基于菲涅尔透镜的裸眼悬浮立体显示系统及显示方法.pdf

本发明公开了基于菲涅尔透镜的裸眼悬浮立体显示系统及显示方法，包括定向屏、投影机组和电机，定向屏由菲涅尔透镜组和光栅构成，所述菲涅尔透镜组包括两片菲涅尔透镜，所述菲涅尔透镜是由聚烯烃材料注压而成的镜片，镜片表面一面为光面，另一面刻录了由小到大的同心圆，所述投影机组包括多个微型投影机，所述投影机组设置在定向屏下方，所述投影机的镜头朝向定向屏，多个微型投影机环绕旋转轴排列且正对定向屏投影，所述电机设置在投影机组的下方。本发明提供的基于菲涅尔透镜的裸眼悬浮立体显示系统可供多人在任意角度裸眼观看，所在位置不同，观察到的立体图像也不同，并且图像出屏，观察者可用手触摸图像，体现了较好的人机互动性。

权利要求书
1.  基于菲涅尔透镜的裸眼悬浮立体显示系统，其特征在于，系统包括：
投影机组，用于提供要成像的立体物品的视差图；
定向屏，用于分离视差图并将投影机出瞳成像；
图像显示区，用于显示经定向屏处理后的立体视觉图像；
电机，用于旋转定向屏形成整圈的观察带；
所述投影机组由多个微型摄影机环绕旋转轴排列组成，且正对定向屏投影，所述微型投影机的镜头朝向定向屏，设置在定向屏下方，所述定向屏由菲涅尔透镜组和光栅组成，所述光栅设置在菲涅尔透镜组的后面，所述图像显示区位于定向屏上方，所述电机设置在投影机组的下方;
所述菲涅尔透镜组包括两片菲涅尔透镜，分别记为第一菲涅尔透镜和第二菲涅尔透镜，所述菲涅尔透镜组用于将放置于第一菲涅尔透镜焦平面处的投影机出瞳成像在第二菲涅尔透镜焦平面处;
所述光栅为用于扩大竖直方向的观察范围的水平光栅;
所述菲涅尔透镜为厚度小于5mm镜片，镜片表面一面为光面，另一面刻录由小到大的同心圆;
所述视差图为水平视差图中的负视差视觉效果图。

2.  使用如权利要求1所述的基于菲涅尔透镜的裸眼悬浮立体显示方法，其特征在于，方法包括：
A、预先设置投影机组环绕转轴排列且正对定向屏投影；
B、电机带动定向屏高速旋转，将投影机组出瞳成像，在图像显示区形成一条具有负视差的观察带；
C、重复步骤B，直到电机旋转一周、形成的观察带围成整圈，图像显示区显示悬浮立体图像供人观察;
所述步骤B具体还包括：
B1、电机带动定向屏的透镜组和光栅高速旋转；
B2、定向屏将旋转过程中，当投影机位于第一菲涅尔透镜焦平面时，将投影机出瞳成像在第二菲涅尔透镜焦平面处，并通过水平光栅扩大竖直的观察范围；
B3、出瞳成像后的图像位于人眼与定向屏之间的具有负视差效果的观察带;
所述菲涅尔透镜为厚度小于5mm镜片，镜片表面一面为光面，另一面刻录由小到大的同心圆。

说明书基于菲涅尔透镜的裸眼悬浮立体显示系统及显示方法
技术领域
本发明涉及裸眼立体显示技术领域，尤其涉及基于菲涅尔透镜的裸眼悬浮立体显示系统及显示方法。
背景技术
人们对客观世界的感知方式有多种，眼睛承载着人类 90%以上的信息获取能力，借助视觉能获得的信息量远远超过了听觉、触觉、嗅觉及味觉等其他方式所能获得的信息量。现实中的物体都是立体的、三维的，人眼的视觉系统能够很好的适应现实中的三维世界，准确的把图像信息传递给人们。但是由于技术的原因，目前的绝大多数显示装置只能显示二维的图像，虽然也能给人们展示大千世界的多姿多彩，但远不能提供与真实世界相比的视觉信息，不能让人们感知立体的世界。随着科学技术的发展和人们生活水平的提高，人们对于显示装置的要求已经不仅仅局限于简单的传递二维平面信息，而是希望它可以提供更加真实、富有立体感，更接近人眼实际感受的三维立体图像信息，由此三维立体显示技术应运而生。
图像显示器是人类接受外部信息的重要手段之一。而立体显示器则能再现物体的三维信息，提供物体更为全面、详实的信息，在医学、军事、广告艺术以及立体电视等领域有着广泛的应用前景。目前的立体显示器无法同时实现裸眼、宽视域观看，以及立体图像的悬浮和可触摸。随着立体显示技术的不断发展，人们对立体显示器的观看效果提出了更高的要求，要求其实现裸眼 360°周视观看，图像悬浮且具有较好的人机交互性。
