一种三维模型显示装置

1.本技术涉及空间三维成像领域，包括一种三维模型显示装置。


背景技术：

2.三维显示技术是元宇宙技术发展的关键技术，是未来先进显示技术的发展方向，元宇宙离不开虚拟世界，为了追求更自然、更沉浸的三维视觉感知和体验，虚拟世界的呈现就离不开三维显示技术。为呈现更为真实的虚拟世界，三维显示技术承担着帮助数字角色获取空间深度、物体材质等二维显示无法观察的信息，更加成熟的三维显示系统往往意味着信息获取、处理、传递、的速度和效率以及交互和决策的准确度、深度的提高。
3.相关技术中的三维显示设备为vr和ar设备,元宇宙所需要建立的具有沉浸感，低延迟，交互性强的特征都可以用vr、ar设备提供，但在使用时需要穿戴设备，交互性和便利性较差，同时较强的眩晕感也不适合所有人群使用。
4.裸眼三维显示适合用于用户交互频繁的环境，但裸眼三维显示技术仍然是基于调节左右眼视差或者利用人类认知反差来实现三维感官的，人眼感知物像的位置与实际成像位置不在同一平面，长期观看同样会有疲劳感和眩晕感。
5.另外，dct-plate等效负折射率平板透镜作为一种可以实现三维立体成像显示的产品，其价格相对便宜，视场相对大，图像清晰程度较高，已经应用于例如电梯呼机、医院挂好机等交互终端系统，但大多只显示了平面交互页面并不能直接显示三维模型。
6.综上，相关技术中缺乏未借助穿戴设备情况下显示三维模型的低成本方法。


