CN105657410B - 一种桌面式的裸眼3d显示系统 - Google Patents

一种桌面式的裸眼3d显示系统 Download PDF

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Abstract

本发明实施例公开了一种桌面式的裸眼3D显示系统，所述的系统包括：高速投影仪、被分为预定数量分区的光场功能屏和用于驱动所述光场功能屏旋转的旋转装置；高速投影仪，将从图像处理设备接收的编码后与所述预定数量相等的视差子图，分别刷新到所述光场功能屏上对应的分区，其刷新频率与所述的光场功能屏的转速匹配；光场功能屏，将各个分区上接收到的视差子图偏转预定偏转角度并沿预定方向扩散相对应的预定扩散角度，以形成立体图像。应用本发明实施例，实现了大尺寸高分辨率的3D图像。

Description

一种桌面式的裸眼3D显示系统
技术领域
本发明涉及裸眼3D显示领域，特别涉及一种桌面式的裸眼3D显示系统。
背景技术
自由立体显示提供了一种新型的立体观察手段，它最大的优点就在于不需要借助任何辅助手段就可以体验到真实的三维立体图像。实现自由立体显示是一个复杂且技术含量高的过程，其显示的视差图越多，观察到的立体感越强。
现有的基于高速投影仪和旋转屏的裸眼3D显示系统虽然可以实现360度范围内观看3D效果，但是这种系统具有两个明显的不足：
(1)对于高速投影仪的刷新速率有着较高的要求，这样就意味着旋转屏必须以一定的速度旋转，当旋转屏的屏幕面积较大时，会导致较大的转动惯量从而无法实现。
(2)旋转屏是由空间较大的菲涅尔透镜组成，由于信息再现是基于视点成像的，不能够提供真实物体的物理深度，且由于像差的影响，最终合成图像的分辨率会大为下降。
发明内容
本发明实施例公开了一种桌面式的裸眼3D显示系统，实现了大尺寸高分辨率的3D图像。
为达到上述目的，本发明实施例公开了一种桌面式的裸眼3D显示系统，所述系统包括：高速投影仪、被分为预定数量分区的光场功能屏和用于驱动所述光场功能屏旋转的旋转装置；
高速投影仪，将从图像处理设备接收的编码后与所述预定数量相等的视差子图，分别刷新到所述光场功能屏上对应的分区，所述高速投影仪的刷新频率与所述光场功能屏的转速匹配；
光场功能屏，将各个分区上接收到的视差子图偏转预定偏转角度并沿预定方向扩散相对应的预定扩散角度，以形成立体图像。
较佳的，所述各个分区的视差子图的内容相同或不同。
较佳的，所述刷新频率为：
刷新频率＝N/t
其中，t为预设的人眼的视觉暂留时间，N为高速投影仪在时间t内刷新的图像帧数。
较佳的，所述光场功能屏包括：从上到下依次连接的棱镜转换单元、耐高温聚酯薄膜PET膜和微透镜阵列；
所述棱镜转换单元为具有棱镜转换结构的辊筒对涂覆有液态紫外固化胶的PET膜第一面压印后经紫外光源照射后将棱镜转换结转移到PET膜而成；所述微透镜阵列为具有微透镜结构的辊筒对涂覆有液态紫外固化胶的PET膜第二面压印后经紫外光源照射后将棱镜转换结转移到PET膜而成。
较佳的，所述微透镜阵列中的每一个透镜均为与PET膜相连的面为平面的透镜。
较佳的，所述棱镜转换单元中的每一个棱镜均为与PET膜相连的面为平面的棱镜。
较佳的，所述沿预定方向扩散相对应的预定扩散角度，包括：
沿水平方向扩散第一预定扩散角度和沿竖直方向扩散第二预定扩散角度；
其中，所述第一预定扩散角度的计算公式为；
其中，θ水平为第一预定扩散角度，f为透镜单元的焦距，p为透镜单元的孔径；
所述第二预定扩散角度的计算公式为：
其中，θ竖直为第二预定扩散角度，为光线在光场功能屏上的最大出射角，为光线在光场功能屏上最小出射角。
较佳的，所述预定偏转角度的计算公式为：
其中，θ偏转为预定偏转角度，为光线在光场功能屏上最大出射角，为光线在光场功能屏上最小出射角。
