多視點大尺寸光場真三維顯示系統(tǒng)

作品名稱：多視點大尺寸光場真三維顯示系統(tǒng)大類：科技發(fā)明制作B類小類：信息技術(shù)簡介：本團隊針對目前商業(yè)化高清晰度真三維顯示器缺乏的問題，提出了基于場景渲染和基于光場采集的兩種投影圖像生成方法，建立了投影光場分析模型，研究了多視光場三維顯示技術(shù)及光場采集技術(shù)，并在此理論基礎(chǔ)上研發(fā)了一套“多視點大尺寸光場真三維顯示系統(tǒng)”及其配套的光場采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)實現(xiàn)了裸眼真三維顯示及遠程實時三維直播功能，在水平方向上觀看與真實物體毫無差異，具有可視角度廣、顯示尺寸大、成本較低等高實用性特點。詳細介紹：【研究背景】三維顯示技術(shù)是當(dāng)今國際信息電子產(chǎn)業(yè)的最前沿研究方向之一。20世紀(jì)40年代以來，人們就提出關(guān)于三維顯示技術(shù)的各種解決方案，并不斷嘗試制作各種三維顯示裝置，但是由于種種技術(shù)上的限制而未能實現(xiàn)。90年代初，激光、電子、計算機等技術(shù)的迅速發(fā)展，許多國家再次活躍在三維顯示技術(shù)的相關(guān)研究工作中，并獲得了相當(dāng)大的進展。目前，實現(xiàn)三維顯示的技術(shù)分為偽三維顯示技術(shù)和真三維顯示技術(shù)兩種，前者視點數(shù)極少，只能通過雙目視差形成立體效果，基本沒有實現(xiàn)物體的移動視差，這與真實物體的顯示存在差異；而后者視點數(shù)很多，兼具雙目視差與移動視差，觀察者在顯示裝置前移動位置時會觀察到物體連續(xù)變化的各個角度上的圖像，顯示效果非常逼真。更重要的是觀察偽三維顯示裝置時，人眼會存在輻輳和調(diào)焦上的矛盾，不僅會加重人眼與大腦的負擔(dān)，長時間觀看還會引起視覺疲勞和頭暈不適。偽三維顯示技術(shù)包括雙目立體顯示(立體眼鏡)和裸眼3D電視，而真三維顯示技術(shù)則主要包括體三維顯示技術(shù)和全息影像技術(shù)。這些技術(shù)目前尚未完善，綜合而言主要存在以下方面的不足：1.細節(jié)顯示效果不佳。2.難以實現(xiàn)多人同時自由觀看：其一是顯示尺寸小，觀看者需要在很近距離才能觀看；其二是視點少、視角窄，對觀看者的觀看角度、位置限制較多。一旦觀看者偏離規(guī)定位置，會產(chǎn)生重影、模糊等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響顯示效果。3.顯示實時性差，只能顯示靜態(tài)圖像，或無法與用戶進行交互。4.顯示素材難以獲取，需要進行三維建模再渲染成視頻，制作成本極高。5.設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大，綜合成本高，難以商品化投入實際應(yīng)用?，F(xiàn)有的三維顯示技術(shù)存在一定缺陷、應(yīng)用條件苛刻，無法滿足市場的需求。因此，本團隊研制了“多視點大尺寸光場真三維顯示系統(tǒng)”，該系統(tǒng)可以彌補傳統(tǒng)顯示技術(shù)的缺陷，真實地重現(xiàn)三維場景，使被顯示物體的圖像栩栩如生,向觀看者提供了心理和生理上的三維感知信息，具有可裸眼觀察三維圖像、可視角度廣、屏幕尺寸大、細節(jié)顯示清晰等高度實用性優(yōu)點，可應(yīng)用于醫(yī)療影像顯示、工業(yè)設(shè)計、展覽展示、娛樂廣告顯示、地形地物顯示等領(lǐng)域，有極高的科學(xué)、社會和商業(yè)價值?！