CN104168472A - 一种显示参数可交互控制的集成成像显示系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种显示参数可交互控制的集成成像显示系统及其控制方法，所述系统包括显示面板，用于显示单元图像阵列；单元透镜阵列，用于对显示面板显示的单元图像阵列进行3D重构，还包括用于生成掩模图案序列的液晶面板，所述液晶面板置于显示面板和单元透镜阵列之间，且液晶面板贴合所述单元透镜阵列，显示面板位于单元透镜阵列的后焦平面上；该系统通过交替变换控制液晶面板所生成的掩模图案序列来动态控制每个单元透镜的孔径形状和透过率，从而控制系统的重构图像分辨率或重构图像景深或者统视场角。本发明具有对所述三个显示参数交互控制能力强的优点，可用于裸眼3D图像显示、3D电视等领域。

Description

一种显示参数可交互控制的集成成像显示系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及3D显示技术，尤其涉及一种显示参数可交互控制的集成成像显示系统及其控制方法。

背景技术

集成成像技术是一种真3D显示技术。与其它3D显示技术相比，集成成像具有系统结构简单、无需相干光源，能提供连续观察点、全真彩色图像等优点，从而成为真3D立体显示领域中的重要研究方向,在3D立体显示、3D立体电视3DTV等领域具有广阔的应用前景。

集成成像是一种采用透镜阵列实现3D目标立体特征信息的记录和再现显示的新型3D图像技术，它包括场景记录和重构显示两个阶段。在场景记录阶段，记录透镜阵列会聚3D目标的不同角度光线信息，在位于透镜阵列焦平面的图像记录设备上形成视差不同的单元图像；在重构显示阶段，单元图像通过显示面板显示，由空间尺寸匹配的重构透镜阵列进行会聚还原，根据光路可逆原理，可获得3D场景的全真立体图像。但由于显示器像素尺寸和透镜尺寸等因素的限制，集成成像系统存在重构图像分辨率较低，重构图像景深较小以及系统视场角太窄等问题，无法满足裸眼3D显示的需求。

国内外研究者分别针对重构图像分辨率、重构图像景深以及系统视场角提高提出了许多解决方案。然而，在集成成像系统中,重构图像分辨率、重构图像景深以及系统视场角这三个显示参数存在相互制约的关系。此外，对于传统的集成成像方法，一个显示系统的组成结构一旦确定，其显示参数就会确定。因此，对于传统的集成成像显示系统，当需要交互控制重构图像分辨率、重构图像景深以及系统视场角时，就要改变系统的结构设置。这限制了集成成像显示系统交互控制重构图像分辨率、重构图像景深以及系统视场角的这三个显示参数功能。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种能够在不改变系统结构设置的情况下就能够对重构图像分辨率、重构图像景深、系统视场角这三个显示参数进行交互控制的集成成像显示系统及其控制方法。

一种显示参数可交互控制的集成成像显示系统，包括显示面板，用于显示单元图像阵列；单元透镜阵列，用于对显示面板显示的单元图像阵列进行3D重构，还包括用于生成掩模图案序列的液晶面板，所述液晶面板置于显示面板和单元透镜阵列之间，且液晶面板贴合所述单元透镜阵列，显示面板位于单元透镜阵列的后焦平面上；该系统通过交替变换控制液晶面板所生成的掩模图案序列来动态控制每个单元透镜阵列的孔径形状和透过率，从而控制系统的重构图像分辨率或重构图像景深或者统视场角。

一种显示参数可交互控制的集成成像控制方法，包括：通过交替变换液晶面板上生成掩模图案序列来动态地控制每个单元透镜的孔径形状和透过率，最终实现对重构图像分辨率的要求或者实现对重构图像景深的要求或者实现对系统视场角的要求。

进一步地，如上所述的显示参数可交互控制的集成成像控制方法，包括以下步骤：

步骤1：确定系统参数，确定单元透镜的尺寸P_L，单元透镜的焦距为f，透镜阵列包含m×n个单元透镜，水平方向上m个单元透镜，垂直方向上n个单元透镜，单元图像的尺寸为P_I，每个单元图像的像素数目N；

步骤2:根据对重构图像深度z处要求的分辨率为R_z；在P_L＝P_I情况下，生成由K²个掩膜图案组成的掩模图案序列；通过每个掩模图案使单元透镜孔径的1/K²为透明状态,其余部分的透过率为0，掩模图案之间的透明区域不重叠，使K满足公式(1)，

