CN111158161A - 一种集成成像光场信息采集与显示方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种集成成像光场信息采集与显示方法，包括：建立集成成像模型，所述集成成像模型包括探测器、采集微透镜阵列、显示屏以及显示微透镜阵列；通过所述探测器获取每个采集微透镜的n个不同视角区域的三维光场信息，生成微单元图像阵列，其中n≥2；将人眼视觉暂留时间均分为n个时段，其中n≥2；以所述微单元图像阵列作为所述显示屏的数据源，依次在第i时段将每个显示微透镜的第i视角区域对应的微单元图像在三维空间中显示，其中i＝1,2,…,n。本发明的方法，可以精准控制可调谐背光方向和显示屏幕内容刷新，在人眼视觉暂留时间范围内在不同时刻加载不同观测视角的微单元图像信息，消除了串扰现象，并且将串扰光线转化为有用的再现图像。

Description

一种集成成像光场信息采集与显示方法

技术领域

本发明属于集成成像三维显示技术领域，具体涉及一种集成成像光场信息采集与显示方法。

背景技术

集成成像是一种通过透镜阵列或相机阵列实现3D场景微单元图像阵列记录、显示光场微单元图像阵列生成和3D重构图像显示于一体的新型三维显示技术，也就是集光场采集、光场转换和光场显示于一体的新型三维显示技术。集成成像三维显示具有连续视点、全视差、全彩色的特点，无需助视设备，与现代二维平板显示具有良好兼容和继承的性能，是未来最有潜力实现产业化的裸眼真三维显示技术之一。近二十年来，国内外多家研究团队从集成成像光场调控器件、光场数据源转换合成等角度开展了系统深入的研究。

尽管很多科研人员在集成成像三维显示的理论技术和新型光学元件等方面进行了有益尝试，但是受集成成像固有显示模式的限制，再现图像存在严重的视域跳变和串扰现象，且光场密度难以满足高质量三维显示需求。因此，提供一种高质量的集成成像光场信息采集与显示方法是具有重要意义的。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种集成成像光场信息采集与显示方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

