真三維顯示系統的製作方法

2023-09-23 15:56:05 3

專利名稱：真三維顯示系統的製作方法
技術領域：
本發明主要涉及三維(3D)顯示領域。更具體地，本發明涉及基於多投影機旋轉屏 的真三維(Real 3D)顯示的系統和方法，其中真三維也被稱之為體三維(Volumetric 3D)。
適合於真三維顯示系統應用有圖形處理中的粒子系統計算和顯示，有限元計算和顯示， 空氣動力學和流體力學等物理模擬和顯示，氣象分析、地球系統模擬和顯示，太空模擬和顯 示，醫學成像中的層析圖像處理(CT或MR)和顯示，分子動力學模擬和顯示，空中交通控制 和顯示等領域。
背景技術：
目前三維(3D)顯示技術主要三種立體三維顯示(Stereo 3D)，體三維顯示 (Volumetric 3D),全息三維顯示(Holographic 3D)。全息顯示技術能夠完整地再現物體的波光場的振幅和位相信息，所以再現影像與 原物體有著完全相同的三維特性。從這種意義上來說，全息像才是真正的三維像。其代表 了立體顯示技術的未來發展方向。但由於太大的海量數據傳輸和存儲，全息動態顯示在目 前的技術水平上還不現實。類似於立體聲是基於人的雙耳雙聲道立體聽覺原理，立體三維顯示是基於人的雙 目雙畫面的立體視覺原理。藉助於眼鏡或者斜光柵屏幕的立體三維顯示能提供有限的三維 視覺，但人眼在觀察時，畫面沒有真實的景深，聚焦和調節不能匹配，長時間觀看容易疲勞。 立體三維顯示在技術實現和顯示效果上都有實際意義，目前已經開始了市場推廣，用於立 體電視和計算機立體顯示器。體三維顯示技術在真實的三維空間顯示，也被稱之為一種真三維，是一種直接可 視、全角度可視、真實景深可視和多人可視的三維空間顯示技術。在技術實現和顯示效果上 都比較有優勢。但是，目前基於旋轉屏的真三維顯示技術也有局限性，主要是由於需要高 速旋轉，屏幕尺寸和重量不能太大；另外由於是空間顯示，效果是一種透明的或半透明的圖 像，不適合通用顯示場合。因此，真三維顯示技術比較適合於一些專用場合，例如透視圖像 的顯示，氣體和液體圖像的顯示。這些專用場合應用最好是圖形處理中的粒子系統計算， 空氣動力學和流體力學等物理模擬，氣象分析、地球系統模擬，太空模擬，醫學成像中的三 維透視圖像處理，空中交通控制等領域。自上世紀40年代起，發明家們在真三維顯示方面已經做出了重大的努力。如以下 部分基於旋轉屏的真三維顯示技術的相關專利記錄
1940， usa2189374， Apparatus For Forming Three Dimensional Images
1961， usa2967905， Three Dimensional Display Apparatus
1964， usa3140415， Three-Dimensional Display Cathode Ray Tube
1965， usa3204238， Cathode Ray Tube For Three-Dimensional Presentations
1997，usa5703606，Three dimensional display system
2003，usa6554430，Volumetric three-dimensional display system
42007，cn200710107887，基於多投影機旋轉屏的體三維顯示系統 2008，cn200810114457，基於多投影機旋轉屏三維影像可觸摸的真三維顯示方法 現有比較成熟的真三維顯示技術包括基於美國德州儀器的數字微鏡器件(DMD)的 投影機，投影到旋轉盤屏幕上實現一種球體或圓柱體的真三維顯示(現實系統公司， Actuality System Inc.)。該技術已經形成商用產品，有了市場和銷售。該技術和系統如 圖12現實系統公司的專利示意圖所示。現實系統公司這種顯示技術是基於單投影機旋轉屏的體三維顯示裝置。所使用 的基於DMD技術的三片式投影機的幀頻可以達到5KHz，體像素達到100M (—億多體像素)， 體刷新率25Hz。體解析度目前達到768 X 768 X 198，是其中二維解析度是768 X 768，旋轉角 度解析度是198。單投影機幀頻與旋轉角度解析度和體刷新率關係是
