CN111183634B - 一种利用透镜还原光场的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种利用透镜还原光场的方法，所述方法包括：在影像播放屏前方布置透镜；所述影像播放屏获取包含有纵深信息的空间影像信息，通过改变所述影像播放屏与所述透镜之间的距离，还原所述空间影像的光场。本发明提供的一种利用透镜还原光场的方法，通过控制影像播放屏与透镜之间的位置，能够改变放大虚像在空间的纵深位置，实现还原影像的纵深信息的目的。

Description

一种利用透镜还原光场的方法
技术领域
本发明涉及光场还原技术领域，特别涉及一种利用透镜还原光场的方法。
背景技术
至今为止几乎任何3D影像技术都是基于这个偏光原理开发的。1839年，英国科学家温斯特发现了一个奇妙的现象，人的两眼间距约为5cm(欧洲人平均值)，看任何物体时，两只眼睛的角度不重合，即存在两个视角。这种细微的视角差异经由视网膜传递到大脑里，就能区别出物体的前后远近，产生强烈的立体感。这便是—偏光原理，至今为止几乎任何3D影像技术都是基于这个原理开发的。
但是基于“偏光原理”的3D设备无法解决人们在使用过程中导致的眩晕问题。在自然环境中，左右视差和眼睛对焦系统可以相互印证，以使得大脑知道这两个功能正在默契的配合。当用户在观看基于“偏光原理”的3D影像的时候由于缺乏眼睛对焦系统的参与，大脑的两套距离感受系统和自然环境中的观察存在差异，这种差异就会让大脑非常不适应，这时候眩晕感就产生了。
为了解决3D视频中的眩晕问题，业界在引入了光场理论解决方案。3D播放领域比较有代表性的公司是Magic Leap公司做的基于光场理论的解决方案。但是该方案采用光纤扫描技术来实现光场显示，光纤由于涉及到光纤的旋转、角度以及发光的控制，其在控制方面存在一定难度。另外，Magic Leap提出的多焦点显示方法利用一个眼睛检测系统检测眼睛观察点然后再重新渲染图片，调节投向眼睛的图片，每次投一个纵深信息的图像，难以实现单一视角下的完整光场还原，同时难以从不同空间角度进行光场还原。
因此，为了解决上述问题，需要通过控制影像播放屏与透镜之间的位置，改变放大虚像在空间的纵深位置，实现还原影像的纵深信息的目的的一种利用透镜还原光场的方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用透镜还原光场的方法，所述方法包括：在影像播放屏前方布置透镜；
所述影像播放屏获取具有纵深信息的空间影像，通过改变所述影像播放屏与所述透镜之间的距离，还原所述空间影像的光场。
优选地，通过如下方法改变所述影像播放屏与所述透镜之间的距离：
计算所述影像播放屏中所述空间影像的所有播放点的纵深位置；
往复移动所述影像播放屏和/或透镜，当所述影像播放屏与所述透镜之间的距离满足所述空间影像某一播放点的纵深位置时，所述影像播放屏播放所述空间影像的该播放点；
当所述影像播放屏与所述透镜之间的距离不满足所述空间影像播放点的纵深位置时，所述影像播放屏停止播放所述空间影像。
优选地，所述影像播放屏和透镜置于通过不透光材料包裹的透镜单元中，多个所述透镜单元阵列于同一平面。
优选地，所述空间影像播放点的开始播放与停止播放的间隔＜0.4秒。
优选地，所述透镜为单个透镜或透镜组合。
优选地，所述透镜为单个透镜，在所述单个透镜的一倍焦距内往复移动影像播放屏和/或单个透镜。
优选地，所述透镜为透镜组合，所述透镜组合包括影像播放屏前端的第一透镜，及距离所述影像播放屏距离最远的第二透镜，其中在所述第一透镜的一倍焦距与二倍焦距之间往复移动影像播放屏和/或所述透镜组合。
优选地，所述第一透镜与所述第二透镜的间隔布置，使第一透镜倒立的实像位于所述第二透镜的一倍焦距内。
优选地，所述影像播放屏与所述透镜平行布置。
优选地，所述影像播放屏与所述透镜成一定角度布置。
本发明提供的一种利用透镜还原光场的方法，通过控制影像播放屏与透镜之间的位置，能够改变放大虚像在空间的纵深位置，实现清晰还原影像的纵深信息的目的。
应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。
