CN103969838A - 三维立体成像方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种三维立体成像方法及装置，其中装置包括：显示源，用于显示多个二维图像，多个二维图像相关联；三维影像生成装置，用于对多个二维图像进行处理，以生成多个三维影像；包括多个半透半反镜片的半透半反光学器件，多个半透半反镜片与三维影像生成装置所在平面形成预设角度，多个半透半反镜片一一对应地将多个三维影像在空间进行翻转和拼接以在多个视角得到裸眼观察到的三维立体成像，三维立体图像在多个观察视角呈现连续、无缝的整体三维影像。根据本发明实施例的装置，通过将经处理的多个二维图像生成多个三维影像，并对该多个三维影像进行翻转得到360°全视角裸眼观察到连续、无缝的三维立体成像，从而方便用户体验。

Description

三维立体成像方法及装置

技术领域

本发明涉及三维立体技术领域，特别涉及一种三维立体成像方法及装置。

背景技术

现有的平面显示器只能显示二维信息，不能提供视觉深度感知。而通过三维显示，可以直接观察到具有物理景深的三维图像，使得所显示的场景和物体具有深度感。

目前的裸眼三维显示主要有柱镜式、栅栏式和微透镜阵列式。柱镜式、栅栏式可以提供水平视差，目前市场上裸眼3D显示器基本上多属于这两种方式。微透镜阵列式裸眼三维显示，又称立体全像三维显示技术(integral photography，integral imaging，integral videography,IP,II,IV)，简称立体全像技术。

现有的裸眼三维显示无法实现360°全视角观看，只能在预定角度或有限范围内观测到，这使得用户不方便观看，影响观看效果。

发明内容

本发明的目的旨在至少解决裸眼三维显示“跳变”现象和无法360°全视角连续、无缝观看的缺陷，本发明一方面提供一种三维立体成像装置。

本发明的另一方面提出一种三维立体成像方法。

有鉴于此，本发明一方面的实施例提出一种三维立体成像装置，包括：显示源，用于显示经图像算法处理的多个二维图像，所述多个二维图像相关联；三维影像生成装置，所述三维影像生成模块用于利用立体全像技术对所述多个二维图像进行处理，以生成多个三维影像；以及半透半反光学器件，所述半透半反光学器件包括多个半透半反镜片，所述多个半透半反镜片与所述三维影像生成装置所在平面形成预设角度，所述多个半透半反镜片一一对应地将所述多个三维影像在空间进行翻转和拼接以在多个视角得到裸眼观察到的三维立体成像，所述三维立体图像在多个观察视角为观察者呈现连续、无缝的整体三维影像。

根据本发明实施例的装置，通过将经处理的多个二维图像生成多个三维影像，并对该多个三维影像进行翻转得到360°全视角裸眼观察到连续、无缝的三维立体成像，从而方便用户体验。

在本发明的一个实施例中，还包括：图像增强装置，所述图像增强装置安装于所述三维影像生成装置的上方，用于消除所述多个三维影像的摩尔纹或对所述多个三维影像进行光学滤波。

在本发明的一个实施例中，所述预设角度为45°。

在本发明的一个实施例中，所述半透半反光学器件分别对所述多个三维影像的至少一部分多个三维影像进行拼接或融合以在360°全视角得到连续、无缝裸眼观察到的三维立体成像。半透半反镜片的反射与折射比例不固定为各占50％。

在本发明的一个实施例中，所述多个半透半反镜片进行有规律地拼接以构成多面体的半透半反光学器件。多面体侧面的个数不限定，当个数趋于无穷多时，可构成圆锥面。

本发明另一方面的实施例提出了一种三维立体成像方法，包括以下步骤：显示步骤，显示经图像算法处理的多个二维图像，所述多个二维图像相关联；生成步骤，通过立体全像技术对所述多个二维图像进行处理，以生成多个三维影像；以及三维立体成像步骤，根据与平面以预设角度布置的多个半透半反镜片将所述多个三维影像在空间进行翻转以在多个角度得到连续、无缝裸眼观察到的三维立体成像。其中，半透半反镜片的个数与三维图像的个数相等，具体数量不限定。

