適用于裸眼顯示系統(tǒng)的投影陣列和投影顯示方法
【專利摘要】適用于裸眼顯示系統(tǒng)的投影陣列和投影顯示方法。一種適用于多視顯示系統(tǒng)的投影陣列系統(tǒng)，包括特定數(shù)目的投影單元以陣列的方式集成在顯示屏下方緊湊的空間中，所述投影單元橫向等間隔排列，同時借助平面鏡將投影陣列兩端和中間投影單元分別進行一次或多次光路鏡像翻折，最終將所有投影單元以緊湊的方式集成排列在顯示屏幕的下方，以及所述投影角擴展模塊，包括與投影單元出光鏡頭連接的廣角鏡頭形式的投影角擴展鏡頭。以及一種適用于多視顯示系統(tǒng)的投影顯示方法。本發(fā)明保證三維圖像橫向分辨率不隨視點數(shù)的增加而降低，并通過優(yōu)化投影陣列布局和合理逆向利用廣角鏡頭，有效壓縮整個投影陣列所占空間，改善了投影陣列的長寬比，滿足市場對緊湊投影系統(tǒng)的迫切需求。
【專利說明】適用于裸眼顯示系統(tǒng)的投影陣列和投影顯示方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及真三維顯示領(lǐng)域，更具體地，涉及一種適用于裸眼顯示系統(tǒng)的投影陣 列和投影顯示方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 真三維顯示技術(shù)可以同時為觀眾提供被渲染物體多個側(cè)面的圖像，以使觀眾在被 渲染物體對應的位置看到其對應的側(cè)面，從而產(chǎn)生立體真視的三維（3D)感知。裸眼多視真 三維顯示技術(shù)作為真三維顯示技術(shù)的一個重要分支，近年來已被相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)的國內(nèi)外研究 人員作為實現(xiàn)三維電視的重點技術(shù)進行重點研究。裸眼多視真三維顯示系統(tǒng)是一種使觀察 者在不佩戴任何輔助視覺設(shè)備的自然觀測條件下，感知系統(tǒng)通過多視圖像序列提供的雙目 視差和水平移動視差，從而產(chǎn)生觀察到真實三維物體感覺的系統(tǒng)。相比于佩戴眼鏡感受三 維顯示效果的三維成像技術(shù)，裸眼多視真三維顯示技術(shù)即保留了裸眼、視差等符合人自然 觀察物體習慣的三維感知特征提示（Cue)，又簡化了系統(tǒng)內(nèi)顯示部件中機械部件和顯示屏 幕的設(shè)計，還增加了顯示復雜紋理和大尺度真彩色三維內(nèi)容的技術(shù)可能性，使顯示系統(tǒng)更 接近目前商用的平面顯示器。
[0003] 裸眼多視真三維顯示技術(shù)的圖像生成部分目前主要由前置光柵板的液晶顯示器 (IXD)或投影儀陣列組成。圖像生成部分提供被渲染物體在水平方向上的多個視點圖像， 使觀察者在水平移動過程中看到物體的不同側(cè)面，產(chǎn)生水平視差（horizontal parallax, HP);如果視點之間間隔較小，則觀察者在靜止狀態(tài)下雙眼能觀察到不同視點的圖像，繼而 產(chǎn)生雙目視差（binocular parallax，BP)。
[0004] 在由前置光柵板的IXD提供圖像的情況下，一種典型的裸眼多視真三維系統(tǒng)工作 原理如圖la所示：其中把前方附著光柵板的LCD屏幕101立起來從上往下俯視看，可以得 至IJ LCD面板102的俯視圖及其前面緊貼的光柵板103的俯視圖，光柵板103由許多橫向排 列的單個柱面光柵單元104組成，每英寸包含的單個柱面光柵單元104的個數(shù)為光柵板的 線數(shù)（lens per inch, LPI)。