一种新型三维悬浮显示系统及实时光场渲染方法技术方案

本发明专利技术提供本申请提出一种新型三维悬浮显示系统及实时光场渲染方法，与传统的光场成像技术相比，实现了远距离的悬浮显示，其成像中心在整个显示器外部，而且像与观察者之间没有任何遮挡物。另外，该方案通过多个三维图像投影源来提高其显示图像的光场密度，提出对应的渲染算法实现实时性的渲染。

A new type of 3D suspension display system and real-time optical field rendering method

The invention provides the application of real-time system and light field rendering is a new method for three-dimensional suspension showed that compared with the traditional optical imaging technology, realize the long-distance suspension show, the imaging center in the external display, and as with the observer without any shade. In addition, the scheme improves the optical density of the display image through several 3D image projection sources, and proposes the corresponding rendering algorithm to achieve real-time rendering.

【技术实现步骤摘要】
一种新型三维悬浮显示系统及实时光场渲染方法
本专利技术涉及三维显示
，更具体地，涉及一种新型三维悬浮显示系统及实时光场渲染方法。
技术介绍
目前，传统的裸眼三维显示技术能够提供可以直接观察、具有立体视察、能够多人观看的显示方案。但是这种显示方法将图像局限在显示器内部(对体积显示)或显示器附近(对集成成像、全息显示及光场显示)。由于受到显示器硬件的显示，对于目前的裸眼显示技术，无法显示离显示器过远的三维图像。这种三维图像对显示器硬件的依赖性导致三维交互能力的局限性。特别是在AR/VR领域，基于裸眼显示的方案中观察者难以直接在图像显示的位置接触或操作虚拟图像。该问题限制了裸眼三维显示技术在AR/VR领域的应用。空间悬浮显示技术，指的是不依赖于投影屏幕或介质而将图像悬浮在空中的技术，并且在观察者和显示图像之间没有其他介质。为克服裸眼三维显示中图像被显示器局限的问题，研究者们针对目前的裸眼显示技术提出多种实现空间悬浮显示的方式。目前已经公开报道的主要有4种：利用两个对称的反射面具有光线汇聚能力的反射镜实现悬浮显示；日本研究者利用圆锥形的定向反射膜与多个激光投影仪实现悬浮显示；浙江大学利用旋转机构、定向散射屏和高速投影仪实现悬浮显示；韩国研究者利用集成成像和凸透镜实现空间上的悬浮显示。这些显示方式各有优缺点，如两个反射面具有光线汇聚能力的反射镜的悬浮距离有限，日本和浙江大学研究者实现的三维显示器显示精度有限并且无法在空间中精确成像，韩国研究者的显示器图像质量并不理想且存在空间聚焦的问题。由上可知，传统的裸眼三维显示并不能够提供合适的AR/VR交互方案。新型悬浮显示技术则可能在未来满足该技术要求，但是目前尚无一种高质量、具有准确空间成像能力的裸眼三维悬浮显示方案能够满足AR/VR的交互需求。
技术实现思路
本专利技术为克服上述问题或者至少部分地解决上述问题，提供一种新型三维悬浮显示系统及实时光场渲染方法。根据本专利技术的一个方面，提供一种新型三维悬浮显示系统，包括：三维图像投影源、反射面具有光线汇聚能力的半透半反镜和反射面具有光线汇聚能力的反射镜；所述三维图像投影源为至少一个，位于所述反射面具有光线汇聚能力的半透半反镜侧面，用于产生待显示三维影像的光线并将所述光线发射到所述反射面具有光线汇聚能力的半透半反镜的侧面上；所述反射面具有光线汇聚能力的半透半反镜顶点朝所述反射面具有光线汇聚能力的反射镜的凹面放置，用于利用其侧面将所述三维图像投影源发射来的光线反射到所述反射面具有光线汇聚能力的反射镜上，利用其侧面接收所述反射面具有光线汇聚能力的反射镜反射来的光线，将所述光线投射在其底面上方，从而形成所述待显示三维影像；所述反射面具有光线汇聚能力的反射镜位于所述反射面具有光线汇聚能力的半透半反镜顶点朝向的一侧，用于接收所述反射面具有光线汇聚能力的半透半反镜侧面反射来的光线，将所述光线反射给所述反射面具有光线汇聚能力的半透半反镜的侧面；所述反射面具有光线汇聚能力的半透半反镜和反射面具有光线汇聚能力的反射镜为有中轴线的旋转体。根据本专利技术的一个方面，提供一种实时光场渲染方法，包括：步骤1，利用光线追迹法确定三维图像投影源发射的光线经反射面具有光线汇聚能力的半透半反镜和反射面具有光线汇聚能力的反射镜两次反射后的出射光场；步骤2，基于所述出射光场对待显示三维影像进行实时渲染。