[发明专利]基于光场拼接的球形沉浸式三维显示方法及系统

说明书

技术领域

本发明涉及三维显示技术领域，特别涉及一种基于拼接光场的沉浸式三维显示方法及系统。

背景技术

随着现代科技的不断发展，人们获取信息的渠道不断丰富，获得的信息量也不断提高。相较于其他获取方式，视觉感知又被认为是人们获得信息的最重要的渠道之一，因此显示技术的研究也越来越受到学界的重视。相较于传统的二维显示，三维显示能提供更直观的视觉感受、更丰富的细节、更具表现力的场景，可以在许多行业中得到广泛的应用，是未来显示技术的发展趋势。

目前，非全息三维显示技术一般分为：体视三维显示技术、自体视三维显示技术、体三维显示技术、光场三维显示技术。体三维显示和体视三维显示目前都有较好的显示设备出现，然而基于这两种方法的显示装置大都依靠转动屏幕来满足全视角观看的需求，所以显示装置结构相对复杂，造价也高。传统的集成成像三维显示技术则在视角数目、图像串扰、显示区域深度和大小等方面存在很多需要解决的问题。

目前，已经开发出的平面或柱面的拼接光场的三维显示方法已经初步实现三维立体显示。例如公开号为CN101819375A的专利文献公开了一种全视差三维显示装置。它包括投影机阵列、正交柱面光栅屏，正交柱面光栅屏包括第一柱面光栅、第二柱面光栅，依次放置的投影机阵列、正交柱面光栅屏，投影机阵列向正交柱面光栅屏投影图像，正交柱面光栅屏中的第一柱面光栅和第二柱面光栅的光栅方向分别平行于x轴和y轴。另外，公开号为CN103048866A的专利文献公开了一种基于平面显示器的悬浮式360°光场三维显示装置，包括：依次放置的平面显示器阵列、第一透镜组阵列、第二透镜与散射屏，其中平面显示器阵列由若干平面显示器拼接而成，每个平面显示器用于显示三维对象一周360°各子图像的其中一部分，即一个子图像序列，平面显示器阵列显示的图像序列中各子图像、第一透镜组阵列中各第一透镜组以及观察区的各视点一一对应。上述装置限于系统装置的结构，三维物体远离观察者。

发明内容

本发明的主要目的在于构建一个扩展性强，具有沉浸于三维场景环绕效果的基于拼接光场的球形沉浸式三维显示装置，满足了球体内多人多视角观看的诉求；同时球形屏幕的结构可以实现观察者沉浸于三维场景的效果，满足多人同时、多视角、可触式、身临其境的观看诉求。

本发明还提供了一种基于光场拼接的球形沉浸式三维显示方法，该方法处理简单，需要三维显示的场景利用该方法显示时，逼真感更强，同时减少了常规三维显示方法中的视角不连续带来的疲惫感。

一种基于光场拼接的球形沉浸式三维显示系统，包括：投影仪阵列、球幕散射屏、以及图像生成和控制模块；

所述的球幕散射屏用于显示立体三维场景，球幕散射屏内为观察区域；

所述的图像生成和控制模块根据平面二维坐标与空间球坐标系的映射关系，将需要三维显示的场景从二维坐标系解析到球坐标系内，得到一系列沿球半径指向球心方向投影的图像元；然后将图像元编码压包、传输、解压后分配给投影仪阵列中的每一台投影仪；

所述的投影仪阵列围绕球幕散射屏外周设置，其投影范围能覆盖整个球幕散射屏，每台投影仪光轴均指向球幕散射屏球心；同时投影仪阵列将接收的图像元投影到球幕散射屏上，光线经过二向散射后，位于球幕内的观察者便可观察到具有双目视差的细腻的立体三维场景。

作为优选，所述的投影仪阵列为N层环形阵列，N层环形阵列沿球幕散射屏同一中轴线轴向布置，各层以180o/N的等纬度差间隔均匀分布，

且每台投影仪距离球幕散射屏距离相等；其中N为自然数，且：

（球幕散射屏的周长/单台投影仪。投影画面纵向尺寸)。

上述投影仪阵列一般由台投影仪构成，m_i表示第i层投影仪数量。投影仪通常为LCD、LCOS、DLP等投影仪，用于提供球幕散射屏上每一个子单元区域对应的投影图像。所述的投影仪阵列的层数N一般为大于3的自然数，保证投影仪阵列的投影范围能覆盖整个球幕散射屏，避免出现黑影区域，影响三维场景的显示效果。所述的单层环形阵列中，每一台投影仪投影在球幕散射屏上的图像单元相对球形的经度范围为θ1，θ1为一个小角度，且mi值越大，θ1越小，在观察区域看到的三维场景图像越细腻。设单层环形阵列中有mi台投影仪，则m_i×θ₁=360°，且投影仪等间隔分布，投影仪的光轴指向球心。

作为进一步优选，所述的N层环形阵列中，最上面一层投影仪位于纬度，最下面一层投影仪位于纬度