根据本发明实施例的方法，通过将经处理的多个二维图像生成多个三维影像，并对该多个三维影像进行翻转得到360°全视角裸眼观察到连续、无缝的三维立体成像，从而方便用户体验。

在本发明的一个实施例中，还包括：消除所述多个三维影像的摩尔纹或对所述多个三维影像进行光学滤波。

在本发明的一个实施例中，所述预设角度为45°。

在本发明的一个实施例中，在所述三维立体成像步骤中，分别对所述多个三维影像的至少一部分多个三维影像进行拼接或融合以在360°全视角得到连续、无缝的三维立体成像。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中，

图1为根据本发明一个实施例的三维立体成像装置的结构框图；

图2为根据本发明一个实施例的三维立体成像装置的结构示意图；

图3为根据本发明一个实施例的设备连接示意图；

图4为根据本发明一个实施例的三维立体成像的原理图；

图5为根据本发明一个实施例的半透半反光学器件对三维影像进行翻转的原理示意图；

图6为根据本发明一个实施例的八面锥体的视角分析示意图

图7为根据本发明一个实施例的半透半反光学器件的结构图；

图8为根据本发明一个实施例渲染生成用于拼接融合的二维图像；

图9为根据本发明的三维立体影像的排布示意图；

图10为根据本发明另一个实施例的半透半反光学器件的结构图；

图11为根据本发明另一个实施例的半透半反光学器件对应的三维立体影像的排布示意图；以及

图12为根据本发明一个实施例的三维立体成像方法的流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1为根据本发明一个实施例的三维立体成像装置的结构框图。如图1所示，根据本发明实施例的三维立体成像装置包括：显示源100、三维影像生成装置200和半透半反光学器件300。

具体地，显示源100用于显示经图像算法处理的多个二维图像，多个二维图像相关联。该二维图像可通过多相机拍摄、光线追踪或其他图形学方法获取，比如光线追踪算法、多视点计算机图形算法等。也可以采用shade，3DMAX等三维建模软件虚拟拍摄。图中各个图像需要满足的如下关系：(1)各个图像围绕中心圆周排列；(2)每个图像均围绕显示场景中心轴旋转。旋转和排列的角度等于360/N，其中N是半透半反器件中半透半反镜片的个数。例如，当N＝8时，该角度即为45°。各个子图之间45°旋转位置关系。三维影像生成装置200用于利用立体全像技术对多个二维图像进行光学转换，以生成多个三维影像。半透半反光学器件300包括多个半透半反镜片，多个半透半反镜片以三维影像生成装置200所在平面形成预设角度，多个半透半反镜片一一对应地将多个三维影像在空间进行翻转和拼接以在多个视角得到裸眼观察到的三维立体成像，三维立体图像在多个观察视角为观察者呈现连续、无缝整体三维影像。

在本发明的一个实施例中，半透半反光学器件300的每个半透半反光学镜片与三维影像生成装置200所形成的预设角度为45°，半透半反光学器件300通过对多个三维影像的全部或一部分多个三维影像进行拼接或融合以在360°全视角得到连续、无缝三维立体成像。通过将多个半透半反镜片进行拼接以构成多面体或圆锥体的半透半反光学器件300，镜面和每个半透半反镜片的水平面夹角为45°，且各个半透半反镜片均匀排列。该三维影像生成装置可以为但不限于微透镜、柱透镜、光栅或全息装置，并利用相应的算法即可形成裸眼可得到连续、无缝的裸眼可观察的三维影像。

图2为根据本发明另一个实施例的三维立体成像装置的结构示意图。图3为根据本发明一个实施例的设备连接示意图。如图2和图3所示，根据本发明实施例的三维立体成像装置包括：显示源100、三维影像生成装置200、半透半反光学器件300和图像增强装置400。