當IXD面板102顯示的某一巾貞圖像時，前置光柵板的每個柱面 光柵單元104覆蓋IXD面板102上的一個細條形的單元（圖la中假設(shè)共覆蓋了 A到I共 九個細條單元）。圖la中光柵板103將IXD面板102顯示的圖像投向3個視點方向，即圖 la上的105、106、107，而光柵板103的光學特性在改變光路的同時會將每個像素的橫向?qū)?度放大至原來的三倍，即104、105、106三個視點分別觀察到的圖像雖然內(nèi)容僅為原來圖像 的三分之一（104觀察到A、D、G，105觀察到B、E、H，106觀察到C、F、I)，但面積和原來LCD 面板102顯示的圖像一致（A到I這9個細條單元的寬度都被沿水平方向放大至原來寬度 的三倍）。由此，只要合理安排A到I的顯示內(nèi)容，即可使觀察者在三個視點分別看到被渲 染物體不同的側(cè)面，形成三維觀感。目前這種方法已經(jīng)被一些電視機生產(chǎn)廠商廣泛運用到 裸眼三維電視產(chǎn)品中。但是這種顯示方法的固有缺陷是通過降低顯示內(nèi)容的實際分辨率得 到多個視點的圖像（圖la中提供3個視點的同時，每個視點的實際分辨率都下降為原來的 三分之一）?，F(xiàn)有LCD屏幕的橫向分辨率有限的情況下無法生成十個以上的多視點圖像，無 法實現(xiàn)視點間的平滑過度。
[0005] 針對前置光柵板的液晶顯示器（IXD)的這個缺陷，采用投影陣列提供多視點圖像 的方案應運而生，某種典型的裸眼多視真三維系統(tǒng)工作原理如圖lb所示：圖中作為屏幕的 各向異性全息膜108表面具有特殊的微結(jié)構(gòu)，使得不同方向投影過來的光線透過全息膜后 會各自沿著不同的方向傳播?；诟飨虍愋匀⒛?08的此種特性，lb圖中假設(shè)有三個投 影儀分別朝著不同方向投影三幅圖像109、110、111，三幅圖像分別由八1、81、(：1^2、82、〇2， A3、B3、C3三條圖像帶組成，經(jīng)過各向異性全息膜112重組為Al、A2、A3，B1、B2、B3，Cl、C2、 C3,分別投影到104、105、106三個視點，此時每個視點圖像所包含的信息量和投影前一致， 不存在使用前置光柵板LCD分視點時帶來的實際分辨率下降問題。但是投影陣列一般采用 較多投影儀進行橫向排列來提供被渲染物體更多的水平視點圖像，以通過更明顯的雙目視 差和水平移動視差營造更真實的三維視覺效果，這樣投影陣列通常會占據(jù)比較大的空間， 不利于樣機的集成研發(fā)，這也成為該技術(shù)成果轉(zhuǎn)化的一項技術(shù)難題。
[0006] 從真三維顯示用戶體驗出發(fā)，提供更多視點及視點間的平滑過渡都是重要的衡量 標準，同時目前真三維產(chǎn)業(yè)提出的自由視點電視（Free-View TV，F(xiàn)TV)也強調(diào)了這些因素。 因此，投影陣列顯示目前成為整個真三維顯示技術(shù)的核心，隨著真三維顯示技術(shù)的快速發(fā) 展和真三維顯示技術(shù)理論成果轉(zhuǎn)化的市場化要求，迫切需要一種適用于裸眼多視真三維顯 示系統(tǒng)且易于集成的緊湊型投影陣列系統(tǒng)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 為了解決上述適用于裸眼多視真三維顯示系統(tǒng)的投影陣列存在的缺陷，本發(fā)明針 對性地開發(fā)出一種易于集成裝配的投影陣列系統(tǒng)，其通過空間折疊光路設(shè)計，可以以較小 空間方便地集成在裸眼多視真三維顯示系統(tǒng)內(nèi)；同時在系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)置攝像頭，同樣通過折 疊的拍攝路徑獲取每個投影儀投影出的大致重合在顯示屏幕上的四邊形區(qū)域，運用快速投 影陣列校正算法一一校正為全部準確重合在顯示屏幕上的規(guī)則矩形，以解決前述裸眼多視 真三維顯示系統(tǒng)中使用投影陣列帶來的幾個主要問題。