本申请提出一种新型三维悬浮显示方法及系统，其中系统包括三维图像投影源、反射面具有光线汇聚能力的半透半反镜和反射面具有光线汇聚能力的反射镜；所述三维图像投影源为至少一个，位于所述反射面具有光线汇聚能力的半透半反镜侧面，用于产生待显示三维影像的光线并将所述光线发射到所述反射面具有光线汇聚能力的半透半反镜的侧面上；所述反射面具有光线汇聚能力的半透半反镜顶点朝所述反射面具有光线汇聚能力的反射镜的凹面放置，用于利用其侧面将所述三维图像投影源发射来的光线反射到所述反射面具有光线汇聚能力的反射镜上，利用其侧面接收所述反射面具有光线汇聚能力的反射镜反射来的光线，将所述光线投射在其底面上方，从而形成所述待显示三维影像；所述反射面具有光线汇聚能力的反射镜位于所述反射面具有光线汇聚能力的半透半反镜顶点朝向的一侧，用于接收所述反射面具有光线汇聚能力的半透半反镜侧面反射来的光线，将所述光线反射给所述反射面具有光线汇聚能力的半透半反镜的侧面。本专利技术技术方案实现了远距离的悬浮显示，其成像中心在整个显示器外部，而且像与观察者之间没有任何遮挡物。另外，该方案通过多个三维图像投影源来提高其显示图像的光场密度，提出对应的渲染算法实现实时性的渲染。附图说明图1为根据本专利技术实施例一种新型三维悬浮显示系统的整体框架示意图；图2为根据本专利技术实施例一种新型三维悬浮显示系统的框架示意图；图3为根据本专利技术实施例一种新型三维悬浮显示系统的框架示意图；图4为根据本专利技术实施例一种新型三维悬浮显示系统中光学隔板的结构示意图；图5为根据本专利技术实施例一种新型三维悬浮显示系统中，当多个三维图像投影源在本显示系统中整合的示意图；图6为根据本专利技术实施例一种新型三维悬浮显示系统中，利用环形三维投影源在本显示系统中整合的示意图；图7为根据本专利技术实施例一种实时光场渲染方法的整体流程示意图；图8为根据本专利技术实施例一种实时光场渲染方法中光场变换方法的示意图。具体实施方式下面结合附图和实施例，对本专利技术的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本专利技术，但不用来限制本专利技术的范围。本专利技术的目的在于提出一种具有高成像质量、准确空间定位能力、实时渲染、不需要借助于投影介质可以直接悬浮在空中的裸眼三维影像。如图1，在本专利技术一个具体实施例中，示出一种新型三维悬浮显示系统整体框架示意图。总体上，包括三维图像投影源A1、反射面具有光线汇聚能力的半透半反镜A2和反射面具有光线汇聚能力的反射镜A3；所述三维图像投影源A1为至少一个，位于所述反射面具有光线汇聚能力的半透半反镜A2侧面，用于产生待显示三维影像的光线并将所述光线发射到所述反射面具有光线汇聚能力的半透半反镜A2的侧面上；所述反射面具有光线汇聚能力的半透半反镜A2顶点朝所述反射面具有光线汇聚能力的反射镜A3的凹面放置，用于利用其侧面将所述三维图像投影源A1发射来的光线反射到所述反射面具有光线汇聚能力的反射镜A3上，利用其侧面接收所述反射面具有光线汇聚能力的反射镜A3反射来的光线，将所述光线投射在其底面上方，从而形成所述待显示三维影像；所述反射面具有光线汇聚能力的反射镜A3位于所述反射面具有光线汇聚能力的半透半反镜A2顶点朝向的一侧，用于接收所述反射面具有光线汇聚能力的半透半反镜A2侧面反射来的光线，将所述光线反射给所述反射面具有光线汇聚能力的半透半反镜A2的侧面；所述反射面具有光线汇聚能力的半透半反镜和反射面具有光线汇聚能力的反射镜为有中轴线的旋转体。在本具体实施例中，如图1所示，所述反射面具有光线汇聚能力的半透半反镜采用圆锥体半透半反镜来实现；本专利技术具体实施例中反射面具有光线汇聚能力的反射镜采用半圆形反射镜来实现。本专利技术具体实施例中的反射面具有光线汇聚能力的半透半反镜A2还能够如图2所示替换成为A21所示凹面半透半反镜；本专利技术具体实施例中的反射面具有光线汇聚能力的反射镜A3还能够如图3所示替换为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种新型三维悬浮显示系统，其特征在于，包括：三维图像投影源、反射面具有光线汇聚能力的半透半反镜和反射面具有光线汇聚能力的反射镜；所述三维图像投影源为至少一个，位于所述反射面具有光线汇聚能力的半透半反镜侧面，用于产生待显示三维影像的光线并将所述光线发射到所述反射面具有光线汇聚能力的半透半反镜的侧面上；所述反射面具有光线汇聚能力的半透半反镜顶点朝所述反射面具有光线汇聚能力的反射镜的凹面放置，用于利用其侧面将所述三维图像投影源发射来的光线反射到所述反射面具有光线汇聚能力的反射镜上，利用其侧面接收所述反射面具有光线汇聚能力的反射镜反射来的光线，将所述光线投射在其底面上方，从而形成所述待显示三维影像；所述反射面具有光线汇聚能力的反射镜位于所述反射面具有光线汇聚能力的半透半反镜顶点朝向的一侧，用于接收所述反射面具有光线汇聚能力的半透半反镜侧面反射来的光线，将所述光线反射给所述反射面具有光线汇聚能力的半透半反镜的侧面；所述反射面具有光线汇聚能力的半透半反镜和反射面具有光线汇聚能力的反射镜为有中轴线的旋转体。

