CN106559667A - 光栅裸眼立体图像视区与串扰计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光栅裸眼立体图像视区与串扰计算方法，其包括数据采集步骤、视区中心位置计算步骤、水平面内投影轮廓计算步骤、垂直面内投影轮廓计算步骤、空间模型建立步骤、串扰度计算步骤，数据采集步骤根据设计需求的显示面积、视点数、分辨率、观看距离参数确定光栅类型为狭缝光栅或者柱镜光栅，完成光栅参数设计，然后在光学软件上建立相应的模型和三个大小合适的、以设计观察位置为中心的平面探测器。本发明能够在光栅裸眼立体图像的设计阶段对图像的理论模型和测量数据作出把控和优化，对图像成品的实际指标提供测量方法。

Description

光栅裸眼立体图像视区与串扰计算方法

技术领域

本发明涉及一种立体图像视区与串扰计算方法，特别是涉及一种光栅裸眼立体图像视区与串扰计算方法。

背景技术

现有的3D显示技术主要有：助视3D显示、光栅裸眼3D显示和真3D显示等。助视3D显示技术，因为需要观察者佩戴眼镜、头盔等辅助设备，没有很好的解决个体、环境差异和长时间佩戴的观感不适等问题，只能在特定场所内短时间佩戴，所以一直以来没有大规模的应用。真3D显示主要通过集成成像、光场成像、全息成像等方式获得跟原有实物基本一致的可多角度自由观察的实像，但由于图像的记录和再现过程复杂，数据量庞大等，一般在观察时间内只显示单个物体的一种或者几种静态图像，损失了动态效果；并且设备繁复精密，片源的采集成本和制作成本都相对较高，时间较长等，所以现在也没有大规模的应用。光栅裸眼立体显示技术，因为观察者不需要佩戴任何的辅助设备即能感知栩栩如生、层次分明、视冲击力异常强悍的3D视错觉图像；制作工艺相对简单，可在现有2D显示设备上直接贴合定制光栅；片源的采集成本和制作成本都相对较低，并且技术相对成熟，所以已经有规模化应用的趋势。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种光栅裸眼立体图像视区与串扰计算方法，其能够在光栅裸眼立体图像的设计阶段对图像的理论模型和测量数据作出把控和优化，对图像成品的实际指标提供测量方法。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种光栅裸眼立体图像视区与串扰计算方法，其特征在于，所述光栅裸眼立体图像视区与串扰计算方法包括以下步骤：数据采集步骤、视区中心位置计算步骤、水平面内投影轮廓计算步骤、垂直面内投影轮廓计算步骤、空间模型建立步骤、串扰度计算步骤。

优选地，所述数据采集步骤根据设计需求的显示面积、视点数、分辨率、观看距离参数确定光栅类型为狭缝光栅或者柱镜光栅，完成光栅参数设计，然后在光学软件上建立相应的模型和三个大小合适的、以设计观察位置为中心的平面探测器，分别为与显示器纵向切面平行放置的竖直探测平面、与显示器横向切面平行放置的水平探测平面、与显示器显示前表面平行放置的垂直探测平面，通过加载一定数量的仿真光线分别得到各副视差图像在三个探测平面上的光度学数据，完成相关的数据采集的工作。

优选地，所述视区中心位置计算步骤依据显示装置的对称属性和裸眼立体显示器的光栅设计理论观察位置确定视区的y向和z向中心位置分别为y＝0mm和z＝ovdmm，然后简化仿真模型的倾斜角度为0°，把多幅视差图像按照进入左右眼的标号分为左眼图像和右眼图像，分两次加载到仿真模型，获得模型简化后的竖直探测器上的光度学数据，完成简化模型的数据采集，将采集到的简化模型的竖直探测器上的光度学数据读入到MATLAB，然后依据数据的统计学特征，分别确定视区的Z向和Y向中心位置，对每个Z坐标位置上的所有Y点数据求和，和对每个Y坐标位置的所有Z点数据求和，通过对左右视图的求和数据对比最大值位置和比值为1位置，求出视区的Z向和Y向中心位置和可视菱形区的长度范围。

优选地，所述水平面内投影轮廓计算步骤读入各副视差图像在水平面内的光度学仿真数据，确定几个特殊的Z向直线，如Z向中心位置直线Z0、Z0+ΔZ直线和Z0ΔZ直线，然后计算每条直线上每幅视差图像的数据峰值位置，分别对各自直线上N副视差图像的峰值位置排序，根据数据间隔确定在相应直线上各幅视差图像的视区宽度，最后分别计算上下三角区的顶点位置，确定各个视图的可视子区间在水平面的投影轮廓。