單投影機幀頻=旋轉角度解析度χ體刷新率 由於受到投影機幀頻5KHz的限制，體解析度特別是旋轉角度解析度很難進一步提高。 單投影機的DMD晶片長時間處於強光照射下的發熱問題導致照明光源的功率受到限制，顯 示圖像的亮度也受到了限制。更嚴重的是數據量和處理器的運算量都成三次方或更高地增 長，而且晶片處理器過於集中，難以實現實時動態處理和實時動態的真三維顯示。北京理工大學的發明提供了一種基於多投影機旋轉屏的體三維顯示系統，包括 一旋轉屏；圖像處理裝置，在柱坐標系中將三維物體模型分解成一系列多角度的二維圖像 並傳送給各個投影機的數據處理單元；多臺投影機沿旋轉屏周圍固定擺放，將對應角度的 一個二維圖像同步投影在一個旋轉屏幕上，從而重構出與真實物體相似的三維圖像。該技 術如圖13北京理工大學專利示意圖所示。基於多投影機旋轉屏的體三維顯示系統，投影機的幀頻等於體刷新頻率，如25Hz。 對於雙面投影的單屏幕，投影機的幀頻兩倍於體刷新頻率，如50Hz。目前體像素可以達到 100M (一億多體像素)以上。體解析度可以達到1024X768X150或更高，是其中二維分辨 率是1024X768，旋轉角度解析度是150或更高。多投影機幀頻與旋轉角度解析度可以沒有 關係
多投影機幀頻=體刷新率 由於不受投影機幀頻(很小)的限制，體解析度特別是旋轉角度解析度可以進一步提 高。多投影機可以採用一般投影晶片，平均功耗和亮度等性能上都具有潛力。特別是數據 量和處理器的運算量都可以分布在多模塊上，比較容易實現實時動態處理和實時動態的真 三維顯示。所以，基於多投影機旋轉屏的真三維顯示的系統和方法在性能上將具有明顯優 勢。基於多投影機旋轉屏的體三維顯示系統還可以分為兩類採用旋轉式集中光源的 和採用分布式脈衝光源。採用旋轉式集中光源時，多投影機依靠機械運動和光的傳導共享 一個光源分時曝光。北京理工大學的發明採用了旋轉式集中光源，特點是有利於提高光的 效率和強度，但是旋轉式集中光源增加了旋轉部件的體積和重量，影響屏幕的高速旋轉。採 用分布式脈衝光源時，可以應用LED光源，利用脈衝電路電源控制LED光源曝光。 體三 維顯示是三維顯示技術的一類，它產生空間體積填實的圖像。通常情況下，不需要額外的眼 鏡，它們產生的圖像就是三維的。應用視覺暫留原理，集合旋轉表面掃描體在不同時空位 置形成的圖像片，可以讓觀眾看看到一個體積填充的三維圖像，就是體三維顯示技術，也叫「真三維」顯示技術。

發明內容
概要
該發明的系統和方法是為了產生出體三維圖像，或真三維圖像。該真三維顯示系統 通過投影連續的二維圖像到一個快速旋轉的投影屏幕來產生一個體三維圖像。原理是利用 人類視覺系統的視覺暫留，整合這些二維圖像，填充體三維空間，形成真三維圖像的視覺。一般來說，該發明的系統包括多個投影機；多路合束器；光中繼透鏡；反射鏡；電 動機；支持結構；投影屏幕；投影鏡頭；三維數據處理器和一個系統控制器。在操作過程中， 電動機受系統控制旋轉，驅動圍繞一個旋轉軸的支持結構，投影屏幕，和投影鏡頭；數據處 理器連接多個投影機形成一系列光柵化矯正的二維圖像；多路合束器收到來自多個投影機 分時光源的光束並傳送該光束到場鏡，場鏡傳送光束到投影鏡頭，將光束經過多次反射最 後投影到屏幕上。其中多個投影機分別具有脈衝曝光光源並且受到分時同步控制，其特點 是每一投影機的分時曝光的光束被同步傳送到多路合束器，集中後再經過投影鏡頭分時投 射到屏幕上，形成多個投影機交替投影效果。該顯示系統可能包括以下任何功能。該顯示系統可進一步包括投影鏡頭裝在旋轉軸上。投影鏡片也可以作為投影鏡頭。在一些實施方案，投影鏡頭有鏡頭軸，鏡頭軸和旋 轉軸定義一個可以調整的角度。該角度在0度到10度之間調整，使得在屏幕上的投影變形最小。該顯示系統可包括單面或雙面的投影屏幕，固定在支持結構上，使旋轉軸的在該 屏幕中。該投影平面可以接收投影光線而產生漫反射或部分穿透平面後的漫反射。該投 影平面也可以雙面投影屏幕，正反兩面都可以接收投影光線而產生漫反射。該系統可包括在支持結構上的第一個和第二個反射鏡。在操作過程中，電動機繞 旋轉軸轉動第一和第二鏡反射鏡。此外，第一個反射鏡接收來自投影鏡片的光束投射到第 二個反射鏡，第二個反射鏡投射光束到投影屏幕。該系統可另外包括支撐結構上的第三反 射鏡。通過操作電動機使第三反射鏡繞旋轉軸旋轉，第三反射鏡收到第二反射鏡傳遞來的 光束並指示光束到投影屏幕。第一個反射鏡還可以是一種雙向反射稜鏡，一個方向反射P 偏振光，另一方向反射S偏振光，從而投影到正反兩面投影屏幕上。第二個反射鏡可以是一 種帶狀反射鏡，第三個反射鏡也可以是一種帶狀反射鏡。帶狀反射鏡不旋轉，可以減少旋轉 體的動量。在一些實施方案，支持結構可為一個平臺，有一個孔，投影鏡頭可安裝在孔裡。