本发明提供了一种集成成像光场信息采集与显示方法，包括：

建立集成成像模型，所述集成成像模型包括探测器、采集微透镜阵列、显示屏以及显示微透镜阵列；

通过所述探测器获取每个采集微透镜的n个不同视角区域的三维光场信息，生成微单元图像阵列，其中n≥2；

将人眼视觉暂留时间均分为n个时段，其中n≥2；

以所述微单元图像阵列作为所述显示屏的数据源，依次在第i时段将每个显示微透镜的第i视角区域对应的微单元图像在三维空间中显示，其中i＝1,2,…,n。

在本发明的一个实施例中，所述采集微透镜阵列和所述显示微透镜阵列为均匀排布的微透镜组成的M*V的二维阵列；所述采集微透镜阵列和所述显示微透镜阵列的参数相同。

在本发明的一个实施例中，所述探测器位于所述采集微透镜阵列的焦平面处；所述显示屏位于所述显示微透镜阵列的焦平面处。

在本发明的一个实施例中，在所述采集微透镜阵列中，

所述三维光场信息通过采集微透镜中心与其对应的探测器区域形成的空间区域为采集微透镜的第1视角区域；

所述三维光场信息通过采集微透镜中心与此采集微透镜相邻的同一行的采集微透镜对应的探测器区域形成的空间区域为采集微透镜的第2视角区域；

所述三维光场信息通过采集微透镜中心与此采集微透镜间隔n-2个采集微透镜的同一行的采集微透镜对应的探测器区域形成的空间区域为采集微透镜的第n视角区域。

在本发明的一个实施例中，每个所述采集微透镜具有一个第1视角区域，每个所述采集微透镜具有至多两个第i视角区域，其中，i＝2,3,…,n。

在本发明的一个实施例中，在所述显示微透镜阵列中，

通过显示微透镜中心与其对应的显示屏区域向上形成的空间区域为显示微透镜的第1视角区域；

通过显示微透镜中心与此显示微透镜相邻的同一行的显示微透镜对应的显示屏区域向上形成的空间区域为显示微透镜的第2视角区域；

通过显示微透镜中心与此显示微透镜间隔n-2个显示微透镜的同一行的显示微透镜对应的显示屏区域向上形成的空间区域为显示微透镜的第n视角区域。

在本发明的一个实施例中，每个所述显示微透镜具有一个第1视角区域，每个所述显示微透镜具有至多两个第i视角区域，其中，i＝2,3,…,n。

在本发明的一个实施例中，所述集成成像光场信息采集与显示方法的视场最大角度为：

其中，g表示显示微透镜到显示屏的距离，p表示孔径间隔，N表示时分复用次数。

在本发明的一个实施例中，所述采集微透镜的不同视角区域个数n满足，

所述显示微透镜的不同视角区域个数n满足，

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明的集成成像光场信息采集与显示方法，可以精准控制可调谐背光方向和显示屏幕内容刷新，在人眼视觉暂留时间范围内在不同时刻加载不同观测视角的微单元图像信息，消除了传统集成成像显示中的串扰现象，并且可以将串扰光线转化为有用的再现图像。

2、本发明的集成成像光场信息采集与显示方法，通过时间、空间复用交织合成不同空间区域的光线信息，可以消除视域跳变，实现光场信息高密度连续视域显示，达到分辨率、观测视角等多维可视参数协同提升的目的。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1a-图1d是本发明实施例提供的一种传统集成成像三维显示光线分布示意图；

图2是本发明实施例提供的一种集成成像光场信息采集与显示方法的流程图；

图3是本发明实施例提供的单个采集微透镜的不同视角区域的示意图；

图4a-图4c是本发明实施例提供的采集微透镜阵列的不同视角区域采集三维光场信息的示意图；

图5是本发明实施例提供的单个显示微透镜的不同视角区域的示意图；

图6是本发明实施例提供的单个显示微透镜的显示过程的示意图。

具体实施方式

为了进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及具体实施方式，对依据本发明提出的一种集成成像光场信息采集与显示方法进行详细说明。

有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合附图的具体实施方式详细说明中即可清楚地呈现。通过具体实施方式的说明，可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效进行更加深入且具体地了解，然而所附附图仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明的技术方案加以限制。

受集成成像固有显示模式的限制，传统集成成像再现的图像存在严重的视域跳变和串扰现象，且光场密度难以满足高质量三维显示需求。请参见图1a-1d，图1a-图1d是本发明实施例提供的一种传统集成成像三维显示光线分布示意图，如图所示，图1a为所有方向光线汇聚结果，图1b为每个透镜与对应的单元图像所形成的主视区，图1c和图1d分别为每个微透镜与相邻和相间隔的单元图像所形成的串扰区域。从图中可以看出，传统集成成像三维显示时主视区很窄，观看视角较小，而且串扰区域的存在也会导致视域跳变和失真，严重影响观看者的视觉体验。

实施例一

请参见图2，图2是本发明实施例提供的一种集成成像光场信息采集与显示方法的流程图，如图所示，本实施例的集成成像光场信息采集与显示方法，包括如下步骤：

S1：建立集成成像模型；

具体地，所述集成成像模型包括探测器、采集微透镜阵列、显示屏以及显示微透镜阵列。其中，所述采集微透镜阵列和所述显示微透镜阵列为均匀排布的微透镜组成的M*V的二维阵列，M表示微透镜水平排列的数目，V表示微透镜垂直排列的数目。在本实施例中，所述采集微透镜阵列和所述显示微透镜阵列的参数相同，所述探测器位于所述采集微透镜阵列的焦平面处，所述显示屏位于所述显示微透镜阵列的焦平面处。

