CN101013201A - 一种自由立体显示技术 - Google Patents

Abstract

一种自由立体显示技术，通过将确定参数的光栅或柱镜板按照一特定的角度倾斜放置，并将由M个具有连续视差关系的图对通过M个特殊设计制作的图筛滤波处理后合成图像，将这种合成图像放置在柱镜板或光栅下就可显示出理想的自由立体图像效果，该技术既可以显示静止自由立体态图像也可以显示动态自由立体图像。

Description

一种自由立体显示技术

立体图像的显示技术有多种，但粗分起来可以概括为两种，其一是需要佩戴特殊眼镜观看的立体图像显示技术，其二是无需佩戴特殊的眼镜就可以观看的立体图像显示技术，后者由于不用佩戴眼镜，使得观看立体图像变得更加自由，因此也称为自由立体显示技术。

自由立体显示技术有多种，如用光栅方法显示自由立体图像的技术，用柱镜板显示自由立体图像的技术，用全息光学法显示自由立体图像，用变焦镜法显示自由立体图像的技术等等。本发明涉所提及的自由立体显示技术只同光栅法和柱镜板法显示自由立体图像的技术有关，因此其它的自由立体显示技术则不在本文中叙述。

用光栅方法显示自由立体图像的技术存在着图像亮度损失大的弱点，几乎无法在自然光下应用，必须用背光光源。用柱镜板法显示立体图像，亮度大，可以在自然光线下应用。无论是采用光栅法还是柱镜板法显示自由立体图像，都存在着图像的物理参数必须和光栅或柱镜板的光学参数严格一致的要求，在图像输出设备的参数和光栅或柱镜板的光学参数不一致，或存在误差的情况下，几乎无法制作出高质量的自由立体图像。

本发明提出一种自由立体显示技术，可以使得制作自由立体图像在任何参数的柱镜板和任何参数的图像输出设备之间都可以获得最佳匹配，从而制作出最佳质量的自由立体图像。将这种技术用于光栅自由立体显示技术，也可以获得同样的效果。

下面结合附图，对本发明作进一步说明。

图1是传统的利用光栅法显示自由立体图像的示意图。其中9是左眼图，10是右眼图，它们可以是通过立体照相机拍照，或者通过立体摄影机拍摄，也可以是通过计算机绘图软件绘制，这些图的高度方向也可以称为垂直方向，这些图的宽度方向也可以称为水平方向。将左眼的图像在垂直方向分割成细条，如图9中1所示。将右眼的图像也在垂直方向分割成细条，如图10中的2所示。其中3是由上述的左眼图像中的细条1和右眼图像的细条2交叉构成的自由立体图像，它可以是一副由打印机打印出来的图像，也可是由一台液晶显示器显示出来的图像，它们可是静止图像，也可以是动态图像，这里所提到的液晶显示器也代表其它平板数字显示装置，如等离子平板显示器。在3中，细条1表示左眼的图像，细条2表示右眼的图像，在图1中，为了方便辨认，用粗一些线条1表示左眼图像，用细一些的线条2表示右眼图像。4是光栅，它由栅孔5和遮挡物4构成，栅孔5是条状的，而遮挡物4也是条状的，它们之间都是相互平行的，栅孔也可以被称为透明狭缝。光栅呈平板状，因此也可以被称作光栅板，光栅板同图3是相互平行放置的，光栅板同图3之间有一个距离，它由6表示。7是观察者的左眼，8是观察者的右眼，可以看出，由于光栅的阻挡作用，左眼只能看到表示左眼图像的1，而右眼只能看到表示右眼的图像2，最终合成了立体图像。这就是利用光栅法观看自由立体图像的基本原理。为了便于描述，在图中只描绘了表示左眼图像和右眼图像的两副图像，也叫由两个具有一定视差关系的图对制作的自由立体图像。在实际应用中，为了能够更好的显示自由立体图像，增大观看的角度和立体效果，通常会将左眼图像和右眼图像做成一个序列，或者说由多个具有连续视差关系的图对制作成自由立体图像，这个数目受到打印机打印分辨率、液晶显示器的显示分辨率和光栅或柱镜板分辨率的限制，一般情况下，可以由3个具有连续视差关系的图对，5个具有连续视差关系的图对，甚至M个具有连续视差关系的图对构成自由立体图像。