[0008] 作為本發(fā)明的一個方面，本發(fā)明提供了一種適用于裸眼顯示系統(tǒng)的投影陣列，包 括多個投影單元以陣列的方式集成在顯示屏下方緊湊的空間中。
[0009] 其中，所述投影陣列還包括：
[0010] 投影角擴展模塊，用于對投影儀投影視場角進行擴展，使光程不變的情況下投影 圖像更大。
[0011] 其中，所述投影角擴展模塊包括與投影單元出光鏡頭連接的、廣角鏡頭形式的投 影角擴展鏡頭。
[0012] 其中，所述投影角擴展模塊通過卡槽與所述投影單元出光鏡頭連接，所述卡槽包 括定位塊、投影儀端接口和投影角擴展鏡頭端接口，以及所述投影儀端接口所在平面與所 述投影角擴展鏡頭端接口所在平面成一非零角度。
[0013] 其中，所述投影單元橫向等間隔排列，同時借助平面鏡將投影陣列兩端和中間投 影單元分別進行一次或多次光路鏡像翻折，最終將所有投影單元以緊湊的方式集成排列在 顯示屏幕的下方。
[0014] 優(yōu)選地，所述裸眼顯示系統(tǒng)為裸眼多視真三維顯示系統(tǒng)。
[0015] 作為本發(fā)明的另一個方面，本發(fā)明還提供了一種適用于裸眼多視真三維顯示系統(tǒng) 的投影顯示方法，包括：
[0016] 將多個投影單元以陣列的方式集成在顯示屏下方緊湊的空間中，其中處于陣列中 不同位置的投影儀投影出的圖像分別通過安放在不同位置的平面鏡，經(jīng)過不同次數(shù)的鏡面 反射，最終通過投影角擴展模塊投影到同一塊顯示平面上；
[0017] 其中，所述投影角擴展模塊包括與投影單元出光鏡頭連接的、廣角鏡頭形式的投 影角擴展鏡頭。
[0018] 作為本發(fā)明的再一個方面，本發(fā)明還提供了一種投影角擴展模塊，包括與投影單 元出光鏡頭連接的、廣角鏡頭形式的投影角擴展鏡頭。
[0019] 其中，所述投影角擴展模塊通過卡槽與所述投影單元出光鏡頭連接，所述卡槽由 投影儀端接口、投影角擴展鏡頭端接口以及定位塊組成，以及
[0020] 所述投影儀端接口所在平面與所述投影角擴展鏡頭端接口所在平面成一非零角 度。
[0021] 作為本發(fā)明的還一個方面，本發(fā)明還提供了一種投影角擴展模塊用卡槽，包括定 位塊、投影儀端接口和投影角擴展鏡頭端接口，其中定位塊、投影儀端接口因投影儀型號相 異而各有不同，投影角擴展鏡頭端接口因投影角擴展鏡頭的型號相異而不同，以及
[0022] 所述投影儀端接口所在平面與所述投影角擴展鏡頭端接口所在平面成一非零角 度。
[0023] 基于上述技術(shù)方案，本發(fā)明的投影陣列具有以下有益效果：相比于基于前置光柵 板LCD裸眼三維顯示技術(shù)，本發(fā)明采用投影陣列提供多視點圖像，保證三維圖像橫向分辨 率不隨視點數(shù)的增加而降低；并通過優(yōu)化投影陣列布局和合理逆向利用廣角鏡頭，可以有 效壓縮整個投影陣列所占空間，克服傳統(tǒng)的基于投影陣列裸眼三維顯示系統(tǒng)中投影陣列體 積龐大、不易集成等缺點，滿足市場對緊湊投影系統(tǒng)的迫切需求。整個投影陣列設(shè)計合理的 利用空間，改善了投影陣列的長寬比，使其能以緊湊的方式被合理地集成在整個裸眼多視 真三維顯示系統(tǒng)中。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0024] 圖la為由前置光柵板液晶顯示器生成圖像的一種典型裸眼三維顯示的原理示意 圖；
[0025] 圖lb為由投影陣列提供圖像的一種典型裸眼三維顯示的原理示意圖；