附图说明
参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：
图1示意性示出了本发明显示墙的结构示意图；
图2示出了本发明透镜单元的结构示意图；
图3a～图3c示出了本发明影像播放屏中空间影像的所有播放点的纵深位置计算过程示意图；
图4示出了本发明一个实施例改变影像播放屏与透镜之间的距离的示意图；
图5示出了本发明另一个实施例改变影像播放屏与透镜之间的距离的示意图；
图6示出了本发明一些实施例中影像播放屏与透镜的位置关系示意图。
具体实施方式
通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤，除非另有说明。
下面结合具体的实施例对本发明所提供的一种利用透镜还原光场的方法进行详细说明，虚拟现实是以3D场景将影像展现在用于视野内，将具有纵深信息的空间影像的光场还原成3D效果。余晖效应又叫视觉暂留，是指在人眼在观察景物时，光信号传入大脑神经，需经过一段短暂的时间，光的作用结束后，视觉形象并不立即消失的现象。
为了使本发明一种利用透镜还原光场的方法得以清晰的说明，需要对本发明所采用的还原光场的透镜进行说明，如图1所示本发明显示墙的结构示意图，图2所示本发明透镜单元的结构示意图，本发明通过影像播放屏将具有纵深信息的空间影像通过透镜还原成放大的虚像，根据本发明，在一平面上阵列多个透镜单元110构成一个显示墙100，阵列与显示墙100的透镜单元110之间相互间隔，每个透镜单元110内置影像播放屏20和透镜10。通过不透光材料111将影像播放屏20和透镜10包裹在透镜单元110内，用以防止不同透镜单元中的图像出现干扰。每个透镜单元分别播放不同视角的空间影像，播放的所有空间影像构成一个完整的视觉空间。
下面对本发明一种利用透镜还原光场的方法进行详细说明，根据本发明，在影像播放屏前方布置透镜构成透镜单元，每个透镜单元110内的透镜10与影像播放屏可以现实相对的运动。本发明一种利用透镜还原光场的方法包括：
S1、在影像播放屏前方布置透镜构成透镜单元，多个透镜单元阵列与同一平面形成一面显示墙。每个透镜单元通过不透光材料111包裹，以防止不同透镜单元中的图像出现干扰。
S2、所述影像播放屏获取具有纵深信息的空间影像信息，在获取的空间影像信息中包含每个点的颜色、亮度、平面位置、空间位置等影像信息。通过改变影像播放屏与透镜之间的距离还原空间影像的光场，具体地通过如下的方法改变影像播放屏与透镜之间的距离：
计算影像播放屏中空间影像的所有播放点的纵深位置，如图3a～图3c所示本发明影像播放屏中空间影像的所有播放点的纵深位置计算过程示意图，如图3a所示，当在用户的视野场景中的一个空间位置P(x，y，z)需要还原为一个影像播放屏中空间影像的播放点的纵深位置时，则计算P点对应的影像播放屏中空间影像的播放点的纵深位置。以P点为例，将透镜固定，透镜的透镜平面z＝0，透镜中心坐标为O(xo，yo，0)，透镜焦距为f。
假设计算播放点U的坐标为U(xu，yu，zu)，满足P、U、O在同一条直线上，
Figure BDA0002366145150000051
且P点到透镜平面的距离v、U点到透镜平面的距离u，以及透镜的焦距f满足透镜成像公式：
Figure BDA0002366145150000052
此处的像是一个虚像，因此可得
Figure BDA0002366145150000053
从而求得播放点U的位置坐标满足：
Figure BDA0002366145150000054
即播放点U的坐标位置为：
Figure BDA0002366145150000055
通过上述计算，人眼通过透镜看位于透镜一倍焦距内影像播放屏上的某一个播放点的时候，只能看到播放点U的虚像P点。
S3、往复移动影像播放屏和/或透镜，当影像播放屏与透镜之间的距离满足空间影像某一播放点的纵深位置时，影像播放屏播放所述空间影像的该播放点。
当影像播放屏与透镜之间的距离不满足空间影像播放点的纵深位置时，影像播放屏停止播放空间影像。
