全景视场三维显示机理及实现技术研究

摘要

多视图三维显示技术是目前研究最为热门的三维显示技术。随着多视图三维显示技术的发展，人们提出了一种可周视的全景视场三维显示。这是三维显示的一个全新研究方向，它在水平方向具有众多视角数，可以覆盖三维图像水平方向360°的视场。与体三维显示相比，它具有很好的视觉遮挡效果，是一种更符合人们视觉习惯的三维显示技术。
　　 本文从现有全景视场三维显示系统出发，提出了基于柱体图像空间的全景视场三维显示原理，该理论指出了各种具有水平视差的全景视场三维显示系统显示的图像空间为柱体图像空间，其空间的大小由最边缘显示像素位置和最大扫描角决定。现有的全景视场三维显示有柱面定向式、平面平行定向式和平面会聚定向式三种定向屏。详细分析了三种定向屏的发光特性和显示原理。通过投影视图与显示像素映射关系的研究，对显示图像畸变矫正和图像生成方法的研究起到了指导作用，同时有利于理解三维图像在不同深度平面上不同体空间分辨率的分布。我们研究了三种定向屏的柱体图像空间内的虚体素空间分布，从双眼的体视条件、投影视图分辨率、虚体素分辨率三个方面研究了全景视场三维显示对一周可视视图数要求。
　　 我们详细讨论了一种基于LED柱面屏的全景视场三维显示系统。在显示原理、图像生成、系统参数设计、电路控制设计四个方面做了详细的分析。全景视场三维显示原理最主要的就是控制每个像素的发光方向和发光角度，计算出了每个视角的中心发光方向和发光角度，推导出了可见视图对应显示像素的视角分布。提出了一种基于360°视图的全景视场三维显示图像生成方法。通过最大扫描角、转速、周像素数的分析，我们设计了一组较为合理的系统参数，通过模拟仿真进一步验证了设计参数的合理性。系统电路设计主要有高速寻址电路和同步显示调试两个方面技术难点。在同步显示调试方面，由于LED显示板的不均匀分布和狭缝光栅的不均匀周期，我们提出了像素同步和视角同步两步调试方法。通过这两种方法的调试，成功实现了三维场景的彩色三维图像显示。
　　 随着三维显示技术研究的继续深入，评价再现三维图像的显示性能将会成为人们下一步研究的主题。我们主要研究了显示图像的几何特性、亮度特性、色度特性、空间特性。设计了一系列测试图像，分别在实验中探测各种特性的性能指标。再现三维图像的评价，不仅能给出本系统的显示性能指标，实现在不同三维显示系统之间的比较，同时为开发新一代三维显示器件制定了显示性能标准。
　　 最后详细分析全景视场三维显示系统的发展前景，通过模拟视角数对三维图像体空间分辨率的影响，和根据LED的显示频率、海量数据的传输、LED阵列的排布密度等三方面的技术瓶颈给出了一组高清晰三维图像的全景视场三维显示的系统参数，为今后全景视场三维显示的发展提供了研究方向。

目录

文摘

英文文摘

致谢

1 绪论

1.1 体三维显示

1.1.1 静态体三维显示

1.1.2 扫描体三维显示

1.2 多视图三维显示

1.3 全景视场三维显示

1.4 本文的主要研究工作

2 基于柱体图像空间的全景视场三维显示原理

2.1 基于柱体图像空的全景视场三维显示原理

2.1.1 全景视场三维显示的可周视柱体图像空间

2.1.2 三种定向屏的全景视场三维显示及柱体图像空间

2.1.3 柱体图像空间内空间点的显示原理

2.2 显示像素与投影视图的投影关系

2.3 虚体素的空间分布分析

2.3.1 基于柱面定向屏柱体图像空间的虚体素分布

2.3.2 基于平面平行定向屏柱体图像空间的虚体素分布

2.3.3 基于平面会聚定向屏柱体图像空间的虚体素分布

2.4 可视视图数与三维图像空间特性分析

2.4.1 可视视图数与双眼视差的分析

2.4.2 可视视图数与投影视图的像素间隔的分析

2.4.3 可视视图数与虚体素的空间间隔的分析

本章小结

3 基于LED柱面屏的彩色全景视场三维显示

3.1 基于LED柱面屏的全景视场三维显示原理

3.1.1 柱面狭缝光栅定向屏的视角控制原理

3.1.2 最大扫描角分析

3.1.3 发光方向和发光角度分析

3.1.4 可视视图分析

3.2 基于水平360°视图的三维显示图像生成原理

3.2.1 三维场景360°视图的采集

3.2.2 显示图像生成方法

3.3 基于LED柱面屏全景视场三维显示系统机构设计

3.3.1 最大扫描角与投影视图的像素间隔关系

3.3.2 LED柱面屏和狭缝光栅两者转速的关系

3.3.3 系统参数设计

3.3.4 像素发光特性和可视视图的模拟

3.4 基于LED柱面屏全景视场三维显示的电路系统设计

3.4.1 高速寻址电路

3.4.2 同步显示调试实验

3.5 基于LED柱面屏全景视场三维显示的实现

本章小结

4 全景视场三维显示的显示特性测试

4.1 三维显示的显示特性测试研究意义

4.2 狭缝光栅定向屏的发光特性测试

4.3 再现三维图像的几何特性分析及测试

4.3.1 设计尺寸和显示尺寸的定标

4.3.2 显示图像平滑度和边缘的锐度测试

4.4 再现三维图像的亮度、色度分布特性分析及测试

4.4.1 LED亮度、色度分布特性测试

4.4.2 单色视图亮度和色度均匀性分析及测试

4.4.3 红绿蓝三色图像灰阶和对比度的测试

4.4.4 256色的色度坐标测试

4.5 再现图像的空间特性分析及验证

4.5.1 再现的三维图像空间遮挡关系验证

4.5.2 再现图像的三维空间分辨能力的分析

本章小结

5 展望

5.1 视角数对体空间分辨率的影响

5.2 基于LED柱面屏全景视场三维显示的最佳性能

参考文献

作者简介