一種空中立體顯像的實現方法及系統的制作方法

專利名稱：一種空中立體顯像的實現方法及系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及 一種空中立體顯像技術，特別是涉及 一種利用多光柱聚焦原理 在空中產生多媒體立體影像的技術。
背景技術：
空中顯像技術發展迅速，美國102公司于2005年研制成功了 一種能夠在空 氣中投影二維圖像的設備，其基本原理是把空氣吸進機器，然后轉變其成像特 性，再重新射出，并在轉變后的空氣中從下向上投影圖像，從而使圖像浮在空 中，可以讓人們在不同角度都看到圖像。還有一些空中成像的技術，例如，芬 蘭一家公司利用水蒸氣和超聲波形成的氣墻在空中投影成像。日本一家公司通 過激光直接加熱空氣中的氧分子和氮分子，在空中產生等離子發光從而在空中 形成立體圖像，并能夠利用技術手段聚集上千個亮點，使得畫面更加平滑流暢。 以上技術手段由于實現原理復雜投影距離短，不適合在空中實現大幅的立體顯 像。

發明內容
有鑒于此，本發明的主要目的在于提供一種空中立體顯像的實現系統，能 夠在比較黑暗的背景中投放出立體的影像，為達到上述目的，本發明的技術方 案是這樣實現的
一種實現空中立體顯像的系統，包括
兩個或多個控制臺，用于向顯像空間投射光柱并控制光柱投射方向； 媒體控制中心，用于設計立體影像和實現立體影像數據的處理轉化，產生 供各控制臺用于投射光柱的控制信號；
顯像空間，用于在空中呈現立體圖像；所述媒體控制中心通過數據及控制總線與所述兩個或多個控制臺相連，所 述顯像空間中的立體圖像由所述兩個或多個控制臺從不同角度向空中投射的光 柱經過聚焦后形成。
進一步地，所述控制臺包括
光源發生器，用于產生適合投射的光源；
光柱控制器，用于接收來自所述媒體控制中心的控制指令，準確快速地改 變光柱投射的角度，執行掃描的任務。
進一步地，所述控制臺投射的光柱為彩色光柱，所述彩色光柱在空中聚焦 后形成彩色聚光點，從而形成彩色圖像。
除上述實施方案之外，本發明還有另外一種實施方案，實現方案如下 一種空中立體顯像的實現系統，包括 兩個或多個映射源，用于向空中投射光斑；
顯像空間，用于在空中呈現立體圖像；
所述顯像空間中的立體圖像由所述兩個或多個映射源從不同角度向空中投 射的光斑經過聚焦后形成。
進一步地，所述映射源包括光源和遮光板，所述遮光板用于產生光斑，屏 蔽多余光線。
進一步地，所述映射源包括
光源，用于產生定向的光線；
光斑調制器件，用于控制光斑的形狀，產生經過調制的光斑圖案；
投射鏡頭，用于將光斑投射到所述顯像空間中；
所述光源產生的定向光線通過所述光斑調制器件調制后形成光斑，所述光 斑通過所述投射鏡頭投射到顯像空間中。
進一步地，所述映射源還包括濾光片，用于產生基色光，位于所述光源和 光斑調制器件之間。
進一步地，所述光斑調制器件由液晶顯示板或數字微鏡器件形成。
本發明的另 一 目的是提供一種空中立體顯像的實現方法，為實現上述目的，
本發明的技術方案是這樣實現的
一種空中立體顯像的實現方法，包括如下步驟
A、 將三維空間圖像進行二維參數轉換并傳送給成像設備；
B、 成像設備在多點投射光柱于空中聚焦后形成高亮聚光點，由所述高亮 聚光點組合形成圖像。
進一步地，步驟B中，所述圖像是由一個或多個高亮聚光點在空中進行掃 描形成的。
進一步地，步驟B中，所述成像設備在每一個投射點投射出多個光柱形成 光斑，每一個投射點投射的光斑與其它投射點投射的光斑在空中聚焦后形成所 述立體圖像，通過快速更新立體圖像產生動態的立體影像。
進一步地，步驟B中，所述成像設備投射的光柱為彩色光柱，所述彩色光 柱在空中聚焦后形成彩色圖像。
