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真三维旋转显示屏体分析及均匀化校正研究

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张俊1，王惠南1，孙菁2

(1．南京航空航天大学自动化学院，南京210016；2．南京信息工程大学计算机与软件学院，南京210000)

摘要：基于人眼视觉滞留效应，采用高速旋转的平面显示屏像素瞬间发光，形成圆柱体立体空间中的体素，重建真三维立体图像显示。针对旋转体机械结构造成的体素外疏内密的特点，本文研究了体素均匀化校正处理，得到较为理想的立体三维图像显示。

关键词：真三维；体素；旋转体；均匀化

TP3[来自WwW.L]91：A

引言

真三维显示技术是指被显示图像的每一个三维体素（voxel）位于三维物理空间中的真实位置，每个体素的亮度和色彩可控，体素之间的相对空间位置关系被真实的体现在真三维显示系统中，从而构成具有物理景深的三维空间图像。观看者可以从不同角度看到被显示图像的不同侧面，多个观看者可以同时从不同角度观察同一被显示的三维物体，如同观察真实的三维物体一样。

真三维立体显示技术包括静态体显示技术和体扫描显示技术。体扫描显示技术是依靠显示屏周期性运动构造成像空间。体扫描技术又根据屏幕的运动方式分为：平移体扫描技术和旋转体扫描技术。其中旋转扫描技术机械部件结构简单、易于集成和加工，更利于实现。

研究表明，人眼视觉滞留时间约为50～100ms，即人类视觉对亮度改变的跟踪[来自www.lW5U.coM]会由于意识处理延时而滞后。当实际光点闪烁频率超过10Hz时，人的视觉认知是连续发光体而非闪烁体。正是基于这种人眼视觉滞留特性，我们利用二维显示屏(如LED、SED)的屏像素（pixel）在高速旋转中有规律的瞬时发光，形成分散于三维物理空间中的体素(voxel)，再现真三维立体图像。体素特性决定了真三维显示系统的性能并影响图像质量，因此必须对体素的形状、位置、数目及密度分布等属性进行量化分析研究。本文尝试对真三维旋转显示屏系统进行建模，分析系统的空间体素属性，并采用对空间分布的体素与模板阵列进行与操作的方法，从而得到较为均匀的空间体素分布，较理想地改善了真三维图像质量。

1真三维旋转显示屏系统原理

真三维旋转显示屏系统l31示意如图1所示，二维显示屏的周期性旋转形成具有一定物理景深的圆柱体真三维空间，按时序依次出现的显示屏位于不同方位，每一平面载入不同的二维截面信息，当显示屏转速高于人眼可分辨的频率时（高于10Hz），瞬时显示的二维图像序列由于视觉滞留效应，被复合感知为立体空间的真三维图像。

为使显示屏中像素具有瞬间显示的特点，显示屏的显示单元采用响应时间在微秒级的LED或SED，驱动电路采用广泛使用的同步分块逐行扫描方式，旋转一周扫描时间完全可以满足显示系统最低刷新率10Hz的要求。

2真三维旋转显示屏系统体素模型化分析

由于系统体素是二维显示屏显示单元在高速旋转运动中瞬间发光形成，并不是静止不动的排列分布于空间之中，体素必然受到旋转体机械结构以及刷新率的影响。在理想状态下，对于屏像素为2MxN的旋转显示屏，刷新率为L（即显示屏旋转一周显示单元被驱动发光的次数，也是三维图像含转轴分割图像的数目），易知真三维系统总的体素为：

Q=MxNxL(1)

在俯视平面，空间同一圆周上的体素间隔方位角p=2π/L。由式(1)可知，Q与M、N、L成正比关系。对于特定显示屏即M、N恒值），理想状态下，提高刷新率L，可以增加体素Q的数目。

2.1实际显示系统体素分析

在实际显示系统中，不同列的屏像素具有不同的旋转半径，构成的体素属性也不同，因此必须具体化分析。本文假设显示屏的像素约长、宽、厚分别为I、w、p的长方体，绕中心轴OZ旋转，构成以中心轴OZ为对称的2M列×～行点阵阵列，显示屏厚度为t，显示屏中第i列屏像素距离中心轴OZ为fi。在旋转过程中，同一行不同列的屏像素具有不同的旋转半径r，可能导致各自构造出的体素数目、分布密度不同；而同一列不同行屏像素提供的体素数目、分布密度相同．所以只需研究某一行屏像素在所处水平面内的旋转特性和提供的体素属性，即可推知整个显示系统提供的体素属性。由于空间中每个体素在物理上都是独立的显示单元，携带的信息不尽相同，必须保证它们互不重叠。所以，从中心轴OZ向右的第1，2，…i…，M个屏像素相对于中心轴形成的最小间隔弧度角为

a（=p/ri(弧度)i=1，2，3…M(2)

在旋转一周内列屏像素提供的位置互不重叠的体素数目分别为：

由式(2)、(3)知a与r成反比关系，体素数目也与a成反比关系。即旋转半径越小，所需的弧度角a就越大，形成的体素数目就越少，图像分辨率就越低。显示的真三维图像在中心区域有图像细节丢失的现象存在。

2.2体素间隔方位角与旋转半径的综合考虑

另一方面