CN111142272B - 3d光场显示的光学结构及其图像合成方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种3D光场显示的光学结构以及图像合成方法。所述3D光场显示的光学结构包括LED显示屏以及棱镜阵列；所述棱镜阵列位于所述LED显示屏的正上方；所述LED显示屏显示由多个合成子图像组成的合成图像；各所述合成子图像中的每一个像素对应所述棱镜阵列中的一个棱镜，且所述像素发出的光线垂直入射到所述棱镜的下表面，并经过所述棱镜的上侧斜面的折射到达圆周视区中的视点；其中，所述像素与所述视点满足预设对应关系。本发明实施例提供的3D光场显示的光学结构可提供完整的圆周视区，从而大大提高了3D显示系统的显示效率和显示范围。

Description

3D光场显示的光学结构及其图像合成方法

技术领域

本发明实施例涉及光学显示领域，具体涉及一种3D光场显示的光学结 构及其图像合成方法。

背景技术

360°桌面式3D显示可以同时为多位在不同位置的观看者提供具有正确 视差的三维场景，同时可以实现面对面互动或对话的功能，这对于会议研讨 等方面具有重大实用意义。桌面式3D显示在许多应用领域上都有巨大前景， 比如工业设计、城市规划和空管控制系统等。

目前已经有一些针对桌面式3D显示系统的研究，其所提的系统需要高 速旋转屏幕和多个投影仪，但这些系统都过于复杂、成本高且体积大。为解 决这些问题，提出了利用圆锥形透镜阵列对光线空间方向进行调制以形成环 形视区的技术，如图1所示。

然而，基于圆锥形透镜阵列形成的环形视区中，实际上只有最外层的一 圈视点被利用，即环形视区中除最外圈以外的视点都被浪费，因此360°桌 面式3D显示系统需要的是圆周视区，如图2所示。

因此，如何提供一种3D光场显示的光学结构，以提供圆周视区，成为 亟待解决的问题。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明实施例提供一种3D光场显示的光学结 构，包括LED显示屏以及棱镜阵列；

所述棱镜阵列位于所述LED显示屏的正上方；所述LED显示屏显示由 多个合成子图像组成的合成图像；

各所述合成子图像中的每一个像素对应所述棱镜阵列中的一个棱镜，且 所述像素发出的光线垂直入射到所述棱镜的下表面，并经过所述棱镜的上侧 斜面的折射到达圆周视区中的视点；

其中，所述像素与所述视点满足预设对应关系。

在一个实施例中，所述棱镜的上侧斜面在平行于折射光线的方向上，对 所述折射光线进行扩束。

在一个实施例中，所述预设对应关系包括：

以所述合成子图像的中心为坐标原点，以行为横坐标轴，以列为纵坐标 轴，以一个像素宽度为单位长度，建立笛卡尔坐标系；

根据所述像素在所述笛卡尔坐标系中的坐标到所述坐标原点与所述横坐 标轴的连线的夹角，确定所述视点。

在一个实施例中，所述像素在所述笛卡尔坐标系中的坐标与所述夹角满 足如下关系：

其中，所述合成子图像的像素数量为M×N；x为所述像素在所述笛卡尔 坐标系中的横坐标；y为所述像素在所述笛卡尔坐标系中的纵坐标；i为所述 像素在所述合成子图像中的行数；j为所述像素在所述合成子图像中的列数； k为所述像素在RGB三色中的位置；θ为所述夹角。

