真三维显示系统技术方案

?本发明专利技术提供一种真三维高性能计算机的系统和方法，该系统包括：主控制器，一组并行处理器模块，模块间的通讯，二维显示驱动，传感器阵列，三维空间鼠标，一组投影机，一个电动旋转屏。主控制器通过网络与模块组连接并实现对系统的编程和数据传输，模块由主处理器和阵列处理器和边界处理器和存储器和二维传感器接口外设等组成，模块间具有高速通讯，各模块分别在二维空间中进行计算和显示驱动，模块组形成三维空间计算，通过操作三维空间鼠标指示真三维显示器空间位置，投影机由分布式脉冲光源控制曝光时间和旋转屏的同步旋转，模块组和投影机组沿旋转屏周围依次固定形成园柱坐标系，各模块和各投影机在每一角度产生的二维图像，最后合成真三维空间动态图像。主要三维空间应用是：粒子系统，有限元，地球系统模拟，空气动力学和流体力学模拟，医学透视图像和图形处理。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术主要涉及三维(3D)显示领域。更具体地，本专利技术涉及基于多投影机旋转屏 的真三维(Real 3D)显示的系统和方法，其中真三维也被称之为体三维(Volumetric 3D)。适合于真三维显示系统应用有图形处理中的粒子系统计算和显示，有限元计算和显示， 空气动力学和流体力学等物理模拟和显示，气象分析、地球系统模拟和显示，太空模拟和显 示，医学成像中的层析图像处理(CT或MR)和显示，分子动力学模拟和显示，空中交通控制 和显示等领域。
技术介绍
目前三维(3D)显示技术主要三种立体三维显示(Stereo 3D)，体三维显示 (Volumetric 3D),全息三维显示(Holographic 3D)。全息显示技术能够完整地再现物体的波光场的振幅和位相信息，所以再现影像与 原物体有着完全相同的三维特性。从这种意义上来说，全息像才是真正的三维像。其代表 了立体显示技术的未来发展方向。但由于太大的海量数据传输和存储，全息动态显示在目 前的技术水平上还不现实。类似于立体声是基于人的双耳双声道立体听觉原理，立体三维显示是基于人的双 目双画面的立体视觉原理。借助于眼镜或者斜光栅屏幕的立体三维显示能提供有限的三维 视觉，但人眼在观察时，画面没有真实的景深，聚焦和调节不能匹配，长时间观看容易疲劳。 立体三维显示在技术实现和显示效果上都有实际意义，目前已经开始了市场推广，用于立 体电视和计算机立体显示器。体三维显示技术在真实的三维空间显示，也被称之为一种真三维，是一种直接可 视、全角度可视、真实景深可视和多人可视的三维空间显示技术。在技术实现和显示效果上 都比较有优势。但是，目前基于旋转屏的真三维显示技术也有局限性，主要是由于需要高 速旋转，屏幕尺寸和重量不能太大；另外由于是空间显示，效果是一种透明的或半透明的图 像，不适合通用显示场合。因此，真三维显示技术比较适合于一些专用场合，例如透视图像 的显示，气体和液体图像的显示。这些专用场合应用最好是图形处理中的粒子系统计算， 空气动力学和流体力学等物理模拟，气象分析、地球系统模拟，太空模拟，医学成像中的三 维透视图像处理，空中交通控制等领域。自上世纪40年代起，专利技术家们在真三维显示方面已经做出了重大的努力。如以下 部分基于旋转屏的真三维显示技术的相关专利记录1940， usa2189374， Apparatus For Forming Three Dimensional Images1961， usa2967905， Three Dimensional Display Apparatus1964， usa3140415， Three-Dimensional Display Cathode Ray Tube1965， usa3204238， Cathode Ray Tube For Three-Dimensional Presentations1997，usa5703606，Three dimensional display system2003，usa6554430，Volumetric three-dimensional display system42007，cn200710107887，基于多投影机旋转屏的体三维显示系统 2008，cn200810114457，基于多投影机旋转屏三维影像可触摸的真三维显示方法 现有比较成熟的真三维显示技术包括基于美国德州仪器的数字微镜器件(DMD)的 投影机，投影到旋转盘屏幕上实现一种球体或圆柱体的真三维显示(现实系统公司， Actuality System Inc.)