S2：通过所述探测器获取每个采集微透镜的n个不同视角区域的三维光场信息，生成微单元图像阵列，其中n≥2；

具体地，可以利用齐次光场函数和光线追迹理论，通过探测器获取每个采集微透镜的n个不同视角区域的三维光场信息，生成微单元图像阵列。

请参见图3，图3是本发明实施例提供的单个采集微透镜的不同视角区域的示意图，以中心采集微透镜为例，对采集微透镜的不同视角区域进行具体说明。如图所示，在所述采集微透镜阵列中，所述三维光场信息通过采集微透镜中心与其对应的探测器区域形成的空间区域为采集微透镜的第1视角区域(图中视角1)；所述三维光场信息通过采集微透镜中心与此采集微透镜相邻的同一行的采集微透镜对应的探测器区域形成的空间区域为采集微透镜的第2视角区域(图中视角2)；所述三维光场信息通过采集微透镜中心与此采集微透镜间隔n-2个采集微透镜的同一行的采集微透镜对应的探测器区域形成的空间区域为采集微透镜的第n视角区域(图中视角n)。

在采集微透镜阵列中，每个所述采集微透镜均具有一个第1视角区域，每个所述采集微透镜具有至多两个第i视角区域，其中，i＝2,3,…,n。具体地，当采集微透镜位于所述采集微透镜阵列的第一列或最后一列时，其只具有一个第i视角区域，其中，i＝2,3,…,n。在本实施例中，所述采集微透镜的不同视角区域个数n满足，

在采集三维光场信息过程中，n可以取在上述范围内的任一整数值。

以中心显示微透镜为例，对光场信息采集过程进行具体说明，在本实施例中，三维光场信息为虚拟信息，基于几何光学的光线追迹方法，计算通过单个透镜到达探测器位置的n个视角区域的光场信息，获取所有微透镜的不同视角区域。具体地，基于齐次光场函数和光线追迹理论，第1视角区域(图中视角1)中的三维光场信息由与采集微透镜对应的探测器完成采集，生成微单元图像数据，基于齐次光场函数和光线追迹理论，第2视角区域(图中视角2)中的三维光场信息由与此采集微透镜相邻的同一行的采集微透镜对应的探测器完成采集，生成微单元图像数据，以此类推，基于齐次光场函数和光线追迹理论，第n视角区域(图中视角n)中的三维光场信息由与此采集微透镜间隔n-2个采集微透镜的同一行的采集微透镜对应的探测器完成采集，生成微单元图像数据。所有微单元图像数据组成微单元图像阵列。每个采集微透镜的采集过程相同，在此不再赘述。请参见图4a-图4c，图4a-图4c是本发明实施例提供的采集微透镜阵列的不同视角区域采集三维光场信息的示意图，如图所示，图4a为采集微透镜阵列的第1视角区域采集三维光场信息的示意图，图4b为采集微透镜阵列的第2视角区域采集三维光场信息的示意图，图4c为采集微透镜阵列的第n视角区域采集三维光场信息的示意图。

另外，在其他实施例中，三维光场信息若为真实光场信息，则通过液晶或者空间光调制器等光学器件的调控，来实现不同视角区域的光通过采集微透镜，再利用探测器采集微透镜的n个视角区域的光场信息。

值得说明的是，此采集方法对显示端参数和观测位置没有特定要求，显示微透镜阵列参数、重构图像的深度位置和尺寸都可以任意指定，均可以实现连续视角高分辨率光场数据源转换生成。

S3：将人眼视觉暂留时间均分为n个时段，其中n≥2；

人眼视觉暂留指的是物体在快速运动时，当人眼所看到的影像消失后，人眼仍能继续保留其影像0.1-0.4秒左右，这种现象被称为视觉暂留现象。保留其影像的时间为人眼视觉暂留时间。