[0026] 圖2a為投影儀光路擴展示意圖；
[0027] 圖2b為投影角擴展鏡頭擴展光路示意圖；
[0028] 圖2c為連接投影儀和投影角擴展鏡頭的卡槽結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029] 圖2d為安裝卡槽后投影儀光路側(cè)視圖；
[0030] 圖3a為初始投影陣列示意圖；
[0031] 圖3b為投影陣列一次重排示意圖；
[0032] 圖3c為投影陣列依據(jù)鏡面反射定理被平面鏡一次等效翻折俯視示意圖；
[0033] 圖3d為投影陣列依據(jù)鏡面反射定理被平面鏡二次等效翻折側(cè)視示意圖。

【具體實施方式】
[0034] 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照 附圖，對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
[0035] 本發(fā)明的投影陣列的基本工作原理如下：
[0036] 1、投影角度擴展設(shè)計：投影儀光路一般在出廠時就被固定，在離投影儀鏡頭固定 位置的投影成像面積一定，若此時投影面積不滿足成像屏幕尺寸，需要擴大面積，則只能通 過增加距離實現(xiàn)，則實際投影陣列中的每個投影儀都要被放置在更遠的位置，增大了整個 投影陣列的空間。通過將用于擴展相機拍攝角度的廣角鏡頭置于投影儀鏡頭前，起到了擴 展投影角度的作用，使得投影儀在保持距離的情況下將圖像投影面積擴大。并設(shè)計了專用 的固定卡槽將投影儀出光鏡頭和投影角擴展鏡頭連接固定。圖2a展示了投影角擴展前后 的情況，其中成像區(qū)域ACDB對應投影儀201通過沒有附加任何投影角擴展裝置的出光鏡頭 202投影出的圖像區(qū)域；而投影擴展鏡頭203 (其工作原理如圖2b所示）通過固定卡槽204 和出光鏡頭202連接后，在投影距離不變的情況下成像區(qū)域增加至EGHF，由此實現(xiàn)了成像 角度在水平和垂直方向的擴展（圖2a左半部分僅表示出了其在垂直方向的擴展情況，水平 方向的擴展與之類似）。
[0037] 2、投影光路折疊設(shè)計：為了提供更多的水平視差圖像，投影陣列中的投影單元需 要橫向排列，每個投影儀鏡頭之間會有均勻的水平間隔，再加上投影單元自身的橫向體積， 整個投影陣列在采用投影角擴展的情況下仍然會有比較大的橫向展開幅度。如圖3a所示， 當投影單元較多時整個投影陣列橫向距離也會很長。為此本發(fā)明采用圖3b中所示的光路 分段折疊的方法，將投影陣列靠近左右兩邊的部分302和303 (虛線標出）先平移到304和 305 (虛線標出）的位直，再依據(jù)鏡面反射原理通過內(nèi)直的兩面平面鏡306和307鏡像翻折 到308和309處，而不改變光路的發(fā)射方向，圖3c展示了這一過程；之后再如圖3d所示將 所有投影單元連同兩面反射鏡306、307組成的整體310通過一面鏡子311二次鏡像翻折到 312處（顯示屏313下方），使整個投影陣列很容易地被集成在顯示屏下方有限空間內(nèi)。
[0038] 下面對本發(fā)明的實施例做詳細說明，給出了詳細的實施方式和具體的算法流程， 但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。
[0039] 1、投影角度擴展設(shè)計：投影儀光路一般在出廠時就被固定，在離投影儀鏡頭固定 位置時的投影圖像面積一定，以圖2a左半部分投影角被垂直擴展的情況為例，左邊部分為 投影儀201在不擴展投影角度的情況下，在距離其出光鏡頭202中心0距離為L處成像，其 中AB為投影區(qū)域所在平面的側(cè)視圖，三角形Α0Β為此時投影儀投影出的光路的側(cè)視圖；其 投影區(qū)域正視圖在右半部分用矩形ACDB表示。一般投影儀都會讓其光路略偏上，則此時可 以過0向投影平面做垂線00' (0CV的長度為L)，可以求出側(cè)視圖中投影角為：
