CN104049451A - 真三维显示装置和系统、真三维显示控制方法和装置 - Google Patents

Abstract

提供了一种真三维显示装置和系统、真三维显示控制方法和装置，真三维显示控制方法包括：根据预设视场确定目标光线，所述目标光线具体为：由光源生成的、可依次透过N个透光层后投射至所述预设视场中的光线，N为大于1的整数；根据各目标光线在各透光层上的坐标信息调整各透光层的光处理参数，以在各透光层上显示用于组成对应所述预设视场的真三维图像的断层图像。本发明能够提升真三维显示的清晰度、分辨率亮度等性能。

Description

真三维显示装置和系统、真三维显示控制方法和装置

技术领域

本发明涉及图像显示技术，尤其涉及一种真三维显示装置和系统、真三维显示控制方法和装置。

背景技术

所谓“真三维显示”是指被显示的三维物体之间的相对位置关系也被真实地体现，构成真正意义上的三维空间图像，具有真实物理深度和图像质量的表面特性，观察者不需要任何辅助设备就可以从多个方向任意观察被显示物体，感知最真实、完整的三维信息。真三维显示技术从根本上更新了图像显示的概念，使显示的图像栩栩如生，向观看者提供了完备的心理和生理上的三维感知信息，为理解三维图像和其中物体之间的空间关系提供了独特的手段。

当前的双目立体眼镜技术、平行遮挡光栅技术、柱面镜技术以及集成显示技术都存在着各种缺陷，比如显示尺寸不大、视场数量少、分辨率低、亮度低、清晰度不足等。而多投影仪的光场真三维显示系统虽然有获得大视场的潜质，但其存在着投影仪间校准困难以及价格昂贵等固有的缺陷。

发明内容

在下文中给出关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

本发明的一个主要目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种满足大尺寸显示、提升视场数量、分辨率、亮度和清晰度的真三维显示装置、真三维显示控制方法和装置以及真三维显示系统。

为实现上述目的，本发明提供了一种真三维显示装置，

光源；

沿所述光源的光传播方向依次设置的N个透光层，N为大于1的整数，各所述透光层用于显示对应预设视场的断层图像，各透光层显示的对应预设视场的断层图像用于组成对应所述预设视场的真三维图像。

为实现上述目的，本发明还提供一种真三维显示控制方法，包括

根据预设视场确定目标光线，所述目标光线具体为：由光源生成的、可依次透过N个透光层后投射至所述预设视场中的光线，N为大于1的整数；

根据各目标光线在各透光层上的坐标信息调整各透光层的光处理参数，以在各透光层上显示用于组成对应所述预设视场的真三维图像的断层图像。

为实现上述目的，本发明还提供一种真三维显示控制装置，包括：

目标光线确定模块，用于根据预设视场确定目标光线，所述目标光线具体为：由所述光源生成的、可依次透过第N个透光层后投射至所述预设视场中的光线，N为大于1的整数；

参数调整模块，用于根据各目标光线在各透光层上的坐标信息调整各透光层的光处理参数，以在各透光层上显示用于组成对应所述预设视场的真三维图像的断层图像。

为实现上述目的，本发明还提供一种真三维显示系统，包括上述真三维显示装置以及真三维显示控制装置。

本发明的真三维显示装置通过在光源的光传播方向依次设置多层透光层，各透光层能够显示对应预设视场的断层图像，多个透光层显示的断层图像对应组成对应预设视场的真三维图像，使得处于预设视场中的观察者能够观看到对应的真三维图像，且能够实现大尺寸显示、能够提升真三维显示的分辨率、亮度、清晰度等。

本发明的真三维显示控制方法和装置以及真三维显示系统可根据预设视场确定目标光线，根据各目标光线在各透光层上的坐标信息调整各透光层的光处理参数，以在各透光层上显示所需的断层图像，最终形成对应预设视场的真三维图像，这种控制方式能够实现大尺寸显示、能够提升真三维显示的分辨率、亮度、清晰度等，同时避免采用多投影仪进行真三维显示时产生的校准难度低的问题。

附图说明

参照下面结合附图对本发明实施例的说明，会更加容易地理解本发明的以上和其它目的、特点和优点。附图中的部件只是为了示出本发明的原理。在附图中，相同的或类似的技术特征或部件将采用相同或类似的附图标记来表示。

图1为本发明的真三维显示装置的实施例1的结构示意图。

图2为本发明的真三维显示装置的实施例2的结构示意图。

图3为本发明的真三维显示装置的实施例3的结构示意图。

图4为本发明的真三维显示控制方法的一种实施例的流程图。

图5以图例的形式描述透光率函数的三阶张量的示意图。

图6表示本发明的真三维显示控制方法应用在图1所示的真三维显示装置中时，根据预设视场确定目标光线的示意图。

图7为以图例的形式描述旋转率函数的三阶张量的示意图。

图8表示本发明的真三维显示控制方法应用在图2所示的真三维显示装置中时，根据预设视场确定目标光线的示意图。

图9为本发明真三维显示控制装置的一种实施例的方框图。

具体实施方式

下面参照附图来说明本发明的实施例。在本发明的一个附图或一种实施方式中描述的元素和特征可以与一个或更多个其它附图或实施方式中示出的元素和特征相结合。应当注意，为了清楚的目的，附图和说明中省略了与本发明无关的、本领域普通技术人员已知的部件和处理的表示和描述。

真三维显示装置的实施例1

参考图1，本发明的真三维显示装置的实施例1包括光源10以及沿光源10的光传播方向依次设置的第1个透光层至第N个透光层12，N为大于1的整数，各透光层12用于显示对应预设视场的断层图像，各透光层12显示的对应该预设视场的断层图像用于组成对应该预设视场的真三维图像。

上述预设视场的个数可为多个，如图1所示，本发明的真三维显示装置可形成多个视场V1、V2……VR，R为大于1的整数，透过各透光层12投射至各视场中的光线在各透光层上具有确定的坐标信息。各透光层12可通过其光处理参数的调整来显示对应多个视场的断层图像。