具体而言，显示源100用于显示经图像算法处理的多个二维图像，多个二维图像相关联。三维影像生成装置200用于利用立体全像技术对多个二维图像进行光学变换，以生成多个三维影像。图像增强装置400用于消除多个三维影像的摩尔纹或对多个三维影像进行光学滤波。半透半反光学器件300包括多个半透半反镜片，多个半透半反镜片与三维影像生成装置200所在平面形成预设角度，多个半透半反镜片一一对应地将图像增强装置400光学变换后生成的多个三维影像在空间进行翻转以得到连续、无缝裸眼观察到的三维立体成像。该图像增强装置可以为但不限于散射版或滤波板，通过散射版可以提高三维影像的分辨率，或者通过滤波板可以提高三维影像的清晰度。

在本发明的一个实施例中，显示源100可以为二维显示器显示图像处理算法处理的多个二维图像，该多个二维图像相互关联。其显示效果与二维显示器的像素密度相关，像素密度越高越清晰。三维影像生成装置200可通过采用微透镜阵列全像立体显示，或者全息显示等裸眼三维显示技术生成多个三维影像。半透半反器件300对多个三维影像进行翻转和位置转移以在多个角度得到连续、无缝裸眼观察到的三维立体成像。半透半反光学器件300的多个半透半反镜片根据每个角度的不同需求对多个三维影像中至少一部分多个三维影像进行拼接或融合以在360°全视角得到三维立体成像。该多个半透半反光镜片数量n与三维显示可视角度theta满足如下关系，该关系可表示为theta≥±(360/n)。因此，半透半反光镜片的数量越多可视角度就越小，即可为用户在任意一个角度提供高质量的三维立体成像。

图4为根据本发明一个实施例的三维立体成像的原理图。如图4所示，立体全像技术可以生成全视差的裸眼立体显示。微透镜阵列相当于一组有序排列的相机镜头。多个相机镜头对空间场景进行拍摄，得到一副图像。拍摄的逆过程是显示，将拍摄的图像经过微透镜阵列，可以还原显示出三维场景。观察者一侧的空间三维物体(体数据)上一点发出光线，通过所有的微透镜的中心，在微透镜后方形成像点。高清晰平板显示发出的光线经过微透镜阵列，在空间中其发出点交汇，以形成了空间的一个立体显示点，多个点构成一幅立体显示画面。

图5为根据本发明一个实施例的半透半反光学器件对三维影像进行翻转的原理示意图。如图5所示，镜面对物体进行成像。微透镜阵列上生成的三维影像，该三维影像通过半透半反光学器件会形成对应的像。多个半透半反器件对多个物体进行镜面成像，形成多个像。多个像在空间可以合并形成一个完整的三维物体。根据平面镜成像原理，物体和像关于镜面对称，因此，显示器表面的三维影像经过镜面成像后，三维影像和其像关于镜面对称，从而实现了对三维影像的位置转移，实现立体图像的空间显示功能。

在本发明的一个实施例中，由于使用平板显示器对物体所能显示的视角有限。在视角范围内，图像可保持显示的空间几何形体的准确性，可以看到具有立体视差的三维图像。本设计使用45°镜面将多个影像图像拼接起来，以将多个影像图像融合为一个连续、无缝的三维立体影像以扩张显示范围，即将多个影像的视角合并起来，来扩大视角，从一个面移到另一个面的过程中不会出现跳变现象。

在对影像的翻转过程中使用45°半透半反镜片进行翻转，因此在LCD上距离中心越远，其垂直高度会越高。所以离LCD屏幕越远，则像点离观察者越近。通过平面LCD显示影像，将成像物体的一半位于屏幕里面，另一半位于屏幕外面，因此将成像物体的中间面(一般也是最大截面)放在0深度位置。由此，可使1/2的物体信息通过3D呈现出来。

图6为根据本发明一个实施例的八面锥体的视角分析示意图。如图6所示，假设物体宽度为L1，物体深度为L2时，L1＝L2，且锥体多边形每个边对应的圆心角α，α＝45°。如果锥体多边形的边长为d，观察距离为D时，可在距离中心为D的圆周以外环绕观看。当L1<D时可保证成像物体在镜面上完全显示。相反，如果L1>R则无法做到在如何角度均可以看到成像物体的立体影像。假设L1＝L2＝50mm,D＝600mm,d＝130mm，则影像所需的视角大小