技术实现要素：

7.为了克服现有三维显示技术中ar和vr需要穿戴导致的便携性的下降、裸眼3d眩晕感较强以及全息三维显示技术的产品造价高昂的缺点，解决相关技术中缺乏未借助穿戴设备情况下显示三维模型的低成本方法的问题，本技术将利用多排多列等效负折射率平板透镜(dct-plate)，提供一种三维场景再现的装置；通过采用快速移动光源造成人眼视觉暂留的原理，配合负折射率平板透镜三维成像实现空间三维显示的目的。
8.本技术中的三维模型显示装置包括：控制终端，用于接收传感器传输的图像的位置信息，以及向伺服系统发送指令，控制所述伺服系统完成指定动作或任务；伺服系统，用于接收所述控制终端发送的指令，精确控制显示设备的位置移动；成像系统，包括所述显示设备和成像设备，所述显示设备作为光源用于显示三维模型的切面影像，所述成像设备用于将所述切面图像转化为空气中的所述三维模型的成像。系统由主机控制，主机向伺服系统发送信号，控制伺服系统的运动方式、速度、位置；与此同时，伺服系统的速度传感器和位置传感器向主机发送速度、位置信息，主机根据位置信息控制显示设备显示不同的切面轮廓图像；成像由dct-plate等效负折射率平板透镜完成；装置前的操作者通过双目获得三维图像，可根据图像信息通过控制终端直接或间接控制整个系统。
9.作为本技术更进一步的方案，显示系统包括dct-plate等效负折射率平板透镜、遮
光箱体、固定卡扣；箱体上部分为45
°
斜面，中间开有窗口，dct-plate等效负折射率平板透镜通过固定卡扣固定在窗口上，窗口大小与平板透镜大小相同。
10.作为本技术更进一步的方案，伺服系统采用伺服电动缸；伺服电动缸采用伺服电机与丝杠并联的结构，电动缸供电线和数据传输线通过箱体后部开口连接到伺服系统控制柜和主机，电动缸通过螺柱和螺母固定在箱体底部。
11.作为本技术更进一步的方案，显示设备是高刷新率的显示设备；其通过支架固定在电动缸丝杠顶部，电源线与视频信号传输线通过箱体后部开口连接到电源与主机上。
12.更进一步地，箱体前侧与后侧设有开门，内部有固定架。
13.更进一步地，显示设备与电动缸固定支架是标准10*10cm的vesa标准支架。
14.更进一步地，伺服电动机的控制系统放置于独立在箱体外的金属柜中。
15.更进一步地，伺服电动缸自身带有速度和位置传感器。
16.更进一步地，显示设备显示内容是三维模型的切面轮廓图，随着位置变化显示不同的图像。
17.采用本技术的方案，操作人员通过控制终端的主机操纵设备，主机通过指令直接控制伺服系统的运动，传感器返回的位置信息引导主机在显示设备上显示模型不同位置的切片影像，在伺服系统的驱动和dct-plate平板透镜的成像下在空间中形成高速移动并变化的像，操作人员利用视觉暂留原理在空间中观察到三维的像，实现三维模型的显示。本技术的有益效果是：通过dct-plate等效负折射率平板透镜的成像，显示设备显示的模型的切面轮廓图折射到空气中形成虚拟的像，操作者可以在不穿带任何设备的情况下直接在设备正面看到图像，随着显示屏幕上下移动以及显示图像的变化，操作者可以不依赖其他显示介质方便的看到三维立体的模型，同时模型的颜色、材质、形状、尺寸等信息可以得到有效保留。区别于其他三维显示设备主要利用人眼双目视差，直接在空中成像能够降低观察时的疲劳感和眩晕感。同时方案简单，造价较低，使用方便，解决了相关技术中缺乏未借助穿戴设备情况下显示三维模型的低成本方法的问题。
附图说明
18.图1为本技术实施例的三维模型显示装置的整体结构框架图；
19.图2为本技术实施例的三维模型显示装置的外部结构示意图；
20.图3为本技术实施例的三维模型显示装置的内部结构示意图；
21.图4为本技术实施例的三维模型显示装置的左侧剖视图；
22.图5为本技术实施例的一种成像原理示意图；
23.图6为本技术实施例中控制伺服系统运动的流程图；
24.图7为本技术实施例中三维模型处理的流程图；
25.图8为本技术实施例中三维模型切面图像在显示设备上正确显示的流程图；
26.图9为本技术实施例中dct-plate等效负折射率平板透镜的光学折射原理图；
27.附图中标号1为dct-plate平板透镜，2为箱体，3为箱体前门，4为高帧率显示设备，5为伺服电动缸，6为透镜卡扣，7为箱体观察窗，8为vesa标准支架，9为伺服系统控制柜，10为显示设备显示图象，11为成像影像。
具体实施方式
28.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅为本技术的一种实现方式，在本技术基础上进行改进，没有特别突出创造性的其他实施例均属于本技术的保护范围内。
29.根据本技术的实施例，提供了一种三维模型显示装置，该装置包括：控制终端，即附图中的伺服系统控制柜9，用于接收传感器传输的图像的位置信息，以及向伺服系统发送指令，控制所述伺服系统完成指定动作或任务；伺服系统，包括附图中的伺服电动缸5，用于接收所述控制终端发送的指令，精确控制显示设备的位置移动；成像系统，包括所述显示设备和成像设备，所述显示设备作为光源用于显示三维模型的切面影像，所述成像设备用于将所述切面图像转化为空气中的所述三维模型的成像。
30.可选地，所述伺服系统和所述成像系统被安装在箱体内，所述箱体顶部的斜面的倾斜角度与地面的夹角为45
°
，所述斜面中间开有窗口，所述窗口的尺寸与所述成像设备的面积大小相同。
31.本技术实施例中，一种三维模型显示装置实现方式如下：参照图1、图2和图3，一种等效负折射空间成像三维模型显示装置主要由装置主体箱体2和伺服系统控制柜9组成，所述伺服系统控制柜即用于接收操作人员输入信号的控制终端。箱体2顶部为斜面，中间设有窗口7，周围固定有卡扣6，平板透镜1固定在卡扣6上完全覆盖整个窗口7。箱体2内部为装置的主要结构，参考图3和图4，伺服电动缸5固定在箱体底部，丝杠末端通过vesa支架8与高帧率显示设备4固定在一起，能够带动显示设备上下高速运动。
32.可选地，所述成像系统的成像设备采用的是dct-plate等效负折射率平板透镜，所述dct-plate等效负折射率平板透镜与显示设备屏幕所在平面的夹角为45
°
，所述显示设备所成影像与所述dct-plate等效负折射率平板透镜之间的夹角为45
°
。
33.可选地，所述显示设备采用高帧率显示设备，刷新率至少为200hz，亮度至少为300nit。
34.可选地，所述显示设备显示的影像是所述三维模型的沿预定方向分层后的图层影像，所述影像的背景统一为黑色，模型的分层层数大于等于10。