光源10可为背光模组，其可用于生成均匀光或者结构光。

光源10紧贴第一个透光层12设置。

上述各透光层12具体为空间光调制器（SLM，Spatial lightmodulator），其光处理参数具体为透光率函数。各空间光调制器用于接收外部的控制信息以控制其各个显示单元（像素单元）的透光率函数值，进而显示出所需的图像信息（断层图像）。

上述各空间光调制器可为，例如，可以显示彩色、黑白和/或灰度图像的液晶面板。

如图1所示，本实施例中，部分或全部空间光调制器的截面为平面。

真三维显示装置的实施例2

参考图2，本发明的真三维显示装置的实施例2包括光源20以及沿光源20的光传播方向设置的N个透光层22，本实施例的真三维显示装置的与实施例1的真三维显示装置的结构基本相同，区别在于：

各透光层22为极性光旋转器，其光处理参数具体为旋转率函数。各极性光旋转器用于接收外部的控制信息以控制其各个显示单元的对光线的旋转率函数值，进而显示出所需的图像信息（断层图像）。

可选地，当光源发射的光线为发散光，在光源和第一个极性光旋转器之间还设置有第一极性光调制器24，用于将光源发射的光线转换为极性光，并且，本实施例还设置有第二极性光调制器26，其具体可设置在第N个极性光旋转器面向预设视场的一侧，用于将极性光转换为可见光后投射至对应的预设视场。

本实施例中，可通过外部的控制装置将需要显示的真三维图像数据转化为各透光层22的旋转率图像数据，分别输送到各极性光旋转器上，光源20产生的均匀光或结构光经第一极性光调制器24产生特定方向的极性光，每条光线的极性经过各极性光旋转器上各显示单元的逐级旋转，形成具有特定旋转方向的极性光，该极性光经第二极性光调制器26的调制，转换为可见光，在预设视场形成光场分布。

各极性光旋转器22也可选用可显示彩色、黑白和/或灰度图像的液晶面板。

部分或全部极性光旋转器32的截面可为平面。

真三维显示装置的实施例3

参考图3，本发明的真三维显示装置的实施例3包括光源（图中未示出）以及沿光源0的光传播方向设置的第N个透光层32，各透光层32可为空间光调制器、极性光旋转器或者其它可调整断层图像的显示内容的器件，当各透光层32为极性光旋转器时，本实施例的真三维显示装置还包括第一极性光调制器和第二极性光调制器，具体在实施例2中已进行了描述，不再赘述。

本实施例的真三维显示装置和实施例1或实施例2的真三维显示装置的结构或工作方式基本相同，区别在于，如图3所示，本实施例的各透光层32的截面可为曲面。即各透光层可以为任意的三维曲面形状。将全部或部分透光层设置为任意的三维曲面形状，可获取更广泛的视场范围。

真三维显示控制方法的实施例

参考图4，本发明真三维显示控制方法的一种实施例包括以下步骤：

步骤S401：根据预设视场确定目标光线，该目标光线具体为：由光源生成的、可依次透过第（1-N）个透光层后投射至该预设视场中的光线，N为大于1的整数；以及

步骤S405：根据各目标光线在各透光层上的坐标信息调整各透光层的光处理参数，以在各透光层上显示用于组成对应该预设视场的真三维图像的断层图像。

作为可选方案，如图1所示，本发明的真三维显示控制方法在步骤S401和步骤S405之间还包括步骤S403：

根据各目标光线在任意两个透光层上的坐标信息获取各目标光线在其余各透光层上的坐标信息。

也可以其它方式、如预测等方式获取目标光线在各透光层上的坐标信息。

可选地，步骤S405中获取的光处理参数具体为：使得透过各透光层的光线与目标光线之间的误差最小的光处理参数。通过这种方式，能够获取显示在各透光层上与目标图像最接近的断层图像，可进一步提升三维显示的质量。

参考图1、图5和图6，本发明的真三维显示控制方法具体可应用于上述真三维显示装置的各实施例中。当应用在图1所示的真三维显示装置中时，各透光层具体为空间光调制器，各透光层的光处理参数具体为空间光调制器的透光率函数值

在步骤S405中，可根据以下公式获取各个透光层的透光率函数值

${\arg \min }_A{\mathrm{\Σ}}_{\∀(i_m,j_m,i_n,j_n)\∈M,A\∈[0,A_{\max }]}{\left|\begin{array}{c}T(i_m,j_m,i_n,j_n)-\\ I_0{a}_1^{i_m,j_m,i_n,j_n}{a}_2^{i_m,j_m,i_n,j_n}\·\·\·a_N^{i_m,j_m,i_n,j_n}\end{array}\right|}^2$

其中1≤l≤N,1≤m≤M,1≤n≤N,A表示透光率函数，M代表所有目标光线组成的集合，为第l个透光层上，与目标光线对应的像素单元处的透光率函数值，I₀是光源的亮度，T(i_m,j_m,i_n,j_n)为目标光线，m、n表示所述多个透光层中的任意两个的序号，(i_m,j_m,i_n,j_n)为目标光线在第m个透光层和第n个透光层上的坐标信息。

本实施例中，令m=1，N=n，以该任意两个透光层为第一个和第N个透光层为例进行说明，其工作原理和工作过程如下：

首先根据各透光层12之间的位置关系建立如图1和图3所示的三维物理坐标（xyz），并沿x轴、y轴和z轴建立离散化坐标（i、j、k）。i可用于表示各透光层上的显示单元（如像素单元）的横向位置，j可用于表示各透光层上的显示单元的纵向位置，k可用于表示透光层的序列号，如k1-kN。