图2是利用柱镜板实现自由立体显示技术的示意图。可以看出，其左眼图9和右眼图10以及起合成的自由立体图3图1中所叙述的一致，只是将光栅板3换成了柱镜板12。柱镜板的每一个柱镜的光学中心可以理解为光栅栅孔的几何中心，它的成像原理同光栅法也是基本接近的，所不同的是，由于柱镜的作用，图像3上每一个像点发射的光线，会由于柱镜的折射作用，更多地贡献给观察者，这就是柱镜法之所以能够提供更明亮的自由立体图像的基本原理。柱镜板12沿着柱面的方向和图像的高度方向或垂直方向是平行的，柱镜板12同图像3的平面也是平行的。柱镜板12和图像3之间的距离13，应该恰等于柱镜的焦距。左眼7通过柱镜12只能看到左眼图像1，而右眼8通过柱镜12只能看到右眼图像2。最终在大脑中合成立体图像。同样，图2中只是描述了由2个具有视差的图对构成的自由立体图像，在实际应用中，该具有连续视差关系的图对可以由M个图像构成，并最终形成由M个图对构成的自由立体图像。

图3对光栅立体成像和柱镜立体成像是如何改善图像亮度原理的作了详细的说明。14是图像面，20为右眼的像点，21为左眼的像点。无论这些像点是自主发光还是反射光，我们都可以把它们理解为发光点，这些发光点发出的光线是射向四面八方的。如果在图像14的前面放置光栅15，则除了光孔可以使光线16和18通过之外，20和21发出的其它光线19，则由于被光栅遮挡，而无法投射出来，也就无法被观察者接收到。如果在图像21的前面放置柱镜22，则由20和21发出的光线经过柱镜22可以平行光的方式向外发射，使得观差者能够接收到更多的光线。这就是为什么利用柱镜板形成自由立体图像较之光栅法形成自由立体图像会更明亮的道理。这些经过柱镜投射出的平行光线束是非常狭窄的，它们经过人眼的晶状体后又会聚为视网膜上的点。

图4说明了图1和图2这两种传统方法中存在的问题。无论是用打印机制作自由立体图或是用液晶显示器显示自由立体图，打印机的打印精度和打印尺寸、显示器的显示精度及显示尺寸都是标准化的和相对固定的，如EPSON STYLUS PHOTO EX3打印机，它能够打印的尺寸是A3纸，而打印分辨率为300 DPI或720 DPI，你不能用它精确打印350DPI或730DPI的自由立体图，同样VIEW SONIC VP201B液晶显示器能够显示1600×1200分辨率的图像，尺寸为408mm×306mm，你无法用这样的显示器精确显示尺寸为408mm×306mm，而分辨率为1280×1024的自由立体图。这些设备的产生，最初并不是为打印或显示自由立体图像设计的。例如，25表示右眼图像，26表示左眼图像，36表示每条图像的宽度，显然这些宽度只能是打印机打印像素的整倍数，或液晶显示器显示像素的整倍数，将这个整倍数用N表示，例如像素的宽度为0.255mm，36中希望放进N＝3个像素，则36的宽度为0.255mm×3＝0.765mm，你不可能在36中放入2.8个像素或3.2个像素，否则打印或显示出来的图像会出现无法正确显示自由立体图像的误差，也就无法看到好的自由立体图像效果。由于我们不能不利用已有的打印机生成自由立体图像，也不得不利用已有的液晶显示器显示自由立体图象，为了显示好的自由立体图像而重新设计一台专用打印机或专用液晶显示器是不现实的，这样一来为了生成理想的自由立体图像效果，就只能调整光栅34的参数和柱镜板31的参数来满足图像参数了。但是光栅参数和柱镜参数并不是那么容易调整的，如调整光栅的透明狭缝和栅距或调整柱镜板的柱镜间距37和焦距。我们知道制作特定参数的精密光栅是成本很高的工作，同样，制作特定参数的柱镜板也是成本高昂的工作。如同打印机和显示器一样，光栅和柱镜板也已经标准化了，例如PACUR生产的75LPI柱镜板，其柱镜间距为0.0133英寸，厚度为0.018英寸，这些参数是标准化的切是无法改变的。由于这些标准化的光栅和柱镜板并不是专门为某些打印机和液晶显示器设计的，因此他们之间在绝大多数情况下不存在理想的配合，这就为利用现有的打印机和液晶显示器配和现有的光栅和柱镜板显示自由立体图像增添了巨大的困难。