$R_z=\frac{\mathrm{KNf}}{(\mathrm{Nf}+\mathrm{zK})D_L}---\left(1\right);$

其中，D_L为系统在中央深度平面L处的弥散斑大小。

步骤3：在人眼的响应时间内，利用人眼的视觉暂留效应和液晶面板的快速刷新能力，连续变换掩模图案序列，调谐每一个单元透镜的孔径形状和透过率，同时，相应的单元图像阵列由显示面板同步显示，重构出所要求的3D图像。

进一步地，如上所述的显示参数可交互控制的集成成像控制方法，包括以下步骤：

步骤1：确定系统参数，确定单元透镜的尺寸P_L，单元透镜的焦距为f，透镜阵列包含m×n个单元透镜，水平方向上m个单元透镜，垂直方向上n个单元透镜，单元图像的尺寸为P_I，每个单元图像的像素数目N；

步骤2：根据重构图像景深的要求为：深度为Δz_f，在P_L＝P_I情况下，生成由K²个掩膜图案组成的掩模图案序列；通过每个掩模图案使单元透镜孔径的1/K²为透明状态,其余部分的透过率为0，掩模图案之间的透明区域不重叠，使K满足公式(2)，

$\mathrm{\Δ}{z}_f=2\mathrm{Nf}[\frac{D_0}{D_L}-\frac{1}{K}]---\left(2\right);$

式中，D_L为系统在中央深度平面L处的弥散斑大小,D₀为人眼可接受弥散斑的大小的最小值。

步骤3：在人眼的响应时间内，利用人眼的视觉暂留效应和液晶面板的快速刷新能力，连续变换掩模图案序列，调谐每一个单元透镜的孔径形状和透过率，同时，相应的单元图像阵列由显示面板同步显示，重构出所要求的3D图像。

进一步地，如上所述的显示参数可交互控制的集成成像控制方法，包括以下步骤：

步骤1：确定系统参数，在P_L＝P_I情况下，确定单元透镜的尺寸P_L，单元透镜的焦距为f，透镜阵列包含m×n个单元透镜，水平方向上m个单元透镜，垂直方向上n个单元透镜，单元图像的尺寸为P_I，每个单元图像的像素数目N；

步骤2：根据系统视场角为θ，通过每个掩模图案使每K²个单元透镜组成的正方形区域中的1个单元透镜的孔径为透明状态,其透镜的透过率为0，掩模图案之间的透明区域不重叠,缩放单元图像尺寸为D_L＝K×D_I，使K满足公式(3)：

$\mathrm{\θ}=2\arctan \frac{D_L}{2f}=2\arctan \frac{K\×D_I}{2f}---\left(3\right)$

步骤3：由K²个掩膜图案透明部分与单元图像阵列中对应的单元图像按原顺序关系组成K²个新单元图像阵列，且新单元图像阵列与掩膜图案组成一一对应关系，并缩放单元图像尺寸为P_I＝K×P_L；

步骤4：在人眼的响应时间内，利用人眼的视觉暂留效应和液晶面板的快速刷新能力，连续变换掩模图案序列，调谐每一个单元透镜的孔径形状和透过率，同时，相应的单元图像阵列由显示面板同步显示，重构出所要求的3D图像。

本发明提供的显示参数可交互控制的集成成像显示系统及其控制方法，具有以下有益效果：

1.本发明由于单元透镜的孔径是可调谐的，因此，可以交互控制重构图像分辨率、重构图像景深以及系统视场角这三个显示参数，这克服了传统系统显示参数交互控制能力不足的问题；

2.本发明由于掩膜图案序列是控制液晶面板动态生成的，与传统系统相比，对于显示参数的改变，无需改变系统的结构设置，因此，系统的灵活度很高，利于系统显示参数的交互控制。

3.该系统不存在因高阶衍射和多级焦点而导致的重构图像降质的问题。

附图说明

图1为本发明集成成像显示系统结构示意图；

图2a为系统在t1时刻生成的掩膜图案；

图2b为系统在t2时刻生成的掩膜图案；

图2c为系统在t3时刻生成的掩膜图案；

图2d为系统在t4时刻生成的掩膜图案。

图3a为本发明集成成像显示系统在液晶面板生成图2a掩膜图案时的3D重构图像示意图；

图3b为本发明集成成像显示系统在液晶面板生成图2c掩膜图案时的3D重构图像示意图；

图3c为本发明集成成像显示系统液在晶面板交替变换图2a掩膜图案和图2c掩膜图案时人眼观看到的3D重构图像显示示意图。

附图标记说明：

1：显示面板，2：透镜阵列，3：3D重构图像，4：观察者，5：液晶面板掩模图案状态一，6:液晶面板掩模图案状态二，7：液晶面板。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明集成成像显示系统结构示意图；请参阅图1，本发明的显示参数可交互控制的集成成像显示系统的示意图，该系统包括显示面板1、透镜阵列2和置于显示面板1、透镜阵列2之间的液晶面板7，其中透镜阵列2与液晶面板7贴合，显示面板1位于透镜阵列2的后焦平面上，该系统通过控制液晶面板7生成掩模图案序列，动态控制每个单元透镜的孔径形状和透过率，从而控制系统的重构图像分辨率、重构图像景深以及系统视场角，在人眼的反应时间内，利用液晶面板7的快速刷新能力，交替变换掩膜图案序列，重构出3D图像。