[0040]

【權(quán)利要求】
1. 一種適用于裸眼顯示系統(tǒng)的投影陣列，包括多個投影單元以陣列的方式集成在顯示 屏下方緊湊的空間中。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于裸眼顯示系統(tǒng)的投影陣列，其中所述投影陣列還包 括： 投影角擴展模塊，用于對投影儀投影視場角進行擴展，使光程不變的情況下投影圖像 更大。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的適用于裸眼顯示系統(tǒng)的投影陣列，其中所述投影角擴展模塊 包括與投影單元出光鏡頭連接的、廣角鏡頭形式的投影角擴展鏡頭。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的適用于裸眼顯示系統(tǒng)的投影陣列，其中所述投影角擴展模塊 通過卡槽與所述投影單元出光鏡頭連接，所述卡槽包括定位塊、投影儀端接口和投影角擴 展鏡頭端接口，以及所述投影儀端接口所在平面與所述投影角擴展鏡頭端接口所在平面成 一非零角度。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于裸眼顯示系統(tǒng)的投影陣列，其中所述投影單元橫向等 間隔排列，同時借助平面鏡將投影陣列兩端和中間投影單元分別進行一次或多次光路鏡像 翻折，最終將所有投影單元以緊湊的方式集成排列在顯示屏幕的下方。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于裸眼顯示系統(tǒng)的投影陣列，所述裸眼顯示系統(tǒng)為裸眼 多視真三維顯示系統(tǒng)。
7. -種適用于裸眼多視真三維顯示系統(tǒng)的投影顯示方法，包括： 將多個投影單元以陣列的方式集成在顯示屏下方緊湊的空間中，其中處于陣列中不 同位置的投影儀投影出的圖像分別通過安放在不同位置的平面鏡，經(jīng)過不同次數(shù)的鏡面反 射，最終通過投影角擴展模塊投影到同一塊顯示平面上； 其中，所述投影角擴展模塊包括與投影單元出光鏡頭連接的、廣角鏡頭形式的投影角 擴展鏡頭。
8. -種投影角擴展模塊，包括與投影單元出光鏡頭連接的、廣角鏡頭形式的投影角擴 展鏡頭。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的投影角擴展模塊，其中所述投影角擴展模塊通過卡槽與所述 投影單元出光鏡頭連接，所述卡槽由投影儀端接口、投影角擴展鏡頭端接口以及定位塊組 成，以及 所述投影儀端接口所在平面與所述投影角擴展鏡頭端接口所在平面成一非零角度。
10. -種投影角擴展模塊用卡槽，包括定位塊、投影儀端接口和投影角擴展鏡頭端接 口，其中定位塊、投影儀端接口因投影儀型號相異而各有不同，投影角擴展鏡頭端接口因投 影角擴展鏡頭的型號相異而不同，以及 所述投影儀端接口所在平面與所述投影角擴展鏡頭端接口所在平面成一非零角度。
【文檔編號】H04N13/04GK104122745SQ201410401258
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年8月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月15日
【發(fā)明者】張趙行, 耿征, 李托拓, 曹煊, 張驍 申請人:中國科學院自動化研究所