CN108881889B - 基于光场显示的文物3d展示方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光场显示技术领域，公开了一种基于光场显示的文物3D展示方法，通过光场显示的方式实现文物3D展示。本发明包括步骤：a.采集目标文物的光场信息；b.生成目标文物的彩色三维数据信息；c.对目标文物的彩色三维数据信息进行RGB分离，并传输给图像解码模块；d.图像解码模块分别对R、G、B三种信息进行解码，并将解码得到的信息序列传输到DMD核心控制模块；e.DMD核心控制模块基于接收到的信息序列，控制光场显示系统的高速投影机模块对目标文物进行真三维显示。本发明适用于文物3D展示。
Description
技术领域
本发明涉及光场显示技术领域，特别涉及基于光场显示的文物3D展示方法。
背景技术
文物作为重要的历史文化遗产，不仅是历史的见证，更是有着重要的正史作用，借鉴作用以及教育作用。但由于管理不善，观念落后等原因，我国文物面临严峻的形势，主要表现在以下几个方面的问题：1.展出数量少，2.文物保护手段落后，3.迁址保护损害文物价值，4.陈列手段落后，5.文物展示受众面小，场地约束大；如何有效的保护和展示文物成为我们当下急需解决的问题。
近年，三维显示技术发展迅速，而光场显示就是三维显示中最有代表性的一个。光场三维显示通过利用各类显示器件及光学元件产生高密度定向光线，实现对物体表面光场分布的复原，观看者无需佩戴辅助设备即可观看。光场显示通过重构高密度的定向光线实现三维显示，与通过记录强度与相位信息的全息三维显示相比有着更多优势，比如可以通过与投影技术和计算机图形学技术相结合，以较为轻巧的方式实现高质量的动态彩色三维显示。假若能够实现一种基于光场显示的文物3D展示方法，不仅可以有效的保护文物，而且可以360度真三维展示文物，更为有效传递文物的教育意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种基于光场显示的文物3D展示方法，通过光场显示的方式实现文物3D展示。
为解决上述问题，本发明采用的技术方案是：基于光场显示的文物3D展示方法，包括步骤：
a.采集目标文物的光场信息；
b.生成目标文物的彩色三维数据信息；
c.对目标文物的彩色三维数据信息进行RGB分离，并传输给图像解码模块；
d.图像解码模块分别对R、G、B三种信息进行解码，并将解码得到的信息序列传输到DMD核心控制模块；
e.DMD核心控制模块基于接收到的信息序列，控制光场显示系统的高速投影机模块对目标文物进行真三维显示。
进一步的，步骤a采用CCD相机进行目标文物的光场信息采集，其具体方式为：首先在一定高度的圆周上安装一周的CCD相机，每台CCD相机同时拍摄各自视角方向的视图；然后采用视图插值的方法构建更为密集的视图分布。
进一步的，步骤b生成目标文物的彩色三维数据信息的具体方式为：将CCD相机采集到目标文物的图像像素点全部带入以下公式计算即可得到目标文物的彩色三维数据信息：
其中，R为CCD相机的拍摄半径，H为CCD相机的拍摄高度，α为CCD相机的水平拍摄张角，β为CCD相机的垂直拍摄张角，Pv为垂直方向上像素点的个数，Ph为水平方向上像素点的个数。
进一步的，步骤c对目标文物的彩色三维数据信息进行RGB分离的具体方式为：将目标文物的彩色三维数据信息导入数字软件Matlab中，在Matlab中实现R、G、B信息的分离得到三幅分别只包含R信息文物三维数据图、G信息文物三维数据图以及B信息文物三维数据图。
进一步的，步骤e中光场显示系统中的高速投影机具有三块DMD芯片，DMD核心控制模块控制三块DMD芯片分别对应目标文物的R、G、B三种信息图像，使用RGB三种颜色的LED光源对每块DMD芯片进行独立照明，再通过合色棱镜实现目标文物的彩色真三维显示。