在本实施例中，人眼视觉暂留时间划分的时段n与采集三维光场信息时，采集微透镜的不同视角区域的个数n相对应。

S4：以所述微单元图像阵列作为所述显示屏的数据源，依次在第i时段将每个显示微透镜的第i视角区域对应的微单元图像在三维空间中显示，其中i＝1,2,…,n。

在本实施例中，对应的微单元图像为探测器采集到的相同位置处的采集微透镜的第i个视角区域的微单元图像。具体地，使用基于时间和空间复用的高密度连续视域光场交织合成显示方法实现光场显示。请参见图5，图5是本发明实施例提供的单个显示微透镜的不同视角区域的示意图，以中心显示微透镜为例，对显示微透镜的不同视角区域进行具体说明。如图所示，在所述显示微透镜阵列中，通过显示微透镜中心与其对应的显示屏区域向上形成的空间区域为显示微透镜的第1视角区域；通过显示微透镜中心与此显示微透镜相邻的同一行的显示微透镜对应的显示屏区域向上形成的空间区域为显示微透镜的第2视角区域；通过显示微透镜中心与此显示微透镜间隔n-2个显示微透镜的同一行的显示微透镜对应的显示屏区域向上形成的空间区域为显示微透镜的第n视角区域。

在显示微透镜阵列中，每个所述显示微透镜具有一个第1视角区域，每个所述显示微透镜具有至多两个第i视角区域，其中，i＝2,3,…,n。具体地，当显示微透镜位于所述显示微透镜阵列的第一列或最后一列时，其只具有一个第i视角区域，其中，i＝2,3,…,n。在本实施例中，所述显示微透镜的不同视角区域个数n满足，

在显示过程中，n可以取在上述范围内的任一整数值，且显示微透镜的不同视角区域的个数n与采集微透镜的不同视角区域的个数n相对应。

请参见图6，图6是本发明实施例提供的单个显示微透镜的显示过程的示意图，以中心显示微透镜为例，对光场交织合成显示过程进行具体说明。如图所示，在人眼视觉暂留时间范围内，动态控制高分辨率显示屏幕内容刷新和可调谐背光方向切换，在第1时段(图中Time₁)控制每个显示微透镜的第1视角区域对应的微单元图像光线通过显示微透镜中心在三维空间显示，在第2时段(图中Time2)控制每个显示微透镜的第2视角区域对应的微单元图像光线通过显示微透镜中心三维空间显示，在第3时段(图中Time₃)控制每个显示微透镜的第3视角区域对应的微单元图像光线通过显示微透镜中心三维空间显示，以此类推，在第n时段(图中Time_n)控制每个显示微透镜第n视角区域应的微单元图像光线通过显示微透镜中心三维空间显示。

在本实施例中，由于每个所述显示微透镜具有至多两个第i视角区域，其中，i＝2,3,…,n，在第i时间段显示两个第i视角区域时，可以将第i时间段划分为两段，在第一段显示左边的第i个视角区域对应的微单元图像，在第二段显示右边的第i个视角区域对应的微单元图像；也可以以两个像元为一组，在第i时间段，控制一个像元的光线方向指向其对应的微透镜中心经过此微透镜的左边第i个视角区域在三维空间射出，控制另一个像元的光线方向指向对应的微透镜中心经过此微透镜的右边第i个视角区域在三维空间射出。在本实施例中，对第i时段的显示方法不做具体限制。

值得说明的是，在本实施例中，由于采集微透镜阵列与显示微透镜阵列的参数相同，因此，利用采集微透镜阵列获取的微单元图像阵列可以直接作为显示过程中的数据源，无需进行数据处理，在其他实施例中，若采集微透镜阵列与显示微透镜阵列的参数不相同，需要将利用采集微透镜阵列获取的微单元图像阵列进行数据处理，然后将处理后的微单元图像阵列作为显示过程中的数据源按照本实施例的方法进行显示。其中，数据处理方法可以是本领域中的常规数据处理方法，在此不做限制。

