机械驱动系统：包括从动件1、第一滚轮4、第一导轨5、第二导轨6、配重从动件7、齿轮8、凸轮9、花键轴10、配重凸轮11、第二滚轮12、第三滚轮13和第四滚轮18各两件；它们分别对称布置在光学成像系统的两侧；两个从动件1之间安装有前表面反光镜2；对称安装的两个齿轮8接同一动力源，同步转动；花键轴10上从内向外依次装有凸轮9、配重凸轮11和齿轮8，凸轮9与配重凸轮11具有相同的曲线轮廓但呈180°反相安装；从动件1通过安装于其上的第一滚轮4和第二滚轮12与凸轮9接触；从动件1与第一导轨5构成滑动副，在凸轮9的驱动下作往复运动，从而实现了表面反光镜2的往复运动；配重从动件7通过安装于其上的第三滚轮13和第四滚轮18与配重凸轮11接触，并跨过花键轴10与第二导轨6构成滑动副，在配重凸轮11的驱动下作往复运动，用以实现惯性力与惯性力矩的平衡。
2)光学成像系统：包括前表面反光镜2、观察视窗3、数字化投影仪14、背投屏幕1、第一反光平面16、第二反光平面17；数字化投影仪14射出的光线经过第一反光平面16以及与其相互垂直的第二反光平面17的反射，投射到垂直的背投屏幕15，并在其上形成可视的二维图像，该图像经复运动的前表面反光镜2的反射，形成一个连续的镜像序列19。借助视觉暂留效应，镜像序列19被观察者感知为一个具有物理景深的三维图像，该三维图像可通过观察视窗3看到。