虽然该技术发展了很长一段时间，但是现有立体显示器大都无法同时实现裸眼观看、周视和图像悬浮可触摸的功能。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种基于菲涅尔透镜的裸眼悬浮立体显示系统及显示方法。本发明旨在提供一种可以实现裸眼3D，可供多人在任意角度裸眼观看的立体显示系统及显示方法。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
基于菲涅尔透镜的裸眼悬浮立体显示系统，其中，系统包括：
投影机组，用于提供要成像的立体物品的视差图；
定向屏，用于分离视差图并将投影机出瞳成像；
图像显示区，用于显示经定向屏处理后的立体视觉图像；
电机，用于旋转定向屏形成整圈的观察带；
所述投影机组由多个微型摄影机环绕旋转轴排列组成，且正对定向屏投影，所述微型投影机的镜头朝向定向屏，设置在定向屏下方，所述定向屏由菲涅尔透镜组和光栅组成，所述光栅设置在菲涅尔透镜组的后面，所述图像显示区位于定向屏上方，所述电机设置在投影机组的下方。
所述的基于菲涅尔透镜的裸眼悬浮立体显示系统，其中，所述菲涅尔透镜组包括两片菲涅尔透镜，分别记为第一菲涅尔透镜和第二菲涅尔透镜，所述菲涅尔透镜组用于将放置于第一菲涅尔透镜焦平面处的投影机出瞳成像在第二菲涅尔透镜焦平面处。
所述的基于菲涅尔透镜的裸眼悬浮立体显示系统，其中，所述光栅为用于扩大竖直方向的观察范围的水平光栅。
所述的基于菲涅尔透镜的裸眼悬浮立体显示系统，其中，所述菲涅尔透镜为厚度小于5mm镜片，镜片表面一面为光面，另一面刻录由小到大的同心圆。
所述的基于菲涅尔透镜的裸眼悬浮立体显示系统，其中， 所述视差图为水平视差图中的负视差视觉效果图。
所述的基于菲涅尔透镜的裸眼悬浮立体显示方法，其中，方法包括：
A、预先设置投影机组环绕转轴排列且正对定向屏投影；
B、电机带动定向屏高速旋转，将投影机组出瞳成像，在图像显示区形成一条具有负视差的观察带；
C、重复步骤B，直到电机旋转一周、形成的观察带围成整圈，图像显示区显示悬浮立体图像供人观察。
所述的基于菲涅尔透镜的裸眼悬浮立体显示方法，其中，所述步骤B具体还包括：
B1、电机带动定向屏的透镜组和光栅高速旋转；
B2、定向屏将旋转过程中，当投影机位于第一菲涅尔透镜焦平面时，将投影机出瞳成像在第二菲涅尔透镜焦平面处，并通过水平光栅扩大竖直的观察范围；
B3、出瞳成像后的图像位于人眼与定向屏之间的具有负视差效果的观察带。
所述的基于菲涅尔透镜的裸眼悬浮立体显示方法，其中， 所述菲涅尔透镜为厚度小于5mm镜片，镜片表面一面为光面，另一面刻录由小到大的同心圆。
本发明提供了一种基于菲涅尔透镜的裸眼悬浮立体显示系统及显示方法，包括定向屏、投影机组和电机，定向屏由菲涅尔透镜组和光栅构成，所述菲涅尔透镜组包括两片菲涅尔透镜，所述菲涅尔透镜是由聚烯烃材料注压而成的镜片，镜片表面一面为光面，另一面刻录了由小到大的同心圆，所述投影机组包括多个微型投影机，所述投影机组设置在定向屏下方，所述投影机的镜头朝向定向屏，多个微型投影机环绕旋转轴排列且正对定向屏投影，所述电机设置在投影机组的下方。本发明提供的基于菲涅尔透镜的裸眼悬浮立体显示系统可供多人在任意角度裸眼观看，所在位置不同，观察到的立体图像也不同，并且图像出屏，观察者可用手触摸图像，体现了较好的人机互动性。
附图说明
图1是本发明基于菲涅尔透镜的裸眼悬浮立体显示系统的较佳实施例的系统原理图。
图2是双目视差原理图。
图3是本发明基于菲涅尔透镜的裸眼悬浮立体显示系统的较佳实施例的定向屏结构图。
图4是本发明基于菲涅尔透镜的裸眼悬浮立体显示系统的较佳实施例的基于菲涅尔透镜组的成像原理图。
图5是本发明基于菲涅尔透镜的裸眼悬浮立体显示系统的较佳实施例的水平光栅定向散射原理示意图。
图6是本发明基于菲涅尔透镜的裸眼悬浮立体显示系统的较佳实施例的定向屏旋转成像原理图。
图7是本发明基于菲涅尔透镜的裸眼悬浮立体显示方法的较佳实施例流程图。
具体实施方式
