CN109946916A - 一种基于多层透明散射屏的投影光场显示装置和显示方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于多层透明散射屏的投影光场显示装置及显示方法，包括沿光路依次设置的投影单元、准直透镜和透明散射屏阵列。投影单元为连接有计算机的投影仪；透明散射屏阵列由四块透明散射屏排列组成，且四块透明散射屏在横向上错位排列；透明散射屏为亚克力材质的薄板，具有90%以上的透过率，透明散射屏的底面上均布设有圆形凹槽状的散射点。本发明同时公开了一种基于多层透明散射屏的投影光场显示方法，根据三维物体空间信息和视点信息，利用逆向光线追迹方法计算出各层透明散射屏上的图像并进行像素错位排列组合形成最终投影图像。本发明可以实现高亮度的光场显示效果，同时，本发明中的透明散射屏层数的提高可以大大提升图像显示质量。
Description
技术领域
本发明涉及三维显示技术领域，尤其涉及一种基于多层透明散射屏的投影光场显示装置和方法。
背景技术
三维显示技术是显示技术的重要发展方向之一，因其逼真的立体显示效果而深受人民群众的喜爱，三维显示技术也一直是学术研究热点之一。现有成熟的商业化三维显示解决方案通常基于双目视差原理，由于存在辐辏调节冲突，会导致观看时引发视疲劳，需要研究无视疲劳的真三维显示技术。
光场三维显示技术作为无视疲劳的真三维显示技术的一种，是当今的研究热点之一。光场三维显示通常利用多层显示屏幕堆叠，根据光场叠加原理，通过调节每层屏上的像素信息，来复现空间中的光场信息，从而达到真三维显示的目标。根据光线场理论，空间中一条光线在经过顺序堆叠的多层平面后，会相对应地留下多个交点，因此，通过控制这些交点的像素信息，可以复现该条光线。再通过综合计算和控制多层屏上的所有像素信息，便可以复现空间中的光线场，实现三维显示。
目前主流的光场三维显示技术采用堆叠多层液晶屏来实现。然而，液晶显示屏的透过率较低，通常在10%左右，堆叠3层液晶屏后背光亮度降至0.1%，因此，该方法的三维显示亮度较低，是一个严重的缺陷。并且，由于液晶屏透过率低，为了保证三维显示亮度，无法使用4层或更多层数的液晶屏，而三维图像质量与液晶屏层数呈正相关关系，因此，该方法很难得到更高质量的光场显示效果。
发明内容
为了解决传统多层液晶屏堆叠方法的三维显示亮度低、三维图像质量不高的问题，本发明提供一种基于多层透明散射屏的投影光场显示装置，并提供基于多层透明散射屏的投影光场显示装置的显示方法。
一种基于多层透明散射屏的光场显示装置包括沿光路依次设置的投影单元、准直透镜和透明散射屏阵列；
所述投影单元为连接有计算机的投影仪；
所述透明散射屏阵列包含N2层透明散射屏；N为整数2时，即由四块透明散射屏组成阵列，且四块透明散射屏在横向上错位排列；所述透明散射屏为亚克力材质的薄板，具有90%以上的透过率，透明散射屏的底面上均布设有圆形凹槽状的散射点，均布散射点用来散射投影单元投射的光线；
工作时，所述投影单元将合成的图像信息送入投影仪进行投影；所述准直透镜将投射的光线进行准直，实现平行投出的效果；所述四块透明散射屏使得各自散射点阵列结构在轴向上不重叠，在横向上恰好互补，四块透明散射屏上的图像叠加形成三维图像。
进一步限定的技术方案如下：
所述透明散射屏底面上均布的散射点排列呈正方；所述散射点的直径等于一个投影像素的宽度，相邻散射点之间的间距为二倍直径。
所述四块透明散射屏为第一透明散射屏、第二透明散射屏、第三透明散射屏和第四透明散射屏；相对于第一透明散射屏，第二透明散射屏上的散射点阵列结构整体向右平移距离p，第三透明散射屏上的散射点阵列结构整体向下平移距离p，第四透明散射屏上的散射点阵列结构整体向右和向下平移距离p；所述距离p等于散射点的直径。
基于光场显示装置的投影光场显示方法的操作步骤如下：
（1）确定要显示的三维物体空间信息和视点信息，对所有视点进行逆向光线追迹，确定光线通过物体空间到达各透明散射屏上的坐标，依据光场叠加原理，通过所述计算机计算出各透明散射屏上的图像信息；
（2）根据所述四块透明散射屏之间的几何错位关系，相对应地将四层图像的像素进行错位排列组合，形成最终要投影的图像信息，送入所述投影单元进行投影；所述准直透镜将投射的光线进行准直；
（3）将四块透明散射屏上的图像叠加形成三维图像。
进一步限定的操作方法如下：
步骤（1）中，确定要显示的三维物体空间信息Oj和视点信息Si，对所有视点进行逆向光线追迹，确定光线通过物体空间到达各透明散射屏上的交点像素值I1（x,y）、I2（x,y）、I3（x,y）和I4（x,y），得到一组关系式：L（Si,Oj）=I1（x,y）+I2（x,y）+I3（x,y）+I4（x,y），其中L（Si,Oj）代表连接视点和物点的任意一条光线，I1（x,y）、I2（x,y）、I3（x,y）和I4（x,y）分别代表对应于该条光线各层透明散射屏上的像素分布；以此求解I1（x,y）、I2（x,y）、I3（x,y）和I4（x,y），从而得到各层透明散射屏上的图像信息。
步骤（2）中，依次取出I1（x,y）、I2（x,y）、I3（x,y）和I4（x,y）的第m个像素I1（m）、I2（m）、I3（m）和I4（m），按照I2（m）、I3（m）和I4（m）分别在I1（m）的右方、下方、右下方的几何关系进行排列，放入最终投影图像的相对应位置处；对m进行遍历，完成所有像素的错位排列组合，得到最终要投影的图像。
