[发明专利]多模式混合投影的真三维显示系统

说明书

技术领域

本发明属于三维显示技术领域，具体涉及一种真三维显示(truethree-dimensional display)系统，特别是一种多模式混合投影的真三维显示系统。

背景技术

传统平面显示技术只限于二维图像，并不能让观察者获得真实的三维深度信息和完整的表面特性。二维平面成像与显示“强迫”我们用二维窗口来观察丰富生动的三维世界，不仅遗失了重要的深度信息(Depth Cue)，无法准确表达三维空间关系，而且只能体现某个角度上的物体的表面特性。传统二维平面成像和显示技术的这一根本缺陷严重地阻碍了人类对客观世界的感知，影响了人类对信息获取、处理、传递、人机交互和决策的准确度、深度、速度和效率。

在人眼感知的最真实的完整的三维内容信息中，不仅包含了物体的三维几何尺度特性(长、宽和深度)，而且还包含了物体表面的色彩亮度和散射属性等表面特性，以及由于相对位置关系造成的遮挡和阴影等信息。真三维显示(true three-dimensional display)技术试图构造新型显示装置，最大限度地展示三维物体的真实三维信息。所谓“真三维显示”是指被显示图像每个三维像点(又称体元，voxel)具有真实的表面特性，体元之间相对位置关系也被真实地体现在三维显示装置中，组成真正意义上的三维空间图像，具有真实物理深度和照片质量的表面特性。观察者不需要任何辅助设备，就可以从360度方向任意观察被显示物体，感知最真实的完整的三维内容信息。真三维显示技术从根本上更新了信息显示的概念，使被显示图像栩栩如生，向观看者提供了完备的心理和生理的三维感知信息，为理解三维图像和其中物体之间的空间关系提供了独特的手段。

真三维显示系统目前主要通过体元空间绘制而实现。在目前众多的真三维显示模式中，体元空间三维显示(Volumetric 3D Display)与光场三维显示(Optical Field 3D Display)受到比较多的关注，取得了相当不错的显示效果。然而这两大类三维显示模式都无法无缝地同时再现出三维物体具有遮挡效应、表面特性和可三维测量的真实物理深度信息。基于多视点的光场三维显示技术能够产生高质量表面特性和具有遮挡效应的三维图像，使观测者感受到高质量的三维场景，但是缺乏可度量的真实三维空间关系，不能在显示物体反映出准确的三维尺寸和相互空间关系；而体元空间三维显示技术可以准确反映物体尺寸和空间关系，具有宽视角，能够形成令人印象深刻可视化效果，但是不能实现遮挡，并缺乏足够的表面特性。

目前，体元空间三维显示包括基于发光介质的三维显示、基于旋转屏或移动屏并配合高速显示器的三维显示两大类。第一类是利用发光介质(包括特殊玻璃，气体，液体以及空间排布的光纤等固定结构)配合激发光束的扫描与寻址，产生真三维显示效果(参见图1)；第二类主要是通过快速转动或移动各种形状的屏幕，配合以高速的投影显示器或其它高速显示器，实现空间三维体素寻址，形成真三维显示效果。

(1)基于可发光介质的空间激发扫描

1996年Downing采用三对高功率红外激光束激励掺杂了镨、铒、铥的氟化物玻璃以对应产生红、绿、蓝色体素，最终在厘米级小立方体范围内实现了彩色三维显示。这类显示的缺点在于，缺乏合适的激励源和具有充分光转换效率的发光介质，体素被串行激活，体素总数不超过五十万，无法表述复杂的图像信息或活动的光点信息，诸多的物理和技术限制使建成了的实验装置显示范围小、分辨率低、局限于简单的字母或图形静态显示，近期内不可能实现大尺度、高分辨率、高亮度的真三维显示。

(2)基于旋转屏和空间调制光扫描

1996年德国D.Bahr等利用三色激光器作为光学系统，扫描一个快速旋转的螺旋屏，通过调制器和扫描器作为空间光调制手段，分别控制激光的强度和偏转角度，以便在螺旋屏表面上产生一个瞬时光点(参见图2)，随着激光器的偏转和螺旋屏的旋转，就能在圆柱状的真实三维空间内产生许多光点，观察者将因为视觉暂留而感知到一幅三维图像。

美国NEOS Technologies公司与美国海军指挥、控制及海洋监视中心合作，建立类似的实验装置，可以产生8万个大小为0.7mm体素的红、绿、黄三色图像；德州仪器公司与美国空军合作开发的OmniView^TM显示设备，也在螺旋屏加激光投影技术的组合三维显示上进行了尝试。这类显示的主要缺点是体素总数不超过五十万，无法表述复杂动态信息。