图5说明了本发明的基本原理，利用将光栅或柱镜板倾斜放置的方法使得已有的光栅和柱镜板可以任意同已有的打印机和液晶显示器实现理想配合，从而显示理想的自由立体图像。先以柱镜板为例说明本发明的工作原理。30是自由立体图，为叙述简便，30是只以左眼图和右眼图构成的自由立体图像。36是打印机打印出的一个物理像素的宽度或N个物理像素的宽度，也可以是液晶显示器一个像素的物理宽度或N像素的宽度，它们都以毫米为单位。31是一个固定参数的柱镜板，它的焦距是38，它的柱镜间距是37，单位也为毫米，要求柱镜的间距37小于36。自由立体图像的高度和柱镜板31的高度是相平行的，也可以说沿着柱镜板31的柱面方向是同图30的垂直方向相平行的。将柱镜板31逆时针旋转一个角度40，或者说沿着柱镜板31的柱面方向逆时针旋转和图30的高度方向或垂直方向形成夹角40，这样一来总能找到一个合适的角度40，使得旋转后的柱镜板11在水平方向上的柱镜间距39和36相等。根据三角函数的定义，可以得到：角度40＝COS^-1(37/36N)。

举例来说，如果37＝0.66mm，36＝0.255mm，N＝3，那么柱镜板需要逆时针旋转的角度40＝COS^-1(0.66mm/0.765mm)＝30.34°这样使用柱镜板可以使得在水平方向上柱镜间距恰好可以同像素或整数倍的像素的物理宽度相等。需要进一步说明的是，柱镜板逆时针旋转的角度40，是以同图30的高度线或垂直线41相平行的线42为基准的。为了区别倾斜前和倾斜后的柱镜板31和11，我们特别将倾斜后的柱镜板称为倾斜柱镜板。

如果采用倾斜光栅的方法实现上述的自由立体图像，只需要将柱镜板31换成倾斜的光栅17就可以了，同样将光栅17逆时针旋转角度40得到倾斜光栅29，将29放在30上，就可以得到自由立体图像效果。注意光栅的透明狭缝35，它的宽度应该小于1/N，N是36中的物理像素数。

图6a和图6b是说明针对图5中倾斜了的柱镜板，如何制作相匹配的自由立体图。显然，由于柱镜板倾斜了，因此反应自由立体图像的像素排列也应该随之倾斜。具体方法是首先选择要制作自由立体图的具有一定视差关系的图对，为方便叙述起见，以1个左眼图45和1个右眼图46构成的图对为例，在M个图对的情况下，分析的方法相同。确定左眼图45和右眼图46有同样的高度48和同样的宽度47。49是显示屏幕，可以是最终合成的打印在打印纸上的自由立体图，也可以是最终显示在液晶显示屏幕上的立体图。无论用那种显示方式，显示的尺寸都必须严格地同45和46的尺寸一致。假设49的显示分辨率为每个像素0.50mm宽，而柱镜板50的柱镜间距为0.90mm，这样为了能够在每个柱镜间距内都可以放入2个像素的左眼和右眼图，需要将柱镜板逆时针旋转，旋转的角度为40＝COS^-1(0.90mm/1.00mm)＝25.84°。50表示了旋转后形成的柱镜板，其高度和宽度仍需要同48和47一样。52和53是制作这种自由立体图的左眼图的图筛和右眼的图图筛，图筛就是一种图像滤波器，它由不透光的黑条纹和透光的透明条纹构成，将这种图筛作用与图上，则只允许图通过图筛中透明的条纹。该图筛的高度和宽度严格地与柱镜板50的高度48和宽度47一致，图筛中条纹的倾斜角度严格地与柱镜板中的倾斜角一致。51中的黑条纹的宽度恰是柱镜板50中的一个柱镜的宽度的1/2，而透明条纹的宽度和黑条纹的宽度相等。图筛52是对图筛51取反，即51中黑条纹在52中变成透明条纹，而51中的透明条纹在52中的变成黑条纹，但其相对位置和尺寸都不变。用51去对右眼图46进行筛图处理，黑条纹处不允许图像通过，透明条纹处允许图像通过，因此得到被筛出的左眼图53，同样可以得到被筛出的右眼图54。将这两副图的有图像的部分合成就形成自由立体图55，注意其高度和宽度都要严格保持等于48和47。将柱镜板50放在自由立体图55的上面，就可以看栩栩如生的自由立体图像了。无论你有怎样参数的柱镜板，也无论你的打印机的打印参数如何，也无论你的液晶显示器的显示参数如何，利用本发明提供的方法，你都可以做出理想的自由立体图，获得理想的自由立体图像。