本发明的有益效果是：本发明通过光场显示的方式对文物3D展示，能够有效保护文物免受破坏，同时也可以360度真三维展示文物，更为有效传递文物的教育意义。
附图说明
图1为实施例的流程图。
具体实施方式
为实现文物3D展示，本发明公开了基于光场显示的文物3D展示方法，包括步骤：
a.采集目标文物的光场信息。本发明可以采用CCD相机进行目标文物的光场信息采集，其具体方式为：
相机在某一点进行拍摄时，相当于对从场景出射并经过相机所在位置的所有光线的强度进行了记录，如果已知相机的位置和焦距，就相当于记录了经过该点的所有光线的方向和强度信息。当我们利用相机在水平面上围绕物体进行拍摄，就相当于记录了物体在水平面上的所有光场信息。在实际应用中，不可能无限分割光场，因此不可能采集到完全连续分布的光场。只能利用有限个拍摄位置获取离散的光场分布，并通过插值获取离散光场之间的信息，我们将在有限个位置上拍摄的离散光场分布称之为视图。针对实际目标文物，采用基于圆周分布的多台CCD相机的视图采集系统更适合文物数据的实时采集。此系统在一定高度的圆周上安装一周的CCD相机，每台CCD相机拍摄各自视角方向的视图。由于所有CCD相机都是同时采集图像，一周视图拍摄时间非常短，有利于动态场景的三维数据采集。为了降低本，采用视图插值的方法构建更为密集的视图分布。
b.生成目标文物的彩色三维数据信息。为了能够在系统中真实的还原空间物体，需要了解光场的获取参数。将CCD相机光轴对准拍摄圆周的中心，并以该中心为世界坐标系的原点。需要记录CCD相机的拍摄半径R，拍摄高度H，CCD相机的水平和垂直拍摄张角α和β，并以第一幅视图的法向方向在拍摄圆上的投影作为X轴,以拍摄圆周的法向方向作为Z轴，这样就可以定量的描述每幅照片所记录的光场信息。
在本发明中，针对CCD相机的光场采集方法，根据光线追迹原理计算与某个视角对应的视图序号和这个视角在这个视图上对应的点坐标，即可确认该像素信息。设视图的像素点是均匀分布的正方形像素点，且在垂直方向上有Pv个像素点，水平方向上有Ph个像素点，则视图转换后对应三维数据信息的对应坐标为：
利用上述方法，将CCD相机采集到目标文物的图像像素点全部带入进行计算即可得到目标文物的彩色三维数据信息。
c.对目标文物的彩色三维数据信息进行RGB分离，并传输给图像解码模块。对目标文物的彩色三维数据信息进行RGB分离的一种方式为：
将目标文物的彩色三维数据信息导入数字软件Matlab中，在Matlab中实现R，G，B信息的分离得到三幅分别只包含R信息文物三维数据图，G信息文物三维数据图以及B信息文物三维数据图，并将该三幅图传输到光场显示系统的解码模块。
d.图像解码模块分别对R、G、B三种信息进行解码，并将解码得到的信息序列传输到DMD核心控制模块。
图像解码电路是数据处理与传输系统最重要的部分，它是连接绘制端(显卡)与显示端(DMD)的桥梁。图像解码电路的包括FPGA芯片及其驱动电路和内存条，计算机显卡将所有可能用到的图像序列进行编码并R，G，B分离后传输给图像解码电路，图像解码电路对其解码后再根据外界信号决定投影哪一幅图像，附加的内存条即是为了存储由显卡传输来的数据。当图像解码电路通过双链路DVI线缆连接到显卡上时，这块内存会以扩展屏的形式显示在计算机中，为提升传输效率，内存的读写使用了双缓存技术。双缓存技术指对内存区域A和区域B进行异步读写，即在同步信号的驱动下，扩展屏上所绘制的图像数据被写入内存区域A的同时，内存区域B的图像数据拆包被分解成实际投影图像序列，传输给DMD核心控制模块。
e.DMD核心控制模块基于接收到的信息序列，控制光场显示系统的高速投影机模块对目标文物进行真三维显示。其中光场显示系统中的高速投影机具有三块DMD芯片，DMD核心控制模块控制三块DMD芯片分别对应目标文物的R、G、B三种信息图像，使用RGB三种颜色的LED光源对每块DMD芯片进行独立照明，再通过合色棱镜实现目标文物的彩色真三维显示。