光 中繼可能包括中繼透鏡和場鏡頭。通過操作中繼鏡頭接收來自光源的光束並轉移到場鏡 頭，場鏡頭傳遞光束到投影鏡頭。一般來說，在另一個方面，發明包括了產生體積填充圖像的方法。該方法包括: (一)繞旋轉軸旋轉的投影鏡片和一個單面或雙面的投影屏幕；(二)具有多投影機交替曝 光經過光學合束器形成的光束；(三)通過投射鏡片把光束經過多次反射投影到投影屏幕。在一些實施方案中，多路合束器是一組光學器件，能夠集中多個投影機的光束。多 路合束器的方法可以採用基於光譜的多路合色器；基於正交偏振光的雙路合束器(PBS)或偏振光的多路合束器；基於五角稜鏡的白光合束器或基於多個五角稜鏡的白光多路合束 器；基於旋轉反射鏡或反射稜鏡的機械掃描多路合束裝置。多路合束器還可以是由以上多 路合色器，正交偏振光的雙路合束器(PBS)或偏振光的多路合束器，五角稜鏡的白光合束器 和機械掃描多路合束器等多種合束器集成組合的多路合束裝置。一個或多個發明的實施方案，詳情載於所附的圖紙規定和下面的詳細說明。其他 特點，對象和發明優勢將從權利要求和說明書和附圖中得到闡述。三維數據處理器具有多路接口，從外設或記憶設備存儲讀取數據和對三維維圖像 進行預處理，分別連接多個投影機進行交替的二維圖像輸出。數據處理主要方法是進行三 維空間坐標到三維圓柱體坐標的轉換，進行三維圓柱體坐標到沿旋轉軸多個二維圖像的轉 換，根據每一投影機相對屏幕曝光的位置和相對旋轉角度，分別對每一投影機的二維圖像 輸出作旋轉等光柵化矯正，使得多投影機顯示系統在統一的三維空間坐標中合成圖像。多個均勻的二維圖像形成的三維圓柱體坐標系的三維空間圖像的像素分布並不 均勻，靠中間旋轉軸分布的像素密度要大，而圓柱體周邊的圖像像素的密度要小很多。在三 維數據處理器處理後進行交替的二維圖像輸出投影時，可以制定依次曝光時不同於旋轉屏 幕的面積覆蓋。不同尺寸的面積覆蓋旋轉屏幕時形成圓柱體坐標空間的像素密度相對均 勻，可以在同等的顯示效果條件下節省三維空間的數據量和處理能力。詳細描述
本發明的體三維顯示投影系統，或稱為真三維顯示器，包括兩個基本部分提供圖像和 中繼的前端和把圖像提供給觀眾的後端。前端是固定的，安裝在顯示體下面。它接收和處 理來自計算機數據和指令，並生成圖像。該電腦也是一個用戶界面。後端安裝或耦合在一 個位於前端上面的平臺上，並在操作期間隨著平臺轉動。後端把前端提供的圖像傳到屏幕， 屏幕也安裝在平臺上並隨著平臺轉動而轉動。
圖1是一個多投影機旋轉屏幕真三維顯示器10的示意圖(投影正面)，說明了一項實 施方案。該顯示器10由前端和後端兩個基本部分組成提供圖像和中繼的前端；把圖像提 供給觀眾的後端。前端是固定的，安裝在顯示體下面，主要包括多路合束器14，多投影機 15，三維數據處理器和控制器16。三維數據處理器和控制器16主要包括分時脈衝，曝光控 制，光柵矯正和數據處理等模塊組成的系統，該系統接收和處理來自計算機數據和指令，並 生成一系列二維圖像。多投影機15接收二維圖像分別形成光束。多路合束器14集中多路 二維圖像光束後合成一束送入系統的光中繼。後端主要包括屏幕11，平臺12，平臺中間 的孔21，反射鏡一 23，反射鏡二 24，反射鏡三25和電動機驅動裝置(省略了具體描述)。後 端安裝或耦合在一個位於前端上面的旋轉平臺12上，並在操作期間隨著平臺12轉動。後 端把前端提供的圖像經過反射鏡一 23和反射鏡二 24傳到屏幕11，屏幕11也安裝在平臺上 並隨著平臺12轉動而轉動。圖2是一個多投影機旋轉屏幕真三維顯示器10的示意圖(投影側面)，從側面視 角更進一步說明了圖1的實施方案。該顯示器10由前端和後端兩個部分組成。三維數據 處理器和控制器16接收和處理來自計算機數據和指令，並生成一系列二維圖像。多投影機 15接收二維圖像分別形成光束。多路合束器14集中多路二維圖像光束後合成一束送入系 統的光中繼而進入顯示器後端。前端提供的圖像光束經過平板12中間的孔21，被反射鏡 一 23反射到反射鏡二 24，又緊接反射到反射鏡三25，然後再投影到旋轉的屏幕11。屏幕11和三個反射鏡(23，24，25)都安裝在平臺12上並隨著平臺12轉動而轉動。圖3是一個多投影機旋轉屏幕真三維顯示器30的示意圖(投影正面，帶狀反射 鏡)，說明了圖1和圖2的實施方案的另一種選擇用不旋轉的帶狀反射鏡31取代旋轉的反 射鏡二 24。該顯示器30同樣由前端和後端兩個部分組成。