有时制作自由立体图，为了获得理想的观看角度和立体效果，采用不止2个图的图对，构成图对的图的数目可以用M表示，M受到打印机打印分辨率、液晶显示器的显示分辨率和光栅或柱镜板分辨率的限制。如果当M变化时，图筛的透明条纹的宽度也要随之变化，一般情况下，图筛透明条纹沿着图像水平方向上的宽度为1/M，而且M个图筛的这些透明条纹都必须是顺序间置的。即第一个图筛的透明条纹在最左边，而第M个图筛的透明条纹在最右边，依此逐次排列。

图7说明了利用本发明并采用光栅法是如何制作自由立体图像的。图7和图6唯一不同点在于将柱镜板50换成了光栅56。注意光栅的间距同柱镜的间距是相同的。其中黑色表明光栅的遮挡部分，而白色表明光栅的透明部分。将做好的自由立体图55放在光栅56下就可以看到自由立体图像了。当然，光栅法由于大部分的光线被遮挡，图像中的光线只能透过狭缝射出，因此光的利用效率很低。

需要特别说明的是，光栅56可以利用玻璃或高透过率的塑料材料来制作，同时也可以用液晶显示器来实现的。如果将一般的液晶显示器的背光光源去掉，则液晶显示器就可以用作一种电信号驱动的光栅。这种光栅很容易通过计算机编程的方法实现，也很容易通过计算机作图的方法实现，如用PHOTOSHOP绘图软件，就很容易将56显现在液晶显示器上，黑色的部分阻止55的光线透过，而白色的部分则是透明的，允许55的光线透过，实现了光栅的基本功能。采用摘掉了背光的液晶显示器作为光栅的另一个优点，就是可以实现平面显示和自由立体显示相兼容，当需要显示自由立体图像时，就将液晶显示器接上驱动信号，使之变成光栅，而显示平面信号时，就将液晶显示器的驱动信号关闭，使之全透明，呈现为一块透明玻璃，这样一来平面图像就会无遮拦的透过液晶显示器透射出来。当采用液晶显示器显示自由立体图像的时，采用上述的液晶显示器作为光栅尤其显现出其独特的优点，因为当这两个液晶显示器的参数完全一致时，可以使得光栅的光学参数达和图像的参数之间的实现理想的配合。也可以用大尺寸的液晶光开关作为这种光栅，这种液晶光开关的尺寸同56是相同的，由双玻璃液晶盒、偏光片、充填物、高速液晶、导电涂层和导电电极构成，在56有黑条纹的地方涂布导电涂层，让这些导电涂层相连接并通向两个导电电极，当导电电极接通驱动电源时，黑色条纹出现，当导电电极没有和驱动电源接通时，黑色条纹消失，液晶盒变成透明的。利用这种方法同样可以实现平面和自由立体显示像兼容，成本则较利用液晶显示器低的多。液晶显示器和液晶光开关都是成熟的已经技术，本文不做更详细的描述。

制作自由立体图的图筛53和54也是很容易通过计算机软件来实现的，这样作图的效率就会更高。将这种图筛通过计算机硬件去实现，就可以实现动态自由立体图像的实时记录和显示，达到实时拍摄、传输和显示自由立体图像的目的。