实施例
实施例公开了一种基于光场显示的文物3D展示方法，通过对目标文物进行光场三维信息采集，生成目标文物彩色三维数据，数据信息RGB分离，图像信息的解码等操作，实现光场显示系统硬件终端的正确的文物真三维显示。
以下结合图1所示的流程图，对实施例公开的方法进行具体说明。
图1中的101是采用CCD相机进行目标文物数据的光场信息采集。其中相机在某一点进行拍摄时，相当于对从场景出射并经过相机所在位置的所有光线的强度进行了记录，如果已知相机的位置和焦距，就相当于记录了经过该点的所有光线的方向和强度信息。当我们利用相机在水平面上围绕物体进行拍摄，就相当于记录了物体在水平面上的所有光场信息。在实际应用中，不可能无限分割光场，因此不可能采集到完全连续分布的光场。只能利用有限个拍摄位置获取离散的光场分布，并通过插值获取离散光场之间的信息，我们将在有限个位置上拍摄的离散光场分布称之为视图。针对实际目标文物，采用基于圆周分布的多台CCD相机的视图采集系统更适合文物数据的实时采集。此系统在一定高度的圆周上安装一周的CCD相机，每台CCD相机拍摄各自视角方向的视图。由于所有CCD相机都是同时采集图像，一周视图拍摄时间非常短，有利于动态场景的三维数据采集。为了降低本，采用视图插值的方法构建更为密集的视图分布。
图1中的102是生成目标文物的彩色三维数据信息。为了能够在系统中真实的还原空间物体，需要了解光场的获取参数。将CCD相机光轴对准拍摄圆周的中心，并以该中心为世界坐标系的原点。需要记录CCD相机的拍摄半径R，拍摄高度H，CCD相机的水平和垂直拍摄张角α和β，并以第一幅视图的法向方向在拍摄圆上的投影作为X轴,以拍摄圆周的法向方向作为Z轴，这样就可以定量的描述每幅照片所记录的光场信息。
在本实例中，针对CCD相机的光场采集方法，根据光线追迹原理计算与某个视角对应的视图序号和这个视角在这个视图上对应的点坐标，即可确认该像素信息。设视图的像素点是均匀分布的正方形像素点，且在垂直方向上有Pv个像素点，水平方向上有Ph个像素点，则视图转换后对应三维数据信息的对应坐标为：
利用上述方法，将CCD相机采集到目标文物的图像像素点全部带入进行计算即可得到目标文物的彩色三维数据信息。
图1中的103是对目标文物的彩色三维数据信息进行RGB分离，并传输给相应的图像解码模块。具体方式为：在目标文物的彩色三维数据信息导入数字软件Matlab中，在Matlab中实现R，G，B信息的分离得到三幅分别只包含R信息文物三维数据图，G信息文物三维数据图以及B信息文物三维数据图，并将该三幅图传输到光场显示系统的解码模块。
在本实例中，Matlab中实现R，G，B信息的分离的具体实现方式为：
img＝imread('lena.jpg')；
img_R＝img(:,:,1)；％R图像
img_G＝img(:,:,2)；％G图像
img_B＝img(:,:,3)；％B图像
选用数字软件Matlab进行RGB分离可以最大效率的完成分离工作，同时相较于其他软件进行RGB分离，Matlab有着更稳定，更准确等优势。
图1中的104是图像解码模块分别对R，G，B三种信息进行解码，并将信息序列传输到DMD核心控制模块。具体实现方式为：图像解码电路是数据处理与传输系统最重要的部分，它是连接绘制端(显卡)与显示端(DMD)的桥梁。图像解码电路的包括FPGA芯片及其驱动电路和内存条，计算机显卡将所有可能用到的图像序列进行编码并R，G，B分离后传输给图像解码电路，图像解码电路对其解码后再根据外界信号决定投影哪一幅图像，附加的内存条即是为了存储由显卡传输来的数据。当图像解码电路通过双链路DVI线缆连接到显卡上时，这块内存会以扩展屏的形式显示在计算机中，为提升传输效率，内存的读写使用了双缓存技术。双缓存技术指对内存区域A和区域B进行异步读写，即在同步信号的驱动下，扩展屏上所绘制的图像数据被写入内存区域A的同时，内存区域B的图像数据拆包被分解成实际投影图像序列，传输给DMD核心控制模块。
