CN107105216B - 一种基于针孔阵列的连续视差、广视角的三维光场显示装置 - Google Patents

一种基于针孔阵列的连续视差、广视角的三维光场显示装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于针孔阵列的连续视差、广视角的三维光场显示装置,该装置包括:高亮度LED背光屏、光场底图、透光介质、针孔阵列。将上述部分依次紧密排列,可以重现图像的不同方向信息。观看者站在装置前移动时,可以观看到图像中物体的不同方向,同时视角变化连续,视角范围可以达到90度以上。同时,由于观看者左右眼观察到的图像的视差不同,会观察到3D效果,即此装置可以实现裸眼3D功能。

Description

一种基于针孔阵列的连续视差、广视角的三维光场显示装置
技术领域
本发明涉及一种基于针孔阵列的连续视差、广视角的三维光场显示装置,属于光场显示技术领域。
背景技术
三维显示、虚拟现实技术一直国内外研究的热点,传统的三维显示技术主要是基于双目视差原理,通过佩戴3D眼镜或者VR(Virtual Reality)头盔实现左右眼观看到不同视角的图像,从而实现观看到三维场景的目的。但是,这种技术很难解决人眼的聚焦问题,而且视差不连续,长时间使用这种设备会产生很严重的眩晕感。集成成像技术是一种新兴的全息三维显示技术,它可以还原场景中的光线信息,可以实现任意视角的聚焦,与拍摄设备的聚焦位置无关。另外,观看者无需再佩戴眼镜,可以实现真正意义上的裸眼3D。
集成成像的理论基础是光场理论,它由Gerdun在1936年提出。光场理论强调的是记录场景中不同方向的光线信息,并将这些光线分离开,根据这些光线提取出深度信息,从而对图像进行再聚焦。早期采集光场的设备包括J.C.Yang等人设计的相机阵列;1992年,E.Adelson等人设计了一种全光相机,在传统相机的主透镜和感光CCD之间加入了一个微透镜阵列。
集成成像的显示过程是采集的逆过程。一般在显示器放置一个微透镜阵列,该阵列的参数和采集时使用的微透镜阵列参数一致,才能还原光路,重建原来拍摄的场景。利用此结构,戴志华等人提出了一种光场显微镜,用来观察样本的立体结构。
计算集成成像技术是集成成像技术的一个分支,主要是使用计算机生成光场图像,并模拟光学集成成像的显示过程。
集成成像需要处理光场数据,而光场记录了场景中大部分的光线细信息,和传统的图像相比,数据量呈几何增长,对于处理器和GPU(Graphics Processing Unit)的性能要求更高。这也是制约了集成成像技术无法快速处理视频信息。
在光场的发展过程中,学者和研究人员更多的关注了光场的采集过程,并对采集到的光场图像进行处理,从而可以实现如数字变焦、数字聚焦、全聚焦、模拟聚焦模糊的效果。
集成成像显示作为光场采集的逆过程,和传统的3D显示设备相比,有很多的有点:
(1)可以完整的还原光场信息,使观察者观察到原汁原味的三维物体。
(2)随着视角的改变,还可以观察到物体的不同侧面。
(3)根据双眼的视差从而产生三维效果。
(4)无需佩戴眼镜。
(5)针孔阵列和微透镜阵列相比,尽管透光度不如微透镜阵列,但针孔阵列制作成本更低更简单。
发明内容
本发明主要使观察者观察到立体的3D物体,同时随着观察者的移动,可以观察到物体的不同侧面,实现裸眼3D的效果。相比于传统的光场显示装置,本发明可以观察视角产生大范围的变化。另外,本发明还和光场相机有很好的兼容性,光场相机采集到的图像只需经过简单的处理即可放在本发明的装置上使用,但由于传统光场相机采集图像包含的方向信息较少,使用光场相机采集的图像时,视角变化会很少。
本发明采用的技术方案为:一种基于针孔阵列的连续视差、广视角的三维光场显示装置,依次包括:高亮度LED背光屏、光场底图、透光介质、针孔阵列,各部件按上述顺序依次紧密贴合排列,高亮度LED背光屏提供充足的亮度使透过针孔阵列的光线数增加,光场底图提供显示内容,透光介质改善光路和显示效果,针孔阵列分割视角并产生三维显示效果。
优选地,所述装置中的高亮度LED背光屏,用于提高针孔阵列的透光度,提高观察效果。
优选地,所述装置中的光场底图,由计算机生成,生成方法如附图1和图2。
可选地,所述装置中的光场底图,使用传统光场相机采集的图像。
优选地,所述装置中的光场底图,用于显示不同方向的图像信息。
可选地,所述装置中的高亮度LED背光屏和光场底图,可以结合在一起,即可使用高分辨率的显示器显示光场图像。
优选地,所述装置中的透光介质,表面需要平整,透光度好。
优选地,所述装置中的针孔阵列,每个小孔透过的光线数量有限。
优选地,所述装置中的光场底图、透光介质和针孔阵列可以结合在一起。
优选地,令图像和针孔阵列的中心为坐标原点,图像和针孔阵列的距离为g,每个针孔之间的距离为d,人眼到针孔阵列的距离为L,第n个子图像中心到坐标原点的距离为Dn,每个子图像的宽度为2p,最大视角的一半为θ。则Dn、g、d、L、p、θ之间的关系满足下式:
2θ=2arctan(p/g)
Dn=nd(L+g)/L
本发明可以实现的效果是,观看者站在装置前移动时,可以观看到图像中物体的不同方向,同时视角变化连续,视角范围可以达到90度以上。同时,由于观看者左右眼观察到的图像的视差不同,会观察到3D效果,即此装置可以实现裸眼3D功能。
附图说明
图1为相机阵列采集光场的示意图。
图2为光场图像的处理过程。
图3为本发明所述装置的结构图,其中,1为高亮度LRD背光屏,2为光场底图,3为透光介质,4为针孔阵列。
图4为图1所示结构生成的多视角图像。
图5为图2所示方法生成的光场底图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例进一步说明本发明。
如图1-3所示,本发明一种基于针孔阵列的连续视差、广视角的三维光场显示装置,包括:高亮度LED背光屏1、光场底图2、透光介质3、针孔阵列4。
所述装置中的高亮度LED背光屏1,用于提高针孔阵列的透光度,提高观察效果,LED背光屏的亮度达到2万尼特以上。
所述装置中的光场底图2,若使用计算机生成,生成方法参照附图1、2。首先使用相机阵列采集多视角图像,相机阵列的数量为w×h,则光场图像的视角数量为w×h,观察者可以观察到的方向数量为w×h。相机阵列的方向变化尽可能小。然后,对于采集到的图像,使用附图2的方式,将每个像素点重新排列,最终生成光场图像。关键代码见代码清单1。
所述装置中的光场底图2,若使用光场相机采集的图像,如斯坦福大学的光场相机拍摄的图像,将其进行简单的适配,即可作为光场底图,但图像所包含的方向信息较少,并且分辨率较低。
所述装置中的光场底图2,可以使用打印的方式打印在高质量的相纸上,使用打印的方式,可以得到色彩较好,分辨率极高的图像。
当把所述装置中的高亮度LED背光屏1和结合在一起时,即使用高分辨率显示器显示,此方法所显示图像的分辨率不高,同时,由于需要将光场底图和透光介质紧密排列贴合,此方法会对显示器造成伤害。
所述装置中的透光介质3,由于装置结构的特殊性,需要将光场底图中的子图像和针孔阵列的小孔一一对应起来,微小的偏移和形变都会导致观察效果变差。
所述装置中的透光介质3、光场底图2和针孔阵列4结合在一起时,透光介质的两面打印上光场底图2和针孔阵列4,但对打印机的要求较高,光场底图2和针孔阵列4应一一对应。图4为图1所示结构生成的多视角图像。图5为图2所示方法生成的光场底图。
代码清单1
此代码为处理函数,使用Unity3D配合多相机采集到的图像使用,可以处理得到光场底图。