当然，根据本发明实际制作自由立体图像的过程较上述的描述要复杂一些，主要的原因是涉及到柱镜板或光栅的实际尺寸同打印机和液晶体显示器各项光学参的匹配计算。为了让大家更清楚地了解本发明是如何实际工作的，下面通过一个采用液晶显示器显示自由立体图像实施例进一步详细说明本发明的原理，图8是对该实施例的说明。

采用ViewSonic VP201b液晶显示器，其分辨率为水平1600像素，垂直1200像素，屏幕可视宽度为408mm，高度为306mm。像素间距为0.255mm。柱镜板宽为408mm，高为306mm，柱镜间距为0.671mm，为尽可能增大自由立体图像的分辨，采用由M＝3的具有连续视差关系的图对构成自由立体图像，因此要在一个水平的柱镜间距中放3个像素，要求柱镜的水平间距为0.255mm×3＝0.765mm，这个水平间距就是倾斜柱镜板沿着图的宽度方向上的间距，显然0.765mm大于柱镜板未倾斜前的原有间距0.671mm，因此可以通过将柱镜板逆时针倾斜的方法增大其间距，倾斜角为40＝COS^-1(37/39)＝COS^-1(0.671mm/0.765mm)＝28.7°。

因为通过倾斜柱镜板，可以在一个柱镜间距内放入3个像素，因此采用由3个具有连续视差变化的立体图序列来制作自由立体图像。57，58，59是3张具有连续视差的立体图对，其中57是左眼图，58是右眼图，当视角变化时，58变成左眼图，59变成右眼图。57，58和59的尺寸都和液晶体显示器的尺寸完全一致，宽度60为408mm，高度70为306mm。图像的水平分辨率为1600像素，垂直分辨率为1200像素。71表示ViewSonic VP201b液晶体屏幕，72表示逆时针旋转了28.7°的柱镜板，它的宽度和高度也和液晶体显示器的宽度和高度完全一致。73，74，75是3个图筛，其中的黑条纹不允许图像通过，而白色所表示的透明条纹允许图像通过，三个图筛的黑条纹宽度和透明条纹宽度都是一样的，但位置不同，图筛73的透明条纹在最左边，而图筛75的透明条纹在最右边，图筛74的透明条纹居中。每一个透明条纹的宽度在图的水平方向上等于一个像素的宽度，为0.255mm。黑条纹的宽度等于两个像素的宽度，为0.51mm。75，76和77是将图57，58和59通过上述的图筛滤波之后的图像，它们的宽度和高度仍然要保持同液晶显示屏的尺寸一致，而且分辨率也不能改变。78是将57，58和59中图像部分合成之后的最终自由立体图像。注意78的宽度和高度仍要保持为60和70。

图9说明如何利用本发明和光栅制作自由立体图像的实施例。当不采用柱镜板而采用光栅时，则除了将柱镜板72该为光栅79之外，其它都无须变动，光栅79可以用玻璃制作，也可以用有一定强度的塑料材料制作，也可以利用另一个ViewSonic VP201b液晶显示屏去掉其背光光源后用作光栅79。当然光栅79也可以用同ViewSonicVP201b的显示尺寸一样的液晶光开关来制作。关栅的栅距同柱镜的间距一致，但透明条纹的宽度小于柱镜水平间距的1/3。

需要说明的是，实际应用的柱镜板和光栅其分辨率都是很高的，如果在图8a、图8b和图9中真实地描述出来，几乎什么细节也看不出来了，因为它们的分辨率一般情况下都要高于眼的分辨率。为了能够较为清楚地阐述原理，图8a、图8b和图9都有意地将光栅和柱镜板的间距画大了许多。自由立体的合成图像78也是如此，而实际的自由立体图像的清晰度要较图8a、图8b高出许多。

附图图面说明如下：

图1.为“光栅自由立体显示技术”图

图2.为“柱镜板自由立体显示技术”图

图3.为“光栅法和柱镜法对输出光线的影响”图

图4.为“光栅和柱镜法自由立体成像存在的问题”图

图5.为“本发明的基本原理”图

图6a.为“如何利用本发明制作自由立体图”图

图6b.为“如何利用本发明制作自由立体图”图

图7.为“如何利用本发明和光栅制作自由立体”图

图8a、图8b.为“利用本发明和柱镜板制作自由立体图像的实施例”图

图9.为“利用本发明和光栅制作自由立体图像的实施例”图

Claims (8)