优选地，所述垂直面内投影轮廓计算步骤读入各副视差图像在垂直面内的光度学仿真数据，以视区Y向中心线上各子视区中心峰值位置为能量最高位置，并且确定Y向能量高度衰减因子K为某一固定值，然后以每个可视子区间的中心峰值Xn位置的能量En在倾斜因子θ的作用下衰减到EH＝K×E的位置为该可视子区间在垂直探测平面上的高度。

优选地，所述空间模型建立步骤通过上述视区中心位置、水平面内的投影轮廓、垂直面内的投影轮廓以及相互的空间角度和线性关系，在MATLAB平台内逐一搭建各个可视子区间的空间模型，从而形成整个视区的空间模型。

优选地，所述串扰度计算步骤依据上述空间模型的边界，通过MATLAB的统计计算给出某个位置、平面、或者空间立体区域内的视区具体分布情况和串扰度水平，为裸眼立体显示装置的设计、评价和使用都起到关键的指导作用。

优选地，所述光栅裸眼立体图像视区与串扰计算方法用光学软件仿真与MATLAB联合数据分析的方法。

优选地，所述光栅裸眼立体图像视区与串扰计算方法采用“视区分布”与“串扰度”这两个评价指标。

本发明的积极进步效果在于：本发明能够在光栅裸眼立体图像的设计阶段对图像的理论模型和测量数据作出把控和优化，对图像成品的实际指标提供测量方法。

附图说明

图1为本发明的整体流程图。

图2为本发明的数据采集步骤流程图。

图3为本发明的视区中心位置计算步骤流程图。

图4为本发明的水平面内投影轮廓计算步骤流程图。

图5为本发明的视区在垂直面内投影轮廓计算步骤流程图。

图6为本发明确定各个视图的可视子区间在水平面的投影轮廓的示意图。

图7为本发明用matlab的画图工具得到对应裸眼立体显示装置设计参数下的水平面投影轮廓曲线的示意图。

图8为本发明可视子区间在垂直探测平面上的高度的示意图。

图9为本发明中空间线性和空间角度关系的示意图。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。

如图1至图4所示，本发明光栅裸眼立体图像视区与串扰计算方法包括以下步骤：数据采集步骤、视区中心位置计算步骤、水平面内投影轮廓计算步骤、垂直面内投影轮廓计算步骤、空间模型建立步骤、串扰度计算步骤。数据采集步骤根据设计需求的显示面积、视点数、分辨率、观看距离参数确定光栅类型为狭缝光栅或者柱镜光栅，完成光栅参数设计，然后在光学软件上建立相应的模型和三个大小合适的、以设计观察位置为中心的平面探测器，分别为与显示器纵向切面平行放置的竖直探测平面、与显示器横向切面平行放置的水平探测平面、与显示器显示前表面平行放置的垂直探测平面，通过加载一定数量的仿真光线分别得到各副视差图像在三个探测平面上的光度学数据，完成相关的数据采集的工作；视区中心位置计算步骤依据显示装置的对称属性和裸眼立体显示器的光栅设计理论观察位置确定视区的y向和z向中心位置分别为y＝0mm和z＝ovdmm，然后简化仿真模型的倾斜角度为0°，把多幅视差图像按照进入左右眼的标号分为左眼图像和右眼图像，分两次加载到仿真模型，获得模型简化后的竖直探测器上的光度学数据，完成简化模型的数据采集，将采集到的简化模型的竖直探测器上的光度学数据读入到MATLAB，然后依据数据的统计学特征，分别确定视区的Z向和Y向中心位置，对每个Z坐标位置上的所有Y点数据求和，和对每个Y坐标位置的所有Z点数据求和，通过对左右视图的求和数据对比最大值位置和比值为1位置，求出视区的Z向和Y向中心位置和可视菱形区的长度范围；水平面内投影轮廓计算步骤读入各副视差图像在水平面内的光度学仿真数据，确定几个特殊的Z向直线，如Z向中心位置直线Z0、Z0+ΔZ直线和Z0ΔZ直线，然后计算每条直线上每幅视差图像的数据峰值位置，分别对各自直线上N副视差图像的峰值位置排序，根据数据间隔确定在相应直线上各幅视差图像的视区宽度，最后分别计算上下三角区的顶点位置，确定各个视图的可视子区间在水平面的投影轮廓；垂直面内投影轮廓计算步骤读入各副视差图像在垂直面内的光度学仿真数据，以视区Y向中心线上各子视区中心峰值位置为能量最高位置，并且确定Y向能量高度衰减因子K为某一固定值，然后以每个可视子区间的中心峰值Xn位置的能量En在倾斜因子θ的作用下衰减到EH＝K×E的位置为该可视子区间在垂直探测平面上的高度；空间模型建立步骤通过上述视区中心位置、水平面内的投影轮廓、垂直面内的投影轮廓以及相互的空间角度和线性关系，在MATLAB平台内逐一搭建各个可视子区间的空间模型，从而形成整个视区的空间模型；串扰度计算步骤依据上述空间模型的边界，通过MATLAB的统计计算给出某个位置、平面、或者空间立体区域内的视区具体分布情况和串扰度水平，为裸眼立体显示装置的设计、评价和使用都起到关键的指导作用。