在本实例中，为保证传输速度图像解码模块与DMD开发套件中的DMD控制板共享一块PCB电路板。为保证投影图像可以以18000FPS的频率进行刷新(屏幕旋转一周更新600幅图像，屏幕毎秒旋转30周)，“单幅绘制、单幅传输、单幅投影”的处理方式是不现实的，因为即便忽视绘制与传输的数据延迟，这种方式也很难以如此高的调制率精准控制哪一时刻投影哪幅图像。本专利采用的策略是“多幅绘制、多幅传输、单幅投影”，即计算机显卡将所有可能用到的图像序列进行编码并传输给图像解码电路，图像解码电路对其解码后再根据外界信号决定投影哪一幅图像。
图1中的105是光场显示系统的高速投影机模块对目标文物进行真三维显示。具体实现方式为：光场显示系统中的高速投影机具有三块DMD芯片，DMD核心控制模块控制三块DMD芯片分别对应目标文物的R、G、B三种信息图像，使用RGB三种颜色的LED光源对每块DMD芯片进行独立照明，再通过合色棱镜实现目标文物的彩色真三维显示。
在本实例中，为实现目标文物的彩色真三维显示，我们选取彩色高速投影，高速投影机具有三块DMD芯片，使用RGB三种颜色的LED光源对每块DMD芯片进行独立照明，再通过合色棱镜实现彩色显示。投影系统包括数据处理电路、RGB LED芯片、TIR棱镜、X-cube合色棱镜以及投影镜头等。红绿蓝三色LED光源通过TIR棱镜照射到相应的DMD芯片上。数据处理电路确保每个DMD芯片显示对应颜色通道的图像，三色图像通过X棱镜合色并通过投影镜头投影到屏幕上。RGB三色LED光源处于常亮状态，每个DMD芯片所显示的具体图像由各自控制板独立决定，为保证最终输出彩色图像的三通道的同步性，需要构建三块DMD控制板之间的通信或使用统一的外部信号进行触发。通过以上步骤，即可实现目标文物彩色真三维显示。
Claims (3)
1.基于光场显示的文物3D展示方法，其特征在于，包括步骤：
a.采集目标文物的光场信息，具体方式为：首先在一定高度的圆周上安装一周的CCD相机，每台CCD相机同时拍摄各自视角方向的视图，拍摄时将CCD相机光轴对准拍摄圆周的中心，并以该中心为世界坐标系的原点，并记录CCD相机的拍摄半径R，拍摄高度H，CCD相机的水平和垂直拍摄张角α和β，并以第一幅视图的法向方向在拍摄圆上的投影作为X轴,以拍摄圆周的法向方向作为Z轴；然后采用视图插值的方法构建更为密集的视图分布；
b.生成目标文物的彩色三维数据信息，具体方式为：将CCD相机采集到目标文物的图像像素点带入以下公式，计算即可得到目标文物的彩色三维数据信息，
其中，Pv为垂直方向上像素点的个数，Ph为水平方向上像素点的个数；
c.对目标文物的彩色三维数据信息进行RGB分离，并传输给图像解码模块；
d.图像解码模块分别对R、G、B三种信息进行解码，并将解码得到的信息序列传输到DMD核心控制模块；
e.DMD核心控制模块基于接收到的信息序列，控制光场显示系统的高速投影机模块对目标文物进行真三维显示。
2.如权利要求1所述的基于光场显示的文物3D展示方法，其特征在于，步骤c对目标文物的彩色三维数据信息进行RGB分离的具体方式为：将目标文物的彩色三维数据信息导入数字软件Matlab中，在Matlab中实现R、G、B信息的分离得到三幅分别只包含R信息文物三维数据图、G信息文物三维数据图以及B信息文物三维数据图。
3.如权利要求1所述的基于光场显示的文物3D展示方法，其特征在于，步骤e中光场显示系统中的高速投影机具有三块DMD芯片，DMD核心控制模块控制三块DMD芯片分别对应目标文物的R、G、B三种信息图像，使用RGB三种颜色的LED光源对每块DMD芯片进行独立照明，再通过合色棱镜实现目标文物的彩色真三维显示。
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