。该技术已经形成商用产品，有了市场和销售。该技术和系统如 图12现实系统公司的专利示意图所示。现实系统公司这种显示技术是基于单投影机旋转屏的体三维显示装置。所使用 的基于DMD技术的三片式投影机的帧频可以达到5KHz，体像素达到100M (—亿多体像素)， 体刷新率25Hz。体分辨率目前达到768 X 768 X 198，是其中二维分辨率是768 X 768，旋转角 度分辨率是198。单投影机帧频与旋转角度分辨率和体刷新率关系是单投影机帧频=旋转角度分辨率χ体刷新率 由于受到投影机帧频5KHz的限制，体分辨率特别是旋转角度分辨率很难进一步提高。 单投影机的DMD芯片长时间处于强光照射下的发热问题导致照明光源的功率受到限制，显 示图像的亮度也受到了限制。更严重的是数据量和处理器的运算量都成三次方或更高地增 长，而且芯片处理器过于集中，难以实现实时动态处理和实时动态的真三维显示。北京理工大学的专利技术提供了一种基于多投影机旋转屏的体三维显示系统，包括 一旋转屏；图像处理装置，在柱坐标系中将三维物体模型分解成一系列多角度的二维图像 并传送给各个投影机的数据处理单元；多台投影机沿旋转屏周围固定摆放，将对应角度的 一个二维图像同步投影在一个旋转屏幕上，从而重构出与真实物体相似的三维图像。该技 术如图13北京理工大学专利示意图所示。基于多投影机旋转屏的体三维显示系统，投影机的帧频等于体刷新频率，如25Hz。 对于双面投影的单屏幕，投影机的帧频两倍于体刷新频率，如50Hz。目前体像素可以达到 100M (一亿多体像素)以上。体分辨率可以达到1024X768X150或更高，是其中二维分辨 率是1024X768，旋转角度分辨率是150或更高。多投影机帧频与旋转角度分辨率可以没有 关系多投影机帧频=体刷新率 由于不受投影机帧频(很小)的限制，体分辨率特别是旋转角度分辨率可以进一步提 高。多投影机可以采用一般投影芯片，平均功耗和亮度等性能上都具有潜力。特别是数据 量和处理器的运算量都可以分布在多模块上，比较容易实现实时动态处理和实时动态的真 三维显示。所以，基于多投影机旋转屏的真三维显示的系统和方法在性能上将具有明显优 势。基于多投影机旋转屏的体三维显示系统还可以分为两类采用旋转式集中光源的 和采用分布式脉冲光源。采用旋转式集中光源时，多投影机依靠机械运动和光的传导共享 一个光源分时曝光。北京理工大学的专利技术采用了旋转式集中光源，特点是有利于提高光的 效率和强度，但是旋转式集中光源增加了旋转部件的体积和重量，影响屏幕的高速旋转。采 用分布式脉冲光源时，可以应用LED光源，利用脉冲电路电源控制LED光源曝光。 体三 维显示是三维显示技术的一类，它产生空间体积填实的图像。通常情况下，不需要额外的眼 镜，它们产生的图像就是三维的。应用视觉暂留原理，集合旋转表面扫描体在不同时空位 置形成的图像片，可以让观众看看到一个体积填充的三维图像，就是体三维显示技术，也叫“真三维”显示技术。
技术实现思路
概要该专利技术的系统和方法是为了产生出体三维图像，或真三维图像。该真三维显示系统 通过投影连续的二维图像到一个快速旋转的投影屏幕来产生一个体三维图像。原理是利用 人类视觉系统的视觉暂留，整合这些二维图像，填充体三维空间，形成真三维图像的视觉。一般来说，该专利技术的系统包括多个投影机；多路合束器；光中继透镜；反射镜；电 动机；支持结构；投影屏幕；投影镜头；三维数据处理器和一个系统控制器。在操作过程中， 电动机受系统控制旋转，驱动围绕一个旋转轴的支持结构，投影屏幕，和投影镜头；数据处 理器连接多个投影机形成一系列本文档来自技高网...

【技术保护点】
一个系统包括：多个投影机；一套多路合束器；一套光中继有一组中继透镜和一个场镜头；一组反射镜；一个电动机；一个耦合电动机上的支持结构；一个连接该支持结构的投影屏幕；一个旋转轴上的投影镜头；一个三维数据处理器和一个系统控制器。在操作过程中，电动机受系统控制旋转，驱动围绕一个旋转轴的支持结构，投影屏幕，和投影镜头；数据处理器连接多个投影机形成一系列光栅化矫正的二维图像；多路合束器收到来自多个投影机分时曝光的光束并传送该光束到场镜，场镜传送光束到投影镜头，将光束经过多次反射最后投影到屏幕上。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：程亚奇，
申请(专利权)人：程亚奇，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]