Claims (8)

1.一种基于针孔阵列的连续视差、广视角的三维光场显示装置,其特征是,该显示装置依次包括:高亮度LED背光屏、光场底图、透光介质、针孔阵列,其中核心部分为光场底图和针孔阵列,各部件依次按上述顺序紧密排列,高亮度LED背光屏提供充足的亮度使透过针孔阵列的光线数增加,光场底图提供显示内容,透光介质改善光路和显示效果,针孔阵列分割视角并产生三维显示效果;所述的光场底图,由M×N个子图像组成,每个子图像的分辨率w×h表征了可观察方向和视角的数量;所述的光场底图,图像由多相机阵列采集后,并经过光场转换的图像。
2.根据权利要求1所述的一种基于针孔阵列的连续视差、广视角的三维光场显示装置,其特征是,所述的高亮度LED背光屏,为了提高透过针孔阵列的光束数量,即提高观察图像的亮度。
3.根据权利要求1所述的一种基于针孔阵列的连续视差、广视角的三维光场显示装置,其特征是,所述的透光介质,改进光线的光路并完好的将光线传播到针孔阵列上。
4.根据权利要求1所述的一种基于针孔阵列的连续视差、广视角的三维光场显示装置,其特征是,所述的透光介质,根据其厚度的不同,可以改变观察视角的范围。
5.根据权利要求1所述的一种基于针孔阵列的连续视差、广视角的三维光场显示装置,其特征是,所述的针孔阵列,由M×N个微小的孔组成,每个孔可以透过的光线数量非常少。
6.根据权利要求1所述的一种基于针孔阵列的连续视差、广视角的三维光场显示装置,其特征是,所述的针孔阵列,为了提高观察图像的色饱和度和对比度,针孔以外的部分均为黑色。
7.根据权利要求1所述的一种基于针孔阵列的连续视差、广视角的三维光场显示装置,其特征是,高亮度LED背光屏和光场底图部分结合在一起,使用高分辨率显示器显示光场底图,为了使光场底图、透光介质和针孔阵列紧密排列,将光场底图和针孔阵列打印在透光介质两面。
8.根据权利要求1所述的一种基于针孔阵列的连续视差、广视角的三维光场显示装置,其特征是,令图像和针孔阵列的中心为坐标原点,图像和针孔阵列的距离为g,每个针孔之间的距离为d,人眼到针孔阵列的距离为L,第n个子图像中心到坐标原点的距离为Dn,每个子图像的宽度为2p,最大视角的一半为θ,则Dn、g、d、L、p、θ之间的关系满足下式:2θ=2arctan(p/g)
Dn=nd(L+g)/L。
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