【技术特征摘要】
1.一种新型三维悬浮显示系统，其特征在于，包括：三维图像投影源、反射面具有光线汇聚能力的半透半反镜和反射面具有光线汇聚能力的反射镜；所述三维图像投影源为至少一个，位于所述反射面具有光线汇聚能力的半透半反镜侧面，用于产生待显示三维影像的光线并将所述光线发射到所述反射面具有光线汇聚能力的半透半反镜的侧面上；所述反射面具有光线汇聚能力的半透半反镜顶点朝所述反射面具有光线汇聚能力的反射镜的凹面放置，用于利用其侧面将所述三维图像投影源发射来的光线反射到所述反射面具有光线汇聚能力的反射镜上，利用其侧面接收所述反射面具有光线汇聚能力的反射镜反射来的光线，将所述光线投射在其底面上方，从而形成所述待显示三维影像；所述反射面具有光线汇聚能力的反射镜位于所述反射面具有光线汇聚能力的半透半反镜顶点朝向的一侧，用于接收所述反射面具有光线汇聚能力的半透半反镜侧面反射来的光线，将所述光线反射给所述反射面具有光线汇聚能力的半透半反镜的侧面；所述反射面具有光线汇聚能力的半透半反镜和反射面具有光线汇聚能力的反射镜为有中轴线的旋转体。2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述三维图像投影源能够为：光场显示器、集成成像显示器和/或柱状光栅显示器。3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，能够通过增加所述三维图像投影源的数量来提高所述待显示三维影像的光场密度。4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述反射面具有光线汇聚能力的半透半反镜面允许光线从外侧反射和透射，从圆锥体内侧射出的光线会被反射或吸收。5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述反射面具有光线汇聚能力的半透半反...

【专利技术属性】
技术研发人员：廖洪恩，黄天琪，张欣然，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11