一种头戴式多深度立体图像显示系统及显示方法技术方案

本发明专利技术公开了一种头戴式多深度立体图像显示系统，包括：处理单元，接收三维图像信息，提取三维图像中各个像素点的颜色数据和表征深度信息的三维坐标数据，根据像素点的三维坐标将所有像素点分配成若干个对应不同空间深度的像素点组；多平面光学单元，包括若干层透明态/散射态可控的透散射元件；投影单元，有选择地将各个像素点组以一定频率分别投射到代表相应深度的透散射元件上，以产生在多平面光学单元中可见的中继立体图像；目视单元，包括目镜镜片，将多平面光学单元中的中继立体图像投射到人眼。该显示系统的立体显示效果好并可以缓解用户的视疲劳。本发明专利技术还公开了一种多深度立体图像的显示方法。

A head wear multi depth stereoscopic image display system and display method

The invention discloses a head mounted multi depth stereo image display system comprises a processing unit, receiving three-dimensional image information, 3D coordinate data extraction and characterization of color data depth information of each pixel in three-dimensional image, according to the three-dimensional coordinates of the pixel will be all pixels into several different spatial distribution of the depth of the corresponding pixel group; multi planar optical element, including through scattering element scattering states controlled several layers of transparent state; projection unit, selectively each pixel group with a certain frequency are respectively projected through scattering elements represent the corresponding depth, in order to produce the multi planar optical unit in visible stereo visual relay; unit, including the eyepiece lens, the planar optical unit in relay stereoscopic image is projected onto the human eye. The display system has a good stereoscopic display effect and can relieve the user's visual fatigue. The invention also discloses a display method of multi depth stereoscopic images.

