基于LED旋转屏及DLP三维图像源的研究

1、基于LED旋转屏及DLP三维图像源的研究摘要：本文通过介绍实验室已制作完成的基于LED旋转屏的真三维立体显示方案和基于DLP的自由立体显示方案，解释了自由立体显示的根本原理和分光特点。在原有的显示器根底上，提出了三维图像源制作的思想和方法。为三维图像源制作的进一步研究提供了重要的技术方法。论文关键词：三维立体显示,LED旋转屏,DLP,三维图像源制作尽管有大量的计算机生成图像来建模和重现3D，绝大多数的3D图像仍是以2D显示方式呈现的。至少一百年前人们就构建了许多3D显示结构，但最近在数字获取、计算机和显示方面的开展才可能出现实际实用的3D显示装置。所谓立体显示是指能显示图像深度(第三维)效果

2、，就像我们看真实世界一样，是立体的【1】。人观测空间物体时产生的立体感源于空间物体在左右眼视网膜上成稍微有差异的两幅图像，这种差异称为视差，它是产生立体感的重要因素【2】。大脑在比照视差后，会让我们感觉到景深;的差异，也就是物体与我们距离的远近。而大局部的三维立体显示技术就是基于人体这种生理机能进行视觉欺骗，利用两幅略微不同的画面使大脑误以为我们看到的是具有一定景深的3D画面。现代的三维显示方式希望能通过一个物理三维立体的显示器来直接显示三维图像，这就是我们所说的真三维显示。本文将介绍实验室已经制作完成的LED真三维旋转屏和DLP背投的显示机理，并研究基于这两种显示方案的图像源制作方法。1 L

3、ED立体旋转屏及DLP立体显示系统实验室研制的低本钱LED真三维旋转屏，它将传统的二维平面表现手法拓展到三维空间中，形成的真三维图像目标可以从全方位加以观察，无亮度损失。DLP背投显示可以利用多台DLP的大屏幕拼接成自由立体显示墙,再经过特殊的漫反射屏材料分光，获得了高亮度的超大屏显示效果。1.1 LED立体旋转屏显示系统真正的三维立体显示首先要摒弃传统的二维显示空间，实现在物理三维空间的显示，也就是不采用虚拟显示眼镜这类辅助设备的光学方法产生双目视差，而是依靠显示设备周期性运动构造成像空间【3】。LED立体旋转屏通过使LED平板高速绕轴旋转，形成具有一定直径和高度的圆柱体。同时，将立体空间切

4、割成360度平面，每一平面采样不同的二维图像信息。当屏幕转速高于人眼的分辨率，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，由于人眼对亮度高的物体比拟敏感使得屏幕材料不可见，而瞬时显示的二维图像序列由于视觉滞留效应，将被复合、感知为三维图像。在这个柱状空间内的任何一点都可以由平面中的某一点经旋转到某一角度或时刻来表征。如果旋转速度足够快那么可以认为柱状空间内的任何一点都是独立的在亮，通过控制空间每一个LED的亮暗来显示三维图像。由于需要高速的IO口控制速度，每个LED由一个引脚单独控制，首先整个平面等分成32*32个独立局部，每局部(8 x 8) 由一块芯片单独控制，不同局

5、部间通过SPI总线通信，并有一块主控芯片控制时序和数据，而何时亮灭那么由每局部独立控制。当LED高速旋转，每一时刻显示不同像素信息，由于POV(视觉暂留，可观察到立体的图像。另外要介绍的是供电系统。可以在底盘上或者在屏幕背后绑上蓄电池给屏幕供电，但由于LED数量较多，耗电较厉害，蓄电池的电能有限，因此可以在轴上安装一电机，由于屏幕的不断旋转可以带动电机发电，从而给LED及芯片供电。图1为实验室LED立体旋转显示器。图1 1024点阵模块(反面、正面);LED旋转显示器1.2 DLP背投显示DLP即为数字光处理，也就是说这种技术要先把影像信号经过数字处理，然后再把光投影出来。基于DLP的三维显示

6、器包括完整的通信接口，通过DVI或USB接口向DMD驱动电路中的数据处理模块传输用于显示的数据。数据处理模块包括一片高性能FPGA和大容量DDRRAM，高性能FPGA用于对传输的立体数据进行解码，完成用户接口设计和后续数据处理，为后级DMD时序和复位电路提供信号。2G容量的DDRRAM为立体视频文件提供储存。DLP背投采用漫反射屏幕作为空间像素的载体。屏幕向各个方向反射DLP投射的光束。这样的屏幕适合制作真三维显示器，但不能为基于视差的全角光场显示提供空间分光。实验室设计一种各项异性的全息漫反射屏幕，其在横向上具有镜面反射特性和纵向漫反射特性，用以形成视差影像。被镜化的外表反射投影机投射的每个