光源10产生均匀光或者结构光，经过各透光层12的逐级衰减，最终在预设视场形成光场分布。第一透光层上的像素的透光率函数由A(i₁,j₁,k₁)表示，第二透光层上的像素的透光率函数由A(i₂,j₂,k₂)表示，第N透光层上的像素的透光率函数由A(i_N，j_N，k_N)表示。光源与第一透光层紧贴，间距很小，在以下分析中可以忽略不计。假设光源照明的亮度为I₀。

如图5所示，透光层12的透过率函数A(i,j,k)是一个三元数据结构，可以表示成为一个三阶张量透过率函数取值范围可以规范为小于或等于1的非负实数。这个张量表示具有明确的物理意义：对于每个固定的k值（透光层的序号），透过率函数A(i,j,k)是显示在相应透光层上的图像。

投射至预设视场中的光线与各透光层12在特定的像素单元相交。则在步骤S401中，可将光源10生成的、依次透过第一透光层至第N透光层后投射至预设视场中的光线确定为目标光线，各目标光线可由其与第一个透光层和第N个透光层的相交点的三维位置来完全确定。

如图1所示，穿过第一层上某一点（像素单元）p(i₁,j₁,k₁)和第N层上某一点p(i_N，j_N，k_N)的光线可以由坐标信息(i₁,j₁,i_N,j_N)确定。则该光线与其它透光层的相交点的三维位置可由下式(1)确定：

$i_l=i_1+\frac{z_l}{z_N}(i_N-i_1),j_l=j_1+\frac{z_l}{z_N}(j_N-j_1),l\≠1$ 或N.    (1)

每一根光线在预设视场形成的光场可由下式(2)确定：

$L(i_1,j_1,i_N,j_N)=I_0{\mathrm{\Π}}_{1=1}^{N}a(i_l,j_l,k_l)---\left(2\right)$

上式中，a(i_l，j_l，k_l)，l=1，2，…，N，是与各个相交点对应的透光率，I₀是光源的照明亮度，坐标值（i_l,j_l,k_l）可以根据式（1）计算得出。

图像显示的性能指标，如亮度、清晰度、分辨率等通常是由一组预设视场Vr，r=1，2，…，R，来确定。可根据各预设视场Vr中的每根光线在第一透光层和第N透光层上的交点，计算出相应的坐标信息(i₁,j₁,i_N,j_N)，以确定目标光线。

定义所有目标光线组成的集合为“目标光线组”M：

M={(i₁,j₁,i_N,j_N),such thatL(i₁,j₁,i_N,j_N)＝T(i₁,j₁,i_N,j_N)}      (3)

对于预设视场，目标光线组中的元素是确定的，个数是有限的。通常，目标光线组仅仅包括很小一部分所有可能由本发明的真三维显示装置产生的光线。

步骤S403中，根据目标光线在该任意两个透光层的坐标信息，可以获取其在其它各透光层的坐标信息。

步骤S405中，根据目标光线组中的所有目标光线在各透光层上的坐标信息，调整各透光层的光处理参数，以在各透光层上显示用于组成对应该预设视场的真三维图像的断层图像，即：

${\arg \min }_A{\mathrm{\Σ}}_{\∀(i_1,j_1,i_N,j_N)\∈M,A\∈[0,A_{\max }]}{|T(i_1,j_1,i_N,j_N)-L(i_1,j_1,i_N,j_N)|}^2---\left(4\right)$

其中，L(i₁,j₁,i_N,j_N)可由式（2）式计算得出，则可将式（4）转化为由各层透光率描述的函数：

${\arg \min }_A{\mathrm{\Σ}}_{\∀(i_1,j_1,i_N,j_N)\∈M,A\∈[0,A_{\max }]}{\left|\begin{array}{c}T(i_1,j_1,i_N,j_N)-\\ I_0{a}_1^{i_1,j_1,i_N,j_N}{a}_2^{i_1,j_1,i_N,j_N}\·\·\·a_N^{i_1,j_1,i_N,j_N}\end{array}\right|}^2$

(5)

其中是透过率函数A_l,l＝1,2,…,N,在与目标光线(i₁,j₁,i_N,j_N)相对应的像素位置的函数值。

通过对所有A_l,l＝1,2,…,N,的透过率函数进行优化，使得经过各透光层的光线与目标光线的误差为最小，以使各透光层更好地显示所需的图像信息。

优化的过程具体可为对上式（5）的求解过程，例如：

第一种优化方法，利用通用优化算法，如共轭梯度法，牛顿法，对式（5）直接进行求解，找到一组能够使得经过第l（l大于或等于1，小于或等于N）个透光层的光线与目标光线的误差为最小的透过率函数A_l,l＝1,2,…,N。

第二种优化方法，根据第k个透光层的透光率函数值，求解第k+1个透光层的透光率函数，以迭代求解各透光层的透光率函数值，其中1≤k<N。例如：

对各透光层的透光率函数A_l,l＝1,2,…,N,逐个进行优化，将式（5）分解为N个子问题，逐步求解：

$A_l^{k+1}=\arg A_l^{k+1}=$

${\arg \min }_{A_l^k}{\mathrm{\&Sigma;}}_{\&ForAll;(i_1,j_1,i_N,j_N)\&Element;M,A\&Element;[0,A_{\max }]}{|T(i_1,j_1,i_N,j_N)-I_0{a}_1^{k+1}\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;a_{l-1}^{k+1}{a}_l^k\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;a_N^k|}^2$

(6)

在对第l透光层的透光率函数A_l进行优化时，利用第l-1层已经优化更新的结果进行优化，迭代更新格式由下式（7）表示：

$a^{k+1}(i_l,j_l,k_l)=$

$a^k(i_l,j_l,k_l)\frac{T(i_1,j_1,i_N,j_N)}{L^k(i_1,j_1,i_N,j_N)}\mathrm{for}(i_1,j_1,i_N,j_N)\&Element;M,A\&Element;\left[0,A_{\max }\right],L^k>0---\left(7\right)$