前端提供的圖像光束經過平板 12中間的孔21，被反射鏡一 23反射到帶狀反射鏡31，然後投影到旋轉的屏幕11。屏幕11 和反射鏡一 23安裝在平臺12上並隨著平臺12轉動而轉動。但是帶狀反射鏡31不安裝在 平臺12上，因此不旋轉。這種實施方案可以減小後端顯示器的旋轉質量，以減輕電動機的 負荷和顯示器30的可能震動。圖4是一個多投影機旋轉屏幕真三維顯示器30的示意圖(投影側面，帶狀反射 鏡)，從側面視角更進一步說明了圖3的實施方案用不旋轉的帶狀反射鏡31和帶狀反射鏡 32取代旋轉的反射鏡二 24和反射鏡二 25。該顯示器30同樣由前端和後端兩個部分組成。 前端提供的圖像光束經過平板12中間的孔21，被反射鏡一 23反射到帶狀反射鏡31，又反 射到帶狀反射鏡32，然後投影到旋轉的屏幕11。屏幕11和反射鏡一 23安裝在平臺12上 並隨著平臺12轉動而轉動。但是帶狀反射鏡31和帶狀反射鏡32不安裝在平臺12上，因 此不旋轉。這種實施方案可以減小後端顯示器的旋轉質量，以減輕電動機的負荷和顯示器 30的可能震動。圖5是一種雙投影機旋轉屏幕真三維顯示器50的示意圖(偏振光合束器51)，說 明了一項採用偏振光合束器51的實施方案。該顯示器50由前端和後端兩個基本部分組 成提供圖像和中繼的前端；把圖像提供給觀眾的後端。前端是固定的，安裝在顯示體下 面，主要包括偏振合束器(PBS) 51，P偏振投影機一 52，S偏振投影機二 53，偏振分束器 (PBS) 54，三維數據處理器和控制器16。三維數據處理器和控制器16主要包括分時脈衝， 曝光控制，光柵矯正和數據處理等模塊組成的系統，該系統接收和處理來自計算機數據和 指令，並生成一系列二維圖像。由控制器16輸出的分時脈衝和曝光控制驅動偏振分束器 (PBS) 54，形成P偏振光和S偏振光，然後分別進入P偏振投影機一 52和S偏振投影機二 53，兩個偏振投影機交替輸出兩路二維圖像的光束，經過偏振合束器(PBS) 51合成單路二 維圖像的光束，最後送入系統的光中繼和顯示器50後端。後端顯示原理與圖1和圖2中 的後端相同。圖6是一種雙投影機旋轉屏幕真三維顯示器60的示意圖(偏振光合束器51，雙屏 幕)，說明了一項具有雙屏幕的偏振光合束器51實施方案。該顯示器60由前端和後端兩 個基本部分組成提供圖像和中繼的前端；把圖像提供給觀眾的後端。前端與圖5中的顯示 器50的前端相同，包括偏振合束器(PBS)51，P偏振投影機一 52，S偏振投影機二 53，偏振 分束器(PBS) 54，三維數據處理器和控制器16。顯示器60的後端主要包括屏幕11，平臺 12，平臺中間的孔21，雙向反射鏡一 63，兩個反射鏡二 24，兩個反射鏡三25。後端安裝或耦 合在一個位於前端上面的旋轉平臺12上，並在操作期間隨著平臺12轉動。屏幕11的投影 平面有正反雙面投影屏幕，正反兩面都可以接收投影光線而產生漫反射。前端提供的圖像 光束進入後端顯示器，經過平板12中間的孔21，被雙向反射鏡一63分別朝不同方向反射到 兩個反射鏡二 24，又緊接反射到兩個反射鏡三25，然後再分別投影到旋轉的屏幕11的正反 兩面。屏幕11和五個反射鏡(一個雙向反射鏡一 63，兩個反射鏡二 24，兩個反射鏡三25 ) 都安裝在平臺12上並隨著平臺12轉動而轉動。
圖7是一種雙投影機旋轉屏幕真三維顯示器70的示意圖(五角稜鏡合束器71)， 說明了一項採用五角稜鏡合束器71的實施方案。該顯示器70由前端和後端兩個基本部 分組成提供圖像和中繼的前端；把圖像提供給觀眾的後端。前端是固定的，安裝在顯示體 下面，主要包括五角稜鏡合束器71，投影機一 72，投影機二 73，三維數據處理器和控制器 16。三維數據處理器和控制器16主要包括分時脈衝，曝光控制，光柵矯正和數據處理等模 塊組成的系統，該系統接收和處理來自計算機數據和指令，並生成一系列二維圖像。由控制 器16輸出的分時脈衝和曝光控制驅動投影機一 72和投影機二 73，兩個投影機交替輸出兩 路二維圖像的光束，經過五角稜鏡合束器71合成單路二維圖像的光束，最後送入系統的光 中繼和顯示器70後端。後端顯示原理與圖1和圖2中的後端相同。圖8是一個多投影機旋轉屏幕真三維顯示器80的示意圖(旋轉式時分合束器 81)，說明了一項採用旋轉式時分合束器81的實施方案。該顯示器80由前端和後端兩個基 本部分組成提供圖像和中繼的前端；把圖像提供給觀眾的後端。前端安裝在顯示體下面， 主要包括小平臺82，多投影機83，三維數據處理器和控制器16。