在一个实施例中，所述根据所述像素在所述笛卡尔坐标系中的坐标到所 述原点与所述横坐标轴的连线的夹角，确定所述视点包括：

其中，n为所述视点的位置编号；

为向上取整符号；

所述横坐标轴正向与所述视点和所述坐标原点的连线形成的夹角α满足：

以像素

对应的棱镜摆放的角度为基准角度，选取垂直于水平面向 上为z轴，则所述棱镜以所述基准角度为标准，绕所述z轴旋转的角度β为：

其中，R为所述圆周视区的半径。

另一方面，本发明实施例还提供一种应用上述任一种的3D光场显示的 光学结构的图像合成方法，包括：

其中，i为所述像素在所述合成子图像中的行数；j为所述像素在所述合 成子图像中的列数；k为所述像素在RGB三色中的位置；

为向下取整 符号，

为向上取整符号；所述合成子图像的像素数量为M×N；r和s 表示第r行s列的所述合成子图像；n为所述视点的位置编号。

本发明实施例提供的3D光场显示的光学结构，通过将像素发出的光线 垂直入射到棱镜的下表面，并经过棱镜的上侧斜面的折射到达圆周视区中的 视点，因此可提供完整的圆周视区，从而大大提高了3D显示系统的显示效 率和显示范围。

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一简单地介绍，显而易见地，下 面描述中的附图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为现有技术中环形视区的示意图；

图2为根据本发明实施例提供的3D光场显示的光学结构所产生的圆周 视区的示意图；

图3为根据本发明实施例的3D光场显示的光学结构中合成子图像与棱 镜阵列的示意图；

图4为根据本发明实施例的3D光场显示的光学结构中像素与棱镜的示 意图；

图5为根据本发明实施例提供的3D光场显示的光学结构所产生的圆柱 形视区的示意图；

图6为根据本发明实施例提供的3D光场显示的光学结构中，像素与视 点的位置关系图；

图7为根据本发明实施例提供的3D光场显示的光学结构中，旋转角度 β分别取0°、90°、180°、270°时棱镜的示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。

为便于理解本发明的实施例，提供如下技术名词解释：

1、视差图像：模拟人眼立体视觉，对同一场景从不同角度拍摄时，所获 得的两幅或多幅有视差的图像称为视差图像；

2、合成图像：将视差图像的像素按照透镜阵列的光学结构，以一定规律 排列生成的图像称为合成图像；

3、视点：视差图像在空间中形成的可正确观看的位置；

4、视区：透镜阵列的折射作用使得来源于不同视差图像的光线向不同方 向传播，在空间中形成的视差图像观看区域，简称视区；

5、视点数：观看者在一个观看周期范围内，所观察到的视差图的个数；

6、棱镜阵列单元：一个圆柱视区下对应的棱镜阵列模组，其由排布角度 各不相同的基元棱镜组成；

7、合成子图像：合成图像中被一组棱镜阵列单元覆盖的像素组成的图像；

8、单元结构：由一个合成子图像和一组棱镜阵列单元组成的结构。

图3为根据本发明实施例的3D光场显示的光学结构中合成子图像与棱 镜阵列的示意图，参看图3，本发明实施例提供一种3D光场显示的光学结构， 包括LED显示屏(未示出)以及棱镜阵列1；

棱镜阵列1位于LED显示屏的正上方；LED显示屏显示由多个合成子图 像2组成的合成图像。

各合成子图像2中的每一个像素22对应棱镜阵列1中的一个棱镜11， 且像素22发出的光线垂直入射到棱镜11的下表面，并经过棱镜的上侧斜面 的折射到达圆周视区中的视点，如图4所示；其中，像素22与视点满足预设 对应关系。

可以理解的是，完整的LED显示屏显示的是由合成子图像组成的合成图 像，因为每一个单元结构中棱镜阵列1的排布都是一致的，所以只需针对一 个单元结构进行描述即可。

在一个单元结构中，每一个像素22上方对应着一个棱镜11，棱镜11的 摆放角度各不相同，图4给出了一个像素22及其对应的棱镜方向的示意图， 被点亮的像素22发出光线垂直入射到棱镜11下表面，然后穿过棱镜11在上 侧斜面经过折射使光线方向偏折到达指定位置，这样一个单元结构就可以形 成一个圆周视区。