本发明的各步骤计算方式如下：

一，视区中心位置计算步骤代码：

theoz＝’光栅设计最佳观看距离′；％理论z向中心位置％

theoy＝0；％裸眼立体显示装置的对称性％

AJzyr＝xlsread(′：\*.xlsx′，′左眼视差图像在竖直探测器上的光度学数据′)；

AJzyl＝xlsread(′：\*.xlsx′，′右眼视差图像在竖直探测器上的光度学数据′)；

aoz＝″竖直探测器的z坐标序列”；

aoy＝″竖直探测器的y坐标序列″；

NSZ1＝size(aoz)；

NSZ2＝size(aoy)；

找到z点坐标在全副y范围内左右图数据比值最大位置，即可确定视区的Z向中心位置z0.

Sumr＝sum(AJzyr)；

Suml＝sum(AJzyl)；

k1＝Sumr./Suml；

k2＝max(k1)；

以k3、k4的差值确定视区的y向中心位置偏移因子Δy，即可确定视区的y向中心位置y0＝theoy+Δy

Sumrr＝sum(AJzyr′)；

sumll＝sum(AJzyl′)；

k3＝max(Sumrr)；

k4＝max(sumll)；

找到z点坐标在全副y范围内左右图数据比值为1的两个位置，即可确定可视菱形区的长度范围za，zb；

二，平面内投影轮廓计算步骤代码：

Bxz1＝xlsread(′：\*.xlsx′，′第1幅视差图像在水平探测器上的光度学数据′)；

Bxz2＝xlsread(′：\*.xlsx′，′第2幅视差图像在水平探测器上的光度学数据′)；

......

Bxzn＝xlsread(′：\*.xlsx′，′第n幅视差图像在水平探测器上的光度学数据′)；％通常n≥2.

xoy＝″水平探测器的x坐标序列″；

zoy＝″水平探测器的z坐标序列″；

NSZ3＝size(xoy)；

NSZ4＝size(zoy)；

z0＝zeroz；z1＝zeroz-Δz；z2＝zeroz+Δz；％确定三条特殊位置直线.其中Δz，可以取经验视区长度的1/4比较准确％

***提取第一幅视差图像z0＝zeroz直线上的光度学数据

**均值滤波，保留可用的中心能量特征明显的有效数据

用连乘积函数计算出计为起始视区子区间的连续的非零数据个数a个

计算视差图像在z0＝zeroz直线上步长至少为a的连续非零数据区间的个数N01

找到起始和终点子区间的峰值位置BN01a、BN01b；

计算该视差图像的峰值位置、峰值间距等关键参数；

重复以上**段程序，得到n幅视差图像在该直线位置的峰值间距WOn、峰值位置序列XWOn.

取n幅视差图像的间距均值，对每幅视差图像的峰值位置进行校正；

校正后的峰值间距WO、峰值位置序列XZWOn。

重复以上***段程序，计算其他两条特征直线峰值位置XZ1Won、XZ2Won。

如图5所示，用以下两个直线方程求出在z＝za、Z＝Zb直线上的可视菱形区的上下两个端点序列XZ3Won、XZ4WOn。

z0＝ka.*XZWOn+ba

z0-Δz＝ka.*XZ1WOn+ba

z0＝kb.*XZWOn+bb

z0+Δz＝kb.*XZ2WOn+bb

Za＝ka.*XZ3WOn+ba

zb＝kb.*XZ4WOn+bb

以上得到水平探测面上每幅视差图像可视菱形区域分布的四个边界特点的坐标位置：

(XZWOn-WO/4，0，z0)

(XZ3WOn，0，za)

(XZWOn+WO/4，0，z0)

(XZ4WOn，0，zb)

用MATLAB的画图工具得到对应裸眼立体显示装置设计参数下的水平面投影轮廓曲线。

三，垂直面投影轮廓计算步骤代码：

Cxy1＝xlsread(′：\*.xlsx′，′第1幅视差图像在垂直探测器上的光度学数据′)；

Cxy2＝xlsread(′：\*.xlsx′，′第2幅视差图像在垂直探测器上的光度学数据′)；

......

