基于DMD体三维显示系统设计.pdf

1 基于基于 DMD 体三维显示系统设计体三维显示系统设计1 施连军 1 李莉1 沈春林1 1 南京航空航天大学 南京 210016 E mail ljshi 摘摘 要 要 体三维显示系统可以多人 360度全视场观察三维物体 且无需佩戴特殊的眼镜 本文采用DMD加上旋转投影面的体显示方案 使用3DS模型作为现实数据源 PC驱动DMD 控制显示图像 高速旋转的投影面构成体空间 由于人眼的视觉暂留特性 快速显示的二维 图像序列被感知为一幅连续的三维图像 并真实地体现了原图形的三维特性 最后系统成功 实现了飞机模型的空间三维显示 关键词 关键词 体显示 数字微镜设备 旋转屏幕 三维模型 中图分类号 中图分类号 TN27 1 引引 言言 视觉是人类感知世界的最重要的方式 眼睛是心灵的窗户 是人类获取信息的主要来源 因此对视觉的研究是有积极的意义的 现实生活中 世界里的各种物质形态都是在三维空间 中客观存在的 因此人眼看到的物体都是以三维的形式存在 目前三维显示主要分四大类 透视三维显示和体视三维显示均不能直观表达深度信息 全息三维显示的再现图像虽然与原物有着相同的三维特性 但大视角高分辨率的全息图的制 备非常复杂 信息存储容量巨大 体三维显示 1 将三维数据直接再现在真实空间内而非二 维表面上 实现起来相对简单 能够提供真实三维的再现图像和几乎不受限制的观察范围 因 而受到了业界的广泛关注 本文设计的真三维立体显示系统采用旋转投影面技术 2 3 通过投影面以一定的速度在空 间旋转 构成一个成像区域 由于每一个瞬间旋转面处于一个特定的角度 根据该角度对要 显示的三维场景进行切片 将这个切片显示在旋转面上 形成三维场景的一个离散表示 这 样当旋转面完整地转完一圈后 整个三维场景便以很多个离散切片的形式显示出来 在旋转 面的高速旋转的情况下 人眼的视觉残留就能形成空间连续的三维立体图像 图一 旋转投影面 本文建立的基于 DMD 的二维屏旋转的体三维显示系统 其主要特点是全数字控制 结 构紧凑 控制简单 数据处理量适中 可以显示复杂图形 1 本课题得到基金项目 教育部博士点基金 编号 20030287008 863 项目编号 2005AA311020 资助 2 2 体三维显示系统系统体三维显示系统系统 2 1 原理及系统结构原理及系统结构 人眼具有视觉暂留特性 当视网膜受到的光刺激停止以后 视觉印象要经过一个短暂的时 间才能完全消失 视觉暂留时间约为0 05 0 20 s 当光源的闪烁间隔小于视觉暂留时间时 人眼就感觉不到闪烁 而认为光源是连续发光体 4 体三维显示正是利用人眼暂留特性 通过二维显示屏周期性地旋转 当屏幕转速高于人 眼可分辨的频率 且写入信息与原始三维数据相对应 信息总量足以表现原始图像的细节时 瞬时显示的二维图像序列由于视觉暂留效应被复合感知为位于显示空间内的三维图像 体三维显示系统主要由体素激活子系统和成像空间子系统组成 图二 系统结构图 2 2 体素的生成与激活系统体素的生成与激活系统 本文采用的是 DMD 加上光机作为体素生成与激活系统部分 5 采用 DMD 控制投影图 像 可以实现切片的快速显示 前期的方案是采用振镜控制光路 但其缺点是定位速度慢 不能显示复杂图形 而 DMD 是由很多微镜组成的 每个微镜对应一个像素点 图三 微镜偏转 实验所用的是 DMD 0 7XGA DDR 分辨率为 1024 768 即 1024 768 个微镜 DMD 的每个微镜偏转角度为 12 微镜的状态根据其下边的 SRAM 内存单元 当其 SRAM 为 1 时 微镜偏转 12 这样光就被反射到屏幕上 当为 0 时 微镜偏转 12 光线被吸收掉 同时 DMD 可以分成 16 个块分别控制显示 每个块的大小为 1024 48 投影成像的具体流程是 3 光线先照射到 DMD 上 DMD 上的微镜根据 SRAM 的状态 决定是否反射光线 由于采用 透镜成像 所以建立的 DMD 图像必须倒置才能在屏幕上成正立放大的实像 图四 DMD 投影示意图 没有标出光源 2 3 成像空间构成成像空间构成 采用投影面机械旋转的技术构建成像空间 投影面本身并不发光 通过光源照射激发屏 幕上的体素 选择的投影面类型为半透明 均质 具有一定结构强度的半圆形有机玻璃投影 面 投影面直径为200mm 厚度为3mm 在旋转机构及其控制系统设计上采用了三项交流 电机 变频器和旋转编码器的设计 由变频器完成调频调速过程 旋转编码器的输出信号作 为 反 馈 依 据 构 成 整 个 真 三 维 显 示 系 统 的 闭 环 控 制 目 前 投 影 面 旋 转 速 度 定 位 300rpm 600rpm 分别对应真三维显示系统的10HZ 20HZ的刷新率范围 在此区间内转速 连续可调 系统刷新率也连续可调 旋转屏有平面型和螺旋面型 螺旋面型设计比较复杂 这里采用平面型 平面有单屏和双屏之分 我们采用双屏 旋转屏在每一转内 每一幅二维 截面图像被左 右两面各刷新一次 这样刷新率可以提高一倍 3 切片算法切片算法 系统显示采用3DS模型 3DS模型是由一系列三角网格组成的 在计算切片时需要遍历所 有三角网格 得到三角网格与相应切面之间的相交线段 当三角形与切面不共面时 它们之 间的关系有三种可能 1 三角形与切面不相交 2 三角形与切面相交一点 3 三角形与切面相交与一条线段 