本发明的有益技术效果体现在以下方面：
（1）使用高透过率的透明散射屏显示图像，以90%透过率计算，某条光线通过4层后发生散射，亮度仅降至原先的66%，远高于3层液晶屏的0.1%，因此具有高显示亮度的优点。
（2）由于本发明高亮度的优点，使得所采用的透明散射屏层数可以增加，因此可以大大提高三维显示图像质量。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为第一透明散射屏、第二透明散射屏、第三透明散射屏和第四透明散射屏之间的几何错位排列关系图；
图3为本发明一种基于多层透明散射屏的投影光场显示方法中各层透明散射屏上的图像计算方法示意图；
图4为本发明一种基于多层透明散射屏的投影光场显示方法中各层透明散射屏上的图像像素错位排列组合成最终投影图像的方法示意图。
上图中序号：计算机1、投影仪2、投影单元3、准直透镜4、平行光线5、第一透明散射屏6、第二透明散射屏7、第三透明散射屏8、第四透明散射屏9、散射点10。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
如图1所示，一种基于多层透明散射屏的光场显示装置包括沿光路依次设置的投影单元3、准直透镜4和透明散射屏阵列。
投影单元3为连接有计算机1的投影仪2。
透明散射屏阵列包含N2层透明散射屏；N为整数2时，即由四块透明散射屏组成阵列，四块透明散射屏为第一透明散射屏、第二透明散射屏、第三透明散射屏和第四透明散射屏；且四块透明散射屏在横向上错位排列；如图2所示，相对于第一透明散射屏，第二透明散射屏上的散射点阵列结构整体向右平移距离p，第三透明散射屏上的散射点阵列结构整体向下平移距离p，第四透明散射屏上的散射点阵列结构整体向右和向下平移距离p；所述距离p等于散射点的直径。透明散射屏为亚克力材质的薄板，具有90%以上的透过率，透明散射屏的底面上均布设有圆形凹槽状的散射点10，且均布的散射点10的排列呈正方；散射点10的直径等于一个投影像素的宽度，相邻散射点之间的间距为二倍直径。这里需要说明的是，理论上最佳的散射点形状应为正方形，但正方形散射点加工难度大；而激光光斑本身为圆形，圆形散射点易于加工，因此本发明采用圆形的散射点结构。均布的散射点10用来散射投影单元投射的光线。为了使实施例更容易理解，这里给出具体参数的一个例子：平行投影出的图像分辨率为1920*1080，投影像素宽度为300微米，每层透明散射屏上包含960*540个散射点，散射点直径和间隙均为300微米，相邻透明散射屏之间的间距为10厘米。
工作时，投影单元3投影最终计算的图像，准直透镜4将光线准直平行投出，平行光线5的不同部分分别在四层透明散射屏上发生散射，使投影单元投出的像素信息无损失地平均分配到各层透明散射屏上，各层透明散射屏上的图像叠加形成三维图像。
基于光场显示装置的投影光场显示方法的具体操作步骤如下：
（1）确定要显示的三维物体空间信息和视点信息，对所有视点进行逆向光线追迹，确定光线通过物体空间到达各透明散射屏上的坐标，依据光场叠加原理，通过所述计算机计算出各透明散射屏上的图像信息；
具体操作是：
如图3所示，确定要显示的三维物体空间信息Oj和视点信息Si，对所有视点进行逆向光线追迹，确定光线通过物体空间到达各透明散射屏上的交点像素值I1（x,y）、I2（x,y）、I3（x,y）和I4（x,y），得到一组关系式：L（Si,Oj）=I1（x,y）+I2（x,y）+I3（x,y）+I4（x,y），其中L（Si,Oj）代表连接视点和物点的任意一条光线，I1（x,y）、I2（x,y）、I3（x,y）和I4（x,y）分别代表对应于该条光线各层透明散射屏上的像素分布；以此求解I1（x,y）、I2（x,y）、I3（x,y）和I4（x,y），从而得到各层透明散射屏上的图像信息。
（2）根据所述四块透明散射屏之间的几何错位关系，相对应地将四层图像的像素进行错位排列组合，形成最终要投影的图像信息，送入所述投影单元进行投影；所述准直透镜将投射的光线进行准直；
具体操作是：
如图4所示，依次取出I1（x,y）、I2（x,y）、I3（x,y）和I4（x,y）的第m个像素I1（m）、I2（m）、I3（m）和I4（m），按照I2（m）、I3（m）和I4（m）分别在I1（m）的右方、下方、右下方的几何关系进行排列，放入最终投影图像的相对应位置处；对m进行遍历，完成所有像素的错位排列组合，得到最终要投影的图像。
（3）将四块透明散射屏上的图像叠加形成如图3所示的立方体图像。
Claims (6)
1.一种基于多层透明散射屏的光场显示装置，其特征在于：包括沿光路依次设置的投影单元、准直透镜和透明散射屏阵列；
所述投影单元为连接有计算机的投影仪；
所述透明散射屏阵列包含N2层透明散射屏；N为整数2时，即由四块透明散射屏组成阵列，且四块透明散射屏在横向上错位排列；所述透明散射屏为亚克力材质的薄板，具有90%以上的透过率，透明散射屏的底面上均布设有圆形凹槽状的散射点，均布散射点用来散射投影单元投射的光线；
工作时，所述投影单元将合成的图像信息送入投影仪进行投影；所述准直透镜将投射的光线进行准直，实现平行投出的效果；所述四块透明散射屏使得各自散射点阵列结构在轴向上不重叠，在横向上恰好互补，四块透明散射屏上的图像叠加形成三维图像。
