體驗空間集成操控系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種體驗空間集成操控系統，包括：高速投影機，用于投射圖像，并同時輸出每一幀圖像所對應的同步信號；屏幕，用于對所述高速投影機投射的圖像漫反射，顯示每個觀察者所需的圖像；位置追蹤設備，用于獲取各觀察者的位置信息；圖像發生器，用于根據待顯示的3D場景信息和各觀察者的位置信息，向所述高速投影機輸送圖像；主動式快門3D眼鏡，為各觀察者佩戴，用于根據與之匹配的同步信號，控制鏡片的通光狀態，使觀察者在所述屏幕上觀看到具有立體視覺的圖像。本發明的實施例的體驗空間集成操控系統可同時對多人提供全視差、360度的特定顯示圖像，并具有三維場景顯示效果，顯示信息量大、分辨率高。
【專利說明】
體驗空間集成操控系統
技術領域
[0001]本發明涉及3D顯示技術領域，尤其是涉及一種體驗空間集成操控系統。
【背景技術】
[0002]視覺是人類最重要信息來源，人類60%以上的信息均來自于視覺。而人類本身正是生活于三維世界中，視覺亦是三維視覺。因此，隨著科學技術的不斷發展，二維平面顯示技術已經不能滿足人們的需要，3D顯示技術隨之蓬勃發展。現在，3D顯示技術已經越來越廣泛的應用于包括娛樂、醫療、軍事和廣告等多個領域。
[0003]現有的三維顯示技術，主要包括雙目視差型三維顯示，集成成像立體顯示，全息三維顯示以及光場重構型三維顯示。雙目視差型三維顯示結構簡單，成本低廉，是最普遍使用的三維顯示技術，但只有兩個固定的視角，沒有運動視差，不能提供較好的3D觀看體驗。集成成像技術利用微透鏡陣列，可以顯示全視差的3D場景，但現有的技術分辨率較低，顯示效果較差。而全息三維顯示則由于數據量巨大，無論是對獲取還是存儲、傳輸，還是對空間調制器都有非常高的要求，因此在短時間內，無法進入實用階段。光場重構型三維顯示技術顯示效果較好，但是也存在信息量較大的問題，雖然不及全息三維顯示，但是一般還是以水平視差型為主。
[0004]隨著體驗的要求越來越高，需要三維顯示系統可以對多人提供全視差、360度的三維場景顯示效果，而現有的技術，無論是視差型三維顯示，還者是光場重構三維顯示，集成成像三維顯示，均不能滿足要求。
【發明內容】
[0005]本發明的目的之一是提供一種體驗空間集成操控系統，可同時對多人提供全視差、360度的特定顯示圖像，并具有三維場景顯示效果，顯示信息量大、分辨率高。
[0006]本發明的技術方案如下:
[0007]—種體驗空間集成操控系統，包括:高速投影機，用于投射圖像，并同時輸出每一幀圖像所對應的同步信號；屏幕，用于對所述高速投影機投射的圖像漫反射，顯示每個觀察者所需的圖像；位置追蹤設備，用于獲取各觀察者的位置信息；圖像發生器，用于根據待顯示的3D場景信息和各觀察者的位置信息，向所述高速投影機輸送圖像；主動式快門3D眼鏡，為各觀察者佩戴，用于根據與之匹配的同步信號，控制鏡片的通光狀態，使觀察者在所述屏幕上觀看到具有立體視覺的圖像。
[0008]進一步:所述高速投影機為一片或三片式DLP投影機。
[0009]進一步:所述屏幕為與屏幕法線成30°到60°角之間具有較大增益的漫散射屏。
[0010]進一步:所述位置追蹤設備包括成像設備和圖像識別處理器，所述位置追蹤設備用于確認360°范圍內的觀察者的位置；所述成像設備，用于獲取設于所述主動式快門3D眼鏡上的兩個標志點的圖像；圖像識別處理器，根據兩個所述標志點在所述圖像中的位置、所述圖像中兩個所述標志點之間的距離、以及所述成像設備位置坐標，得到所述各觀察者的位置信息。
[0011]進一步:還包括快門同步設備，用于獲取所述高速投影機輸出的同步信號并以無線方式輸出給所述各觀察者佩戴的所述主動式快門3D眼鏡；所述同步信號中帶有各所述主動式快門3D眼鏡的設備編碼信息，各所述主動式快門3D眼鏡接收到所述同步信號后，先對比所述同步信號中的設備編碼信息是否與自身的設備編碼一致，在設備編碼匹配時，控制鏡片通光狀態。
[0012]與現有技術相比，本發明的實施例的體驗空間集成操控系統可同時對多人提供全視差、360度的特定顯示圖像，并具有三維場景顯示效果，顯示信息量大、分辨率高。
【附圖說明】
[0013]此處所說明的附圖用來提供對本發明的進一步理解，構成本申請的一部分，本發明的示意性實施例及其說明用于解釋本發明，并不構成對本發明的不當限定。在附圖中:
[0014]圖1為本發明實施例的體驗空間集成操控系統的結構示意圖；
[0015]圖2為本發明實施例的體驗空間集成操控系統的組成結構框圖。
【具體實施方式】
[0016]在以下詳細描述中，提出大量特定細節，以便于提供對本發明的透徹理解。但是，本領域的技術人員會理解，即使沒有這些特定細節也可實施本發明。在其它情況下，沒有詳細描述眾所周知的方法、過程、組件和電路，以免影響對本發明的理解。
[0017]如圖1和2所示，分別為本發明實施例的體驗空間集成操控系統的結構示意圖和組成結構框圖。該體驗空間集成操控系統可以為多名觀察者提供360度、全視差且真實細膩的三維場景。主動快門式三維顯示系統是通過圖像輸出設備與快門式3D眼鏡的配合，讓觀察者的左右眼看到稍有差別的視差對圖像，以產生立體視覺。高速投影機投影出高幀頻的圖像，同時輸出同步信號，經過快門同步系統后，被3D眼鏡接收。3D眼鏡根據同步信號，控制鏡片的通光狀態，讓特定的圖像進入設定的觀察者眼睛。
[0018]該體驗空間集成操控系統包括圖像發生器1，高速投影機2，位置追蹤設備3，快門同步設備4，屏幕5，N個主動式快門3D眼鏡6，即3D眼鏡61，3D眼鏡62,...,3D眼鏡6N。
[0019]圖像發生器I為高性能計算機或圖形工作站，需要根據3D場景模型及觀察者的位置數據，針對每一個觀察者，輸出對應位置的視差對圖像。每個觀察者所看到的圖像應為在觀察者眼睛位置對3D場景向屏幕上的映射，而觀察者的位置并不是不變的，為了保證觀察者始終能看到正確的圖像，圖像必須根據觀察者位置實時的繪制，3D場景越復雜，所需的計算量越大。同時，為了使觀察者能不感覺到閃爍感，每名觀察者每只眼睛看到的圖像需要達到60Hz的刷新速度，即提供給每名觀察者的圖像的幀頻需要為120Hz，那么如果有N個觀察者，則需要輸出的幀頻為N*120Hz。同時，位置追蹤設備追蹤觀察者位置時，也需要較大的運算量，因此，需要高性能的計算機或者圖形工作站才能滿足這里的要求。
[0020]高速投影機2為可高幀頻輸出圖像的投影機設備，現有的投影機設備中，液晶(LCD)和硅基液晶(LCOS)刷新頻率都不能太高，現在的能做到240Hz已經屬于較高的水準，只有DLP技術可以做到高幀率輸出，甚至可達30000幀以上。不過DLP投影的圖像為二值化圖像，如果需要具有灰度的圖像，需要進行脈寬調制(PWM)，幀率會有較大幅度的下降。但是，如果配合照明的光源強度調制技術，如LED亮度調制技術，則下降的幅度則較小。同時，為了實現色彩，可以采用色輪技術，或者是3片式DLP技術，3片式DLP技術成本較高，但是亮度，色彩還原性，幀率等，均比色輪技術有較大優勢。
[0021]高速投影機2能根據圖像發生器提供的數據，將所需的圖像投影到屏幕上，同時，對應于每一幀輸出圖像，高速投影機應輸出對應的同步信號。
[0022]位置追蹤設備3用來確定觀察者三維位置，并將每一個觀察者位置的三維數據傳輸給圖像發生器1，作為生成視差對圖像的參數。位置追蹤設備的一種較優方案是利用普通的攝像頭，結合裝有圖像識別軟件的計算機對3D眼鏡上的標志點進行跟蹤。在每個3D眼鏡的鏡框上設置兩個距離固定的標志點，例如紅外LED，用加裝可以濾除可見光的紅外濾光片的普通攝像頭獲取圖像。獲取的圖像中，紅外LED在絕大多數情況下是最亮的點，取合適閾值，就可以把LED位置與背景分開。獲取的LED在圖像中的位置，反映了觀察者相對于攝像頭的水平角度和觀察者高度，而兩個LED之間的距離，則反映了觀察者離攝像頭的距離。這樣，相當于獲得了以攝像頭為原點的圓柱坐標系內的觀察者坐標。結合攝像頭自身位置坐標，經過簡單的坐標系變換，就可以獲得觀察者的絕對坐標。單臺普通攝像頭因為視角有限，無法完成360°位置捕捉的任務，可以用幾臺進行視場的拼接。也可以使用環帶相機，則一臺就可以實現360°位置捕捉的任務，原理與普通攝像頭相同。例如，4個加裝了紅外濾光片的普通攝像頭11、普通攝像頭12、普通攝像頭13、普通攝像頭14，通過視場拼接，獲取360。的圖像。
[0023]快門同步設備4用于將高速投影機輸出的同步信號處理后，以紅外線，藍牙，或者是wifi等無線傳輸方式與所有3D眼鏡進行通信，確保高速投影機2發出的對應于每個觀察者的視差對圖像只能被該觀察者看到。