Cxyn＝xlsread(′：\*.xlsx′，′第n幅视差图像在垂直探测器上的光度学数据′)；％通常n≥2.

yox＝“垂直探测器的x坐标序列”；

yoy＝“垂直探测器的y坐标序列”；

NSZ5＝size(yox)；

NSZ6＝size(yoy)；

确定能量因子k(K＜1)

视区y向中心位置

****提取第一幅视差图像在y向中心位置的光度学数据

计算每个峰值位置能量衰减到EH＝K×E时的上高度位置

fori＝1：N01

forj＝1：NSZ6(2)

if yox(ECX(i)-j)＝＝yoy(j)*tan(θ)&&Cxy1(ECX(i)-j，j)＝＝k*EC10(i)

Ha1(i)＝yoy(j)

XaWOn(i)＝yox(ECX(i)-j)

end

end

end

计算每个峰值位置能量衰减到EH＝K×E时的下高度位置

for i＝1：N01

for j＝1：NSZ6(2)

if yox(ECX(i)+j)＝＝(-yoy(j)*tan(θ))&&Cxy1(ECX(i)-j，j)＝＝k*EC10(i)

Hb1(i)＝yoy(j)

XbWOn(i)＝yox(ECX(i)+j)

end

end

end

％重复以上****步骤程序，得到每幅视差不图像的高度Han、Hbn。

以上得到垂直探测面上每幅视差图像可视区域分布的四个边界特点的坐标位置：

(XaWOn-WO/4，Han，z0)

(XaWOn+WO/4，Han，z0)

(XbWOn-WO/4，Hbn，z0)

(XbWOn+WO/4，Hbn，z0)

用MATLAB的画图工具得到对应裸眼立体显示装置设计参数下的水平面投影轮廓曲线。

四，空间模型建立步骤代码：

俯仰角度关系：

θan＝Han./z0

θbn＝Hbn./z0

依据俯仰角度关系计算的z＝za、z＝zb两条长度特征直线上的高度：

Haan＝tan(θan).*za

Habn＝tan(θbn).*za

Hban＝tan(θan).*zb

Hbbn＝tan(θbn).*zb

以上得到每个可视子区间的12个空间特征点位置：用MATLAB的画图工具连续输出即可得到全部视差图像的可视区间在空间的分布状态。

五，串扰度计算步骤：

由以上空间模型的特征点，特征点连线，即可确定每个可视子区间的空间位置边界，可以方便的用MATLAB统计每个可视子区间空间边界内，每幅视差图像的光学学数据之和，方便的计算裸眼立体显示装置在当前设计参数下空间特定位置、平面、区域的串扰度水平和视区的分布情况。成功量化了3D入眼效果评价指标，为裸眼立体显示装置的设计、评价和使用给出重要的数据参考。

本发明具有以下的十个效果和优点：

一，用光学软件仿真与MATLAB联合数据分析的方法，从仪器/设备的设计阶段开始就对裸眼立体显示器3D入眼效果的评价指标视区的大小、位置和串扰度的大小进行严格的定量分析。

二，便于分析一种或者多种设计参数、加工参数和装配参数的变化对视区大小、位置和入眼图像串扰度的大小等影响裸眼立体显示器3D入眼效果的评价指标的影响。

三，便于依据MATLAB分析计算得到的视区的大小、位置和串扰度的大小等对设计参数、加工参数、装配参数等进行更改、控制和优化设计。

四，用于MATLAB分析计算的数据量可以进行自由的控制；减少依据实验结果得到关键参数的理论误差、多次实验的重复误差、粗大误差、随机误差等误差因素的影响。

五，便于依据MATLAB分析计算结果制定合理的成型产品/设备的关键参数的测量方案。

六，便于对视区的大小、位置等有明确的直观的量化概念；对各个视区内，各个位置的串扰度、各个位置的串扰度的变化等有明确直观的量化概念。

七，便于对产品的正确使用进行指导。

八，有效降低实现产品的时间成本，提高产品/设备的一次设计成功率。

九，有效降低因只依赖产品成型后的经验测量方法得到的有限的几个经验测试点对裸眼立体显示器的评价，而导致的关键参数的验收规范\标准模糊的问题。

十，便于统一裸眼立体显示器的视区与串扰的设计参数评价标准与实验测量方案。

综上所述，本发明能够在光栅裸眼立体图像的设计阶段对图像的理论模型和测量数据作出把控和优化，对图像成品的实际指标提供测量方法。本发明采用“视区分布”与“串扰度”这两个评价指标，为光栅裸眼立体显示装置的设计、评价和使用都起到关键的指导作用。为成型后产品的关键参数的实际测量方法提供理论支撑。

