CN104122670A - 矩形球面光栅4d图片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的矩形球面光栅、4D图片设计方法以及随机中心网点印刷技术，较全面地解决了4D图片的设计、加工和材料问题。4D图片由矩形球面光栅和4D合成图构成，可分为3种类型：360°立体图像、活动的立体图像、翻变的立体图像，为印刷、文教用品特别是地面广告行业提供了一种全新类型的产品。与柱镜光栅立体图片相比，在观看方向上有更高的自由度，突出的优势在于可以在一张图片上展现“活动的立体图像”。
Description
技术领域：
本发明属于光学显示技术领域，涉及一种球面光栅的结构以及4D图片印刷的挂网方法。
背景技术：
光栅立体图片因其裸眼自由观看、立体感强及适应性好的优势，在摄影、广告、印刷和装饰等行业逐步得到普及。立体图片通常由柱镜光栅和3D合成图片复合构成，3D合成图片的特点在于图像细节丰富，信息量大，一般需要采用高精度的数码激光洗印、彩色写真喷绘、高网线印刷等方式输出。
专利申请99211778.X公开了4D光栅图片的基本结构，采用喷绘或三色激光洗印的方式可以实现近10幅光栅立体图像依次显示；专利申请03100612.4公开了一种改进的4D光栅图片，可显示立体图像数量成倍增加，这种图片对输出精度、光栅分光性能、光栅移动精度要求较高，成本居高不下；专利申请02125356.0公开了一种制作4D图片的正交光栅。这三个专利申请公开的4D图片均需要采用双层正交光栅，结构复杂，不宜采用印刷方式批量生产，难于推广普及。实际上，双层正交光栅实现的功能可以由90°的球面光栅完成，结构更简单、轻薄。
球面镜(1)实际上是一个球缺，如图1所示，通常采用两种排列方式构成球面光栅，其一是相邻球面镜中心连线呈90°的球面光栅，如图3A所示；其二是相邻球面镜中心连线呈60°的球面光栅，如图3B所示。球面光栅可以制作一种称之为360°立体的图案型3D图片，这种图片由重复性排列的图案或线条组成，立体感强，无视角切变，不晕眼，这些特征与图像型3D图片是十分不同的。图3所示的球面光栅可分为球面镜成像区(4)和非成像区(5)，直接透过非成像区(5)的图像形成灰雾干扰，这对形成清晰透彻的立体图像是十分不利的，但对图案型3D图片来说则没有多大影响。
我们通常把柱镜光栅构成的立体图片称之为3D图片，去除非成像区(5)的90°球面光栅有利于形成清晰的立体图像，这种矩形球面光栅相比于柱镜光栅多了一个维度，可以展现活动的立体图像，因此矩形球面光栅图片可以称之为4D图片。
发明内容：
本发明公开了一种矩形球面光栅的结构和4D图片设计方法，并结合了随机中心网点印刷技术，目的在于提供一种全新4D图片的印刷光栅材料和无网纹印刷挂网方法。
4D图片由矩形球面光栅和4D合成图构成，4D合成图可以印刷在纸张上与矩形球面光栅对位贴合，也可以直接印刷在光栅的背面。
下面说明实现4D图片印刷输出的过程。
将球缺沿底面内接矩形的四个边垂直裁切，形成矩形球面镜，如图2所示，矩形球面光栅由正交的矩形球面镜(6)排列而成，如图4所示。内接矩形的边长分别为a和b，一般情况下a＝b，矩形球面镜的中心距在水平X方向和垂直Y方向上是相等的，也就是说球面光栅在横向和纵向具有相同的栅距a。然而，有些时候我们要求4D图片变画的视角大于立体的视角，变画的序列数大于立体视点数，需要将b：a的值设定为1.4～2，a为横向立体栅距，b为纵向变画栅距。
用一个半径为r的球形钻头在金属平板表面的X、Y方向上打中心距分别为a、b的小孔，满足a2+b2＜4r2，小孔深度不小于弧高H，然后打磨抛光，就可以加工出矩形球面光栅模具，H＝r-0.5*sqrt(4*r2-(a2+b2))，其中sqrt为平方根符号。
合成4D图像需要用到二维的矩阵序列，这与柱镜光栅3D图片仅需要一维的视差序列是不同的。矩阵序列图像有3种类型：
①图像由矩阵相机拍摄，或者三维建模后用矩阵排列的相机3D渲染，或者采用平面转立体技术将一张平面照片模拟成矩阵序列图像，在X、Y方向均具有立体视差，经过正交抽样合成360°立体图像，将图像沿垂直于光栅面的轴线360°旋转时均可以看到立体图像。