狙芯績?nèi)容概述】真實物體發(fā)出的光線除了具有位置信息還有方向信息，構(gòu)成了一個四維的光場。本系統(tǒng)從光場顯示的角度入手，使用投影儀陣列向垂直散射膜進行投影，垂直散射膜在水平方向上具有光學(xué)各向異性，而垂直方向上則是散射特性，故光線透過后會形成一個特殊的光場。利用投影圖像生成算法使得該特殊光場非常接近真實物體的光場，達成了具有多連續(xù)視點的逼真三維顯示效果。本系統(tǒng)采用的是全新的技術(shù)，實現(xiàn)難度大，本團隊通過大量研究工作解決了多個技術(shù)難題。1.物體的光場由四維光矢量構(gòu)成，非常復(fù)雜，想要重構(gòu)出一個與真實物體光場類似的光場具有極高的難度。通過對投影儀、垂直散射膜與物體的光場模型做了大量復(fù)雜的理論研究與仿真分析，我們運用投影儀陣列及垂直散射膜構(gòu)成一個光學(xué)結(jié)構(gòu)，并提出了基于場景渲染的投影圖像生成方法，最終成功達成了對真實物體光場的重構(gòu)。2.由于本系統(tǒng)的光場是由大量投影儀投射的光線復(fù)合而成，而投影儀安裝時會有不可避免的位置、角度與色彩誤差，因而未經(jīng)校正的大量投影儀投出的光線無法復(fù)合成理想的光場。本作品采用了一個自行研發(fā)的投影儀標(biāo)定與校正算法，可完成大量投影儀的校正，并且不會引入標(biāo)定相機的誤差。3.物體的光場數(shù)據(jù)量非常巨大，本系統(tǒng)每幀光場數(shù)據(jù)量高達250MB，3分鐘內(nèi)可達500G。通過設(shè)計基于樹莓派卡片電腦陣列與計算機協(xié)作進行分布式處理的軟硬件架構(gòu)，本作品成功實現(xiàn)了對海量數(shù)據(jù)的實時處理。4.被顯示物體的光場數(shù)據(jù)用通常手段難以獲取，傳統(tǒng)的三維建模的方式耗時長、成本極高，并且物體的細節(jié)特征容易丟失。我們在之前光場分析的基礎(chǔ)上，又提出了一個基于光場采集的投影圖像生成方法，并實際制作了一個由攝像頭陣列組成的光場采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以采集真實物體的光場信息，遠程傳輸?shù)斤@示系統(tǒng)上實時顯示物體的三維圖像?！緞?chuàng)新點】1.三維顯示原理創(chuàng)新：巧妙地利用垂直散射膜的各向異性，利用其透過不同光束，進而拼合成圖像，在水平方向上模擬逼近真實物體的光場。與同類技術(shù)采用的柱面鏡陣列相比，具有細節(jié)質(zhì)量高，顯示質(zhì)量無損的特點，分辨率提高了兩倍。2.自主研發(fā)的創(chuàng)新算法：運用自主研發(fā)的算法完成對投影儀的高精度標(biāo)定與校正，不會引入由標(biāo)定相機帶來的誤差。3.創(chuàng)新性應(yīng)用分布式處理技術(shù)：通過計算機與大量樹莓派卡片電腦對海量光場數(shù)據(jù)進行分布式處理，代替同類技術(shù)所采用的多塊多通道顯卡驅(qū)動投影儀，協(xié)作實現(xiàn)對每幀數(shù)據(jù)量高達250M的海量光場數(shù)據(jù)的傳輸、處理和同步顯示，并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)了實時的采集、顯示與交互，在減小設(shè)備體積、降低成本的同時還可以提高計算效率，將單幀光場數(shù)據(jù)計算時間從6.4s降低到0.2s。4.首創(chuàng)光場采集系統(tǒng)：通過攝像頭陣列實時采集物體的光場信息，可以遠程傳輸?shù)斤@示系統(tǒng)上實時顯示物體的三維圖像，無需三維建模的過程，大大降低了顯示素材的制作成本?！