[0024]3D眼鏡6為主動快門式3D眼鏡，每個3D眼鏡有自身的設備編碼，而快門同步設備發出的同步信號中，也含有設備編碼信息，這樣3D眼鏡接收到同步信號后，先對比同步信號中的設備碼是否與自身的一致，如果一致則按信號中的信號控制相應鏡片的開關，如果設備碼不一致，則保持兩個鏡片關閉。如上所述，每個3D眼鏡上均有兩個距離固定的標志點，以供位置追蹤設備捕捉位置。另外，每個3D眼鏡上應該還設有其他標識，如互不相同的紅外高反射圖案，例如二維碼，以供位置追蹤設備區別不同的觀察者。
[0025]另外，3D眼鏡應具有超高速的幀頻，以匹配高速投影機的幀頻，在較低頻率，如幾百Hz，可以通過鐵電液晶實現，如果觀察者較多，則可以通過兩塊鐵電液晶板，以級聯的方式，實現高速的調制。這種情況下，只有前后兩塊液晶板處于開狀態時，眼鏡片才處于開的狀態，而只要有一塊液晶板處于關閉狀態，則整個鏡片處于關閉狀態，通過時鐘的調制，可以把兩塊液晶板開啟與關閉的時間差設置的很小，則可以得到很快的開關速度。
[0026]3D眼鏡61，62，...，6N，在位置追蹤設備中的計算機注冊，將其設備碼與其識別標志對應關系輸入到計算機中。圖像生成器由輸入的N，決定輸出幀頻為120*N。攝像頭(或環帶相機)以30幅/s的幀頻采集一幅360°的圖像，輸入計算機，計算機先進行閾值分割，得到每個3D眼鏡的LED標志點及標志圖案，經過坐標運算，得到每個觀察者的位置。計算機根據3D場景模型及各個觀察者位置，生成N個視差對圖像，同時，將這些視差對圖像輸出給高速投影機。高速投影機將N個視差對圖像投影到屏幕上，并同時向快門同步設備輸出同步信號，快門同步設備將同步信號與3D眼鏡的設備碼編碼后，調制到載波上以無線方式發送，3D眼鏡接收后，對比同步信號中的設備碼是否與自身的一致，如果一致則按信號中的信號控制相應鏡片的開關，如果設備碼不一致，則保持兩個鏡片關閉。于是，每個觀察者都能且只能觀察到屬于自己的視差對圖像，由此產生立體視覺。
[0027]計算機每秒所要繪制的圖像總數為N*30*2幅，因為雖然每個人眼所需要的幀頻為60Hz，但是實際上只要30幅的圖像就可以讓人感覺到連續。因為產生的圖像是根據觀察者位置實時繪制的，因此觀察者可以觀察到逼真細膩的3D場景，且具有運動視差。
[0028]以上實施例的說明只是用于幫助理解本發明的方法及其核心思想；同時，對于本領域的一般技術人員，依據本發明的思想，在【具體實施方式】及應用范圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內容不應理解為對本發明的限制。
【主權項】
1.一種體驗空間集成操控系統，其特征在于，包括: 高速投影機，用于投射圖像，并同時輸出每一幀圖像所對應的同步信號； 屏幕，用于對所述高速投影機投射的圖像漫反射，顯示每個觀察者所需的圖像； 位置追蹤設備，用于獲取各觀察者的位置信息； 圖像發生器，用于根據待顯示的3D場景信息和各觀察者的位置信息，向所述高速投影機輸送圖像； 主動式快門3D眼鏡，為各觀察者佩戴，用于根據與之匹配的同步信號，控制鏡片的通光狀態，使觀察者在所述屏幕上觀看到具有立體視覺的圖像。2.如權利要求1所述的體驗空間集成操控系統，其特征在于:所述高速投影機為一片或三片式DLP投影機。3.如權利要求1所述的體驗空間集成操控系統，其特征在于:所述屏幕為與屏幕法線成30°到60°角之間具有較大增益的漫散射屏。4.如權利要求3所述的體驗空間集成操控系統，其特征在于:所述位置追蹤設備包括成像設備和圖像識別處理器，所述位置追蹤設備用于確認360°范圍內的觀察者的位置； 所述成像設備，用于獲取設于所述主動式快門3D眼鏡上的兩個標志點的圖像； 圖像識別處理器，根據兩個所述標志點在所述圖像中的位置、所述圖像中兩個所述標志點之間的距離、以及所述成像設備位置坐標，得到所述各觀察者的位置信息。5.如權利要求1所述的體驗空間集成操控系統，其特征在于:還包括快門同步設備，用于獲取所述高速投影機輸出的同步信號并以無線方式輸出給所述各觀察者佩戴的所述主動式快門3D眼鏡；所述同步信號中帶有各所述主動式快門3D眼鏡的設備編碼信息，各所述主動式快門3D眼鏡接收到所述同步信號后，先對比所述同步信號中的設備編碼信息是否與自身的設備編碼一致，在設備編碼匹配時，控制鏡片通光狀態。
【文檔編號】G03B35/18GK105892217SQ201510038687
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2015年1月26日
【發明人】趙剛, 范川遠
【申請人】北京英潮元吉科技有限公司