本发明提供了基于菲涅尔透镜的裸眼悬浮立体显示系统及显示方法，为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供了基于菲涅尔透镜的裸眼悬浮立体显示系统，如图1所示，所述系统包括投影机组1，用于提供要成像的立体物品的视差图；
定向屏2，用于分离视差图并将投影机组1出瞳成像；
图像显示区4，用于显示经定向屏2处理后的立体视觉图像；
电机3，用于旋转定向屏2形成整圈的观察带5；
所述投影机组1由多个微型摄影机组1环绕旋转轴排列组成，且正对定向屏2投影，所述微型投影1机的镜头朝向定向屏2，设置在定向屏2下方。所述定向屏由菲涅尔透镜组和光栅组成，所述光栅设置在菲涅尔透镜组的后面，所述图像显示区位于定向屏上方，所述电机设置在投影机组的下方，6为人的双眼，人可以在观察带5看到悬浮立体图像。
如图3所示，其中，所述菲涅尔透镜组包括两片菲涅尔透镜，分别记为第一菲涅尔透镜21和第二菲涅尔透镜22，所述菲涅尔透镜组用于将放置于第一菲涅尔透镜21焦平面处的投影机出瞳成像在第二菲涅尔透镜33焦平面处。所述光栅为用于扩大竖直方向的观察范围的水平光栅23。
研究表明，人类的眼睛对于现实世界的深度感觉主要是来自于以下几种方式，分别是：单眼的移动视差、两眼的视差、调节效应、汇聚效应。其中两眼的视差是看物体产生立体感和深度感的最主要的原因。
人类的两眼之间有大约 65 毫米左右的距离，右眼和左眼分别去看同一个物体之间是有小小的差别的，相当于是用不一样的角度去看世界的。而双眼对空间的定位是这样的过程：如图2所示，61为左眼，62为右眼，10为实物，11为左眼实际看到的画面，12为右眼实际看到的画面，13为大脑合成左右双眼画面信息后重新构建的影像。当双眼把看到有细微差别的两幅图像或场景反映给了大脑的时候，大脑把接收到的两幅图像综合处理成为一副非常完整的图像，产生了精确的立体状态的物体和这个物体在真实场景中的位置。这样使观察者有立体和深度的感觉也就形成了。
所述的基于菲涅尔透镜的裸眼悬浮立体显示系统，其中，所述菲涅尔透镜为厚度小于5mm镜片，镜片表面一面为光面，另一面刻录由小到大的同心圆。
所述的基于菲涅尔透镜的裸眼悬浮立体显示系统，其中， 所述视差图为水平视差图中的负视差视觉效果图。
任何取在立体空间中相同的一点，按投影在立体图像对中的像点位置偏差的方向不同，分为垂直视差和水平视差。其中，垂直视差指的是在竖直方向上像点位置的偏移，水平视差指的是在水平方向上像点位置的偏移。但是垂直视差会让双眼观察物体的时候感觉极度的不适，因为双眼是水平分布而不是垂直分布的。所以水平视差常常用在实现立体显示的过程中，而垂直视差是立体显示中尽量要避免出现的。
其中，水平视差分别有零视差，正视差，负视差，发散视差四种类型。
1.零视差
双眼中目标物体的成像点和立体空间中的一点所形成的连线在显示屏上交于同一点的时候，双目视差是零，也就是上面所说的零视差。观看这一点的时候，会感觉这一点就在屏幕之上，那是因为左右眼的视线恰好交汇于显示屏上的同一点。
2.正视差
双眼中目标物体的成像点和立体空间中的一点所形成的两条连线和显示屏相交，并且两个交点之间的间隔小于人类瞳距的规定值，此刻产生的视差也就是正视差，在呈现正视差的情况下，当观察者的目光投射到这点上时，产生大脑的融合之后，会感觉到这一点深于显示屏，有一种深度感。
3.负视差
双眼中成像点和立体空间中的一点所形成的两条连线在显示屏前相交，此刻产生的视差称为负视差。在呈现负视差的情况下，观察者会感觉目标点处于显示屏以及双眼之间。
4．发散视差
双眼中成像点和立体空间中的一点所形成的两条连线和显示屏相交(在显示屏前没有相交)，且两个交点之间的间隔大于人类瞳距的规定值，此刻产生的视差称为发散视差。但在处于发散视差的情况下，观察者的目光投射到这一点时将感到视觉疲劳，因为这两点超过了融合范围无法融合到一起。现实生活之中，并不会产生这种情况，所以在制作立体显示器的时候，也要尽量避免产生这种情况。
为了使立体图像悬浮可触摸，所以图像必须出屏且位于屏幕与人眼之间，根据以上四种视差类型的特点，选择负视差。
