高分辨率平移扫描体积显示系统的研究

论文摘要

三维显示技术是目前显示领域的前沿技术,在众多领域具有广阔的应用前景,是未来显示技术的发展方向。目前,三维显示的方法有：基于视差的立体显示、全息显示和体积显示三种。不同于前面两者,体积显示技术是一种真三维显示技术,三维图像呈现在真实的物理空间中,具有物理景深。本文对本课题相关的国内外现状进行了综述,分析了相关领域存在的问题及技术难点,明确了本文的研究目标和意义,提出一种基于圆周平移扫描的高分辨率体积显示系统；描述了系统的总体构成及各子系统之间的相互关系,并分章对其中关键的子系统进行了详细介绍；最后介绍了物理样机的主要参数及实验结果分析,并为下一步研究提出若干改进建议。本文成功研制了物理样机,样机指标达到预期目标。成像空间没有显示死区,体素分布均匀,图像亮度均匀。解决了平移扫描体积显示的振动问题,噪声得到了很好的控制。实现了高分辨率三维图像的显示,每个三维体积帧所含二维切片图像达到512个,体素超过了4亿。本文的主要工作：利用FPGA设计高速图像投射系统；完成成像匹配模块的设计；参与机械结构的设计、加工、装配及样机的调试等。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.1.1 立体显示技术
• 1.1.2 全息显示技术
• 1.1.3 体积显示技术
• 1.2 体积显示技术的应用前景
• 1.2.1 军事领域
• 1.2.2 医学领域
• 1.2.3 科教领域
• 1.3 体积显示技术研究现状
• 1.3.1 国外研究现状
• 1.3.2 国内研究现状
• 1.4 课题提出及意义
• 1.5 本文的主要工作
• 1.6 本文内容组织
• 第二章 成像原理及系统组成
• 2.1 技术难点及解决
• 2.2 系统成像原理
• 2.3 系统的组成
• 2.3.1 二维切片图像生成子系统
• 2.3.2 高速图像投射子系统
• 2.3.3 成像空间构建子系统
• 2.3.4 成像匹配
• 2.4 系统总揽
• 2.5 系统工作流程
• 2.6 研制目标
• 2.7 本章总结
• 第三章 成像空间构建子系统
• 3.1 平移扫描实现
• 3.2 齿轮间隙消除
• 3.2.1 成像屏风阻分析
• 3.2.2 变齿厚齿轮
• 3.3 光路设计
• 3.3.1 光程恒定
• 3.3.2 相位误差分析
• 3.4 成像空间
• 3.5 切片图像数量
• 3.5.1 视角与视敏角
• 3.5.2 切片数量计算
• 3.6 刷新频率
• 3.7 电机驱动
• 3.7.1 控制模式
• 3.7.2 硬件设计
• 3.8 本章小结
• 第四章 高速图像投射系统
• 4.1 投射系统方案
• 4.1.1 图像投射方式
• 4.1.2 体积显示图像投射系统特点
• 4.2 DMD结构和工作原理
• 4.2.1 DMD的结构
• 4.2.2 DMD工作原理
• 4.2.3 DMD工作流程
• 4.3 投射系统的搭建
• 4.3.1 DMD控制系统
• 4.3.2 光学成像系统
• 4.4 投射系统工作原理
• 4.4.1 系统带宽
• 4.4.2 数据通道设计
• 4.4.3 投射系统工作流程
• 4.5 数据通道各模块设计
• 4.5.1 非对称异步FIFO的设计
• 4.5.2 DDR2 SDRAM的控制
• 4.5.3 同步FIFO设计
• 4.5.4 并转串设计
• 4.5.5 时钟模块
• 4.6 数据通道的控制
• 4.6.1 有限状态机
• 4.6.2 系统状态机的设计
• 4.6.3 各状态时间计算
• 4.7 本章小结
• 第五章 成像匹配
• 5.1 系统成像特点
• 5.2 成像屏位置检测
• 5.2.1 二维切片刷新方式
• 5.2.2 纵深方向体素不均匀
• 5.2.3 编码器选择
• 5.3 编码器信号处理
• 5.4 图像刷新信号产生
• 5.5 本章小结
• 第六章 样机制作及实验分析
• 6.1 样机制作
• 6.2 实验结果及分析
• 6.2.1 三维图像显示实验
• 6.2.2 结果分析
• 第七章 总结及下一步工作建议
• 7.1 总结
• 7.2 下一步工作建议
• 参考文献
• 附录A 攻读硕士期间发表的论文
• 附录B 变位齿轮图纸（部分）