向世界再现一个真实的三维空间

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  刘锦高,现任华东师范大学信息科学技术学院教授,历任华东师范大学通信与信息系统专业教授、博士生导师、电子科学技术系主任,信息科学技术学院学位委员会主任、信息学院副院长。享受上海市科技专家特殊津贴。 1948年2月出生,长期从事雷达遥感、光纤通信、光电信息显示和DSP研究,带领团队成功研发“三维体扫描大型成像显示器”,并在世界上首次公开展示体扫描三维显示系统,申请相关的国家发明专利和计算机软件著作权多项,拥有自主知识产权。
  3D技术发展至今,对于普通大众已经不再陌生。3D电影给人身临其境的视觉效果让人啧啧称奇,早有业内人士预言,3D将成为高清之后的又一个大事件走近寻常百姓人家,走近日常生活应用。3D是三维成像技术的简称,即用技术手段实现对物体的长度、宽度、深度(厚度)的直观再现,由于较之二维平面图更具精确性、真实性、直观性和多维可操作性,目前已广泛应用于科学、医学、教育、军事、工业、商业、娱乐等诸多领域。当前3D技术研发热点有二:一是实现裸眼3D,即不需借助3D眼镜就能看到3D影像;二是3D技术实用化。华东师范大学信息科学技术学院刘锦高教授带领团队在三维立体显示方面作出的突破和发明,正在以体扫描的方式使得这两个3D技术追求的目标逐渐趋于可行。
  “体扫描三维”显示系统,真正的三维显示 2010年世博会期间,华东师范大学刘锦高课题组研发的“三维体扫描大型成像显示器”正式亮相,在世博会重大活动中得到使用。在一个高2.8米、直径1.3米的圆柱体空间内,世博会徽标、招手的海宝、迎客的茶壶
  一件件上海世博会标志物栩栩如生地展现在人们眼前。没有观看角度的限制、无须佩戴特制眼镜,人们被这种360度全景观看的新3D体验所吸引,通过这一精准同步的光、机、电一体化高科技产品首次感受到真实的三维立体效果。 真正的三维效果,是将物体的三维量度直观地加以再现。由于条件限制,目前多数三维显示系统的立体效果在深度展示上有所欠缺,只能看到图像浮现出显示平面,而缺乏第三维的直觉、不能全方位地观看。然而,基于体扫描的这套三维显示系统很好地解决了这个问题,其电子系统的核心部件由系列的32位CPU组成,它们的运算能力远胜一般的多核计算机。它们将立体对象提取出不同的切面、切片进行显示,利用扫描在三维空间的体像素构成立体原型,展示一个最接近真实物体的三维画面。这套拥有水平与垂直视角的全角光场立体显示器,满足了水平视差与垂直视差的观看要求,弥补了以往3D技术对深度展现的不足,再现人们观察世界的真实感受,并获得高亮的显示效果,从而带给人们质感的3D影像。同时,它的显示方式突破了以往裸视三维立体显示技术依赖光栅视差、需要借助二维平面来展现三维影像的瓶颈,通过对物体进行旋转扫描,将图像置于一个真实的立体空间,实现了真正意义上的三维立体显示。 这一研发成果在2010上海世博会期间的首度公开亮相标志着一种全新的大型立体显示方式的诞生,在世界上属首次公开展示。
  一朝成功来自数十年的积累 课题组初次研制大型体扫描显示器仅仅用了不到一年的时间,但成果的积累却是基于数十年在信息科学技术领域的耕耘。 1982年在华东师范大学无线电物理专业毕业后,刘锦高多年从事通信信息和电子技术的教学科研工作。1990年赴墨尔本Latrobe大学电子工程系作访问学者,1996年任华东师范大学电子科学技术系主任、2004年任信息学院科研副院长。兼任中国电子学会微波遥感专业委员会副主任;上海市电子学会理事、雷达通信专业委员会主任;上海市通信学会理事、教育专业委员会副主任;全国大学生电子设计竞赛上海赛区专家组专家等。近十年来共主持包括国家863项目、上海市重点科技攻关项目十余项,如国家863计划818—01—02海洋遥感项目“高频地波雷达探测海洋表面参数及其成像系统”以及上海市科委重大、重点项目:“空间信息移动用户服务系统关键技术的研究”、“无人小飞机——微带天线中继电子成像系统研究”、“Dual Band Mobile Phone Antenna”、“用FPGA设计PDP数字电视驱动集成电路IP 核”、“基于单片DMD的立体显示系统”、“三维体扫描大型成像显示系统研制”等多项课题研究。发表科技论文150余篇。先后获得教育部曾宪梓教师奖、教育部科技进步一等奖、上海市育才奖等诸多奖励。 作为导师,刘锦高教授已培养毕业外国留学博士生2名、理学、工学博士生15名,培养工学硕士生60余名,组织指导学生获全国大学生电子设计竞赛一等奖3次、获全国嵌入式系统(ARM)竞赛一等奖2次、获上海市嵌入式系统竞赛一等奖2次。 2009年刘锦高课题组研发出世界上第一套背投立体电视显示系统,无须佩戴分光眼镜即可自由观看电视三维影像。 题为“基于二维LED旋转屏的并行输出真三维显示方法”的发明(申请专利号:200910053534.X)则是通过获取物体的截面图像,在计算机中依据旋转屏上LED的像素分布重构出对应于显示物体的点云,使用ARM和FPGA作为控制单元的核心,将获得的点云信息通过高速SPI广播分发到各个显示模块,各显示模块在合适的位置同时显示该时刻的图像,随着屏幕的旋转,伴着显示图像的切换,该LED屏便能在三维空间扫描形成立体影像,该方法的优点是以并行数据点亮旋转屏上的LED,提高它们的显示速率,使动态影像的播放需求得到满足。
  三维体扫描技术的广阔发展前景及应用 《中共中央关于深化文化体制改革推动社会主义文化大发展大繁荣若干重大问题的决定》提到文化创新要充分认识到科技进步对文化发展的重要作用,敏锐把握世界文化发展的新趋势,紧紧抓住信息化深入发展的历史机遇,加快文化与科技的融合,努力掌握文化发展和文化传播的主动权。就影视文化产业来看,3D影像无疑将是未来世界影视动漫产业的发展主流。 此外,真实清晰的3D成像技术还可在军事训练、医疗诊断、科学数据可视化、工业产品设计、景观建筑、视频游戏、虚拟现实、多媒体教学等方面具有广阔的应用前景。 在最近的实验中,课题组已经创造性地实现了将CT、核磁共振获取的人体或器官断层扫描数据通过三维体扫描显示器来再现真三维影像,将对医学读片和诊疗产生重大影响。 若运用于航空航天领域,则更趋立体真实的3D设计图可以在任何部件的设计改进之后,即刻显示其整体效果。至于太空飞行器的对接互联,也可通过三维系统进行仿真模拟。 继三维体扫描大型成像显示系统之后,课题组最近又研发了一种轻便型三维体扫描成像显示器,便于移动使用,上海和江苏、浙江的一些企业已着手联系与他们进行成果转化洽谈。随着成本的进一步压缩、批量生产的推进和技术路线的成熟,这套系统的应用领域将会迅速扩展。今后,刘锦高教授将带领他的课题组将从人机互动、视频播放及高分辨率核心器件研制等方面进一步展开深入研究,不断完善和发展系统。
  希望更多有识之士能够与刘锦高教授一起,在政府和社会力量的支持下,共同推动三维立体成像技术的科学成果实现产业化,使得这一占有世界领先优势的技术成果在中国得到广泛快速的发展,向世界再现一个生动真实的三维空间。有3D,视界更精彩。
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