本發明可以在比較黑暗的背景中，在空氣中不需要任何硬件設備，投射出 立體影像，影像效果受風雨影響極小。該發明能夠在黑暗的自然空間或者彌漫 著能夠導致光線散射顆粒的人造空間里制造全新的多媒體立體影像。


圖l、為本發明所揭示的多光柱聚焦掃描結構圖2、為本發明所揭示的像素空間定位圖3、為本發明所揭示的光斑映射結構圖4、為本發明所揭示的光斑投射設備的結構圖5、為本發明所揭示的三維空間像素與光斑映射參數的示意圖6、為本發明所揭示的三維空間參數計算參考示意圖。
具體實施例方式
本發明所釆用的基本工作原理是多光柱聚焦原理，在足夠黑暗的環境中， 光東在空中，與空氣中的塵埃顆粒和氣體分子碰撞而發光，形成光柱；雖然這
種塵埃散射的光非常微弱，如果幾根甚至幾十根來自不同方向的光柱在空中的 某個特定空間聚焦，這個特定空間的亮度將被放大幾倍甚至幾十倍，成為空中 的高亮聚光點，以下簡稱聚光點，這個發光點是立體的，具有全方位可視的特 性。
利用聚光點在天空中成像的方式有兩種，分別如下所述
方法一掃描法。
基于多光柱聚焦的原理，利用多光柱聚焦產生的聚光點，控制聚光點進行 快速空間掃描，利用人類的視覺延遲，產生連續而穩定的立體影像。可以釆用 多點掃描提高影像的穩定性。可以通過提高光柱方位控制的準確度提高影像的 分辨率。通過使用彩色光柱聚焦，或者利用基色光空中聚焦混合，經過空間掃 描產生彩色立體影像。
如圖1所示，方法一所述的空中影像投放系統分為三個主要部分，控制臺、 媒體控制中心和顯像空間。每個控制臺主要由光源發生器和光柱控制器構成， 光源發生器的主要功能是產生光柱，光柱控制器的主要功能是接收來自數據總 線的控制指令，準確快速地改變光柱投射的角度，執行掃描的任務。媒體控制 中心把設計好的三維空間影像轉換成各個控制臺的空間點陣掃描的控制指令。 控制臺與媒體控制中心由數據總線相連，媒體控制中心把控制指令發送給各個 控制臺，各個控制臺反饋數據信息給媒體控制中心，總線可以使用電線、光纖 或者無線通訊。
如圖2所示，在6個建筑物頂端設有6個控制臺，分別是控制臺A、控制 臺B、控制臺C、控制臺D、控制臺E和控制臺F，所有控制臺都使用一個基 準坐標系，每一個控制臺在基準坐標系中的坐標分別為(x,，力A)、 (x2,_y2,z2)、 (jc3，_y3,z3)、 (X，力,Z4)、 (JC5j5,Z5)和(X6,^,&)。在某一時刻，光柱聚焦點掃描的位 置是0c。,少。,z。)，控制臺A光柱投射向量為Oc。-x^。-x,z。-z》，這個向量準確描
述了光柱投射的準確角度。以此類推，所有的控制臺都能夠通過簡單的向量計 算獲得準確的光柱投射角度。
掃描法影像投放流程如下:
第一步，確定所有控制臺的空間基準坐標位置；
第二步，將三維影像數字化，產生在每一個投放點的三維影像的空間點陣; 第三步，媒體控制中心將數字化的影像轉換為各個控制臺的控制信號； 第四步，通過數據總線向各控制臺發送控制信號； 第五步，各控制臺根據控制信號改變光柱投射角度，進行空間掃描，產生 三維影像。
該方法也可將一個空間圖像分解成若干空間區域，用多個聚光點進行空間 掃描構成整幅圖像。 方法二映射法。
基于多光柱聚焦的原理，從每一個投射點投射由多個光柱集合而成的光斑, 在空中進行多點聚焦，利用帶有圖案的光斑映射在空中多點聚焦后形成比較穩 定的圖像，通過相對低速的光斑掃描就可以實現三維影像的投射。可以通過提 高光斑的分辨率提高影像的分辨率。通過控制光源色彩，或者加濾光膜，或者 基色光空中聚焦混合，產生彩色立體影像。
如圖3所示，為一簡單的，靜止三維影像的光斑映射成像原理圖，由若干
個獨立的映射源組成，每個映射源包括光源和帶有特殊通光孔圖案的遮光板組 成，在系統工作狀態，光源可以穩定地照亮整個空中顯像空間，遮光板上設計 了特定圖案，光源通過遮光板上的通光孔投射出光斑，來自各個映射源的光斑 在空中映射疊加后形成相對明亮的三維影像。