在一个实施例中，棱镜11的上侧斜面在平行于折射光线的方向上，对折 射光线进行扩束，如图7所示。

可以理解的是，为了保证观测者在上下移动时仍能具有良好的观感体验， 本发明实施例对棱镜11的上表面进行了优化，使棱镜11上表面在平行于偏 折光线方向上具有扩散作用，这样就扩大了垂直方向的视区，圆周视区从而 演变成圆柱视区，如图5所示。

进一步地，在一个实施例中，所述预设对应关系包括：

以合成子图像2的中心为坐标原点，以行为横坐标轴，以列为纵坐标轴， 以一个像素宽度为单位长度，建立笛卡尔坐标系；

根据像素22在笛卡尔坐标系中的坐标到坐标原点与横坐标轴的连线的 夹角，确定视点。

可以理解的是，每个子图像2对应的棱镜11的摆放角度不同，要判定棱 镜11的摆放方向，首先要确认在一个单元结构内，某一像素22所对应的圆 周视区中视点的位置，即该像素22可在圆周视区中对应的视点观测到。

如图6所示为像素22与圆周视区内各视点空间位置关系。假设单幅合成 子图像2的像素数为M×N。根据结构几何光学关系，可得出如图6的显示屏 中像素22与其分配的视点的空间位置关系。

单元显示屏每个像素22对应的坐标为(i,j,k)，子图像上侧和左侧为坐标 标尺，i表示子像素所在行数，j表示子像素所在列数，k表示子像素为RGB 三色中的位置，n表示该子像素对应的视区中第n个视点。

外围一圈虚线格为每个视点对应的空间位置。在一个合成子图像平面中， 选取子图像中心为坐标原点O，以行为横坐标x轴(右为正)，以列为纵坐标 y轴(上为正)，取一个像素宽度为单位长度，建立笛卡尔坐标系。对于子像 素(i,j,k)，x轴与其到坐标原点O的连线之间形成的夹角θ(范围为0-360°)， 该子像素在笛卡尔坐标系中的坐标(x,y)和θ满足的关系式如下：

通过θ来确定该子像素对应的视点位置n，n满足

其中

为向上取整符号，此时x轴正向与相应视点和坐标原点O的连线形成的夹角 α满足如下公式

设定子像素

对应的视点位置为1，以此时棱镜摆放的角度为基准， 选取垂直于水平面向上为z轴，绕z轴旋转棱镜，旋转角度β＝0，如图7所示。 对于其他的子像素(i,j,k)，相应的棱镜要在基准角度绕z轴旋转β，图6中给 出了旋转方向：

式中R为所形成的圆周视区的半径，其可以由棱镜上表面的倾斜程度确 定。图7给出了旋转角β分别取0°，90°，180°，270°时棱镜的示意图。

对于整个3D光场显示的光学结构而言，只须将设计好的一个单元结构中的棱镜阵列单元进行复制，并将这些阵列拼接成完整的棱镜阵列组即可。

本发明实施例提供的3D光场显示的光学结构，通过将像素发出的光线 垂直入射到棱镜的下表面，并经过棱镜的上侧斜面的折射到达圆周视区中的 视点，因此可提供完整的圆周视区，从而大大提高了3D显示系统的显示效 率和显示范围。

另一方面，本发明实施例还提供一种应用上述任一种的3D光场显示的 光学结构的图像合成方法。

可以理解的是，合成图像由若干合成子图像组成，每个合成子图像均提 供所有视点，合成子图像内的每一个像素为一个视点提供光线。在单个视点 位置，由多幅合成子图像与该视点对应的像素提供的光线来构成视差图。每 幅合成子图像由每个视点位置的视差图的同一位置的像素组成，最后将合成 子图像按照与视差图像像素对应的位置拼接在一起组成为合成图像。因此， 只要确定单幅合成子图像内的像素编码方法，再依照顺序拼接即可生成合成 图像。