 如图4 所示，本发明的基于菲涅尔透镜的裸眼悬浮显示系统中，如图4所示，菲涅尔透镜组的作用是将放置于第一菲涅尔透镜21焦平面处的投影机出瞳成像在第二菲涅尔透镜22 焦平面处。光栅23作为定向散射屏的一种，它可以将光源7入射的光线向某一方向散射，从而增大观看范围，其原理如图5 所示，水平光栅在23竖直方向上具有散射性，散射角为 。因此在菲涅尔透镜组后面加水平光栅扩大了竖直方向的观察范围，形成竖直的观察带。菲涅尔透镜组和光栅组成了定向屏，当投影机位于定向屏中第一菲涅尔透镜的焦点时，定向屏对投影机出瞳成像，在第二菲涅尔透镜的焦平面上形成一条竖直的观察带，。
为了实现 360°周视观看，显示器采用多投影机环绕旋转轴排列且正对定向屏投影，只有当定向屏正对投影机时，投影机才能将图像投影到定向屏上，为了使图像具有可触摸性，提高人机交互性，图像必须出屏且位于人眼与定向屏之间，也即此时的视差类型为上面提到的负视差，以两个投影机为例，如图6 所示，由图可知，当定向屏(实线)正对第一投影机14时，形成观察带51；当定向屏(虚线)正对投影机15时，形成观察带52，当左眼位于观察带51且右眼位于观察带52时，可获得出屏的立体影像。
本发明的基于菲涅尔透镜的裸眼悬浮立体显示系统采用多个微型投影机提供视差图，定向屏分离视差图并将投影机出瞳成像，形成显示器上方的观察带，当观看者左右眼位于不同观察带时，将接收到对应的视差图，形成立体视觉。定向屏由电机带动高速旋转，多投影机环绕旋转轴排列，当定向屏正对其中一个投影机时，将投影机出瞳成像，在显示器上方形成一条观察带。因此，电机旋转一周，形成的观察带围成整圈，实现周视，当人眼位于任意两条不同观察带时，将分时接收到对应视差图，形成立体视觉，且位于不同的位置，将观察到立体图像不同的侧面。
本发明所公开的立体显示系统有效增大了观看范围，实现周视，同时可使多人多角度观看立体图像，且具有运动视差。显示器中定向屏采用倾斜放置结构，可使立体影像成像在屏幕之外且无遮挡，因此图像具有悬浮感，且观看者可触摸到图像，更好的体现了观看者与图像的互动性特点。
基于上述系统实施例，本发明还提供了一种基于菲涅尔透镜的裸眼悬浮立体显示方法的较佳实施例，具体如图7所示，方法包括：
步骤S100、预先设置投影机组环绕转轴排列且正对定向屏投影；具体如上所述。
步骤S200、电机带动定向屏高速旋转，将投影机组出瞳成像，在图像显示区形成一条具有负视差的观察带；具体如上所述。
步骤S300、重复步骤S200，直到电机旋转一周、形成的观察带围成整圈，图像显示区显示悬浮立体图像供人观察；具体如上所述。
所述的基于菲涅尔透镜的裸眼悬浮立体显示方法，其中，所述步骤S200具体还包括：
S201、电机带动定向屏的透镜组和光栅高速旋转；具体如上所述。
S202、定向屏将旋转过程中，当投影机位于第一菲涅尔透镜焦平面时，将投影机出瞳成像在第二菲涅尔透镜焦平面处，并通过水平光栅扩大竖直的观察范围；具体如上所述。
S203、出瞳成像后的图像位于人眼与定向屏之间的具有负视差效果的观察带；具体如上所述。
所述的基于菲涅尔透镜的裸眼悬浮立体显示方法，其中， 所述菲涅尔透镜为厚度小于5mm镜片，镜片表面一面为光面，另一面刻录由小到大的同心圆；具体如上所述。
 综上所述，本发明提供了一种基于菲涅尔透镜的裸眼悬浮立体显示系统及显示方法，包括定向屏、投影机组和电机，定向屏由菲涅尔透镜组和光栅构成，所述菲涅尔透镜组包括两片菲涅尔透镜，所述菲涅尔透镜是由聚烯烃材料注压而成的镜片，镜片表面一面为光面，另一面刻录了由小到大的同心圆，所述投影机组包括多个微型投影机，所述投影机组设置在定向屏下方，所述投影机的镜头朝向定向屏，多个微型投影机环绕旋转轴排列且正对定向屏投影，所述电机设置在投影机组的下方。本发明提供的基于菲涅尔透镜的裸眼悬浮立体显示系统可供多人在任意角度裸眼观看，所在位置不同，观察到的立体图像也不同，并且图像出屏，观察者可用手触摸图像，体现了较好的人机互动性。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。