本发明所述的显示参数可交互控制的集成成像显示系统，在不改变系统结构设置的情况下，可以根据对三个参数的需求交替变换掩膜图案序列，通过掩膜图案序列的变化来控制每个单元透镜的孔径形状和透过率，最终实现重构图像分辨率的要求或者实现重构图像景深的要求或者实现系统视场角的要求。

具体技术方案如下：

步骤一，确定显示系统的参数

确定单元透镜的尺寸D_L，单元透镜的焦距为f，透镜阵列包含m×n个单元透镜，水平方向上m个单元透镜，垂直方向上n个单元透镜，单元图像的尺寸为D_I，显示面板的像素尺寸p；单元图像一维方向的像素个数N；

步骤二，根据对所述的三个显示参数的不同要求分别生成相应的掩模图案。

具体的，对于重构图像深度z处要求的分辨率为R_z；在P_L＝P_I情况下，生成由K²个掩膜图案组成的掩模图案序列；通过每个掩模图案使单元透镜孔径的1/K²为透明状态,其余部分的透过率为0，掩模图案之间的透明区域不重叠，使K满足公式(1)，

$R_z=\frac{\mathrm{KNf}}{(\mathrm{Nf}+\mathrm{zK})D_L}---\left(1\right);$

对于重构图像景深的要求为：深度为Δz_f，在P_L＝P_I情况下，生成由K²个掩膜图案组成的掩模图案序列；通过每个掩模图案使单元透镜孔径的1/K²为透明状态,其余部分的透过率为0，掩模图案之间的透明区域不重叠，使K满足公式(2)，

$\mathrm{\Δ}{z}_f=2\mathrm{Nf}[\frac{D_0}{D_L}-\frac{1}{K}]---\left(2\right);$

式中，D_L为系统在中央深度平面L处的弥散斑大小,D₀为人眼可接受弥散斑的大小。

对于系统视场角为θ的要求，在P_L＝P_I情况下，生成由K²个掩膜图案组成的掩模图案序列，通过每个掩模图案使每K²个单元透镜组成的正方形区域中的1个单元透镜的孔径为透明状态,其透镜的透过率为0，掩模图案之间的透明区域不重叠,缩放单元图像尺寸为D_L＝K×D_I，其中，K值由式(3)确定；

$\mathrm{\θ}=2\arctan \frac{D_L}{2f}=2\arctan \frac{K\×D_I}{2f}---\left(3\right);$

由K²个掩膜图案透明部分与单元图像阵列中对应的单元图像按原顺序关系组成K²个新单元图像阵列，且新单元图像阵列与掩膜图案组成一一对应关系，并缩放单元图像尺寸为P_I＝K×P_L；

为了方便说明,以本发明的一个典型实例进行说明，设单元透镜阵列包含5×5个单元透镜，当由要求深度z处的观看分辨率为R_z计算求得K＝2时，如图2a-2d为生成的掩膜图案序列，由在不同时刻(t1、t2、t3、t4)生成的4个掩模图案组成，每个掩模图案使单元透镜孔径的1/K²＝1/4为透明状态,其余部分的透过率为0。

步骤三：重构显示

为了方便说明对应于生成掩膜图案步骤中所述的的典型实例，附图3a-3c为其一维方向的重构示意图，如图3a-3c所示，图3a为系统在液晶面板生成图2a掩膜图案时的3D重构图像示意图，其中，每一个单元透镜的上半部分是透过的，如图3b为系统在液晶面板生成图2c掩膜图案时的3D重构图像示意图，每一个单元透镜的下半部分是透过的，在人眼的响应时间内，利用人眼的视觉暂留效应和LC面板的快速刷新能力，连续、交替变换图2a-2d的掩模图案，调谐每一个单元透镜的下半部分孔径和上半部分孔径的透过状态，同时，相应的单元图像阵列由显示面板1同步显示，如图3c为人眼观察到的图3a和图3b的等效叠加，所重构出的3D图像3。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种显示参数可交互控制的集成成像显示系统，包括显示面板，用于显示单元图像阵列；单元透镜阵列，用于对显示面板显示的单元图像阵列进行3D重构，其特征在于，还包括用于生成掩模图案序列的液晶面板，所述液晶面板置于显示面板和单元透镜阵列之间，且液晶面板贴合所述单元透镜阵列，显示面板位于单元透镜阵列的后焦平面上；该系统通过交替变换控制液晶面板所生成的掩模图案序列来动态控制每个单元透镜阵列的孔径形状和透过率，从而控制系统的重构图像分辨率或重构图像景深或者统视场角。