假设单幅合成子图像的像素数为M×N。根据上述3D光场显示的光学结 构实施例中的结构几何光学关系，可得出如图6的显示屏中像素与其分配的 视点的空间位置关系。图6中[r,s]表示第r行s列的合成子图像，显示屏每个 像素对应的坐标为(i,j,k)，子图像上侧和左侧为坐标标尺，i表示像素所在行 数，j表示像素所在列数，k表示像素为RGB三色中的位置。外围一圈虚线 格为每个视点对应的空间位置。

显示屏上第i行j列k个的像素对应其所属的第r行s列的合成子图像和 第n个视点的关系式如下：

其中，

为向下取整符号，

为向上取整符号；i、j和k表示 显示屏上第i行j列k个的像素；M和N表示合成子图像共包含M行N列个 像素；r和s表示第r行s列的合成子图像；n表示第n个视点，也是第n张 视差图；P表示共P个视点，其中P＝3MN，一共采集P张视差图。

通过该关系式可以得到合成图像的第i行j列k个的子像素应该位于第r 行s列幅合成子图像，应该为分配第n个视点，即应该取第n张视差图的第r 行s列的像素的对应子像素的灰度值。将与显示屏分辨率相同的空白合成图 像的像素依次按照该算法迭代，即可得到可提供圆柱视区的合成图像。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其 限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术 人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或 者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技 术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种3D光场显示的光学结构，包括LED显示屏以及棱镜阵列；

所述棱镜阵列位于所述LED显示屏的正上方；所述LED显示屏显示由多个合成子图像组成的合成图像；其特征在于，

各所述合成子图像中的每一个像素对应所述棱镜阵列中的一个棱镜，且所述像素发出的光线垂直入射到所述棱镜的下表面，并经过所述棱镜的上侧斜面的折射到达圆周视区中的视点；

其中，所述像素与所述视点满足预设对应关系；

所述预设对应关系包括：

以所述合成子图像的中心为坐标原点，以行为横坐标轴，以列为纵坐标轴，以一个像素宽度为单位长度，建立笛卡尔坐标系；

根据所述像素在所述笛卡尔坐标系中的坐标到所述坐标原点与所述横坐标轴的连线的夹角，确定所述视点；

所述像素在所述笛卡尔坐标系中的坐标与所述夹角满足如下关系：

其中，所述合成子图像的像素数量为M×N；x为所述像素在所述笛卡尔坐标系中的横坐标；y为所述像素在所述笛卡尔坐标系中的纵坐标；i为所述像素在所述合成子图像中的行数；j为所述像素在所述合成子图像中的列数；k为所述像素在RGB三色中的位置；θ为所述夹角。

2.根据权利要求1所述的3D光场显示的光学结构，其特征在于，所述棱镜的上侧斜面在平行于折射光线的方向上，对所述折射光线进行扩束。

3.根据权利要求1所述的3D光场显示的光学结构，其特征在于，所述根据所述像素在所述笛卡尔坐标系中的坐标到所述原点与所述横坐标轴的连线的夹角，确定所述视点包括：

其中，n为所述视点的位置编号；

为向上取整符号；

所述横坐标轴正向与所述视点和所述坐标原点的连线形成的夹角α满足：

以像素

对应的棱镜摆放的角度为基准角度，选取垂直于水平面向上为z轴，则所述棱镜以所述基准角度为标准，绕所述z轴旋转的角度β为：

其中，R为所述圆周视区的半径。

4.一种应用如权利要求1-3任一项所述的3D光场显示的光学结构的图像合成方法，其特征在于，包括：

其中，i为所述像素在所述合成子图像中的行数；j为所述像素在所述合成子图像中的列数；k为所述像素在RGB三色中的位置；

为向下取整符号，

为向上取整符号；所述合成子图像的像素数量为M×N；r和s表示第r行s列的所述合成子图像；n为所述视点的位置编号。

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