【技术实现步骤摘要】
一种头戴式多深度立体图像显示系统及显示方法
本专利技术涉及显示
，尤其涉及一种头戴式多深度立体图像显示系统及显示方法。
技术介绍
现实世界的物体都是三维的，而目前主流的显示技术依然是平面显示技术，平面显示技术渐渐地不能满足人们的视觉需求，而立体显示技术可以让观察者看到物体的各个方面，能在一定程度上让观察者有身临其境的感受，更具有真实感。立体显示技术也被认为是显示技术的终极形式。近几年来，众多研究人员在立体显示技术方面的探索，也研发出了各种立体显示的方案。立体显示技术大体可以分为两大类：头戴式和裸眼式。在头戴式立体显示技术中，观察者需要佩戴眼镜、头盔等辅助的设备才可以观看到立体效果，这类技术目前发展的比较成熟，已经被广泛应用与各大电影院；裸眼式立体显示技术是指观看者无需携带任何辅助设备就可以直接观看到立体效果的技术，也被称为自由立体显示技术。裸眼式立体显示技术主要有光栅式、全息式、集成成像和体显示技术等。头戴式立体显示技术主要基于双目视差原理。常见的头戴式立体显示技术主要有偏振眼镜、互补色眼镜、快门眼镜、头盔等技术。这些技术大都是利用某种光学方式将两张有细微差别的平面图像分配给人的左右眼，让左右眼分别只看到其对应的图像，即左眼只能看到左眼视差图像而右眼只能看到右眼视差图像，通过大脑的融合处理后产生立体感。但由于人眼的聚焦、图像的对比度、图像之间的相互遮挡、运动等因素也会影响立体感，所以双目视差技术有缺陷，长时间使用后，用户会感到头晕。另一方面，相关技术也会出现视场角小、亮度低、失真、串扰严重、分辨率低、成本高、制作困难等现象，其中的一个主要原因还是由于其技术都是基于单深度的，利用两张单深度的图像源经过大脑融合后，其依然是单深度的立体图像，人眼长时间观察后，就会产生视觉疲劳，头晕等现象。裸眼式体显示技术按照原理分为两大类：一类是利用双目视差原理，每次只显示几幅平面图像，然后让两眼分别看到各自的图像，如光栅式立体显示；另一类是在三维空间中产生立体图像，如全息技术、集成成像技术和体显示技术等，用户在不同的位置能看到物体的不同侧面。全息式立体显示效果比较好，但制作成本比较高，对加工工艺要求很高。集成成像技术一般分为三维信息的记录和光学重构两个过程。根据光学可逆原理和人脑的融合，就可以看到立体图像。但集成成像技术存在观察视角有限、分辨率低、景深不够、平面/立体转换困难等缺点。体显示技术分为扫描式和体积式两种。扫描式可划分为平移和旋转两种，这两种方式都存在高速运动的部件，对平台的稳定性要求很高，并且存在很多技术缺陷。体积式是将扫描式中的高速运动部件尽可能去掉，用其它方式实现高速的刷新过程。体积式目前有两个代表性的产品，一个是Felix3D公司改进的SolidFelix系统，它是早期固态体积式立体显示系统，具有简洁、高亮度、便于运输等优点，其主要应用YLiF4制成的立体型显示介质，用两个红外激光相干汇聚足够的能量，激发介质发出可见光，形成一个可见的空间像素点，通过电光调制器和扫描器，来实现立体显示。这种方式成本比较高、维护难度大、色彩单调；另一个是LightSpaceTechnologies公司推出的DepthCube系统，它采用的也是固态体积式立体显示方案，它利用液晶的电光特性和漫反射原理，通过对不同的液晶屏之间的快速切换，依次显示三维物体的不同切片图像进而产生立体感，但其产品中一个用于产生不同深度的图像的关键部件，需要高达1000v的驱动电压，体积较大，主要用于医学和实验研究。这么高的驱动电压对人来说是不安全的，不利于应用于头戴式近眼光光场显示装置。众所周知，人们对立体显示装置的需求越来越大，更加轻便而自由的立体显示装置具有非常大的市场潜力。随着VR、AR的发展，众多公司研发出了各种不同的可穿戴式立体显示装置，但由于他们所采用的显示方案大多是单深度的图像信息，其依赖于双目视差原理，当显示物体前后尺寸和显示屏尺寸、观察者到显示屏的距离不大时，长时间使用后，用户就会感到头晕，产生视觉疲劳，也不适合儿童和特殊人群。鉴于此，必须设计头戴式多深度立体图像显示系统及显示方法。
技术实现思路
本专利技术提供一种头戴式多深度立体图像显示系统，该显示系统的立体显示效果好，并可以缓解用户的视疲劳。一种头戴式多深度立体图像显示系统，包括：处理单元，接收三维图像信息，提取三维图像中各个像素点的颜色数据和表征深度信息的三维坐标数据，根据像素点的三维坐标将所有像素点分配成若干个对应不同空间深度的像素点组；多平面光学单元，包括若干层透明态/散射态可控的透散射元件；投影单元，有选择地将各个像素点组以一定频率分别投射到代表相应深度的透散射元件上，以产生在多平面光学单元中可见的中继立体图像；目视单元，包括目镜镜片，将多平面光学单元中的中继立体图像投射到人眼。所述的三维图像信息可以是现实物体通过3D摄像机结合图像深度传感器所捕捉的具有不同深度的视频信息，也可以是计算机虚拟出来的三维图像信息。采集三维图像的视角是人眼观看三维虚拟物体的视角；若本专利技术的头戴式多深度立体显示系统做双目用途时，左右眼采集三维图像的视角不同。所述的处理单元包括：深度信息提取模块，提取三维图像中像素点的颜色数据及三维坐标数据，传输给深度信息分配模块；深度信息分配模块，将所有像素点分配成若干个对应不同空间深度范围的像素点组。深度信息分配模块根据各像素点三维坐标数据，将各像素点进行分层显示，具体的：多层透散射元件的空间相对位置固定后，各层透散射元件经过目视单元的像面位置也是固定的，这些像面位置涵盖了人眼的明视距离到无穷远。当三维图像的某像素点刚好落在某个像面上时，该像素点就在该像面对应的透散射元件上显示；当某像素点落在两个像面之间时，深度信息分配模块则根据该像素点的三维坐标数据，将该像素点分割成两个色彩一致、强度不同的新像素点，再将这两个新像素点在前后两个像面对应的透散射元件上显示；而近于最近的像面的像素点会在最近的像面上显示，远于最远的像面的像素点会在最远的像面上显示。当前后两个像素点的强度差不同时，人所感知到的像素点的深度信息是不一样的。对于拆分出的两个新像素点，经人眼的视觉叠加以及大脑的融合处理后，会在两个相邻的透散射元件之间的某一个空间位置上感知到一个“感知像素点”，这个感知像素点与原始像素点的色彩信息、强度信息以及深度信息是完全一致的，即完美地在三维空间中还原了拆分像素点的色彩信息、强度信息以及深度信息。作为优选，各层透散射元件的透过率和响应时间一致。透散射元件的透过率越高、响应时间越快，系统的整体显示效果越好。所述的透散射元件相互平行排列形成多平面光学单元。所述的透散射元件为基于液晶混合物(如PDLC、PSCT)的电控光学器件；进一步的，所述的透散射元件为液晶调光膜(PDLC)。液晶调光膜PDLC(polymerdispersedliquidcrystal)，也即聚合物分散液晶，是液晶微滴均匀地分散在聚合物基体中所形成的复合材料，具有特殊的电光响应性能，其开关是通过施加电场来实现的。PDLC有两种工作模式：一种是不加电场时，液晶微滴的指向矢是随机分布的，液晶膜呈现散射状态，即关态；加电场时，液晶分子的指向矢将平行于电场方向液晶膜呈透明态，即开态。而另外一种，与此正本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种头戴式多深度立体图像显示系统，其特征在于，包括：处理单元，接收三维图像信息，提取三维图像中各个像素点的颜色数据和表征深度信息的三维坐标数据，根据像素点的三维坐标将所有像素点分配成若干个对应不同空间深度的像素点组；多平面光学单元，包括若干层透明态/散射态可控的透散射元件；投影单元，有选择地将各个像素点组以一定频率分别投射到代表相应深度的透散射元件上，以产生在多平面光学单元中可见的中继立体图像；目视单元，包括目镜镜片，将多平面光学单元中的中继立体图像投射到人眼。