如果某一个像素与多个迭代条件相关，则利用统计方法（比如取平均值或者中值），根据多个迭代条件，为该像素得出一个迭代值。

第三种优化方法，对以下公式（8）两边取对数，求解线性方程的方式获取各个透光层的透光率函数值

公式（8）中，T(i_m,j_m,i_n,j_n)为目标光线，I₀是光源的亮度，a(i_l,j_l,k_l)为第l个透光层上、与目标光线对应的像素单元处的透光率函数值。

$T(i_1,j_1,i_N,j_N)=I_0{\mathrm{\&Pi;}}_{l=1}^{N}a(i_l,j_l,k_l)---\left(8\right)$

具体地，通过对两边取对数，将式（8）由乘法（非线性）方程变为加法（线性）方程：

$G(i_1,j_1,i_N,j_N)={\mathrm{\&Sigma;}}_{l=1}^{N}F(i_l,j_l,k_l)---\left(9\right)$

其中，

$G(i_1,j_1,i_N,j_N)=\stackrel{\&OverBar;}{T(i_1,j_1,i_N,j_N)}-\stackrel{\&OverBar;}{I_0},F(i_l,j_l,k_l)=\stackrel{\&OverBar;}{a(i_l,j_l,k_l)},\stackrel{\&OverBar;}{x}=\log \left(x\right).$

由式（9）可以解出F(i_l,j_l,k_l)，从而求出透过率函数值a(i_l,j_l,k_l)。

参考图2、图7和图8，当应用在图2所示的真三维显示装置中时，各透光层具体为极性光旋转器，各透光层的光处理参数具体为极性光旋转器的旋转率函数值。

可选地，步骤S405根据以下公式获取各个透光层的旋转率函数

${\arg \min }_B{\mathrm{\&Sigma;}}_{\&ForAll;(i_m,j_m,i_n,j_n)\&Element;M,B\&Element;[0,A_{\max }]}{\left|\begin{array}{c}T(i_m,j_m,i_n,j_n)-\\ I_0(b_1^{i_m,j_m,i_n,j_n}+b_2^{i_m,j_m,i_n,j_n}+\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;+b_N^{i_m,j_m,i_n,j_n})\end{array}\right|}^2$

其中1≤l≤N,1≤m≤M,1≤n≤N，B表示旋转率函数，M代表所有目标光线组成的集合，为第l个透光层上，与目标光线对应的像素单元处的旋转率函数值，I₀是光源的亮度，T(i_m,j_m,i_n,j_n)为目标光线，m、n表示多个透光层中的任意两个的序号，(i_m,j_m,i_n,j_n)为目标光线在第m个透光层和第n个透光层上的坐标信息。

本实施例中，令m=1，n=N，即将第一个透光层和第N个透光层作为上述任意两个透光层，对本发明的真三维显示控制方法的工作原理和工作过程进行说明，具体如下：

首先根据各透光层22之间的位置关系建立如图2和图7所示的三维物理坐标（x，y，z），并沿x轴、y轴和z轴建立离散化坐标（i，j，k）。i可用于表示各透光层22上的显示单元（如像素）的横向位置，j可用于表示各透光层22上的显示单元的纵向位置，k可用于表示透光层22的序列号，如k1-kN。

在一种实施方式中，光源20可产生均匀光或者结构光，经第一极性光调制器24转换为极性光，该极性光经过各透光层22的逐级衰减，并经第二极性光调制器26转换为可见光后，最终在预设视场形成光场分布。第一透光层22上的像素的旋转率由B(i₁,j₁,k₁)表示，第二透光层上的像素的旋转率由B(i₂,j₂,k₂)表示，第N透光层上的像素的旋转率由B(i_N，j_N，k_N)表示。光源与第一透光层22紧贴，间距很小，在以下分析中可以忽略不计。假设光源照明的亮度为I₀。

如图8所示，透光层22的旋转率函数B(i,j,k)是一个三元数据结构，可以表示成为一个三阶张量旋转率函数取值范围可以规范为小于等于1的非负实数。这个张量表示具有明确的物理意义：对于每个固定的k值（透光层的序号），旋转率函数B(i,j,k)是显示在相应透光层22上的图像。

投射至预设视场中的光线与各透光层22在特定的像素相交。则在步骤S401中，可将光源20生成的、依次透过第一透光层至第N透光层后投射至预设视场中的光线确定为目标光线，任意两个透光层的相交点的三维位置来完全确定。如图2所示，穿过第一层上某一点p(i₁，j₁，k₁)和第N层上某一点p(i_N，j_N，k_N)的光线可以由坐标信息(i₁,j₁,i_N,j_N)确定。则该光线与其它透光层22的相交点的三维位置可由下式(11)确定： $i_l=i_1+\frac{z_l}{z_N}(i_N-i_1),j_l=j_1+\frac{z_l}{z_N}(j_N-j_1),l\&NotEqual;1$ 或N.    (11)

每一根光线在预设视场形成的光场可由下式(12)确定：

$L(i_1,j_1,i_N,j_N)=I_0{\mathrm{\&Pi;}}_{l=1}^{N}b(i_l,j_l,k_l)---\left(12\right)$

上式中，b(i_l,j_l,k_l),l=1,2,…,N，是与各个相交点对应的旋转率，I₀是光源20的照明亮度，坐标值（i_l,j_l,k_l）可以根据式（11）计算得出。

可根据各预设视场Vr中的每根光线在第一透光层和第N透光层上的交点，计算出相应的坐标信息(i₁,j₁,i_N,j_N)，以确定目标光线。

定义所有目标光线组成的集合为“目标光线组”M：

M={(i₁,j₁,i_N,j_N),such thatL(i₁,j₁,i_N,j_N)＝T(i₁,j₁,i_N,j_N)}    (13)