映射法的影像投放流程如下
第一步，確定所有映射源的空間基準坐標位置，并對準影像投射目標天空；
第二步，設計三維空間圖像；
第三步，計算三維空間圖像在遮光板上的映射圖案；
第四步，制作帶有這些映射圖案的遮光板；
第五步，映射源從各個角度投射光斑，在空中聚焦形成三維影像。
由于空氣塵埃的被動發光效率極低，因此要求光源的發光功率大；為了避
免光柱控制系統工作溫度過高，要求光源的發光效率高。以現有的技術而言，
超髙壓汞燈和氰燈是兩個比較合適的選擇。UHP (Ultra High Performance)和 UHE (Ultra High Efficiency)這兩種超高壓汞燈是目前中檔投影機普遍釆用的 光源，使用壽命長，發光亮度高，穩定可靠，顯色性好。氙燈的輸出功率范圍 更大，能夠使用在大型設備上。以LED (Light-emitting Diode)燈為代表的半 導體光源是正在快速發展的一個方向，它的發光效率極高，使用壽命超長，所 以大功率的LED燈也是合適的光源。激光方向性好、亮度高、顏色純、響應速 度快，也是不錯的光源。
靜止的三維空間影像圖案的光斑控制可以通過帶有特殊通光孔的遮光板實 現。如果要實現高質量的動態三維影像，需要采用數字化光斑控制技術。 一種 實現方案是利用LCD (Liquid Crystal Display)投影機的被動發光原理，其核心 部件LCD液晶板是由液晶單元組成的矩陣。液晶分子的排列在電場作用下發生 變化，從而改變液晶單元的透光率，實現用電子信號控制光路的通斷，進而產 生經過調制的光斑，通過投射鏡頭向空中投射。另一種實現方案是使用DLP (Digital Lighting Processing,數字光處理)技術，其核心部件為數字微鏡器件 (Digital Micromirror Device, DMD)，其它部件還有光源、濾光片和投射鏡頭。 光線經過濾光片將三原色在不同的時間間隔里投向DMD芯片。按照最新的技 術，DMD芯片上由近200萬微小的鏡片組成，分辨率可達1024x768,每個微 鏡片均可在+12°與-12°之間旋轉定位，每秒鐘可以實現幾千次開關轉換。輸入 信號經過處理后數字化控制微鏡片的偏轉，入射光線經過微鏡片的反射后由投 射鏡頭輸出經過調制的光斑。這種技術是利用反射成像，光的利用率高，對比 度好，響應速度快，全數字化，是實現對用于成像的聚焦光柱進行動態控制的 最佳技術方案。
為了在大氣空間中顯示三維空間影像圖案，需要預先設定一塊空間區域， 并將該空間區域數字化，由于多光柱聚焦可能導致較大的空間誤差，所以在長 (L)、寬(W)、高(H)三個方向上的分辨率應該低于LCD或者DMD器件 的分辨率。例如，如果DMD在縱(X)橫(Y)兩個方向上的分辨率是1024x768,
則空間數字化的有效分辨率要低得多，比如96x96x96，每個空間像素立方體的 實際邊長為從厘米到米的數量級。
圖4為數字化光斑控制原理圖，可以將光斑看作微光柱的集合，以DMD 芯片為例，經過數字化處理的三維空間影像圖案通過立體空間到映射平面的轉 換后，在DMD芯片上表現為由多個發光像素點形成特殊的圖案，各個投射源 由發光像素點形成的特殊圖案不相同，由于DMD芯片分辨率較高，空間圖像 的分辨率較低，所以可能由DMD芯片的多個像素點構成所述特殊圖案上的一 個圓形的二維的斑點，用于形成光斑的特殊圖案就是這些斑點的集合，圓形的 斑點所產生的光通過投射鏡頭射向空中就形成一條條光柱。圖4中光源1產生 白色平行光；平行光通過濾光片2形成基色光，用于彩色掃描；光斑調制器件 3是控制光斑形狀的核心器件，產生經過調制的光斑；然后經過投射鏡頭4打 到天空中去。有效虛焦點是光柱投射出去以后，反向延長線的焦點。