旋轉式時分合束器81由 小平臺82和多投影機83組成，小平臺82旋轉時，位於小平臺82中心的反射器一起旋轉， 同時依次接收對應周圍每一個投影機的光束，形成多投影機83多路光束的旋轉式時分合 束器81。三維數據處理器和控制器16主要包括分時脈衝，曝光控制，光柵矯正和數據處理 等模塊組成的系統，該系統接收和處理來自計算機數據和指令，並生成一系列二維圖像。由 控制器16輸出的分時脈衝和曝光控制，依次驅動多投影機83，多投影機83交替輸出多路二 維圖像的光束，經過旋轉的小平臺82上的反射器合成單路二維圖像的光束，最後送入系統 的光中繼和顯示器80的後端。顯示器80的後端顯示原理與圖1和圖2中的後端相同。圖9是一種雙投影機交替脈衝曝光的示意圖90。 雙投影機方案有多種圖5中 所述的一種雙投影機旋轉屏幕真三維顯示器50，說明了一項採用偏振光合束器51的實施 方案。圖6中所述的一種雙投影機旋轉屏幕真三維顯示器60，說明了一項具有雙屏幕的 偏振光合束器51實施方案。圖7中所述的一種雙投影機旋轉屏幕真三維顯示器，說明了 一項採用五角稜鏡合束器71的實施方案。如圖9示意圖90所示，列出了單投影機91的 幅度和曝光脈衝寬度的波形，同時對比列出了雙投影機一 92和雙投影機二 93的幅度和曝 光脈衝寬度的波形。在單個投影機額定功率相同的情況下(相同的功耗和散熱)，雙投影機 一 92和雙投影機二 93的幅度要比單投影機91的幅度高出一倍，頻率快一倍(曝光脈衝寬 度更窄)。也就是說，沒有提高單個投影機的功率情況下，雙投影機交替脈衝曝光亮度可以 增加一倍；雙投影機一92和雙投影機二93合成輸出時，刷新幀速率或切片解析度可以提高 一倍。圖10是一種多投影機交替脈衝曝光的示意圖100。圖8中所述的一個多投影 機旋轉屏幕真三維顯示器80，說明了一項採用旋轉式時分合束器81的實施方案。如圖10 示意圖100所示，假設顯示器系統有η個投影機，列出了單投影機101的幅度和曝光脈衝寬 度的波形，同時對比列出了多投影機一 102，多投影機二 103，，，，和多投影機η 104的幅度 和曝光脈衝寬度的波形。在每一個投影機額定功率相同的情況下(相同的功耗和散熱)，每 一個投影機的幅度要比單投影機101的幅度高出η倍，頻率快η倍(曝光脈衝寬度更窄)。也 就是說，沒有提高投影機的功率情況下，η個投影機交替脈衝曝光的亮度在理論上可以增加 η倍；η個多投影機合成輸出時，刷新幀速率或切片解析度也在理論上有可以提高η倍。
圖11是一種多投影機交替投影的示意圖110。圖1，圖2，圖3，圖4，圖5，圖6， 圖7和圖8中所述的多種多投影機旋轉屏幕真三維顯示器10，30，50，60，70,80等多種實施 方案均可以採用圖11示意圖110中描述的交替投影方法。該方法如圖11所示，屏幕11可 以是一個矩形，圍繞著中心軸旋轉；屏幕11旋轉時形成一系列的切片，如旋轉屏幕俯視圖 111所示；如果像素均勻分布在屏幕11的矩形投影面上，旋轉時形成的圓柱體三維空間像 素就不均勻了，靠近中心旋轉軸附近的像素密度很大，而在圓柱體三維空間周邊的像素密 度就很小。或者說，旋轉屏幕覆蓋面積與投影面相同，圓柱體顯示像素密度不均勻。為了旋 轉時形成的圓柱體三維空間像素的均勻化，本發明提出了不等投影面積交替投影方法投 影到屏幕11上的投影面積可以是屏幕11的等同面積，也可以是交替投影面113不等同面 積，各種不等同面積的投影依次交替地投影到屏幕11上。當旋轉時，就形成了投影密度變 化的圓柱體三維空間圖像，如旋轉屏幕俯視圖112所示。交替投影面與旋轉屏幕覆蓋面依 次減小，圓柱體顯示像素密度就比較均勻。
具體實施例方式各種體三維顯示器的具體結構實施方案包括底板，底板上安裝了多路合束器14， 多投影機15，三維數據處理器和控制器16。前端投影光學，電子系統(未顯示)，電動機(未 顯示)。電腦通過接口和電子系統控制器16連接。圓形平臺12位於多投影機15和前端投影光學之上。平臺12同心地安裝在電動機 的環行軸上。在操作過程中，電動機旋轉軸和平臺12圍繞中心軸旋轉。後端投影光學部分 和投影屏幕11安裝在平臺12上，在操作期間也圍繞中心軸旋轉。一個透明的圓頂覆蓋投 影屏幕11和後端光學(如反射鏡等)。如果選擇不旋轉的帶狀反射鏡31和帶狀反射鏡32， 該帶狀反射鏡可以安裝在不旋轉的透明圓頂內側。圖1，圖2，圖3，圖4，圖5，圖6，圖7和圖8中所述的多種多投影機旋轉屏幕真三 維顯示器10，30，50，60，70，80等工作過程如下外接計算機通過接口發送圖像數據和命令 到三維數據處理器和控制器16。