对于预设视场，目标光线组中的元素是确定的，个数是有限的。通常，目标光线组仅仅包括很小一部分所有可能由本发明的真三维显示装置产生的光线。

步骤S403中，根据目标光线在任意两个透光层（如第一透光层和第N透光层）的坐标信息，可以获取其在其它各透光层的坐标信息。

步骤S405中，可根据目标光线组中的所有目标光线在各透光层上的坐标信息，调整各透光层的光处理参数，以在各透光层上显示用于组成对应该预设视场的真三维图像的断层图像，即：

${\arg \min }_B{\mathrm{\&Sigma;}}_{\&ForAll;(i_1,j_1,i_N,j_N)\&Element;M,B\&Element;[0,B_{\max }]}{|T(i_1,j_1,i_N,j_N)-L(i_1,j_1,i_N,j_N)|}^2---\left(14\right)$

其中，L(i₁,j₁,i_N,j_N)可由式（12）式计算得出，则可将式（14）转化为由各透光层的旋转率描述的函数：

${\arg \min }_B{\mathrm{\&Sigma;}}_{\&ForAll;(i_1,j_1,i_N,j_N)\&Element;M,B\&Element;[0,B_{\max }]}{\left|\begin{array}{c}T(i_1,j_1,i_N,j_N)-\\ I_0(b_1^{i_1,j_1,i_N,j_N}{b}_2^{i_1,j_1,i_N,j_N}\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;b_N^{i_1,j_1,i_N,j_N})\end{array}\right|}^2$

(15)

其中是旋转率函数B_l,l＝1,2,…,N,在与目标光线(i₁,j₁,i_N,j_N)相对应的像素位置的函数值。

通过对所有B_l,l＝1,2,…,N,的旋转率函数进行优化，使得经过各透光层22的光线与目标光线的误差为最小，以使各透光层22更好地显示所需的图像信息。

优化的过程具体可为对上式（15）的求解过程，例如：

第一种优化方法，通过一般约束条件下的最优化方法（如，最速下降法，共轭梯度法，牛顿法，变尺度法，鲍威尔法，单形替换法，随机方向法，复合形法，可行方向法，惩罚函数法，线性规划，遗传算法，神经网络，专家系统，等）对各个透光层的旋转率函数值 进行求解。例如，利用通用优化算法，如共轭梯度法，牛顿法，对式（15）直接进行求解，找到一组能够使得经过第l（l大于或等于1，小于或等于N）个透光层22的光线与目标光线的误差为最小的旋转率函数B_l,l＝1,2,…,N,。上述列举的优化算法为数学运算中的公知算法，不再分别对其进行具体介绍。

第二种优化方法，根据第k个透光层的旋转率函数值，求解第k+1个透光层的透光率函数旋转率函数值，以迭代求解各透光层的旋转率函数值，其中1≤k<N。例如：

对各透光层22的旋转率函数B_l,l=1,2...,N,逐个进行优化，将式（15）分解为N个子问题，逐步求解：

$B_l^{k+l}=$

${\arg \min }_{A_l^k}{\mathrm{\&Sigma;}}_{\&ForAll;(i_1,j_1,i_N,j_N)\&Element;M,B\&Element;[0,B_{\max }]}{|T(i_1,j_1,i_N,j_N)-I_0(b_1^{k+1}+\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;+b_{l-1}^{k+1}+b_l^k+\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;+b_N^k)|}^2$

(16)

在对第l透光层的旋转率函数B_l进行优化时，利用第l-1层已经优化

更新的结果进行优化，迭代更新格式由下式（17）表示：

b^k+1(i_l,j_l,k_l)＝

b^k(i_l,j_l,k_l)+(T(i₁,j₁,i_N,j_N)-L^k(i₁,j₁,i_N,j_N)/I₀)for(i₁,j₁,i_N,j_N)∈M,B∈[0,B_max],||L^k||＞0

(17)

如果某一个像素与多个迭代条件相关，则利用统计方法（比如取平均值或者中值），根据多个迭代条件，为该像素得出一个迭代值。

第三种优化方法可通过直接对以下线性方程（18）进行求解来解出旋转率函数值

$T(i_1,i_1,i_N,j_N)=I_0\left((b_1^{k+1}+\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;+b_{l-1}^{k+1}+b_l^k+\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;+b_N^k\right)---\left(18\right)$

真三维显示控制装置的实施例

参考图9，本发明的真三维显示控制装置的一种实施例包括目标光线确定模块91和参数信息获取模块95。

目标光线确定模块91用于根据预设视场确定目标光线，该目标光线具体为：由光源生成的、可依次透过N个透光层后投射至预设视场中的光线，N为大于1的整数；

参数调整模块95用于根据各目标光线在各透光层上的坐标信息调整各透光层的光处理参数，以在各透光层上显示用于组成对应该预设视场的真三维图像的断层图像。

可选地，还包括坐标信息获取模块93，用于根据各目标光线在任意两层透光层上的坐标信息获取各目标光线在其余各个透光层上的坐标信息。

参数调整模块95获取的光处理参数可为：使得透过各所述透光层的光线与所述目标光线之间的误差最小的光处理参数。

各透光层可为空间光调制器，其光处理参数具体为空间光调制器的透光率函数。

各透光层还可为极性光旋转器，其光处理参数具体为极性光旋转器的旋转率函数。

当光处理参数具体为空间光调制器的透光率函数，参数调整模块95根据以下公式获取各个透光层的透光率函数值

${\arg \min }_A{\mathrm{\&Sigma;}}_{\&ForAll;(i_m,j_m,i_n,j_n)\&Element;M,A\&Element;[0,A_{\max }]}{\left|\begin{array}{c}T(i_m,j_m,i_n,j_n)-\\ I_0{a}_1^{i_m,j_m,i_n,j_n}{a}_2^{i_m,j_m,i_n,j_n}\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;a_N^{i_m,j_m,i_n,j_n}\end{array}\right|}^2$