圖5是光斑成像示意圖，投射設備5向三維顯像空間投射光斑，(x,，力^)是
有效虛焦點的三維空間坐標，可以通過三維空間定位和實際測量得到；示意的
光斑調制器件3用于形成光斑，比如LCD液晶顯示板或者DMD器件，坐標
(x;^;,z;)就是它的中心坐標，通過三維計算是可以算出來的；系統設計的時候定
義的目標天空6即三維顯像空間，其中心點的三維坐標就為(x。,j;。，z。)。
數臺光斑投射設備圍繞預設的數字化三維顯像空間下方比較均勻的擺放并 固定，將光斑投射的范圍覆蓋整個三維成像空間。每一臺投射設備，通過測量 投射鏡頭的位置、角度等參數，可以準確定位有效虛焦點的三維空間坐標。然
后計算每一個數字化三維空間像素在LCD或者DMD上對應的發光區域的位置 和大小。以分辨率為1024x768的DMD為例，發光空間像素的空間位置對應于 DMD平面的二維坐標，而發光空間像素的大小反映出像素距離投射鏡頭的遠 近。利用這種方法，建立起每一個三維空間像素與每一臺光斑投射設備的DMD 芯片的二維像素點之間的對應列表。這樣就可以用立體幾何計算方法獲得任何 三維空間像素到每臺投射設備的光斑映射參數表。
如圖6所示，0。,j。,z。)為三維顯像空間中心點c的三維坐標；(A,乂，4)為
虛擬聚焦點a的三維坐標；(x;,少;,z;)為投射鏡頭中心點b的三維坐標；( ,h,zj
為任意三維空間像素中心點e的三維坐標；(x。,凡,2。)是e點與a點之間的直線 與投射鏡頭平面相交的交點d的三維坐標；/ = ^1萬是有效虛焦點的長度，由投 射鏡頭的光學屬性決定；"i"5+5C為有效虛焦點到三維顯像空間中心的距 離；可以將三維空間像素從一個正方體簡化為一個圓球體，及=五^就是這個圓 球體的半徑。
a的坐標(x"A,A)、 c的坐標(;c。,y。,&)、 e的坐標(^,h,^)、 /和/都可以 通過三維設計和實際測量得到。
/ ;-x' j-M = 2;-^
方程i為中心軸線方程，可以根據方程i計算出投射鏡頭平面中心點b的 三維坐標(:c;,力,z;)。
k-a)(h;)+(ui)0-y;)+o0-5)0-2;)=o (方程2)
方程2為投射鏡頭平面的方程；
Z-A h-力 z廣^ (方程3) 方程3為任意三維空間像素的中心圓點到有效虛焦點的直線ae的方程； 求解由方程2和方程3組成的方程組，可以計算出該三維空間像素在投射鏡頭 平面上所形成的通光區域的中心點d的三維坐標(x。,凡,z。)。
o。 - xjo - x;) + (少o -少,)(y - 乂) = o (方程4)
方程4為投射鏡頭平面的^軸直線方程；
Oo — 乂)O — a) — (a — a)O 一 乂) = 0 (方禾呈5 )
方程5為投射鏡頭平面的^軸直線方程；
在投射鏡頭平面上，以中心點b(x;，y;,z;)為原點，方程4為《軸，方程5
為j;軸，建立二維平面坐標系，等價于光斑調制平面坐標系，對照圖4，即利用
圖4中光斑調制器件調制出所述投射鏡頭平面上的光斑圖案。在投射鏡頭平面 坐標系中，計算D到《軸和A軸的距離和方向就可以完成三維坐標到二維映射 的參數轉換。
<formula>formula see original document page 12</formula>(方程6)
方程6用于計算點(x。,凡,z。)在鏡頭平面的《坐標；
<formula>formula see original document page 12</formula> (方程7)
方程7用于計算點(Wa，z。)在鏡頭平面的x坐標；