以上所述的具体实施例，对本发明的解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种光栅裸眼立体图像视区与串扰计算方法，其特征在于，所述光栅裸眼立体图像视区与串扰计算方法包括以下步骤：数据采集步骤、视区中心位置计算步骤、水平面内投影轮廓计算步骤、垂直面内投影轮廓计算步骤、空间模型建立步骤、串扰度计算步骤。

2.根据权利要求1所述的光栅裸眼立体图像视区与串扰计算方法，其特征在于，所述数据采集步骤根据设计需求的显示面积、视点数、分辨率、观看距离参数确定光栅类型为狭缝光栅或者柱镜光栅，完成光栅参数设计，然后在光学软件上建立相应的模型和三个大小合适的、以设计观察位置为中心的平面探测器，分别为与显示器纵向切面平行放置的竖直探测平面、与显示器横向切面平行放置的水平探测平面、与显示器显示前表面平行放置的垂直探测平面，通过加载一定数量的仿真光线分别得到各副视差图像在三个探测平面上的光度学数据，完成相关的数据采集的工作。

3.根据权利要求2所述的光栅裸眼立体图像视区与串扰计算方法，其特征在于，所述视区中心位置计算步骤依据显示装置的对称属性和裸眼立体显示器的光栅设计理论观察位置确定视区的y向和z向中心位置分别为y＝0mm和z＝ovdmm，然后简化仿真模型的倾斜角度为0°，把多幅视差图像按照进入左右眼的标号分为左眼图像和右眼图像，分两次加载到仿真模型，获得模型简化后的竖直探测器上的光度学数据，完成简化模型的数据采集，将采集到的简化模型的竖直探测器上的光度学数据读入到MATLAB，然后依据数据的统计学特征，分别确定视区的Z向和Y向中心位置，对每个Z坐标位置上的所有Y点数据求和，和对每个Y坐标位置的所有Z点数据求和，通过对左右视图的求和数据对比最大值位置和比值为1位置，求出视区的Z向和Y向中心位置和可视菱形区的长度范围。

4.根据权利要求3所述的光栅裸眼立体图像视区与串扰计算方法，其特征在于，所述水平面内投影轮廓计算步骤读入各副视差图像在水平面内的光度学仿真数据，确定几个特殊的Z向直线，如Z向中心位置直线Z0、Z0+ΔZ直线和Z0△Z直线，然后计算每条直线上每幅视差图像的数据峰值位置，分别对各自直线上N副视差图像的峰值位置排序，根据数据间隔确定在相应直线上各幅视差图像的视区宽度，最后分别计算上下三角区的顶点位置，确定各个视图的可视子区间在水平面的投影轮廓。

5.根据权利要求4所述的光栅裸眼立体图像视区与串扰计算方法，其特征在于，所述垂直面内投影轮廓计算步骤读入各副视差图像在垂直面内的光度学仿真数据，以视区Y向中心线上各子视区中心峰值位置为能量最高位置，并且确定Y向能量高度衰减因子K为某一固定值，然后以每个可视子区间的中心峰值Xn位置的能量En在倾斜因子θ的作用下衰减到EH＝K×E的位置为该可视子区间在垂直探测平面上的高度。

6.根据权利要求5所述的光栅裸眼立体图像视区与串扰计算方法，其特征在于，所述空间模型建立步骤通过上述视区中心位置、水平面内的投影轮廓、垂直面内的投影轮廓以及相互的空间角度和线性关系，在MATLAB平台内逐一搭建各个可视子区间的空间模型，从而形成整个视区的空间模型。

7.根据权利要求6所述的光栅裸眼立体图像视区与串扰计算方法，其特征在于，所述串扰度计算步骤依据上述空间模型的边界，通过MATLAB的统计计算给出某个位置、平面、或者空间立体区域内的视区具体分布情况和串扰度水平，为裸眼立体显示装置的设计、评价和使用都起到关键的指导作用。

8.根据权利要求1所述的光栅裸眼立体图像视区与串扰计算方法，其特征在于，所述光栅裸眼立体图像视区与串扰计算方法用光学软件仿真与MATLAB联合数据分析的方法。

9.根据权利要求1所述的光栅裸眼立体图像视区与串扰计算方法，其特征在于，所述光栅裸眼立体图像视区与串扰计算方法采用“视区分布”与“串扰度”这两个评价指标。