体三维显示系统关键技术研究与实现

论文摘要

本文的主要研究是在国家863高技术项目——支持人机交互的真三维体元式显示技术（2006AA01Z327）、国防预研基金项目——真三维立体显示技术（K1601060109）支持下完成的。体三维显示是近阶段实现真三维显示主要的可行技术途径。本文介绍了体三维的视觉显示机理,研究了系统构建,图像引擎、死区分析等关键技术,提出了一种快速数据生成算法,并给出了系统实现结果。本文的研究内容主要包括如下几个方面:体三维显示技术的视觉机理。视觉现象是形成体三维显示的基础。本文着重讨论了基于体三维显示的视觉机制,提出基于视觉暂留和似动现象的双重成因。前者用于静态显示,后者用于动态显示。它们共同构成体三维显示原理。相关视觉理论的研究,提供了体三维显示成像计算与分析的理论依据。系统构建和图像引擎是实现体三维显示系统的关键技术,其中要解决的技术问题有:成像空间构建、发光体素激活、以及图像引擎设计等。在成像空间构建方面,本文着重讨论了两种主要的成像介质,发光平面介质与漫射螺旋介质。由转动螺旋介质提供的成像空间,克服了平面介质中体素空间分布不均导致图像畸变的问题。在发光体素激活方面,通过线性和并行两种体素激活模式的研究,利用空间光调制技术的并行投影方法,极大程度上提高了空间可见体素光点的个数。结合两者的优势求解,给出利用快速转动螺旋屏幕,配合以高速的投影显示技术,实现空间体三维显示的优化技术方案。并提出与之匹配的三维图像引擎设计和成像死区改善方案,取得了较为成功的理论研究结果。体三维显示的数据生成是本文研究的另外一个重点。海量数据是体三维数据快速生成所面临的关键问题,本文提出将三维重建领域的体心立方栅格理论运用到体三维显示中,以解决海量数据问题。详细论述了运用体素化进行体心立方采样和体心立方体素转换的实现方法。实验证明,该方法能够有效地降低海量数据,减少存储空间,加速体素生成,用于体三维显示还可提高三维图像的局部显示精度。本文最后给出体三维显示系统的实现。介绍了体三维显示系统的的软硬件平台设计方案,详细论述了基于数字微镜设备的空间光调制技术和旋转投影技术的实现方法,设计了三维数据表示方法,提出了一种与螺旋介质硬件特点相匹配的映射算法,从而完成了空间三维图像投影显示。结果表明,本文研制的体三维显示系统,在表述复杂图像信息和图像清晰度方面取得了实质性突破,部分性能指标已接近国际先进水平。本文的核心成果是具有自主知识产权的Helix-3D体三维显示系统样机,各项性能指标均达到了预期的设计要求,是体三维显示技术的理论研究与工程实践的重要验证平台。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 人机“自然交互”对显示技术的需求
• 1.1.2 三维显示技术
• 1.1.3 体三维显示技术
• 1.2 体三维显示的研究动态
• 1.2.1 国外研究现状与发展趋势
• 1.2.2 国内研究现状与发展趋势
• 1.2.3 小结
• 1.3 论文主要研究内容及章节安排
• 第二章 体三维显示的视觉机理和成因分析
• 2.1 引言
• 2.2 体三维显示的视觉机理
• 2.2.1 视觉暂留现象
• 2.2.2 似动现象
• 2.2.3 小结
• 2.3 体三维显示的成因分析
• 2.3.1 视觉暂留的生理成因
• 2.3.2 似动现象的心理成因
• 2.3.3 小结
• 2.4 视觉成因的相关理论
• 2.4.1 闪光临界融合频率
• 2.4.2 人眼视觉的分辨力
• 2.5 本章小结
• 第三章 体三维显示系统的关键技术研究
• 3.1 引言
• 3.2 系统构建
• 3.2.1 成像空间的构建（Image Space Creation）
• 3.2.2 发光体素的构造（Voxel Generation）
• 3.2.3 发光体素的激活（Voxel Activation）
• 3.2.4 小结
• 3.3 三维图像引擎
• 3.3.1 三维图像引擎的概述
• 3.3.2 三维图像引擎的输入和输出
• 3.3.3 三维图像数据的预处理
• 3.3.4 三维图像数据的激活方式
• 3.3.5 小结
• 3.4 死区分析
• 3.4.1 体素重叠死区
• 3.4.2 体素变形死区
• 3.4.3 视觉死区
• 3.4.4 阴影死区
• 3.5 本章小结
• 第四章 体三维显示数据生成算法研究
• 4.1 引言
• 4.2 体素化研究现状
• 4.3 BCC 体素化思想
• 4.3.1 BCC 空间采样
• 4.3.2 BCC 体素转换
• 4.3.3 小结
• 4.4 实验与分析
• 4.4.1 实验设计
• 4.4.2 结果分析
• 4.4.3 算法验证实例
• 4.5 本章小结
• 第五章 体三维显示原型样机的研制与实现
• 5.1 引言
• 5.2 系统总体设计
• 5.2.1 Helix-3D 系统
• 5.2.2 实用化的Helix-3D 系统
• 5.3 螺旋成像空间子系统的研制
• 5.3.1 螺旋扫描屏的模型研究
• 5.3.2 约束机构的研究
• 5.3.3 运动驱动机构的研究
• 5.3.4 小结
• 5.4 DMD 体素激活子系统的研制
• 5.4.1 DMD 体素激活引擎研究
• 5.4.2 嵌入式光机平台开发
• 5.4.3 投影光路的设计与实现
• 5.4.4 小结
• 5.5 体三维引擎开发
• 5.5.1 体三维引擎功能模块
• 5.5.2 体三维数据表示方法
• 5.5.3 体三维数据的螺旋切片算法
• 5.5.4 螺旋切片的优化算法
• 5.6 系统测试与性能评估
• 5.6.1 系统测试的性能评估
• 5.6.2 三维图像质量的评估参数
• 5.6.3 实验结果与分析
• 5.7 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 研究内容的总结
• 6.2 研究内容的创新
• 6.3 下一步的工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文
• 第一作者
• 第二作者及其它
• 参加的科研项目
• 撰写的科技报告
• 攻读博士学位期间获奖情况