三維數據處理器和控制器16把這個信息處理成三維像素 數據，並把該數據存儲在圖形內存中，直到它需要被顯示。當需要時，三維數據處理器和控 制器16把圖像信息發送給多個投影機15，多投影機15通過空間調製光束把它轉換成光學 信息。光束離開單個投影機，前端投影光學引導光束到多路合束器14，集中多路二維圖像 光束後合成一束送入系統的光中繼而進入顯示器後端中心軸並通向平臺12。前端各投影 機包含一系列透鏡和反射鏡，使光束經過投影鏡頭聚焦，前端各投影機安裝在電動機的環 形軸和平臺12的一個孔21上。安裝在平臺12上的一系列反射鏡將光束中轉到投影屏幕 11上，光束在那裡形成一系列的二維圖像。電動機以至少每分鐘600轉的轉速轉動平臺12、後端反射鏡和投影屏幕11，以形 成至少每秒10次的體刷新率，如果是雙面投影，則可以達到每秒20次的體刷新率。電動機 使所有這些組件以相同的角速度轉動。三維數據處理器和控制器16和每個投影機15以至 少每秒鐘幾千次的速度刷新二維圖像。每個二維圖像形成三維體圖像的一個「圖像切片」。 在這種投影和旋轉速率中，人類視覺系統感知地融合「圖像切片」，把它們轉變成了體積填 充的三維圖像。
需要用軟體設計預失真該圖像，以彌補在圖像平面的梯形失真。該軟體還要修正 了圖像數據反向旋轉所造成的圖像旋轉。投影屏幕11，這是旋轉軸為中心，通常由一漫反射 材料構成。這種材料反射入射光各向同性，在向前和向後兩個方向。這確保了二維圖像片 中像素對應部分的光將能被幾乎所有顯示器周圍的觀察者收到，儘量減少三維圖像的「視 覺盲區」的黑暗帶區。把投影屏幕設計得儘量薄也能減少視覺盲區。此外，平臺12並不限於上述的圓形平臺。一般來說，這個平臺可以是任何支撐結 構，或支持結構的組合體，足以機械的連結後端的反射鏡等光學儀器和投影屏幕11到電動 機。在實施方案，該平臺12包括了一系列放射狀延長的臂使安裝在後端的光學鏡片適應傳 遞光線從投影鏡頭到投影屏幕，同時又使得臂結構簡單輕巧。一般來說，電動機可以是能 連接到後端光學儀器和投影屏幕11，能使後端反射鏡等光學儀器和投影屏幕11按描述的 比率旋轉的任何電動機。在一些實施方案，例如，該平臺是由帶或齒輪連接到電動機的，電 動機定位遠離旋轉軸。


圖1是一個多投影機旋轉屏幕真三維顯示器的示意圖(投影正面)。該顯示器10由前端和後端兩個基本部分組成。前端是固定的，安裝在顯示體下 面，主要包括多路合束器14，多投影機15，三維數據處理器和控制器16。後端主要包括 屏幕11，平臺12，平臺中間的孔21，反射鏡一 23，反射鏡二 24，反射鏡三25和電動機驅動 裝置(省略了具體描述)。後端安裝或耦合在一個位於前端上面的旋轉平臺12上，並在操作 期間隨著平臺12轉動。後端把前端提供的圖像經過反射鏡一 23和反射鏡二 24傳到屏幕 11，屏幕11也安裝在平臺上並隨著平臺12轉動而轉動。圖2是一個多投影機旋轉屏幕真三維顯示器的示意圖(投影側面)。該顯示器10由前端和後端兩個部分組成。三維數據處理器和控制器16接收和處 理來自計算機數據和指令，並生成一系列二維圖像。多投影機15接收二維圖像分別形成光 束。多路合束器14集中多路二維圖像光束後合成一束送入系統的光中繼而進入顯示器後 端。前端提供的圖像光束經過平板12中間的孔21，被反射鏡一 23反射到反射鏡二 24，又 緊接反射到反射鏡三25，然後再投影到旋轉的屏幕11。屏幕11和三個反射鏡(23，24，25) 都安裝在平臺12上並隨著平臺12轉動而轉動。圖3是一個多投影機旋轉屏幕真三維顯示器的示意圖(投影正面，帶狀反射鏡)。該顯示器30同樣由前端和後端兩個部分組成。前端提供的圖像光束經過平板12 中間的孔21，被反射鏡一 23反射到帶狀反射鏡31，然後投影到旋轉的屏幕11。屏幕11和 反射鏡一 23安裝在平臺12上並隨著平臺12轉動而轉動。但是帶狀反射鏡31不安裝在平 臺12上，因此不旋轉。圖4是一個多投影機旋轉屏幕真三維顯示器的示意圖(投影側面，帶狀反射鏡)。該顯示器30同樣由前端和後端兩個部分組成。前端提供的圖像光束經過平板12 中間的孔21，被反射鏡一 23反射到帶狀反射鏡31，又反射到帶狀反射鏡32，然後投影到旋 轉的屏幕11。屏幕11和反射鏡一 23安裝在平臺12上並隨著平臺12轉動而轉動。但是帶 狀反射鏡31和帶狀反射鏡32不安裝在平臺12上，因此不旋轉。圖5是一種雙投影機旋轉屏幕真三維顯示器的示意圖(偏振光合束器)