35.可选地，所述显示设备与所述伺服系统通过机械结构直接相连，随伺服系统沿着预定方向做直线往复运动，往复运动的频率大于等于10hz，往复运动的行程与所述三维模型的大小正相关。
36.可选地，所述显示设备的显示内容随着所述伺服系统运动位置的变化而变化。
37.可选地，所述成像设备转化为的所述成像在空气中高速移动并变化，利用人眼视觉暂留原理能够观察到三维实体。
38.在上述结构的基础上，显示设备4与伺服电动缸5直接与主机相连，主机直接控制伺服系统的运动与高帧率显示设备4的显示。主机通过向伺服系统发送信号，控制速度、位置与启停方式。同时伺服电动缸5内部传感器向主机发送速度、位置信息，主机根据位置信息选择使显示设备4显示不同的切面轮廓图像。
39.参照图1和图2，伺服系统的控制柜9独立放置于箱体2外，信号线与箱体2内部的伺服电动缸5相连，内部设有安全开关，保证伺服系统的安全性和可靠性。
40.参考图1和图3，伺服系统内部传感器可以感知速度和位置的变化，主机通过读取
传感器信息判断当前位置并以此控制高帧率显示设备显示对应的切片图层，操作人员可以通过显示效果通过主机改变伺服系统运动速度、行程和周期以及不同的模型形状。
41.参考图3，箱体2上部为斜面，向后倾斜，中部开窗并用dct-plate平板透镜1覆盖，箱体2内部空间充裕，底部固定伺服电动缸5联动显示设备4上下运动不会触碰箱体外壳，箱体2前部设有箱门3，工作人员可以通过打开箱门安装设备或拆卸显示设备4和伺服电动缸5进行维护保养和更换。
42.参考图3和图4，显示设备4的刷新率在200hz，亮度在300nit，显示设备显示的图像背景均为黑色，其余部分采用反差更大的浅色。显示设备屏幕所在平面与dct-plate平板透镜1所在平面夹角为45
°
，成像影像11所在平面与平板透镜1所在平面同样45
°
夹角，与地面垂直，人眼实现与成像影像垂直，观感更佳。
43.参考图4和图5，伺服电动缸5的运动行程为100mm，运动周期在0.3s至0.2s之间，运动时的加速时间和减速时间小于0.1s，其余时间速度保持匀速，保证成像的三维模型畸变程度最小，通过视觉暂留观察到三维模型的效果更明显。
44.参考图5，显示设备屏幕显示的图像10作为光源在箱体内部上下移动，显示模型的切面图层随位置变化依次从图像a变化到图像z，由于高帧率显示设备4刷新率为200hz，故两张不同的图层之间的停留间为5ms，从第一幅图a到最后一副图变化的过程中，伺服电动缸5运动半个周期，运动距离为设定的行程100mm，运动时间为设定时间0.3s到0.2s之间。在显示图像z后电缸迅速停止，不做停留立刻向反方向运动，显示图像也从图像z依次变化到图像a完成一个周期运动，周期运动之间不做停留。由dct-plate平板透镜1成像的图像11在这个过程中位置和内容也会不断改变并于显示设备显示图像10对应，从图像a’到图像z’，图像z’到图像a’依次变化，运动时间与伺服电动缸运动时间相同。由于图像为黑色背景，操作人员可以清晰的看到图像的变化并利用人眼暂留效果看到完整的三维图像。
45.参考图6，驱动伺服系统的流程如下：
46.s61在伺服系统工作前初始化伺服系统，消除错误信息。设定伺服系统的初始位置以及接下来的运动方式，规定伺服系统做周期运动，设置运动行程、周期、加速和匀速时间、启停方式。特别的，设置运动行程为100mm，周期0.2s到0.3s，启停方式为快速启停尽可能减少加速和减速运动时间。
47.s62判断是否结束运动，如果收到结束信号则退出程序否则继续运行。
48.s63通过伺服系统传感器获取当前位置。
49.s64根据当前位置和设定的运动方式决定下一步指令，参考图5，如果此时位置在最底部，则下达运动到最顶部的指令，反之则下达运动到最底部的指令。
50.s65下达并执行运动指令
51.s66判断是否到达目标位置。如果没有到达，等待一定时间，具体时间根据需求设定，参考图3，设置等待时间应小于5ms；如果到达则停止运动并执行步骤s2。
52.参考图7，本技术需要对三维模型进行处理获得三维模型的切面图像，具体的流程如下：
53.s71选定三维模型并将其导入三维建模软件，三维模型选取应确保精细程度高，形状容易分辨，颜色鲜艳层次分明。
54.s72选定三维模型的正方向，同时根据伺服系统的运动周期、行程以及显示设备的
刷新率确定模型的分层层数，本实施例设定分层层数为10。
55.s73在三维建模软件中添加相机并按照分层层数均匀地分层并拍摄每一层的图像，将拍摄的图像按照顺序命名储存在计算机硬盘中。
56.s74使用opengl应用程序接口将生成的jpg或其他格式的图像渲染为纹理信息，并存储在内存中方便后续程序的调用。
57.参考图8，利用获得的三维模型切片图像在高帧率显示设备4上显示的流程如下：
58.s81根据选用的模型的形状和大小设置显示窗口的大小。由于dct-plate平板透镜1和高帧率显示设备4的屏幕尺寸固定，显示窗口的位置应设置在屏幕正中，充分利用透镜的成像范围。初始化窗口界面准备接下来的显示。
59.s82创建定时器，定时器的精度在1ms，计时时间设置为5ms，计时方法为循环计时，。计时过程在独立的线程中运行，并不会干扰或中断主线程的主函数和回调函数的运行。
60.s83定时器每隔5ms结束计时周期并触发主线程的回调函数。
61.s84在回调函数中通过电动缸传感器获取当前位置信息。
62.s85根据所在位置调用不同的切面图像渲染的纹理信息。
63.s86在设置好的窗口上显示纹理信息。获取位置信息、调用纹理信息并显示的过程小于计时时间的5ms，每帧图像生成频率与高帧率显示设备4的刷新频率对应，不会出现图像闪烁的现象。
64.s87回调函数结束后等待下一次计数器计数结束再次调用回调函数，等待过程中显示画面不会消失。
65.参考图9，dct-plate等效负折射率平板透镜的光学折射原理如下：
66.dct-plate等效负折射率平板透镜只凭借本身就可以实现光线的汇聚，平板透镜一侧的光源发散角内的光线在经过平板透镜中的正交分布光波导材料的反射作用后产生等效负折射效果，从而收敛到以平板透镜所在平面为对称平面的另一位置，从而在空间中得到一个能够不用借助介质承载，肉眼可以观察到的实像。
67.上面结合附图对本技术的原理进行了描述，上述示例描述中的电动缸运行参数、显示设备显示帧率、dct-plate平板透镜尺寸等均是为了便于实现相应效果而设置的，并非本专利的保护对象。所选用的硬件同样是为了效果的呈现，本技术的实现并不受上述具体方式的限制，无论采用何种伺服系统代替上述伺服电动缸，采用何种形状和材质的实验箱体替代上述箱体，只要采用了和本技术构思相同的方法或在本技术基础上进行改进的都在本专利的保护范围内。