②图像由水平排列的相机在一段时间内连续拍摄或3D渲染，或者采用平面转立体技术将一段视频图像全部模拟成立体序列图像，在X方向具有立体视差，在Y方向上形成时间序列变化，经过正交抽样合成4D图像，沿X轴翻转时可以看到活动的立体图像。
③由多组具有横向视差的序列图像组合成的矩阵序列，在X方向具有立体视差，在Y方向上形成翻变序列，经过正交抽样合成4D图像，沿X轴翻转时可以看到翻变的立体图像。
以上三种类型的矩阵序列图像均可用Tji来表示，i为X方向的序列编号，i＝1，2，3，……，I，I为横向序列图数量，j为Y方向的序列编号，j＝1，2，3，……，J，J为纵向序列图数量。矩阵序列图像排列如下：
设4D图片的尺寸为w*h，矩形球面光栅X、Y向栅距分别为a、b，需要对图像Tji插值缩放处理，将像素大小变成N*M，N＝w/a，M＝h/b，可保证每个矩形球面镜下都覆盖图像Tji对应区域的一个抽样像素Tji(x，y)(8)。一个矩形球面镜对应的像素集合称为一个4D像素(7)，用T(x，y)表示，即T(x，y)＝{Tji(x，y)}。(x，y)为矩形球面镜在球面光栅上的坐标，x＝1，2，3，……，N；y＝1，2，3，……，M。
所有的4D像素T(x，y)组成一幅完整的4D合成图像，如图5所示，这就是正交抽样合成的过程，有多种方法可实现正交抽样合成，但必须与上述结果具有等效性。4D合成图像的参数如下：
图像的尺寸(单位：mm) 宽度＝w，高度＝h；
图像的像素(单位：pixel) 宽度＝w*I/a，高度＝h*J/b；
图像的分辨率(单位：dpi) VX＝25.4*I/a，VY＝25.4*J/b。
4D合成图像可以采用写真喷绘、数码曝光、UV印刷等方式输出，输出时需要对图像作归一化插值处理，以消除图像与球面光栅复合后容易出现的网纹。归一化处理简单来说就是保持图像的尺寸不变，通过插值计算改变图像的像素，使图像的分辨率与输出设备的分辨率相同，或者为其整数分之一，对于大多数数码设备来说，VX＝VY。
UV直印是4D图片在成像效果、成本、效率上综合最优的生产方法。如果采用常规调幅挂网技术，无论四个色版的网角怎么分布，与球面光栅叠合时都避免不了形成明显的龟纹，即撞网不可避免。调频网在光栅立体印刷中因为“蚂蚁纹”及印刷工艺控制难等因素，表现不理想，应用较少。
与印刷行业采用的调幅挂网技术不同，本发明采用固定大小的网格(LX*LY)表示一个抽样像素，每个网格点代表一个激光点曝光位置，曝过光的点为黑点，代表有油墨，没曝过光的点为白点，代表无油墨，黑点的数量或面积比例代表相应的灰度值。以一个抽样像素(8)或者一个4D像素(7)为网格化处理单元，图像网格化方法遵循如下规则：①曝光点的聚集中心(9)在网格中随机分布，如图6所示；②从聚集中心(9)开始，曝光点(10)像种子往四周生长，到达网格边界时停止，曝光点以团状聚集；③未曝光点也尽可能以团状聚集，避免在网格中形成窄线条被扩大的曝光点淹没，当灰度值较小时也可以未曝光点为聚集中心。显然，网格化方法兼顾了调幅网聚集分布以及调频网随机分布的特点，曝光点聚集有利于灰阶的准确性，可以减少丢点、减小网点扩大率；聚集中心随机分布，可以解决四个色版之间、各色版与球面光栅之间的“撞网”问题。
如果直接将4D合成图像网格化处理，则1bit TIF图像的分辨率变为VX＝25.4*I*LX/a，VY＝25.4*J*LY/b，这里涉及到与激光照排机或者CTP横纵向输出分辨率VLX、VLY的匹配问题，需要对图像进行归一化插值处理。归一化后的4D图像像素为(单位：pixel)宽度＝w*VLX/LX/25.4，高度＝h*VLY/LY/25.4，图像的尺寸和分辨率这时已无实际意义。网格化处理后，1bit TIF图像像素为(单位：pixel)宽度＝w*VLX/25.4，高度＝h*VLY/25.4；图像的尺寸(单位：mm)为宽度＝w，高度＝h；图像的分辨率(单位：dpi)为VX＝VLX，VY＝VLY。与CTP的输出分辨率完全匹配。
在大多数情况下，激光照排机或者CTP的横纵向输出分辨率均为V，且采用正方形网格，参数可以得到简化，V＝VLX＝VLY，L＝LX＝LY；当矩形球面光栅X、Y向栅距a＝b时，问题得到进一步的简化。用来合成4D图像的矩阵序列图像的序列数I和J的取值可以进行优化，I取最接近V*a/L/25.4的整数，J取最接近V*b/L/25.4的整数。