該顯示器50由前端和後端兩個基本部分組成前端是固定的，安裝在顯示體下面，主要包括偏振合束器(PBS)51，P偏振投影機一 52，5偏振投影機二53，偏振分束器斤85)54， 三維數據處理器和控制器16。後端顯示原理與圖1和圖2中的後端相同。圖6是一種雙投影機旋轉屏幕真三維顯示器的示意圖(偏振光合束器，雙屏幕) 該顯示器60由前端和後端兩個基本部分組成。前端與圖5中的顯示器50的前端相同，
包括偏振合束器(PBS) 51，P偏振投影機一 52，S偏振投影機二 53，偏振分束器(PBS) 54， 三維數據處理器和控制器16。顯示器60的後端主要包括屏幕11，平臺12，平臺中間的孔 21，雙向反射鏡一 63，兩個反射鏡二 24，兩個反射鏡三25。後端安裝或耦合在一個位於前端 上面的旋轉平臺12上，並在操作期間隨著平臺12轉動。前端提供的圖像光束進入後端顯 示器，經過平板12中間的孔21，被雙向反射鏡一 63分別朝不同方向反射到兩個反射鏡二 24，又緊接反射到兩個反射鏡三25，然後再分別投影到旋轉的屏幕11的正反兩面。圖7是一種雙投影機旋轉屏幕真三維顯示器的示意圖(五角稜鏡合束器)
該顯示器70由前端和後端兩個基本部分組成。前端是固定的，安裝在顯示體下面，主 要包括五角稜鏡合束器71，投影機一 72，投影機二 73，三維數據處理器和控制器16。兩個 投影機交替輸出兩路二維圖像的光束，經過五角稜鏡合束器71合成單路二維圖像的光束， 最後送入系統的光中繼和顯示器70後端。後端顯示原理與圖1和圖2中的後端相同。圖8是一個多投影機旋轉屏幕真三維顯示器的示意圖(旋轉式時分合束器)。該顯示器80由前端和後端兩個基本部分組成。前端安裝在顯示體下面，主要包 括小平臺82，多投影機83，三維數據處理器和控制器16。旋轉式時分合束器81由小平臺 82和多投影機83組成，小平臺82旋轉時，位於小平臺82中心的反射器一起旋轉，同時依 次接收對應周圍每一個投影機的光束，形成多投影機83多路光束的旋轉式時分合束器81。 多投影機83交替輸出多路二維圖像的光束，經過旋轉的小平臺82上的反射器合成單路二 維圖像的光束，最後送入系統的光中繼和顯示器80的後端。顯示器80的後端顯示原理與 圖1和圖2中的後端相同。圖9是一種雙投影機交替脈衝曝光的示意圖
示意圖90列出了單投影機91的幅度和曝光脈衝寬度的波形，同時對比列出了雙投影 機一 92和雙投影機二 93的幅度和曝光脈衝寬度的波形。圖10是一種多投影機交替脈衝曝光的示意圖
示意圖100列出了單投影機101的幅度和曝光脈衝寬度的波形，同時對比列出了多投 影機一 102，多投影機二 103，，，，和多投影機η 104的幅度和曝光脈衝寬度的波形。圖11是一種多投影機交替投影的示意圖
屏幕11旋轉時形成一系列的切片，如旋轉屏幕俯視圖111所示。投影到屏幕11上的 投影面積可以是屏幕11的等同面積，也可以是交替投影面113不等同面積，各種不等同面 積的投影依次交替地投影到屏幕11上。當旋轉時，就形成了投影密度變化的圓柱體三維空 間圖像，如旋轉屏幕俯視圖112所示。交替投影面與旋轉屏幕覆蓋面依次減小，圓柱體顯 示像素密度就比較均勻。圖12現實系統公司的專利示意圖
現實系統公司這種顯示技術是基於單投影機旋轉屏的體三維顯示裝置。圖13北京理工大學的專利示意圖
北京理工大學的發明提供了一種基於多投影機旋轉屏的體三維顯示系統，包括一旋轉屏；圖像處理裝置，在柱坐標系中將三維物體模型分解成一系列多角度的二維圖像並傳 送給各個投影機的數據處理單元；多臺投影機沿旋轉屏周圍固定擺放，將對應角度的一個 二維圖像同步投影在一個旋轉屏幕上，從而重構出與真實物體相似的三維圖像。
1權利要求
一個系統包括多個投影機；一套多路合束器；一套光中繼有一組中繼透鏡和一個場鏡頭；一組反射鏡；一個電動機； 一個耦合電動機上的支持結構；一個連接該支持結構的投影屏幕；一個旋轉軸上的投影鏡頭；一個三維數據處理器和一個系統控制器。在操作過程中，電動機受系統控制旋轉，驅動圍繞一個旋轉軸的支持結構，投影屏幕，和投影鏡頭；數據處理器連接多個投影機形成一系列光柵化矯正的二維圖像；多路合束器收到來自多個投影機分時曝光的光束並傳送該光束到場鏡，場鏡傳送光束到投影鏡頭，將光束經過多次反射最後投影到屏幕上。
2.在權力要求1系統，其中投影屏幕是一個平面，該平面可以是矩形或圓形，投影屏幕 連接支持結構，使得旋轉軸在這個平面中心，該投影平面可以接收投影光線而產生漫反射 或部分穿透平面後的漫反射。該投影平面也可以雙面投影屏幕，正反兩面都可以接收投影 光線而產生漫反射。