由上述技术方案可见，本发明实施例提供了一种桌面式的裸眼3D显示系统，系统包括：高速投影仪、屏幕被分为预定数量分区的光场功能屏和用于驱动所述光场功能屏旋转的旋转装置，高速投影仪，将从图像处理设备接收的编码后与所述预定数量相等的视差子图，分别刷新到所述光场功能屏上对应的分区，高速投影仪刷新频率与所述的光场功能屏的转速匹配；光场功能屏，将各个分区上接收到的视差子图通过所对应的光学结构偏转预定偏转角度并沿预定方向扩散相对应的预定扩散角度，以形成立体图像。本发明实施例中，通过对光场功能屏进行分区，降低了屏幕的旋转速度，从而能够实现大尺寸，光场功能屏将编码后的视差子图偏转预定偏转角度并沿预定方向扩散相对应的预定扩散角，能够提供真实物体的物理深度且不存在像差，实现高分辨率的3D图像。
当然，实施本发明的任一产品或方法必不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种桌面裸眼3D显示系统的结构示意图；
图2为本发明实施例光场重建原理示意图；
图3为本发明实施例中的光场功能屏的制作示意图；
图4为本发明实施例中的光场功能屏径向的剖视图；
图5为本发明实施例中的第一预定扩散角度计算原理图；
图6为本发明实施例中的光场功能屏入射光线与出射光线的角度关系示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。
参照图1，本发明实施例提供的一种桌面式的裸眼3D显示系统，该系统包括：高速投影仪110、被分为预定数量分区的光场功能屏120和用于驱动该光场功能屏120旋转的旋转装置(图中未示出)；
高速投影仪110，将从图像处理设备接收的编码后与所述预定数量相等的视差子图，分别刷新到该光场功能屏120上对应的分区，高速投影仪110刷新频率与光场功能屏120的转速匹配；
光场功能屏120，将各个分区上接收到的视差子图偏转预定偏转角度并沿预定方向扩散相对应的预定扩散角度，以形成立体图像。
不难理解的是，高速投影仪110相较于普通的投影仪，最突出的特点是高帧速率和低延迟，能快速刷新投影的内容。光场功能屏120具有预定数量的分区，能够降低光场功能屏的旋转速度，假设同样面积的光场功能屏120与旋转屏，光场功能屏120有4个分区，则光场功能屏120的旋转速度为旋转屏的旋转速度的四分之一，所以本发明实施例提供的光场功能屏120能够实现大尺寸，通过图1可知，光场功能屏120将编码后的视差子图在不同的方向成像，能够提供真实物体的物理深度，由于，只利用光场功能屏120将编码后的视差子图偏转预定偏转角度并沿预定方向扩散相对应的预定扩散角度，没有通过利用光场功能屏120的成像性质对编码后的视差子图进行成像，所以不存在像差，最终合成高分辨率的3D图像。
下面以光场功能屏120其中的一个分区对本发明实施例能够实现3D图像显示进行说明，假设该分区为分区A，如图2所示，观察者位于固定的位置V，当光场功能屏120旋转到Pi位置时，观察者在光场功能屏120上看到的是以SiTi为中心线的条纹状图像，该图像为此时刻高速投影仪110刷新的视差子图的一部分，条纹的宽度取决于投影镜头的宽度和光场功能屏120的水平扩散角。当光场功能屏120旋转到Pi+1位置时，观察者在光场功能屏120上看到的是以Si+1Ti+1为中心线的条纹状图像，该图像为下一时刻高速投影仪110刷新的编码视差子图的一部分。在光场功能屏120从Pi旋转到Pi+1的过程中，位于固定位置V的观察者看到的是图2中的阴影部分SiTiTi+1Si+1的条纹状子图。
由此分析可以得知，通过人眼视觉暂留的作用，当观察者位于每一固定位置时，观看到的图像是由高速投影仪110刷新不同视差子图在光场功能屏的不同区域上共同组成的。观察者到的3D图像由NV个子图组成，NV为：