【技术特征摘要】
1.一种头戴式多深度立体图像显示系统，其特征在于，包括：处理单元，接收三维图像信息，提取三维图像中各个像素点的颜色数据和表征深度信息的三维坐标数据，根据像素点的三维坐标将所有像素点分配成若干个对应不同空间深度的像素点组；多平面光学单元，包括若干层透明态/散射态可控的透散射元件；投影单元，有选择地将各个像素点组以一定频率分别投射到代表相应深度的透散射元件上，以产生在多平面光学单元中可见的中继立体图像；目视单元，包括目镜镜片，将多平面光学单元中的中继立体图像投射到人眼。2.根据权利要求1所述的头戴式多深度立体图像显示系统，其特征在于，所述的处理单元包括：深度信息提取模块，提取三维图像中像素点的颜色数据及三维坐标数据，传输给深度信息分配模块；深度信息分配模块，将所有像素点分配成若干个对应不同空间深度范围的像素点组。3.根据权利要求1所述的头戴式多深度立体图像显示系统，其特征在于，所述的多平面光学单元还包括深度图像再现控制模块，所述深度图像再现控制模块用于控制透散射元件的透明度，使其中一层透散射元件切换至散射状态以接收和显示来自投影单元的相应深度的像素点组，以及使其余透散射元件切换至透明状态以允许来自投影单元的像素点组投影至指定透散射元件并允许人眼看见。4.根据权利要求2所述的头戴式多深度立体图像显示系统，其特征在于，还包括视线追踪单元，用于提取人眼注视的数据，并将数据传输给深度信息分配模块，深度信息分配模块遴选出能覆盖人眼注视范围内的像素点的透散射元件，在本次遴选至遴选结果发生首次变化的后续某次遴选期间，选中的透散射元件执行透明态/散射态切换模式，其他透散射元件全部或部分处于透明状态以选择性地减少执行透明态/散射态切换模式的透散射元件数量。5.根据权利要求1～4任一项所述的头戴式多深度立体图像显示系统，其特征在于，所述的目镜镜片为半透半反非球面棱镜，其面型方程为：

【专利技术属性】
技术研发人员：张卓鹏，魏一振，钱伟，
申请(专利权)人：杭州光粒科技有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江,33