1.本发明涉及一种自由立体显示技术，该技术的主要特征是，通过确定分辨率的打印机或液晶显示器打印出或显示出自由立体图像，该自由立体图像可以是由两个具有不同视差的图对构成，也可以是由M个具有连续视差的图对构成，这些图对中的每一副图都要经过不同的图筛的处理，将全部处理完毕的图像合成在一起，形成最终可以被打印机打印或可以被液晶显示器显示的自由立体图，这些图可以是静止图也可以是动态图，图的上面有一块宽度和高度同图的宽度和高度完全一致的柱镜板或光栅，该柱镜板或光栅沿着圆柱的方向或沿着光栅狭缝方向与图像的高度方向有一个夹角，该夹角的角度同柱镜板或光栅的间距及打印机打印的图像或液晶显示器显示的图像的分辨率有关，沿着图像的宽度方向，每一个柱镜的间距内或每一个光栅的间距内都可以恰好放进打印机打印的图像或液晶显示器显示的图像的像素的整数倍，设光栅或柱镜的间距为37，图像中每个像素的宽度为36，为了得到一定的自由立体图分辨率，在每一个柱镜或光栅间距37中要放入的像素数为N，则这个夹角为COS^-1(37/36N)。

2.权利要求1中所提到的图筛，其特征是由黑色不透明条纹和透明条纹构成，这些条纹都是平行的，沿着这些条纹的方向和图像高度的方向有一个夹角，该夹角同权利要求1中所述夹角COS^-1(37/36N)完全相同，透明条纹沿图像宽度方向的宽度恰等于一个像素的宽度，或等于一个像素的整倍数的宽度，每一个图筛唯一的对应与每一副图，图筛数和图数相等，每个图筛中的透明条纹都相间放置，将全部图筛重叠放置在一起，图筛变成全透明，当将图筛作为图像滤波器使用并作用与图时，图筛中的不透明条纹阻止图像通过，而透明条纹允许图像通过，将所有图都经过对应的图筛滤波，并将获得的全部图合成为最终的自由立体图像。

3.权利要求1中提到的光栅，其特征是该光栅可以由一个去掉了背光光源的液晶显示器通过显示光栅图像的方法实现，当该液晶显示器被驱动时，它显示的光栅图像中的黑条纹阻止另一个液晶显示器显示的自由立体图像通过，而透明条纹则允许另一个液晶显示器显示的自由立体图像通过，最终形成自由立体图像。而当该液晶显示器全部显示透明条纹时，可以允许另一个液晶显示器显示的平面图像透过，实现了平面图像显示和自由立体图像显示相兼容。

4.权利要求1中提到的光栅，其特征是该光栅可以由一个液晶光开关实现，这种液晶光开关的尺寸同显示自由立体图像的液晶显示器的显示尺寸相同，由双玻璃液晶盒、偏光片、充填物、高速液晶、导电涂层和导电电极构成，在光栅有黑条纹的地方涂布导电涂层，让这些导电涂层相连接并通向两个导电电极，当导电电极接通驱动电源时，有导电涂层的地方黑色条纹出现，阻止另一个液晶显示器显示的自由立体图像通过，没有导电涂层的地方是透明的，允许另一个液晶显示器显示的自由立体图像通过，最终形成自由立体图像，而当该液晶光开关关断电源时，全部变成透明的，可以允许另一个液晶显示器显示的平面图像透过，实现了平面图像显示和自由立体图像显示相兼容。

5.权利要求1中提到的光栅，其特征是该光栅是利用透明玻璃或透明塑料材料制作的。

6.权利要求1中提到的在图的上面放置一块宽度和高度同图的宽度和高度完全一致的柱镜板，特指该柱镜板的焦平面必须同图的平面重合。

7.权利要求1中提到的图的上面有一块宽度和高度同图的宽度和高度完全一致光栅，特指该光栅的透明狭缝的宽度同图对的数目之间存在如下的关系，如果图对的数目是M，则透明狭缝的宽度应该小于1/M。

8.权利要求1中提到的液晶显示器也包括其它平板数字显示设备，如等离子平板显示器。

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