技术特征：
1.一种三维模型显示装置，其特征在于，该装置包括：控制终端，用于接收传感器传输的图像的位置信息，以及向伺服系统发送指令，控制所述伺服系统完成指定动作或任务；伺服系统，用于接收所述控制终端发送的指令，精确控制显示设备的位置移动；成像系统，包括所述显示设备和成像设备，所述显示设备作为光源用于显示三维模型的切面影像，所述成像设备用于将所述切面图像转化为空气中的所述三维模型的成像。2.根据权利要求1所述的三维模型显示装置，其特征在于，所述伺服系统和所述成像系统被安装在箱体内，所述箱体顶部的斜面的倾斜角度与地面的夹角为45
°
，所述斜面中间开有窗口，所述窗口的尺寸与所述成像设备的面积大小相同。3.根据权利要求1所述的三维模型显示装置，其特征在于，所述成像系统的成像设备采用的是dct-plate等效负折射率平板透镜，所述dct-plate等效负折射率平板透镜与显示设备屏幕所在平面的夹角为45
°
，所述显示设备所成影像与所述dct-plate等效负折射率平板透镜之间的夹角为45
°
。4.根据权利要求1所述的三维模型显示装置，其特征在于，所述显示设备采用高帧率显示设备，刷新率至少为200hz，亮度至少为300nit。5.根据权利要求1所述的三维模型显示装置，其特征在于，所述显示设备显示的影像是所述三维模型的沿预定方向分层后的图层影像，所述影像的背景统一为黑色，模型的分层层数大于等于10。6.根据权利要求1所述的三维模型显示装置，其特征在于，所述显示设备与所述伺服系统通过机械结构直接相连，随伺服系统沿着预定方向做直线往复运动，往复运动的频率大于等于10hz，往复运动的行程与所述三维模型的大小正相关。7.根据权利要求1所述的三维模型显示装置，其特征在于，所述显示设备的显示内容随着所述伺服系统运动位置的变化而变化。8.根据权利要求1所述的三维模型显示装置，其特征在于，所述成像设备转化为的所述成像在空气中高速移动并变化，利用人眼视觉暂留原理能够观察到三维实体。

技术总结
本申请主要涉及三维模型空间成像领域，包括三维模型显示装置。该装置主要包括：控制终端，用于向伺服系统发送指令，控制该伺服系统完成指定动作或任务；伺服系统，用于接收该控制终端发送的指令，精确控制显示设备的位置移动；成像系统，包括该显示设备和成像设备，该显示设备作为光源用于显示三维模型的切面影像，该成像设备用于将该切面图像转化为空气中的该三维模型的成像。解决了相关技术中缺乏未借助穿戴设备情况下显示三维模型的低成本方法的问题。的问题。的问题。


技术研发人员：龚光红 董晨辉 李妮
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：2023.05.24
技术公布日：2023/8/28