进一步，可通过一般约束条件下的最优化方法（如，最速下降法，共轭梯度法，牛顿法，变尺度法，鲍威尔法，单形替换法，随机方向法，复合形法，可行方向法，惩罚函数法，线性规划，遗传算法，神经网络，专家系统，等）对所述各个透光层的透光率函数值进行求解。

进一步，参数调整模块95根据第k个透光层的旋转率函数值，求解第k+1个透光层的透光率函数旋转率函数值，以迭代求解各透光层的旋转率函数值，其中1≤k<N。

进一步，参数调整模块95通过对以下公式两边取对数，求解线性方程的方式获取各个透光层的透光率函数值

$T(i_m,j_m,i_n,j_n)=I_0{\mathrm{\&Pi;}}_{l=1}^{N}a(i_l,j_l,k_l)$

当光处理参数具体为极性光旋转器的旋转率函数，参数调整模块95根据以下公式获取各个透光层的旋转率函数值

${\arg \min }_B{\mathrm{\&Sigma;}}_{\&ForAll;(i_m,j_m,i_n,j_n)\&Element;M,B\&Element;[0,B_{\max }]}{\left|\begin{array}{c}T(i_m,j_m,i_n,j_n)-\\ I_0(b_1^{i_m,j_m,i_n,j_n}{b}_2^{i_m,j_m,i_n,j_n}\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;b_N^{i_m,j_m,i_n,j_n})\end{array}\right|}^2$

进一步，参数调整模块95通过一般约束条件下的最优化方法（如，最速下降法，共轭梯度法，牛顿法，变尺度法，鲍威尔法，单形替换法，随机方向法，复合形法，可行方向法，惩罚函数法，线性规划，遗传算法，神经网络，专家系统，等）对上述各个透光层的旋转率函数值进行求解。

进一步，参数调整模块95根据第k个透光层的旋转率函数值，求解第k+1个透光层的透光率函数旋转率函数值，以迭代求解各透光层的旋转率函数值，其中1≤k<N。

进一步，参数调整模块95通过求解以下线性方程的方式获取各个透光层的旋转率函数值

$T(i_m,j_m,i_n,j_n)=I_0(b_1^{k+1}+\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;+b_{l-1}^{k+1}+b_l^k+\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;+b_N^k)$

本发明的真三维显示控制装置可应用在上述真三维显示装置中以控制各透光层显示所需的图像信息，使得可在各预设视场中观察到真三维图像，具体原理与上述对真三维显示控制方法的描述相同，不再赘述。

本发明还提供了一种真三维显示系统，包括上述任意的真三维显示装置和真三维显示控制装置。

本发明的真三维显示通过在光源的光传播方向依次设置多层透光层，各透光层能够显示对应预设视场的断层图像，多个透光层显示的断层图像对应组成对应预设视场的真三维图像，使得处于预设视场中的观察者能够观看到对应的真三维图像，且能够实现大尺寸显示、能够提升真三维显示的分辨率、亮度、清晰度等。

本发明的真三维显示控制方法和装置以及真三维显示系统可根据预设视场确定目标光线，根据各目标光线在任意两层透光层上的坐标信息获取各目标光线在其余各个透光层上的坐标信息，并根据各目标光线在各透光层上的坐标信息调整各透光层的光处理参数，以在各透光层上显示所需的断层图像，最终形成对应预设视场的真三维图像，无机械运动部件，三维图像显示尺寸可以根据需求调整，不受机械运动部件的物理特性限制。采用透光层，三维显示系统的分辨率可以与现有二维显示器的分辨率相同或相近。显示亮度由光源亮度与各透光层的特性决定，可以在设计和实现中加以优化，满足产品需求，因此本发明能够实现大尺寸显示、能够提升真三维显示的分辨率、亮度、清晰度等。

在本发明的装置和方法中，显然，各部件或各步骤是可以分解、组合和/或分解后重新组合的。这些分解和/或重新组合应视为本发明的等效方案。同时，在上面对本发明具体实施例的描述中，针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。

虽然已经详细说明了本发明及其优点，但是应当理解在不超出由所附的权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下可以进行各种改变、替代和变换。而且，本发明的范围不仅限于说明书所描述的过程、设备、手段、方法和步骤的具体实施例。本领域内的普通技术人员从本发明的公开内容将容易理解，根据本发明可以使用执行与在此所述的相应实施例基本相同的功能或者获得与其基本相同的结果的、现有和将来要被开发的过程、设备、手段、方法或者步骤。因此，所附的权利要求旨在在它们的范围内包括这样的过程、设备、手段、方法或者步骤。

Claims (33)

1.一种真三维显示装置，其特征在于，包括：

光源；

沿所述光源的光传播方向依次设置的N个透光层，N为大于1的整数，各所述透光层用于显示对应预设视场的断层图像，各透光层显示的对应预设视场的断层图像用于组成对应所述预设视场的真三维图像。

2.根据权利要求1所述的真三维显示装置，其特征在于，各所述透光层具体为空间光调制器。

3.根据权利要求1所述的真三维显示装置，其特征在于，各所述透光层具体为极性光旋转器，所述光源与第一个透光层之间还设有用于将光源产生的光线转换为极性光的第一极性光调制器，所述真三维显示装置还包括用于将透过第N个透光层的极性光转换为可见光的第二极性光调制器。

4.根据权利要求1-3任一项所述的真三维显示装置，其特征在于，各所述透光层的截面为平面形或曲面形。

5.根据权利要求1-3任一项所述的真三维显示装置，其特征在于，所述空间光调制器具体为液晶面板。

6.一种真三维显示控制方法，其特征在于，包括：

根据预设视场确定目标光线，所述目标光线具体为：由光源生成的、可依次透过N个透光层后投射至所述预设视场中的光线，N为大于1的整数；

根据各目标光线在各透光层上的坐标信息调整各透光层的光处理参数，以在各透光层上显示用于组成对应所述预设视场的真三维图像的断层图像。

7.根据权利要求6所述的真三维显示控制方法，其特征在于，所述“根据预设视场确定目标光线”和“根据各目标光线在各透光层上的坐标信息调整各透光层的光处理参数”的步骤之间还包括：