归一化处理后的4D合成图像进行分色处理，分解成CMYK四个单色文件，进行下一步网格化处理，下面的段落讲述网格化方法。
对每个像素点来说，根据网格化规则，先在网格中随机选择一点作为聚集中心首先曝光，然后在邻近点曝光，到达网格边界时转向其它方向的邻近点，直到处理完整个网格，曝光点以团状聚集。整个过程运算量大，效率不够高，需要进行简化处理。
提供一种简化的着色算法实现像素快速网格化。分别按照聚集中心出现在网格的四个边角和中心位置，建立五个二维数组G[LX][LY]。每个数组按曝光点出现的先后顺序给数组元素赋值，例如第一个曝光点出现在网格的中间，将中间位置的数组元素赋值1；第二个曝光点出现在第一曝光点的左侧，将该位置的数组元素赋值2；第三个曝光点出现在第一曝光点的下侧，将该位置的数组元素赋值3；......；设第K个曝光点出现在第j行第i列，则G[j][i]＝K。灰度值为C的像素，0≤C≤255，网格化后共有(255-C)*LX*LY/255个曝光点，如果G[j][i]≤(255-C)*LX*LY/255，则该点为曝光点，否则为白点，此过程编制成程序后让计算机自动处理实现网格化。以一个抽样像素或者一个4D像素为一个点集，随机选取一个二维数组G[LX][LY]进行网格化处理，下面的网格数据表为一个典型例子：
附图说明：
图1A是球缺构成球面镜的俯视图，图1B是球缺构成球面镜的侧视图。
图2A是由球缺底面内接矩形裁切而成的矩形球面镜俯视图，图2B是矩形球面镜侧视图。
图3A是球面镜构成的90°球面光栅示意图，图3B是球面镜构成的60°球面光栅示意图。
图4是矩形球面镜构成的矩形球面光栅俯视图。
图5是4D图片的正交抽样合成示意图。
图6随机聚集中心网格示意图。
图7是4D图片的结构示意图。
上述各附图中的图示标号为：
1球面镜，2矩形球面镜的球面，3矩形球面镜的侧切面，4球面镜成像区，5球面光栅非成像区，6矩形球面镜，7矩形球面镜对应的4D像素，8抽样像素，9网格的种子中心，10激光曝光点，11球面光栅的透明平板，124D合成图片。
本发明公开的矩形球面光栅、4D图片设计方法以及随机中心网点印刷技术，较全面地解决了4D图片的设计、加工和材料问题，为印刷、文教用品特别是地面广告行业提供了一种全新类型的产品。与柱镜光栅立体图片相比，在观看方向上有更高的自由度，突出的优势在于可以在一张图片上展现“活动的立体图像”。
具体实施方式：
实施例一，制作幅面400mm*300mm，矩形球面光栅栅距a＝b＝0.3617mm的翻变4D图片。
用相机在滑轨上移动拍摄立体图像，每组拍10幅，共5组不同画面。由这些图像组成的矩阵序列在X方向具有立体视差，在Y方向上形成翻变序列，将10*5幅图像一致裁切，非等比压缩调整为1106*830像素，实际尺寸精确为400.04mm*300.21mm。经过正交抽样4D合成，像素大小变成11060*4150，采用6*6网格，CTP印版的输出精度为4800dpi*2400dpi，需要将4D合成图像归一化插值处理成12600*4728像素。然后分色成CMYK文件，网格化处理成四张75600*28368像素的1bit TIF图像，增加套印标记，曝光输出CTP版，将图像UV直印在矩形球面光栅的背面，与光栅一起形成翻变4D图片，沿X轴翻转时可以看到翻变的立体图像。
实施例二，制作幅面600mm*600mm，矩形球面光栅栅距a＝0.3617mm，b＝0.635mm的活动4D图片。
用10台水平排列的相机在一段时间内连续拍摄图像，每组10幅，共20组图像组成的矩阵序列在X方向具有立体视差，在Y方向上形成时间序列变化，将10*20幅图像一致裁切，非等比压缩调整为1659*945像素，实际尺寸精确为600.06mm*600.08mm。经过正交抽样4D合成，像素大小变成16590*18900，采用6*6网格，CTP印版的输出精度为4000dpi*4000dpi，需要将4D合成图像归一化插值处理成15750*15750像素。然后分色成CMYK文件，网格化处理成四张94500*94500像素的1bit TIF图像，增加套印标记，曝光输出CTP版，将图像UV直印在矩形球面光栅的背面，与光栅一起形成活动4D图片，沿X轴翻转时可以看到活动的立体图像，可以应用于地面广告。