其中，N总为高速投影仪110刷新到光场功能屏120的总视差子图数量，RS为光场功能屏120的半径，RV为观看者到光场功能屏120中心的距离。
本发明实施例中，高速投影仪110的刷新频率为：
刷新频率＝N/t
其中，t为预设的人眼的视觉暂留时间，N为高速投影仪110在时间t内刷新的图像帧数。
不难理解的是，视觉暂留为人眼在观察景物时，光信号传入大脑神经，需经过一段短暂的时间，光的作用结束后，视觉形象并不立即消失的视觉现象。
本发明实施中，各个分区的视差子图的内容相同或不同。
不难理解的是，视差子图为在不同方向获取的物体的图像，本发明实施例视差子图从图像处理设备获取，图像处理设备根据3D图像观看者的观看位置和需要显示3D显示的客观物体，对客观物体进行采集，得到该客观物体不同方向的图像，之后根据具体情况对采集到的视差子图进行编码。当各个分区视差子图的内容相同时，能够显示同一个角度范围的立体信息，当各个分区视差子图的内容不相等时，可以显示360度范围的立体信息。
本发明实施例中，光场功能屏120包括：从上到下依次连接的棱镜转换单元、耐高温聚酯薄膜PET膜和微透镜阵列。如图3所示，该棱镜转换单元为具有棱镜转换结构的辊筒对涂覆有液态紫外固化胶的PET膜第一面压印后经紫外光源照射后将棱镜转换结转移到PET膜而成；该微透镜阵列为具有微透镜结构的辊筒对涂覆有液态紫外固化胶的PET膜第二面压印后经紫外光源照射后将棱镜转换结转移到PET膜而成。
不难理解的是，具有棱镜转换结构的辊筒的步骤为：利用光刻技术在光刻胶板上制作出棱镜转换结构；通过电铸形成具有棱镜转换结构的镍板；将具有棱镜转换结构的镍板包裹在辊筒上。光刻技术为利用照相复制与化学腐蚀相结合的技术，在工件表面制取精密、微细和复杂薄层图形的化学加工方法。电铸为利用金属的电解沉积原理来精确复制某些复杂或特殊形状工件的加工方法。具有微透镜结构的辊筒与具有棱镜转换结构的辊筒制作步骤相似，不同点在于，具有微透镜结构的辊筒是在镍板上复制上微透镜结构。光场功能屏120的不同分区中，棱镜转换单元中的棱镜结构相同。同理的，不同分区中，微透镜阵列中的透镜结构相同。光场功能屏120中的每个分区，棱镜转换单元中的棱镜与微透镜阵列中的透镜排列的朝向相同，假设光场功能屏120有A、B、C、D四个分区，分区A分别与分区B、D相邻，分区C分别与分区B、D相邻，沿光场功能屏120的中心O径向剖开，剖视图如图4所示，图中的Oa、Ob、Oc、Od分别为A、B、C、D四个区域的径向方向，由图4可见，不同分区中，棱镜转换单元中的棱镜朝向不同，相同分区中，棱镜转换单元中的棱镜与微透镜阵列中的透镜排列的朝向相同，光场功能屏120的分区数量由棱镜与透镜的棱镜转换单元中的棱镜与微透镜阵列中的透镜排列的朝向的数量共同决定，即棱镜有四个朝向，则光场功能屏120有四个分区。
本发明实施例中，微透镜阵列中的每一个透镜均为与PET膜相连的面为平面的透镜。
本发明实施例中，棱镜转换单元中的每一个棱镜均为与PET膜相连的面为平面的棱镜。
不难理解的是，透镜与棱镜均有一个面为平面，且该平面与PET膜相连，保证了棱镜转换单元与PET膜帖贴合的更加紧密，同理，保证了微透镜阵列与PET膜帖贴合的更加紧密。
本实施例中，沿预定方向扩散相对应的预定扩散角度，包括：
沿水平方向扩散第一预定扩散角度和沿竖直方向扩散第二预定扩散角度；
如图5所示，第一预定扩散角度的计算公式为；
其中，θ水平为第一预定扩散角度，f为透镜单元的焦距，p为透镜单元的孔径；
第二预定扩散角度的计算公式为：
其中，θ竖直为第二预定扩散角度，为光线在光场功能屏120上的最大出射角，为光线在光场功能屏120上最小出射角。
不难理解的是，微透镜阵列的作用是将入射光线沿水平方向扩散第一预定扩散角度和沿竖直方向扩散第二预定扩散角度。第一预定扩散角度保证高速投影仪110配合光场功能屏120工作时，观察者可以在旋转的光场功能屏120上看到均匀平滑的3D图像，第二预定扩散角度扩大竖直方向的观察区域以配合不同身高的观察者。