根据各目标光线在任意两个透光层上的坐标信息获取目标光线在其余各个透光层上的坐标信息。

8.根据权利要求6所述的真三维显示控制方法，其特征在于，所述“根据各目标光线在各透光层上的坐标信息调整各透光层的光处理参数”中获取的光处理参数为：使得透过各所述透光层的光线与所述目标光线之间的误差最小的光处理参数。

9.根据权利要求8所述的真三维显示控制方法，其特征在于，各所述透光层具体为空间光调制器，各所述透光层的光处理参数具体为空间光调制器的透光率函数值。

10.根据权利要求9所述的真三维显示控制方法，其特征在于，所述真三维显示控制方法根据以下公式获取各个透光层的透光率函数值

${\arg \min }_A{\mathrm{\&Sigma;}}_{\&ForAll;(i_m,j_m,i_n,j_n)\&Element;M,A\&Element;[0,A_{\max }]}{\left|\begin{array}{c}T(i_m,j_m,i_n,j_n)-\\ I_0{a}_1^{i_m,j_m,i_n,j_n}{a}_2^{i_m,j_m,i_n,j_n}\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;a_N^{i_m,j_m,i_n,j_n}\end{array}\right|}^2$

其中1≤l≤N,1≤m≤M,1≤n≤N,A表示透光率函数，M代表所有目标光线组成的集合，为第l个透光层上，与所述目标光线对应的像素单元处的透光率函数值，I₀是所述光源的亮度，T(i_m,j_m,i_n,j_n)为目标光线，m、n表示所述多个透光层中的任意两个的序号，(i_m,j_m,i_n,j_n)为目标光线在第m个透光层和第n个透光层上的坐标信息。

11.根据权利要求10所述的真三维显示控制方法，其特征在于，所述真三维显示控制方法通过最速下降法，共轭梯度法，牛顿法，变尺度法，鲍威尔法，单形替换法，随机方向法，复合形法，可行方向法，惩罚函数法，线性规划，遗传算法，神经网络或专家系统，对各所述透光层的透光率函数值进行求解。

12.根据权利要求10所述的真三维显示控制方法，其特征在于，所述真三维显示控制方法根据第k个透光层的透光率函数值，求解第k+1个透光层的透光率函数，以迭代求解各透光层的透光率函数值，其中1≤k<N。

13.根据权利要求10所述的真三维显示控制方法，其特征在于，所述真三维显示控制方法通过对以下公式两边取对数，求解线性方程的方式获取各个透光层的透光率函数值

$T(i_m,j_m,i_n,j_n)=I_0{\mathrm{\&Pi;}}_{l=1}^{N}a(i_l,j_l,k_l)$

其中，T(i_m,j_m,i_n,j_n)为目标光线，I₀是所述光源的亮度，a(i_l,j_l,k_l)为第l个透光层上、与所述目标光线对应的像素单元处的透光率函数值。

14.根据权利要求8所述的真三维显示控制方法，其特征在于，各所述透光层具体为极性光旋转器，各所述透光层的光处理参数具体为极性光旋转器的旋转率函数值。

15.根据权利要求14所述的真三维显示控制方法，其特征在于，所述真三维显示控制方法根据以下公式获取各个透光层的旋转率函数

${\arg \min }_B{\mathrm{\&Sigma;}}_{\&ForAll;(i_m,j_m,i_n,j_n)\&Element;M,B\&Element;[0,A_{\max }]}{\left|\begin{array}{c}T(i_m,j_m,i_n,j_n)-\\ I_0(b_1^{i_m,j_m,i_n,j_n}+b_2^{i_m,j_m,i_n,j_n}+\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;+b_N^{i_m,j_m,i_n,j_n})\end{array}\right|}^2$

其中1≤l≤N,1≤m≤M,1≤n≤N，B表示旋转率函数，M代表所有目标光线组成的集合，为第l个透光层上，与所述目标光线对应的像素单元处的旋转率函数值，I₀是所述光源的亮度，T(i_m,j_m,i_n,j_n)为目标光线，m、n表示所述多个透光层中的任意两个的序号，(i_m,j_m,i_n,j_n)为目标光线在第m个透光层和第n个透光层上的坐标信息。

16.根据权利要求15所述的真三维显示控制方法，其特征在于，所述真三维显示控制方法通过最速下降法，共轭梯度法，牛顿法，变尺度法，鲍威尔法，单形替换法，随机方向法，复合形法，可行方向法，惩罚函数法，线性规划，遗传算法，神经网络或专家系统，对所述各个透光层的旋转率函数值进行求解。

17.根据权利要求15所述的真三维显示控制方法，其特征在于，所述真三维显示控制方法根据第k个透光层的旋转率函数值，求解第k+1个透光层的透光率函数旋转率函数值，以迭代求解各透光层的旋转率函数值，其中1≤k<N。

18.根据权利要求15所述的真三维显示控制方法，其特征在于，所述真三维显示控制方法通过求解以下线性方程的方式获取各个透光层的旋转率函数值

$T(i_m,i_m,i_n,j_n)=I_0\left(b_1^{k+1}+\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;+b_{l-1}^{k+1}+b_l^k+\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;+b_N^k\right)$

其中，T(i_m,j_m,i_n,j_n)为目标光线，I₀是所述光源的亮度，b(i_l,j_l,k_l)为第l个透光层上、与所述目标光线对应的像素单元处的透光率函数，k为透光层的序号，其中1≤k<N。

19.根据权利要求6所述的真三维显示控制方法，其特征在于，所述光源产生的光线转换为极性光后依次透过各所述透光层，透过第N个透光层的极性光转换为可见光后投射至所述预设视场。

