基于空间逐层扫描的真三维立体显示系统及其显示方法

摘要

本发明公布了一种基于空间逐层扫描的真三维立体显示系统及其显示方法，属于虚拟现实的立体显示技术。系统由控制主机，光学投影及其控制单元，双螺旋扫描屏幕和运动伺服单元构成。显示方法包括三维光栅化、切片图像渲染和光学投影显示，三维光栅化是利用规则采样栅格将物体离散成体素集合；切片渲染是确定体素与某一时刻扫描屏幕的隶属关系；在光学投影显示阶段，由旋转屏幕逐层扫描出一个立体空间，采用高速数字投影设备将三维场景离散后的二维切片图像依次投影到旋转屏幕上，基于视觉暂留效应，高速变换的切片图像被人眼融合并感知为连续完整的三维影像。

主权项

一种基于空间逐层扫描的真三维立体显示系统的显示方法，所述显示系统包括数据采集装置、控制主机、DMD（Digital Micro‑mirror Device，数字微镜设备）引擎、光学投影装置、旋转螺旋面和伺服系统，其中数据采集装置的输出端依次串接控制主机、DMD引擎、光学投影装置后接旋转螺旋面的图像输入端，旋转螺旋面的位置信号输出端接伺服系统的反馈输入端，伺服系统的驱动信号输出端接旋转螺旋面的速度信号输入端，伺服系统的反馈输出端接数据采集装置的输入端；所述伺服系统由反馈元件串接驱动电机构成；所述显示方法包括以下工作步骤：1）模型的三维光栅化：利用规则采样栅格将物体离散成体素集合；2）切片图像渲染：确定体素与某一时刻扫描屏幕的隶属关系并渲染该时刻投影所需要的切片图像；3）光学投影显示：由旋转屏幕逐层扫描出一个立体空间，采用光学投影装置将三维场景离散后的二维切片图像依次投影到旋转屏幕上，连续变换的一系列切片图像被人眼融合并感知为三维影像；所述模型的三维光栅化方法包括：（1）体素阵列的初始化设置体素空间的分辨率为n×n×n，其中n为在三个正交方向上的体素数目；体素空间是一个归一化的正立方体空间，其范围为x、y、z∈[‑0.5，0.5]，其中x、y、z是笛卡尔坐标系中的三个坐标轴，坐标原点位于体素空间的中心位置；体素中心为采样栅格点，体素空间初始化完毕之后，读取外部网格模型并将读取的模型映射到体素空间内；（2）三维光栅化三维光栅化对步骤（1）缩放到所述体素空间内的三维网格模型的表面进行二值体素化操作，每个体素只有一个数据值，被映射到集合{0，1}上；所述切片图像渲染方法如下：把离散好的体素集合转换成为N个沿z轴的两维投影，其中z轴为屏幕的转轴，方向竖直向上，N为投影数量；每个两维投影具有L×M分辨率，L与M分别为投影图像在两个方向上的像素数目；每个两维投影的时序与显示面旋转位置同步，依次顺序进行；两维投影投射到旋转面上的N个切片图像融合成一幅三维图像，把整个三维图像数据沿Z 轴剖分成N层，每一层都具有螺旋面的形状；层与层之间不重合，相差360/N度空间旋转角；对于体素模型的任意一个体素，设d为体素中心与螺旋面之间的垂直距离，计算d，如果它与某一位置的螺旋截面之间的距离d为最小值，则该体素被该位置的螺旋面扫描显示出来，然后将属于这个螺旋面的体素投影到水平面并用抛雪球算法渲染成一副切片图像。