如图3b、图3c所示，位于人眼40前端的具有透镜10，在透镜后一倍焦距内具有影像播放屏20，以及人眼可以观测到的影像播放屏20中空间影像所成立的虚像30。影像播放屏中具有获取有纵深信息的空间影像201，本实施例中，影像201的不同纵深信息包括第一平面的播放点2011a(2011b)，以及第二平面的播放点2012a(2012b)，每个播放点具有不同的纵深坐标，即播放点的坐标位置。应当理解，播放平面并不限于两个，这里的第一平面和第二平面只是为了使具有纵深信息的空间影像的空间信息得以更加清晰的阐释。
当人眼通过透镜10需要看到虚像30时，往复移动影像播放屏20和/或透镜10，并且使影像播放屏20与透镜10之间的距离处于透镜10的一倍焦距之内。当需要播放第一平面的播放点2011a(2011b)成像时，根据上述计算得到的播放点的纵深位置，即播放点2011a(2011b)的位置坐标，计算机控制影像播放屏20和/或透镜10往复移动，至2011a(2011b)满足上述计算得到的纵深坐标，则计算机控制影像播放屏该播放点开始播放，人眼40通过透镜10观测到第一平面的播放点2011a(2011b)成立的虚像。此时，影像播放屏停止对第二平面的播放点2012a(2012b)进行播放。
同样，当需要播放第二平面的播放点2012a(2012b)成像时，根据上述计算得到的播放点的纵深位置，即播放点2012a(2012b)的位置坐标，计算机控制影像播放屏20和/或透镜10往复移动，至2012a(2012b)满足上述计算得到的纵深坐标，则计算机控制影像播放屏该播放点开始播放，人眼40通过透镜10观测到第二平面的播放点2012a(2012b)成立的虚像。此时，影像播放屏停止对第一平面的播放点2011a(2011b)进行播放。上述过程中第一平面的播放点和第二平面的播放点循环播放，播放点的开始播放与停止播放的间隔＜0.4秒，更甚者，在一些实施例中播放点的开始播放与停止播放的间隔＜0.1秒。
由于人眼存在视觉暂留，当第一平面的播放点2011a(2011b)停止播放时，人眼依然感觉到第一平面的播放点2011a(2011b)的存在，当人眼视觉暂留结束时，第一平面的播放点2011a(2011b)再次开始播放，使人眼40始终感觉到第一平面的播放点2011a(2011b)成立的虚像存在。
由于人眼存在视觉暂留，当第二平面的播放点2012a(2012b)停止播放时，人眼依然感觉到第二平面的播放点2012a(2012b)的存在，当人眼视觉暂留结束时，第二平面的播放点2012a(2012b)再次开始播放，使人眼40始终感觉到第二平面的播放点2012a(2012b)成立的虚像存在。由此完成还原影像播放屏20中的空间影像201的光场，解决了因同时播放空间影像201所有播放点造成的人眼眩晕的情形。并且在还原空间影像201光场的过程中能够改变放大虚像在空间的纵深位置，实现清晰还原影像的纵深信息的目的。
如图4所示本发明一个实施例改变影像播放屏与透镜之间的距离的示意图，本实施例的透镜为单个透镜10a，这里说的单个透镜为一个单独的凸透镜，影像播放屏20a置于单个透镜10a的一倍焦距f内，人眼40a通过单个透镜10a观测到影像播放屏20a播放的空间影像所有播放点的虚像，空间影像所有播放点的虚像完整的还原空间影像的光场。
如图5所示本发明另一个实施例改变影像播放屏与透镜之间的距离的示意图，本实施例中透镜为透镜组合10b，透镜组合10b包括影像播放屏前端的第一透镜10b1，及距离所述影像播放屏距离最远的第二透镜10b2，其中
第一透镜10b1与第二透镜10b2的间隔布置，在第一透镜10b1的一倍焦距f1与二倍焦距2f1之间往复移动影像播放屏20b和/或透镜组合10b，使影像播放屏20b内具有纵深信息的空间影像201b的播放点经第一透镜10b1成立的倒立的实像201b’始终在第二透镜10b2的一倍焦距f2范围内移动。人眼40b通过第二透镜10b2观测到空间影像201b的播放点经第一透镜10b1成立的倒立的实像201b’的放大的虚像，影像播放屏20b中的空间影像201b经过二级放大，更加清晰的还原了空间影像201b的光场。