对于八面锥体的半透半反光学器件而言，为了在空间合并形成连续过渡的裸眼三维显示，且在环绕观看时不出现跳跃，因此对360°内半透半反镜片的拼接个数(n)有要求。为了360°全视差显示以从任意方向观看，需要使每个半透半反镜片的角度至少为2theta角度。影像显示的视角为±theta，则要求多面体的面数N即半透半反镜片数量N满足，N≥360°/theta。由此保证在面与面的拼接处，不会出现跳跃。对于八面锥体的半透半反光学器件，相邻两个面显示的影像的夹角为45°。因此要求影像的角度为±45°，而对于16面体，需要±22.5°。所以视角在面与面的拼接处移动时，可以实现360°三维影像进行平滑过渡。综上所述，对于n面体的半透半反光学器件，相邻影像显示夹角为360°/n，影像的可视角度为±360°/n。

图7为根据本发明一个实施例的半透半反光学器件的结构图。如图7所示，半透半反器件300是由多个等腰三角形半透半反镜片以等腰三角形的等边为连接边相连而成。半透半反镜片与底面的夹角为45°，由此可以保证将三维影像进行90°翻转。因此，面数越多，等腰三角形的顶角越小。通过图像算法处理、图像排列以及半透半反光学器件的拼接融合可以得到如图8所示的空间连续的三维显示。如图8所示，对于六边形排列的微透镜阵列的图像，经过MLA透镜光学转换以后，形成裸眼三维图像。本发明的一个实施例中采用立体全像技术渲染生成三维影像，影像距中心的距离等于浮动图像显示的高度。各个影像的夹角为45°。每个相邻影像之间绕其自身旋转轴旋转45°。该示例的图像是根据CT扫描得到的体数据生成的，相邻图像相差360°/n。影像围绕金字塔圆心排列。图像距离中心的距离等于浮动图像显示的高度。各个子图夹角为45°。每个相邻影像之间绕其自身旋转轴旋转45°。

图9为根据本发明的三维立体影像的排布示意图。如图9所示，作为本发明的一个示例采用八个侧面的多面体(锥体)和六边形排列的微透镜阵列，生成对应的八幅三维影像。每个相邻三维影像之间绕其自身旋转轴旋转45°。影像围绕中心排列，每个三维影像的夹角为45°。该八幅三维影像的任意一个影像通过如下公式表示，I₂＝R_z(θ)R_(x)(θ)I₁，其中，I₁表示一个三维影像，I₂表示三维影像I₁处理后的三维影像，R_(x)(θ)表示绕数据源中心线旋转θ，R_z(θ)表示绕图像中心线旋转θ。其中， $R_x\left(\mathrm{\&theta;}\right)=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos \left(\mathrm{\&theta;}\right)& \sin \left(\mathrm{\&theta;}\right)\\ 0& -\sin \left(\mathrm{\&theta;}\right)& \cos \left(\mathrm{\&theta;}\right)\end{array}\right],$ $R_z\left(\mathrm{\&theta;}\right)=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\&theta;}& \sin \mathrm{\&theta;}& 0\\ -\sin \mathrm{\&theta;}& \cos \mathrm{\&theta;}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right].$

将I₁旋转后得到I₂。对于n个侧面的多面体，相邻图像相差θ＝360°/n。根据本发明实施例的装置，通过将经处理的多个二维图像生成多个三维影像，并对该多个三维影像进行翻转得到360°全视角裸眼观察到连续、无缝的三维立体成像，从而方便用户体验。

多个半透半反镜片进行有规律地拼接以构成多面体的半透半反光学器件。多面体侧面的个数不限定，当个数趋于无穷多时，可构成圆锥面。图10为根据本发明另一个实施例的半透半反光学器件的结构图。如图10所示，半透半反器件300是由无数多个等腰三角形半透半反镜片以等腰三角形的等边为连接边相连而成，无穷多个三角形连接逼近为圆锥面。半透半反镜片构成的锥面与底面的夹角为45°，由此可以保证将三维影像进行90°翻转。本发明的这个实施例中采用立体全像技术渲染生成三维影像。通过图像算法处理、图像排列以及半透半反光学器件的拼接融合可以得到空间连续的三维显示。图11为根据本实例的三维影像的排布示意图，生成图像过程中对图像进行曲面变形，渲染生成二维图像经三维影像生成装置以后形成三维显示，再经过半透半反光学器件对多个三维影像的至少一部分多个三维影像进行拼接或融合以在360°全视角得到连续、无缝裸眼观察到的三维立体成像。根据本发明实施例的装置，通过将经处理的多个二维图像生成多个三维影像，并对该多个三维影像进行翻转得到360°全视角裸眼观察到连续、无缝的三维立体成像，从而方便用户体验。