2.根据权利要求1所述的一种基于多层透明散射屏的光场显示装置，其特征在于：所述透明散射屏底面上均布的散射点排列呈正方；所述散射点的直径等于一个投影像素的宽度，相邻散射点之间的间距为二倍直径。
3.根据权利要求1所述的一种基于多层透明散射屏的光场显示装置，其特征在于：所述四块透明散射屏为第一透明散射屏、第二透明散射屏、第三透明散射屏和第四透明散射屏；相对于第一透明散射屏，第二透明散射屏上的散射点阵列结构整体向右平移距离p，第三透明散射屏上的散射点阵列结构整体向下平移距离p，第四透明散射屏上的散射点阵列结构整体向右和向下平移距离p；所述距离p等于散射点的直径。
4.基于权利要求1所述的光场显示装置的投影光场显示方法，其特征在于操作步骤如下：
（1）确定要显示的三维物体空间信息和视点信息，对所有视点进行逆向光线追迹，确定光线通过物体空间到达各透明散射屏上的坐标，依据光场叠加原理，通过所述计算机计算出各透明散射屏上的图像信息；
（2）根据所述四块透明散射屏之间的几何错位关系，相对应地将四层图像的像素进行错位排列组合，形成最终要投影的图像信息，送入所述投影单元进行投影；所述准直透镜将投射的光线进行准直；
（3）所述四块透明散射屏上的图像叠加形成三维图像。
5.根据权利要求4的投影光场显示方法，其特征在于：步骤（1）中，确定要显示的三维物体空间信息Oj和视点信息Si，对所有视点进行逆向光线追迹，确定光线通过物体空间到达各透明散射屏上的交点像素值I1（x,y）、I2（x,y）、I3（x,y）和I4（x,y），得到一组关系式：L（Si,Oj）=I1（x,y）+I2（x,y）+I3（x,y）+I4（x,y），其中L（Si,Oj）代表连接视点和物点的任意一条光线，I1（x,y）、I2（x,y）、I3（x,y）和I4（x,y）分别代表对应于该条光线各层透明散射屏上的像素分布；以此求解I1（x,y）、I2（x,y）、I3（x,y）和I4（x,y），从而得到各层透明散射屏上的图像信息。
6.根据权利要求4的投影光场显示方法，其特征在于：步骤（2）中，依次取出I1（x,y）、I2（x,y）、I3（x,y）和I4（x,y）的第m个像素I1（m）、I2（m）、I3（m）和I4（m），按照I2（m）、I3（m）和I4（m）分别在I1（m）的右方、下方、右下方的几何关系进行排列，放入最终投影图像的相对应位置处；对m进行遍历，完成所有像素的错位排列组合，得到最终要投影的图像。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20210624 Address after: 233000 workshop 3, Jiangqiao road intelligent industrial park, bengshan District, Bengbu City, Anhui Province Patentee after: Anhui Haiqin Technology Co.,Ltd. Address before: Tunxi road in Baohe District of Hefei city of Anhui Province, No. 193 230009 Patentee before: Hefei University of Technology |
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| TR01 | Transfer of patent right | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: A projection light field display device and display method based on multilayer transparent scattering screen Effective date of registration: 20220531 Granted publication date: 20201110 Pledgee: Bengbu excellent SME Financing Guarantee Co.,Ltd. Pledgor: Anhui Haiqin Technology Co.,Ltd. Registration number: Y2022980006736 |
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right |
Date of cancellation: 20230529 Granted publication date: 20201110 Pledgee: Bengbu excellent SME Financing Guarantee Co.,Ltd. Pledgor: Anhui Haiqin Technology Co.,Ltd. Registration number: Y2022980006736 |
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| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right |