2.一种显示参数可交互控制的集成成像控制方法，其特征在于，包括：通过交替变换液晶面板上生成掩模图案序列来动态地控制每个单元透镜的孔径形状和透过率，最终实现对重构图像分辨率的要求或者实现对重构图像景深的要求或者实现对系统视场角的要求。

3.根据权利要求2所述的显示参数可交互控制的集成成像控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：确定系统参数，确定单元透镜的尺寸P_L，单元透镜的焦距为f，透镜阵列包含m×n个单元透镜，水平方向上m个单元透镜，垂直方向上n个单元透镜，单元图像的尺寸为P_I，每个单元图像的像素数目N；

步骤2:根据对重构图像深度z处要求的分辨率为R_z；在P_L＝P_I情况下，生成由K²个掩膜图案组成的掩模图案序列；通过每个掩模图案使单元透镜孔径的1/K²为透明状态,其余部分的透过率为0，掩模图案之间的透明区域不重叠，使K满足公式(1)，

$R_z=\frac{\mathrm{KNf}}{(\mathrm{Nf}+\mathrm{zK})D_L}---\left(1\right);$

其中，D_L为系统在中央深度平面L处的弥散斑大小；

步骤3：在人眼的响应时间内，利用人眼的视觉暂留效应和液晶面板的快速刷新能力，连续变换掩模图案序列，调谐每一个单元透镜的孔径形状和透过率，同时，相应的单元图像阵列由显示面板同步显示，重构出所要求的3D图像。

4.根据权利要求2所述的显示参数可交互控制的集成成像控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：确定系统参数，确定单元透镜的尺寸P_L，单元透镜的焦距为f，透镜阵列包含m×n个单元透镜，水平方向上m个单元透镜，垂直方向上n个单元透镜，单元图像的尺寸为P_I，每个单元图像的像素数目N；

步骤2：根据重构图像景深的要求为：深度为Δz_f，在P_L＝P_I情况下，生成由K²个掩膜图案组成的掩模图案序列；通过每个掩模图案使单元透镜孔径的1/K²为透明状态,其余部分的透过率为0，掩模图案之间的透明区域不重叠，使K满足公式(2)，

$\mathrm{\Δ}{z}_f=2\mathrm{Nf}[\frac{D_0}{D_L}-\frac{1}{K}]---\left(2\right);$

式中，D_L为系统在中央深度平面L处的弥散斑大小,D₀为人眼可接受弥散斑的大小的最小值；

步骤3：在人眼的响应时间内，利用人眼的视觉暂留效应和液晶面板的快速刷新能力，连续变换掩模图案序列，调谐每一个单元透镜的孔径形状和透过率，同时，相应的单元图像阵列由显示面板同步显示，重构出所要求的3D图像。

5.根据权利要求2所述的显示参数可交互控制的集成成像控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：确定系统参数，确定单元透镜的尺寸P_L，单元透镜的焦距为f，透镜阵列包含m×n个单元透镜，水平方向上m个单元透镜，垂直方向上n个单元透镜，单元图像的尺寸为P_I，每个单元图像的像素数目N；

步骤2：根据系统视场角为θ，在P_L＝P_I情况下，通过每个掩模图案使每K²个单元透镜组成的正方形区域中的1个单元透镜的孔径为透明状态,其透镜的透过率为0，掩模图案之间的透明区域不重叠,缩放单元图像尺寸为D_L＝K×D_I，使K满足公式(3)：

$\mathrm{\θ}=2\arctan \frac{D_L}{2f}=2\arctan \frac{K\×D_I}{2f}---\left(3\right);$

步骤3：由K²个掩膜图案透明部分与单元图像阵列中对应的单元图像按原顺序关系组成K²个新单元图像阵列，且新单元图像阵列与掩膜图案组成一一对应关系，并缩放单元图像尺寸为P_I＝K×P_L；

步骤4：在人眼的响应时间内，利用人眼的视觉暂留效应和液晶面板的快速刷新能力，连续变换掩模图案序列，调谐每一个单元透镜的孔径形状和透过率，同时，相应的单元图像阵列由显示面板同步显示，重构出所要求的3D图像。