显然第一种情况我们不需要处理 而认为第二种情况是第三种情况的特殊形式 即相交的一 点既是起点又是终点 图五 三角形与切片几何关系示意图 左图 不相交 中 交于一点 右 交于一条线段 当三角形与切面共面时 则记录该三角形即可 无需求交计算 每个切片建立列表存储 所有三角网格与切片相交的线段 这样就得到了模型在相应切片的信息 然后根据投影原理 4 把坐标转换到DMD坐标 并建立切片的帧缓冲 构成三维图形的二维信息 4 具体实现具体实现 本文方案采用投影激活体素的方法 即被动发光 那么光线定位准确对显示效果有很大 影响 投影仪镜头必须与旋转屏的正投影面平行 DMD 中心对准旋转屏的轴 调整高度使成 像在旋转屏构成的体可视范围内 立体显示需要在很短时间内显示三维物体的很多个切片 所以需要很高的帧刷新率 目 前我们采用 USB2 0 接口 基本满足我们的要求 为了进一步提高速度 我们只使用 DMD 的第一个块 6 实验得到第一个块的图像装载及显示时间在 1 1ms 左右 那么就可以一秒显 示 900 帧画面 而整个 DMD 图像装载显示需要 2 3ms 根据 PC 性能的不同 时间也会有 所不同 当程序运行时先对 3DS 模型进行正规化操作 然后统过坐标转换来对空间编码分解 完 成从三维源图像到二维截面序列的分解映射 最后将二维信息转换成 DMD 支持的 Buffer 当屏幕旋转时 计算机根据旋转编码器反馈的屏幕角度 然后根据角度显示相应的二维切 片 得到旋转屏的角度 角度是否 发生改变 传输对应的切片到 DMD 重置 DMD N Y 图六 程序流程图 5 实验实验 根据DMD的分辨率 理论上可以建立1023 767 1023体素成像空间 由于方案和旋转 屏的大小 本文建立了387 47 387分辨率的成像空间 大小为200 25 200mm 刷新率 为20 Hz 由于采用投影成像 所以当屏幕里镜头越远则单个象素越大 较近的像素较小 因此根据距离的不同需要在坐标转换时的系数做相应调整已完全再现真实物体 避免图像出 现失真 5 表一 实验设备 CPU P4 3 4G RAM 512M DMD DMD 0 7 XGA 12 DDR DMD Discovery 旋转编 码器 欧姆龙E6CP AG5C 8位绝对值 型 USB USB2 0 光源 UHP光源 功率250W 显示模型为 F15 水平停放在旋转屏的一侧 机头朝着投影仪 模型切片数量为 256 调整旋转屏转速以和 DMD 的显示速度同步 光源发出能量均衡的白光 经 DMD 投影到旋 转屏上形成二维图像 图像只有黑白两种颜色 没有灰度 F15 模型及系统真实显示图如下 图七 飞机 3DS 模型 图八 右视图 图九 仰视图 图十 后视图 6 结论结论 本文建立了基于DMD的体显示系统 在三维空间内预设位置上产生的体像素均来源于 快速旋转和瞬时投影的像素 利用人眼的视觉暂留效应得到三维图像 此三维显示系统的优 6 点在于构成三维轮廓的体像素真实存在于显示空间 所以存在着常规视差信息 眼睛的调节和 会聚处于自然的匹配状态 符合人类的视觉观察习惯 从上图可以看出系统能够较好地再现 三维模型 并且可以任意选择视点直接观看 虽然切片较少 但已经表现出模型的三维特征 由于旋转屏的缘故 与观察者较近的切片会看不到 可以减少旋转屏的厚度来减少死区 而且方案采用单片DMD投影 所以旋转屏与投影光线夹角很小的的切片无法建立正常体素 存在物理死区 采用双片DMD可以避免此物理死区 众所周知 体显示所需的数据量相对 于平面非常大 所以对数据传输有很高的要求 本文采用的USB接口基本满足要求 可以看 出三维物体 但如果要显示更细腻的图形 必须进一步提高接口速度 下一步的工作是更换 数据接口 改用高速接口 速度可以达到9 7K 二进制帧 秒 这样不仅可以提高显示速度 还可以增加灰度 参考文献参考文献 1 B G Blundell A J Schwarz and D K Horrell Volumetric three dimensional display systems their past present and future J Englneering science and education journal October 1993 196 200 2 G E Favalora R K Dorval D M Hall M G Giovinco J Napoli Volumetric three dimensional display system with rasterization hardware J Proceedings of SPIE Vol 4297 227 235 3 C C Tsao and J Chen Volumetric display by Moving Screen Projection with a fast switching spatial light modulator J Proceedings of SPIE Vol 3296 191 197 4 林远芳 刘旭 刘向东 基于旋转二维发光二极管阵列的体三维显示系统 J 光学学报 2003 23 10 1158 1162 5 DetlefBahr Knut Langhans Daniel Bezecny Dennis Homann and Carsten