20.一种真三维显示控制装置，其特征在于，包括：

目标光线确定模块，用于根据预设视场确定目标光线，所述目标光线具体为：由所述光源生成的、可依次透过第N个透光层后投射至所述预设视场中的光线，N为大于1的整数；

参数调整模块，用于根据各目标光线在各透光层上的坐标信息调整各透光层的光处理参数，以在各透光层上显示用于组成对应所述预设视场的真三维图像的断层图像。

21.根据权利要求20所述的真三维显示控制装置，其特征在于，还包括坐标信息获取模块，用于根据各目标光线在任意两层透光层上的坐标信息获取各目标光线在其余各个透光层上的坐标信息。

22.根据权利要求20所述的真三维显示控制装置，其特征在于，所述参数调整模块获取的光处理参数为：使得透过各所述透光层的光线与所述目标光线之间的误差最小的光处理参数。

23.根据权利要求22所述的真三维显示控制装置，其特征在于，各所述透光层具体为空间光调制器，各所述透光层的光处理参数具体为空间光调制器的透光率函数值。

24.根据权利要求23所述的真三维显示控制装置，其特征在于，所述参数调整模块根据以下公式获取各个透光层的透光率函数值

${\arg \min }_A{\mathrm{\&Sigma;}}_{\&ForAll;(i_m,j_m,i_n,j_n)\&Element;M,A\&Element;[0,A_{\max }]}{\left|\begin{array}{c}T(i_m,j_m,i_n,j_n)-\\ I_0{a}_1^{i_m,j_m,i_n,j_n}{a}_2^{i_m,j_m,i_n,j_n}\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;a_N^{i_m,j_m,i_n,j_n}\end{array}\right|}^2$

其中1≤l≤N,1≤m≤M,1≤n≤N,A表示透光率函数，M代表所有目标光线组成的集合，为第l个透光层上，与所述目标光线对应的像素单元处的透光率函数值，I₀是所述光源的亮度，T(i_m,j_m,i_n,j_n)为目标光线，m、n表示所述多个透光层中的任意两个的序号，(i_m,j_m,i_n,j_n)为目标光线在第m个透光层和第n个透光层上的坐标信息。

25.根据权利要求24所述的真三维显示控制装置，其特征在于，所述参数调整模块通过最速下降法，共轭梯度法，牛顿法，变尺度法，鲍威尔法，单形替换法，随机方向法，复合形法，可行方向法，惩罚函数法，线性规划，遗传算法，神经网络或专家系统，对所述各个透光层的透光率函数值进行求解。

26.根据权利要求24所述的真三维显示控制装置，其特征在于，所述参数调整模块根据第k个透光层的旋转率函数值，求解第k+1个透光层的透光率函数旋转率函数值，以迭代求解各透光层的旋转率函数值，其中1≤k<N。

27.根据权利要求24所述的真三维显示控制装置，其特征在于，所述参数调整模块通过对以下公式两边取对数，求解线性方程的方式获取各个透光层的透光率函数值

$T(i_m,j_m,i_n,j_n)=I_0{\mathrm{\&Pi;}}_{l=1}^{N}a(i_l,j_l,k_l)$

其中，T(i_m,j_m，i_n，j_n)为目标光线，I₀是所述光源的亮度，a(i_l,j_l，k_l)为第l个透光层上、与所述目标光线对应的像素单元处的透光率函数值。

28.根据权利要求22所述的真三维显示控制装置，其特征在于，各所述透光层具体为极性光旋转器，各所述透光层的光处理参数具体为极性光旋转器的旋转率。

29.根据权利要求28所述的真三维显示控制装置，其特征在于，所述参数调整模块根据以下公式获取各个透光层的旋转率函数值

${\arg \min }_B{\mathrm{\&Sigma;}}_{\&ForAll;(i_m,j_m,i_n,j_n)\&Element;M,B\&Element;[0,A_{\max }]}{\left|\begin{array}{c}T(i_m,j_m,i_n,j_n)-\\ I_0(b_1^{i_m,j_m,i_n,j_n}+b_2^{i_m,j_m,i_n,j_n}+\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;+b_N^{i_m,j_m,i_n,j_n})\end{array}\right|}^2$

其中1≤l≤N,1≤m≤M,  1≤n≤N，B表示旋转率函数，M代表所有目标光线组成的集合，为第l个透光层上，与所述目标光线对应的像素单元处的旋转率函数值，I₀是所述光源的亮度，T(i_m,j_m,i_n,j_n)为目标光线，m、n表示所述多个透光层中的任意两个的序号，(i_m,j_m,i_n,j_n)为目标光线在第m个透光层和第n个透光层上的坐标信息。

30.根据权利要求29所述的真三维显示控制装置，其特征在于，所述参数调整模块通过最速下降法，共轭梯度法，牛顿法，变尺度法，鲍威尔法，单形替换法，随机方向法，复合形法，可行方向法，惩罚函数法，线性规划，遗传算法，神经网络或专家系统，对上述各个透光层的旋转率函数值进行求解。

31.根据权利要求29所述的真三维显示控制装置，其特征在于，所述参数调整模块根据第k个透光层的旋转率函数值，求解第k+1个透光层的透光率函数旋转率函数值，以迭代求解各透光层的旋转率函数值，其中1≤k<N。

32.根据权利要求24所述的真三维显示控制装置，其特征在于，所述参数调整模块通过求解以下线性方程的方式获取各个透光层的旋转率函数值

$T(i_m,i_m,i_n,j_n)=I_0\left(b_1^{k+1}+\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;+b_{l-1}^{k+1}+b_l^k+\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;+b_N^k\right)$

其中，T(i_m,j_m,i_n,j_n)为目标光线，I₀是所述光源的亮度，b(i_l,j_l,k_l)为第l个透光层上、与所述目标光线对应的像素单元处的透光率函数，k为透光层的序号，其中1≤k<N。

33.一种真三维显示系统，其特征在于，包括权利要求1-5任一项所述的真三维显示装置以及权利要求20-32任一项所述的真三维显示控制装置。