进一步地，本实施例的集成成像光场信息采集与显示方法的视场最大角度为：

其中，g表示显示微透镜到显示屏的距离，p表示孔径间隔，N表示时分复用次数。

而传统的集成成像的视场最大角度为：

其中，g表示显示微透镜到显示屏的距离，p表示孔径间隔。

从上式可以看出，本实施例的视场最大角度与传统集成成像的视场最大角度相比，实现了角度的扩大。

本实施例的集成成像光场信息采集与显示方法，可以精准控制可调谐背光方向和显示屏幕内容刷新，在人眼视觉暂留时间范围内在不同时刻加载不同观测视角的微单元图像信息，消除了传统集成成像显示中的串扰现象，并且可以将串扰光线转化为有用的再现图像。另外，本实施例的方法通过时间、空间复用交织合成不同空间区域的光线信息，可以消除视域跳变，实现光场信息高密度连续视域显示，达到分辨率、观测视角等多维可视参数协同提升的目的。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种集成成像光场信息采集与显示方法，其特征在于，包括：

建立集成成像模型，所述集成成像模型包括探测器、采集微透镜阵列、显示屏以及显示微透镜阵列；

通过所述探测器获取每个采集微透镜的n个不同视角区域的三维光场信息，生成微单元图像阵列，其中n≥2；

将人眼视觉暂留时间均分为n个时段，其中n≥2；

以所述微单元图像阵列作为所述显示屏的数据源，依次在第i时段将每个显示微透镜的第i视角区域对应的微单元图像在三维空间中显示，其中i＝1,2,…,n。

2.根据权利要求1所述的集成成像光场信息采集与显示方法，其特征在于，所述采集微透镜阵列和所述显示微透镜阵列为均匀排布的微透镜组成的M*V的二维阵列；所述采集微透镜阵列和所述显示微透镜阵列的参数相同。

3.根据权利要求1所述的集成成像光场信息采集与显示方法，其特征在于，所述探测器位于所述采集微透镜阵列的焦平面处；所述显示屏位于所述显示微透镜阵列的焦平面处。

4.根据权利要求1所述的集成成像光场信息采集与显示方法，其特征在于，在所述采集微透镜阵列中，

所述三维光场信息通过采集微透镜中心与其对应的探测器区域形成的空间区域为采集微透镜的第1视角区域；

所述三维光场信息通过采集微透镜中心与此采集微透镜相邻的同一行的采集微透镜对应的探测器区域形成的空间区域为采集微透镜的第2视角区域；

所述三维光场信息通过采集微透镜中心与此采集微透镜间隔n-2个采集微透镜的同一行的采集微透镜对应的探测器区域形成的空间区域为采集微透镜的第n视角区域。

5.根据权利要求4所述的集成成像光场信息采集与显示方法，其特征在于，每个所述采集微透镜具有一个第1视角区域，每个所述采集微透镜具有至多两个第i视角区域，其中，i＝2,3,…,n。

6.根据权利要求1所述的集成成像光场信息采集与显示方法，其特征在于，在所述显示微透镜阵列中，

通过显示微透镜中心与其对应的显示屏区域向上形成的空间区域为显示微透镜的第1视角区域；

通过显示微透镜中心与此显示微透镜相邻的同一行的显示微透镜对应的显示屏区域向上形成的空间区域为显示微透镜的第2视角区域；

通过显示微透镜中心与此显示微透镜间隔n-2个显示微透镜的同一行的显示微透镜对应的显示屏区域向上形成的空间区域为显示微透镜的第n视角区域。

7.根据权利要求6所述的集成成像光场信息采集与显示方法，其特征在于，每个所述显示微透镜具有一个第1视角区域，每个所述显示微透镜具有至多两个第i视角区域，其中，i＝2,3,…,n。

8.根据权利要求1所述的集成成像光场信息采集与显示方法，其特征在于，所述集成成像光场信息采集与显示方法的视场最大角度为：

其中，g表示显示微透镜到显示屏的距离，p表示孔径间隔，N表示时分复用次数。

9.根据权利要求2所述的集成成像光场信息采集与显示方法，其特征在于，所述采集微透镜的不同视角区域个数n满足，

所述显示微透镜的不同视角区域个数n满足，

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