7、像素到狭窄的光平面上，全息屏幕的特性控制光平面的厚度和高度。横向与纵向漫反射系数比需小于1：200。纵向提供较宽的像素反射光线，可让各个高度人眼获得立体影像。2 三维立体显示片源的制作方法2.1制作LED旋转屏片源过程基于LED旋转屏的片源制作很好的将市场上已成熟的三维软件与硬件显示系统结合起来。原始图像制作采用3ds Max是Autodesk公司推出的面向个人计算机的三维动画制作软件。它所定义的大多数对象都可视为参数化对象，便于我们提取数据信息。首先用3ds MAX制作好需要显示的三维模型，加密模型的网格点数调整位置坐标后，从软件中导出ASE文件格式。文件包含了模型的色彩、网格点以及空间像素

8、的笛卡尔坐标信息等。接着通过VB制作的图像引擎读取并处理数据。图像引擎的功能就是将原始空间的图像数据转换成既符合显示单元的几何特性,然后输入显示单元【4】。由于最终要在LED旋转屏上显示立体图形，空间内每个体像素都必须映射到某个时刻的平面坐标上。首先把三维笛卡儿坐标转换为三维极坐标，再对均匀化前的体像素归一化：对于所有亮像素(x，y，z)： (1) (2) 循环式(1),(2)以记录均匀化前所有位置需显示的信息。3ds Max制作的三维图像主要是为旋转屏提供像素坐标，因此所获取的是点的数据，制作过程中须注意像素的个数要适中。假设像素数严重缺乏，会导致图像没有立体效果。假设像素数过多，由于LED

9、板上LED像素个数有限，那么不能显示完整的图像。用模拟软件估计图像像素个数是否适宜是最简单的方法，可以高效便捷的在三维软件中修正。图2为模型DNA在LED旋转屏上显示的效果图。 图2 DNA模型在LED旋转屏上的显示效果 2.2基于DLP的图像制作为了生动显示立体效果，DLP屏外加了一层各项异性的全息漫反射屏幕，抽样图在漫反射屏幕上可以显示三维效果。抽样图是由两幅以上的视差图象按一定规那么抽样合成的特殊图象，全息漫反射屏幕利用横向上的镜面反射特性和纵向漫反射特性，使视差图象别离，分别进入人的左右眼，通过大脑的综合作用形成立体影像。制作DLP图像与LED旋转屏图像处理截然不同，它的显示原理主要依

10、赖于人的视差，因此应多角度获取片源。可以用3d软件的摄影机模拟拍摄，或用摄像机提取现实图像。立体成像的拍摄可分为静态景物拍摄和动态景物拍摄两大类。静态景物的拍摄，只需要使用一部照相机，在某一个位置角度先拍一张照片，然后将照相机平行移动一段距离或转动一定角度再拍一张，屡次拍摄，这样就得到了一组具有视差的立体照片。动态景物的拍摄,那么需要利用特殊的立体相机如双镜头相机,或者两部照相机一次同时拍摄两张照片。获取多幅图像后，将其按照一定算法合成再经过分光才可以获得立体效果。这里选择四幅图像，因为至少两幅图像合成才能利用视差形成立体图，但仅两幅图像，通过漫反射屏欣赏立体图的视角有限，图像太多在合成过程中

11、会出现大量重复的信息量，浪费了立体显示屏的存储空间。所以均衡考虑，选择四幅，侧重效果不同，图像数目可以不同。下面讨论两种立体图像的合成算法：竖插是一种简单的算法，即第一幅图取竖着第一列像素点，第二幅图取第二列像素，第三幅图取第三列，第四幅图取第四列，接着第一幅取第五列像素，第二幅图取第六列，依此类推的取下去，最后用MATLAB程序合成一幅新图像。竖插算法简单，调试容易，漫反射屏竖直放置。但由于各像素点列难以和圆柱面透镜漫反射屏精确对准，一旦匹配有误差会出现条纹影像效果。斜插算法相对复杂，适用于将漫反射屏略微倾斜，与DLP列像素形成一定角度叠加。倾斜漫反射屏防止了对像素点与漫反射屏精确对准的要求

12、，但以牺牲图像清晰度为代价。因为DLP像素的矩阵结构会使某个像素处于两条柱面透镜之间，而使得像素难以识别。以图3来说明算法：一个单元格代表合成后图像的一个像素。1、2、3、4分别代表对应图像一、二、三、四上相同位置的像素。图3 插图算法及DLP投影的效果图以上的算法是针对静态3ds Max做出的画面处理，动态的与此类似，将制作好的从四个不同角度拍摄的AVI格式动画经过软件拆分成一帧帧BMP格式图片，再经过每一帧的插图合成后，进一步合成可以在漫反射屏下显示立体效果的视频。3总结与展望真三维立体显示技术克服了传统立体显示技术需要借助辅助设备的缺陷，更具真实性，在国内属于一个全新的研究领域【4】。本文研究了基于LED真三维旋转屏和D