本发明实施例中，预定偏转角度的计算公式为：
其中，θ偏转为预定偏转角度，为光线在光场功能屏120上最大出射角，为光线在光场功能屏120上最小出射角。
其中，θR为棱镜转换单元的倾斜角，为光线在光场功能屏120上最小入射角。
其中， 在为光线在光场功能屏120上最大入射角，和θR之间的关系如图6所示。
预定偏转角度保证了观察者能够以正确的透视关系观察光场功能屏120幕上再现的3D图像。
应用本发明实施例，通过对光场功能屏进行分区，降低了屏幕的旋转速度，从而能够实现大尺寸，光场功能屏将编码后的视差子图偏转预定偏转角度并沿预定方向扩散相对应的预定扩散角，能够提供真实物体的物理深度且不存在像差，实现高分辨的3D图像。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
本领域普通技术人员可以理解实现上述方法实施方式中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于计算机可读取存储介质中，这里所称得的存储介质，如：ROM/RAM、磁碟、光盘等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种桌面式的裸眼3D显示系统，其特征在于，所述系统包括：高速投影仪、被分为预定数量分区的光场功能屏和用于驱动所述光场功能屏旋转的旋转装置；
高速投影仪，将从图像处理设备接收的编码后与所述预定数量相等的视差子图，分别刷新到所述光场功能屏上对应的分区，所述高速投影仪的刷新频率与所述光场功能屏的转速匹配；其中，所述视差子图为待3D显示的真实物体不同方向的图像；
光场功能屏，将各个分区上接收到的视差子图偏转预定偏转角度并沿预定方向扩散相对应的预定扩散角度，以形成立体图像；其中，
所述沿预定方向扩散相对应的预定扩散角度，包括：
沿水平方向扩散第一预定扩散角度和沿竖直方向扩散第二预定扩散角度；
其中，所述第一预定扩散角度的计算公式为；
其中，θ水平为第一预定扩散角度，f为透镜单元的焦距，p为透镜单元的孔径；
所述第二预定扩散角度的计算公式为：
其中，θ竖直为第二预定扩散角度，为光线在光场功能屏上的最大出射角，为光线在光场功能屏上最小出射角；
所述预定偏转角度的计算公式为：
其中，θ偏转为预定偏转角度，为光线在光场功能屏上最大出射角，为光线在光场功能屏上最小出射角。
2.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述各个分区的视差子图的内容相同或不同。
3.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述刷新频率为：
刷新频率＝N/t
其中，t为预设的人眼的视觉暂留时间，N为高速投影仪在时间t内刷新的图像帧数。
4.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述光场功能屏包括：从上到下依次连接的棱镜转换单元、耐高温聚酯薄膜PET膜和微透镜阵列；
所述棱镜转换单元为具有棱镜转换结构的辊筒对涂覆有液态紫外固化胶的PET膜第一面压印后经紫外光源照射后将棱镜转换结转移到PET膜而成；所述微透镜阵列为具有微透镜结构的辊筒对涂覆有液态紫外固化胶的PET膜第二面压印后经紫外光源照射后将棱镜转换结转移到PET膜而成。
5.根据权利要求4所述系统，其特征在于，所述微透镜阵列中的每一个透镜均为与PET膜相连的面为平面的透镜。
6.根据权利要求4所述系统，其特征在于，所述棱镜转换单元中的每一个棱镜均为与PET膜相连的面为平面的棱镜。
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