在上述实施例中，影像播放屏与透镜平行布置，影像播放屏与透镜沿透镜的主光轴方向往复移动。在一些实施例中，影像播放屏与所述透镜成一定角度布置，如图6所示本发明一些实施例中影像播放屏与透镜的位置关系示意图，实施例中影像播放屏20c与透镜10c成一定角度布置，透镜10c固定，影像播放屏20c沿垂直于透镜主光轴方向往复移动，人眼40c通过透镜10c观测到影像播放屏20c中具有纵深信息的空间影像的虚像，完整还原空间影像的光场。
本发明提供的一种利用透镜还原光场的方法，解决了因同时播放空间影像所有播放点造成的人眼眩晕的情形，并且在还原空间影像的光场的过程中能够改变放大虚像在空间的纵深位置，实现清晰还原影像的纵深信息的目的。
结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。

Claims (8)

1.一种利用透镜还原光场的方法，其特征在于，所述方法包括：在影像播放屏前方布置透镜，构成透镜单元，每个所述透镜单元被不透光材料包裹，多个所述透镜单元在同一平面中形成显示墙；
每个所述透镜单元分别播放不同视角的空间影像，所述显示墙播放的所有空间影像构成一个完整的视觉空间；
所述影像播放屏获取包含有纵深信息的空间影像信息，通过改变所述影像播放屏与所述透镜之间的距离，还原所述空间影像的光场；
计算所述影像播放屏中所述空间影像的所有播放点的纵深位置；
对于位于用户的视野场景中的空间位置P(x，y，z)，计算所述空间位置P(x，y，z)对应的影像播放屏中空间影像的播放点的纵深位置：将所述空间位置P(x，y，z)对应的透镜单元的透镜固定，所述透镜的透镜平面z＝0，透镜中心坐标为O(xO，yO，0)，透镜焦距为f；播放点的坐标为U(xu，yu，zu)，P、U、O在同一条直线上，满足
Figure FDA0003251485750000011
且空间位置P到所述透镜平面的距离为v，播放点U到透镜平面的距离为u，所述透镜的焦距f满足透镜成像公式
Figure FDA0003251485750000012
此时，成像位置的像是一个虚像，由此可得：
Figure FDA0003251485750000013
从而求得播放点的坐标U满足：
Figure FDA0003251485750000014
往复移动所述影像播放屏和/或透镜，当所述影像播放屏与所述透镜之间的距离满足所述空间影像某一播放点的纵深位置时，所述影像播放屏播放所述空间影像的该播放点；
当所述影像播放屏与所述透镜之间的距离不满足所述空间影像播放点的纵深位置时，所述影像播放屏停止播放所述空间影像。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述空间影像播放点的开始播放与停止播放的间隔＜0.4秒。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述透镜为单个透镜或透镜组合。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述透镜为单个透镜，在所述单个透镜的一倍焦距内往复移动影像播放屏和/或单个透镜。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述透镜为透镜组合，所述透镜组合包括影像播放屏前端的第一透镜，及距离所述影像播放屏距离最远的第二透镜，其中
在所述第一透镜的一倍焦距与二倍焦距之间往复移动影像播放屏和/或所述透镜组合。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第一透镜与所述第二透镜的间隔布置，使第一透镜倒立的实像位于所述第二透镜的一倍焦距内。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述影像播放屏与所述透镜平行布置。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述影像播放屏与所述透镜成一定角度布置。
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