3.權力要求1系統，其中投影屏幕固定在旋轉平臺上，該平臺有一個孔，投影鏡頭安裝 在這個孔裡。其特點是繞旋轉軸旋轉的投影鏡頭有一個鏡頭軸，該鏡頭軸和旋轉軸定義一 個角度，角度可以在O度到15度之間調整，固定光源的光線通過傾斜的投影鏡頭把光束投 影到投影屏幕上，設計或者安裝調整適當的傾斜角度使得投影變形最小。
4.權力要求1系統，其中多個投影機分別具有脈衝曝光光源並且受到分時同步控制， 其特點是每一投影機的分時曝光的光束被同步傳送到多路合束器，集中後再經過投影鏡頭 分時投射到屏幕上，形成多個投影機交替投影效果。
5.在權利要求1系統，其中第一個反射鏡位於支持結構的中心並連接，第二個反射鏡 位於面對第一個反射鏡的旋轉軸的一側，第三個反射鏡位於旋轉軸的另一側，三個反射鏡 均與屏幕和支持結構一起旋轉。其特點是第一個反射鏡接收來自投影鏡頭光束，並傳遞光 束到第二個反射鏡，由傳遞到對面的第三個反射鏡，最後傳送光束到投影屏幕。第一個反射 鏡還可以是一種雙向反射稜鏡，一個方向反射P偏振光，另一方向反射S偏振光，從而投影 到正反兩面投影屏幕上。第二個反射鏡可以是一種帶狀反射鏡，第三個反射鏡也可以是一 種帶狀反射鏡，其特點是帶狀反射鏡不旋轉，可以減少旋轉體的動量。
6.權力要求1系統，其中多路合束器是一組光學器件，其特點是能夠集中多個投影機 的光束。多路合束器可以是基於光譜的多路合色器；基於正交偏振光的雙路合束器(PBS) 或偏振光的多路合束器；基於五角稜鏡的白光合束器或基於多個五角稜鏡的白光多路合束 器；基於旋轉反射鏡或反射稜鏡的機械掃描多路合束裝置。多路合束器還可以是由多路合 色器，正交偏振光的雙路合束器(PBS)或偏振光的多路合束器，五角稜鏡的白光合束器和機 械掃描多路合束器等多種合束器集成組合的多路合束裝置。
7.權力要求6系統，其中採用偏振光合束器的系統包括偏振合束器(PBS)，P偏振投 影機，S偏振投影機，偏振分束器(PBS)，三維數據處理器和控制器16，，顯示器後端的雙向反射鏡，和正反雙面投影屏幕。其特點是雙向反射鏡分別朝不同方向反射P偏振光和S偏 振光。
8.權力要求6系統，其中採用旋轉式時分合束器的系統主要包括小平臺，多投影機， 三維數據處理器和控制器16。其特徵是小平臺旋轉時，位於小平臺中心的反射器一起旋 轉，同時依次接收對應周圍每一個投影機的光束，形成多投影機多路光束的旋轉式時分合束器。
9.權力要求1系統，其中三維數據處理器具有多路接口，從外設或記憶設備存儲讀取 數據和對三維維圖像進行預處理，分別連接多個投影機進行交替的二維圖像輸出。其數據 處理主要特點是進行三維空間坐標到三維圓柱體坐標的轉換，進行三維圓柱體坐標到沿旋 轉軸多個二維圖像的轉換，根據每一投影機相對屏幕曝光的位置和相對旋轉角度，分別對 每一投影機的二維圖像輸出作旋轉等光柵化矯正，使得多投影機顯示系統在統一的三維空 間坐標中合成圖像。
10.權力要求9系統中三維數據處理器，其中處理後的交替的二維圖像輸出的投影可 以定義為旋轉屏幕同等面積覆蓋，還可以制定依次曝光時不同於旋轉屏幕的面積覆蓋。主 要特徵是不同尺寸的面積覆蓋旋轉屏幕時形成圓柱體坐標空間的像素密度相對均勻，可以 在同等的顯示效果條件下節省三維空間的數據量和處理能力。
全文摘要
本發明提供一種真三維高性能計算機的系統和方法，該系統包括主控制器，一組並行處理器模塊，模塊間的通訊，二維顯示驅動，傳感器陣列，三維空間滑鼠，一組投影機，一個電動旋轉屏。主控制器通過網絡與模塊組連接並實現對系統的編程和數據傳輸，模塊由主處理器和陣列處理器和邊界處理器和存儲器和二維傳感器接口外設等組成，模塊間具有高速通訊，各模塊分別在二維空間中進行計算和顯示驅動，模塊組形成三維空間計算，通過操作三維空間滑鼠指示真三維顯示器空間位置，投影機由分布式脈衝光源控制曝光時間和旋轉屏的同步旋轉，模塊組和投影機組沿旋轉屏周圍依次固定形成園柱坐標系，各模塊和各投影機在每一角度產生的二維圖像，最後合成真三維空間動態圖像。主要三維空間應用是粒子系統，有限元，地球系統模擬，空氣動力學和流體力學模擬，醫學透視圖像和圖形處理。
文檔編號G03B21/56GK101881922SQ20101018280
公開日2010年11月10日 申請日期2010年5月26日 優先權日2010年5月26日
發明者程亞奇 申請人:程亞奇