实施例三，制作幅面400mm*400mm，矩形球面光栅栅距a＝b＝0.3617mm的360°4D图片。
采用10*10台矩阵排列的相机拍摄立体图像，每组10幅，共10组图像组成的矩阵序列在X、Y方向均具有立体视差，将10*10幅图像一致裁切，非等比压缩调整为1106*1106像素，实际尺寸精确为400.04mm*400.04mm。经过正交抽样4D合成，像素大小变成11060*11060，采用6*6网格，CTP印版的输出精度为4000dpi*4000dpi，需要将4D合成图像归一化插值处理成10500*10500像素。然后分色成CMYK文件，网格化处理成四张63000*63000像素的1bit TIF图像，增加套印标记，曝光输出CTP版，将图像UV直印在矩形球面光栅的背面，与光栅一起形成360°立体图像，将图像沿垂直于光栅面的轴线旋转时均可以看到立体图像，可以应用于地面广告。
本发明中，矩形球面光栅模具的加工成本较高，导致其栅距规格不宜太多，一个廉价的替代方案是，采用双层柱镜光栅正交叠放，光栅面对光栅面四周贴合成一体替代矩形球面光栅。
Claims (9)
1.一种4D图片，其特征在于，由矩形球面光栅和4D合成图构成，4D合成图可以印刷在纸张上与矩形球面光栅对位贴合，也可以直接印刷在光栅的背面，矩形球面光栅可以采用光栅面对光栅面的双层柱镜光栅正交叠放来替代。
2.如权利要求1所述的4D图片，其特征还在于，将球缺沿底面内接矩形的四个边垂直裁切，形成矩形球面镜，矩形球面光栅由正交的矩形球面镜排列而成，内接矩形的边长分别为a和b。
3.如权利要求2所述的4D图片，其特征还在于，图像由矩阵相机拍摄，或者三维建模后用矩阵排列的相机3D渲染，或者采用平面转立体技术将一张平面照片模拟成矩阵序列图像，在X、Y方向均具有立体视差，经过正交抽样合成360°立体图像，将图像沿垂直于光栅面的轴线360°旋转时均可以看到立体图像。
4.如权利要求2所述的4D图片，其特征还在于，图像由水平排列的相机在一段时间内连续拍摄或3D渲染，或者采用平面转立体技术将一段视频图像全部模拟成立体序列图像，在X方向具有立体视差，在Y方向上形成时间序列变化，经过正交抽样合成4D图像，沿X轴翻转时可以看到活动的立体图像。
5.如权利要求2所述的4D图片，其特征还在于，由多组具有横向视差的序列图像组合成的矩阵序列，在X方向具有立体视差，在Y方向上形成翻变序列，经过正交抽样合成4D图像，沿X轴翻转时可以看到翻变的立体图像。
6.如权利要求2所述的4D图片，其特征还在于，采用固定大小的网格(LX*LY)表示一个抽样像素，每个网格点代表一个激光点曝光位置，曝光点的数量或面积比例代表相应的灰度值，像素网格化处理遵循的规则为①曝光点的聚集中心在网格中随机分布，②从聚集中心开始，曝光点像种子往四周生长，到达网格边界时停止，曝光点以团状聚集，③未曝光点也尽可能以团状聚集，避免在网格中形成窄线条被扩大的曝光点淹没，当灰度值较小时也可以以未曝光点为聚集中心。
7.如权利要求6所述的4D图片，其特征还在于，采用着色算法实现像素快速网格化，分别按照聚集中心出现在网格的四个边角和中心位置，建立五个二维数组G[LX][LY]，每个数组按曝光点出现的先后顺序给数组元素赋值，设第K个曝光点出现在网格的第j行第i列，则G[j][i]＝K，灰度值为C的像素，0≤C≤255，网格化后共有(255-C)*LX*LY/255个曝光点，如果G[j][i]≤(255-C)*LX*LY/255，则该点为曝光点，否则为白点，此过程编制成程序后让计算机自动处理实现网格化，以一个抽样像素或者一个4D像素为一个点集，随机选取一个二维数组G[LX][LY]进行网格化处理。
8.如权利要求2所述的4D图片，其特征还在于，球面光栅每个矩形球面镜的长宽比为1∶1，即矩形球面镜的中心距在水平X方向和垂直Y方向上是相等的，也就是说球面光栅在横向和纵向具有相同的栅距a。
9.如权利要求4、5所述的4D图片，其特征还在于，球面光栅每个矩形球面镜的长宽比b∶a的值为1.4～2。
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