<formula>formula see original document page 12</formula> (方程8) 方程8用于計算光斑在鏡頭平面投射半徑n 。
通過以上公式，可以將每一個三維空間像素(丄,『,//)的空間信息轉換為一臺
光斑投射設備的光斑調制參數(A,&n),其它的光斑投射設備也可用同樣的方法 計算出來，例如(12，}^2)、(義3,:^)、 (x4，i^4)、 (Xs,r^)等等。
以上所述，僅為本發明的較佳實施例而已，并非用于限定本發明的保護范圍。
權利要求
1、一種空中立體顯像的實現系統，其特征在于，包括兩個或多個控制臺，用于向顯像空間投射光柱并控制光柱投射方向；媒體控制中心，用于設計立體影像和實現立體影像數據的處理轉化，產生供各控制臺用于投射光柱的控制信號；顯像空間，用于在空中呈現立體圖像；所述媒體控制中心通過數據及控制總線與所述兩個或多個控制臺相連，所述顯像空間中的立體圖像由所述兩個或多個控制臺從不同角度向空中投射的光柱經過聚焦后形成。
2、 根據權利要求l所述的系統，其特征在于，所述控制臺包括 光源發生器，用于產生適合投射的光源；光柱控制器，用于接收來自所述媒體控制中心的控制指令，準確快速地改 變光柱投射的角度，執行掃描的任務。
3、 根據權利要求l所述的系統，其特征在于，所述控制臺投射的光柱為彩 色光柱，所述彩色光柱在空中聚焦后形成彩色聚光點，從而形成彩色圖像。
4、 一種空中立體顯像的實現系統，其特征在于，包括 兩個或多個映射源，用于向空中投射光斑； 顯像空間，用于在空中呈現立體圖像；所述顯像空間中的立體圖像由所述兩個或多個映射源從不同角度向空中投 射的光斑經過聚焦后形成。
5、 根據權利要求4所述的系統，其特征在于，所述映射源包括光源和遮光板，所述遮光板用于產生光斑，屏蔽多余光線。
6、 根據權利要求4所述的系統，其特征在于，所述映射源包括 光源，用于產生定向的光線；光斑調制器件，用于控制光斑的形狀，產生經過調制的光斑圖案； 投射鏡頭，用于將光斑投射到所述顯像空間中；所述光源產生的定向光線通過所述光斑調制器件調制后形成光斑，所述光 斑通過所述投射鏡頭投射到顯像空間中。
7、 根據權利要求6所述的系統，其特征在于，所述映射源還包括濾光片， 用于產生基色光，位于所述光源和光斑調制器件之間。
8、 根據權利要求6所述的系統，其特征在于，所述光斑調制器件由液晶顯示板或數字微鏡器件形成。
9、 一種空中立體顯像的實現方法，其特征在于，包括如下步驟A、 將三維空間圖像進行二維參數轉換并傳送給成像設備；B、 成像設備在多點投射光柱于空中聚焦后形成高亮聚光點，由所述高亮 聚光點組合形成圖像。
10、 根據權利要求9所述的系統，其特征在于，所述圖像是由一個或多個 高亮聚光點在空中進行掃描形成的。
11、 根據權利要求9所述的系統，其特征在于，步驟B中，所述成像設備 在每一個投射點投射出多個光柱形成光斑，每一個投射點投射的光斑與其它投 射點投射的光斑在空中聚焦后形成所述立體圖像，通過快速更新立體圖像產生 動態的立體影像。
12、 根據權利要求9所述的系統，其特征在于，步驟B中，所述成像設備 投射的光柱為彩色光柱，所述彩色光柱在空中聚焦后形成彩色圖像。
全文摘要
本發明涉及一種天空媒體技術，特別是涉及一種利用多光柱聚焦原理在空中產生多媒體立體影像的技術，本發明通過在不同的位置的映射光源向顯像空間投射光斑，在顯像空間聚焦后通過高亮的聚光點形成立體圖案，本發明可以在比較黑暗的背景中，在空氣中不需要任何硬件設備，投射出立體影像，實現方法簡單，易于普及使用。
文檔編號H04N13/04GK101175224SQ20071017803
公開日2008年5月7日 申請日期2007年11月23日 優先權日2007年11月23日
發明者進 何 申請人:進 何