图12为根据本发明一个实施例的三维立体成像方法的流程图。如图12所示，根据本发明实施例的三维立体成像方法包括以下步骤：显示经图像算法处理的多个二维图像，多个二维图像相关联(步骤101)。通过立体全像技术对多个二维图像进行处理，以生成多个三维影像(步骤103)。根据与平面以预设角度布置的多个半透半反镜片将多个三维影像在空间进行翻转以在多个角度得到连续、无缝裸眼观察到的三维立体成像(步骤105)。

在本发明的一个实施例中，经过与显示源100(例如二维显示器)表面成45°的半透半反器件300进行光学转换，成像垂直于二维显示器的面上的三维立体影像。锥形排列的半透半反器件300的多个半透半反镜片分别对多个三维子图像进行成像，并将该多个子图像在锥体中心聚集拼接，以形成可以360°连续可视裸眼真三维立体影像，半透半反光学器件300覆盖0°到360°任意角度。该半透半反光学器件300可以为金字塔式多面体、圆锥体或其它形状。

根据本发明实施例的方法，通过将经处理的多个二维图像生成多个三维影像，并对该多个三维影像进行翻转得到360°全视角裸眼观察到连续、无缝的三维立体成像，从而方便用户体验。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种三维立体成像装置，其特征在于，包括：

显示源，用于显示经图像算法处理的多个二维图像，所述多个二维图像相关联；

三维影像生成装置，所述三维影像生成模块用于利用立体全像技术对所述多个二维图像进行处理，以生成多个三维影像；以及

半透半反光学器件，所述半透半反光学器件包括多个半透半反镜片，所述多个半透半反镜片与所述三维影像生成装置所在平面形成预设角度，所述多个半透半反镜片一一对应地将所述多个三维影像在空间进行翻转和拼接以在多个视角得到裸眼观察到的三维立体成像，所述三维立体图像在多个观察视角为观察者呈现连续、无缝的整体三维影像。

2.如权利要求1所述的三维立体成像装置，其特征在于，还包括：

图像增强装置，所述图像增强装置安装于所述三维影像生成装置的上方，用于消除所述多个三维影像的摩尔纹或对所述多个三维影像进行光学滤波。

3.如权利要求1所述的三维立体成像装置，其特征在于，所述预设角度为45°。

4.如权利要求1所述的三维立体成像装置，其特征在于，所述半透半反光学器件分别对所述多个三维影像的至少一部分多个三维影像进行拼接或融合以在360°全视角得到连续、无缝裸眼观察到的三维立体成像。

5.如权利要求1所述的三维立体成像装置，其特征在于，所述多个半透半反镜片进行有规律地拼接以构成多面体的半透半反光学器件。

6.一种三维立体成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

显示步骤，显示经图像算法处理的多个二维图像，所述多个二维图像相关联；

生成步骤，通过立体全像技术对所述多个二维图像进行处理，以生成多个三维影像；以及

三维立体成像步骤，根据与平面以预设角度布置的多个半透半反镜片将所述多个三维影像在空间进行翻转以在多个角度得到连续、无缝裸眼观察到的三维立体成像。

7.如权利要求6所述的三维立体成像方法，其特征在于，还包括：

消除所述多个三维影像的摩尔纹或对所述多个三维影像进行光学滤波。

8.如权利要求6所述的三维立体成像方法，其特征在于，所述预设角度为45°。

9.如权利要求6所述的三维立体成像方法，其特征在于，在所述三维立体成像步骤中，分别对所述多个三维影像的至少一部分多个三维影像进行拼接或融合以在360°全视角得到连续、无缝的三维立体成像。