炯夹g(shù)優(yōu)勢】與現(xiàn)有同類技術(shù)相比，本系統(tǒng)有以下幾點具有高度實用性的優(yōu)勢：1.在水平方向上擁有與真實物體十分類似的光場，屬于“真”三維顯示技術(shù)，可裸眼觀察到三維效果，三維顯示效果逼真。2.顯示尺寸大，可視角度廣、觀察視點多，對觀察者所在位置沒有苛刻要求，可供多人同時觀察。3.顯示質(zhì)量顯著提高：細節(jié)無失真，包含全部色彩信息。4.系統(tǒng)實時性高：可以播放連續(xù)的動畫或視頻，或與用戶進行實時交互。5.可通過光場采集系統(tǒng)拍攝顯示素材，遠程傳輸?shù)斤@示系統(tǒng)上進行實時顯示，顯示素材制作成本極低。6.綜合成本低，設(shè)備結(jié)構(gòu)相對簡單，適合推廣商業(yè)化。【應(yīng)用前景】1.本系統(tǒng)可與醫(yī)學(xué)三維影像采集技術(shù)配合，顯示可同時供多人觀察的具有直觀立體效果的醫(yī)學(xué)圖像，展現(xiàn)人體器官的三維結(jié)構(gòu)與形態(tài)，從而提供若干額外的用傳統(tǒng)手法無法獲得的解剖結(jié)構(gòu)信息，并進一步為模擬醫(yī)學(xué)操作提供視覺交互手段，有利于提高醫(yī)療診斷和治療規(guī)劃的準(zhǔn)確性與科學(xué)性，降低誤診率。2.博物館中有大量的珍貴文物需要恒溫、恒濕等苛刻的保存條件，不能公開展覽，而此系統(tǒng)可以采集、傳輸、顯示文物的光場信息，真實地將這些文物展示給人們觀看。3.本系統(tǒng)可將光場采集裝置搭載在無人機上，通過航拍測繪的方式直接獲取地表的光場數(shù)據(jù)，無需長達數(shù)十分鐘甚至數(shù)天的建模計算即可實現(xiàn)地形地物的立體顯示，形成一個可以交互的三維立體電子沙盤，可應(yīng)用于救災(zāi)現(xiàn)場勘測指揮、軍事指揮、數(shù)字城市三維顯示、空中交通管理、地貌勘測、農(nóng)林、礦業(yè)探測等領(lǐng)域。4.本系統(tǒng)還可以用于工業(yè)設(shè)計、展覽展示、娛樂廣告顯示等領(lǐng)域，因而具有極高的科學(xué)、社會和商業(yè)價值?！窘?jīng)濟效益】三維顯示系統(tǒng)是顯示系統(tǒng)未來的發(fā)展方向，本系統(tǒng)可以清晰的顯示出三維物體、動畫等。相較于其他同類產(chǎn)品，本系統(tǒng)有較大的技術(shù)優(yōu)勢與價格優(yōu)勢。在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)技術(shù)方面，我國醫(yī)療資源總量嚴(yán)重不足，醫(yī)療服務(wù)需求卻兩年就能增加10億人次。市場調(diào)研結(jié)果表明，98%的醫(yī)護人員認為三維顯示可以有效提升醫(yī)療準(zhǔn)確性。而本系統(tǒng)的應(yīng)用，能直觀顯示病灶三維圖像，極大縮短診斷時間、提高診療效率、節(jié)省診療費用，從而緩解我國醫(yī)療資源嚴(yán)重不足、醫(yī)患關(guān)系緊張的局面。安排試用的江蘇大學(xué)附屬醫(yī)院也評價本系統(tǒng)顯示的圖像清晰有用。此外本系統(tǒng)還可應(yīng)用于醫(yī)學(xué)教育，提高教學(xué)質(zhì)量并節(jié)約時間與成本，在珍貴文物展覽方面，我國很多博物院、博物館正在進行數(shù)字化改造，采用三維模型來展示部分文物,成本可達數(shù)十億。而采用本系統(tǒng)幾乎可實