CN111193921A - 一种基于组合离散光栅的led屏一维集成成像显示方法 - Google Patents

Abstract

一种基于组合离散光栅的LED屏一维集成成像显示方法属自由立体显示技术领域，本发明设计了一种基于组合型离散柱透镜光栅的LED显示屏真三维立体显示方法。首先通过实拍或虚拟模型获取视点图像，经立体图合成算法处理后在LED显示面板上显示，显示面板前的合适位置依次放置组合型离散柱透镜光栅和双角度全息扩散片，通过设计和匹配各个装置的各项参数，达到最佳的观看效果。本发明通过设计组合型离散柱透镜光栅和使用双角度全息扩散片，实现了视差连续、视点密集、视角广、清晰度高的立体显示，消除了LED显示屏像素点间的离散效应，解决了传统柱透镜光栅立体显示中单一观看视区视角小的问题，立体显示效果优于传统的一维集成成像显示方式。

Description

一种基于组合离散光栅的LED屏一维集成成像显示方法

技术领域

本发明属自由立体显示技术领域，具体涉及一种基于组合离散光栅的LED屏一维集成成像显示方法。

背景技术

三维立体显示技术作为炙手可热的技术，受到了国内外大量科研人员的关注，各个研究机构都投入了大量人力物力进行研究和探索，并提出了多种立体显示的解决方案，当前市场上所广泛采用的3D显示设备多利用了双目视差原理，需要佩戴相应的眼镜或头戴式设备以实现立体显示，但由于显示设备技术限制和双目视差显示本身的缺陷，使用助视设备观看3D图像时，会产生眩晕感和不适感，长时间观看甚至会对身体健康造成伤害，因此无需辅助设备的自由立体显示技术，成了人们追求的3D显示方式。其中集成成像显示技术(Integral Imaging)由于其具有全视差、视点连续、设备简单等特点，成为了目前最有前景的立体显示技术方案之一。一维集成成像技术是一种舍弃垂直视差，以提高整体分辨率的集成成像显示方法，在某些只需要向观察者提供水平视差的情况下，这种技术可以提供更清晰的显示效果。

一维集成成像技术主要有柱透镜光栅成像和狭缝光栅成像两种方法，传统的成像方法是将柱透镜光栅或狭缝光栅放置在显示面板前特定位置，且使光栅与显示面板呈特定角度以消除莫尔条纹，当观看者站在指定的观视区域内时可以看到显示面板上呈现出的立体像。柱透镜光栅成像方法和狭缝光栅成像方法的原理不同，但目的都是将指定光线投射到指定位置，通过编码显示面板上的图像，让两幅或多幅图像投射到观察者的两只眼睛中，经过观察者大脑对接收信息的融合处理，即可产生立体感。

图1是现有的传统柱透镜成像方法的原理示意图，图2是传统狭缝光栅成像方法的原理示意图。

传统的一维集成成像方法可以产生立体显示效果，但存在着视区循环跳变、视差反转、单视区观察视角小的缺陷，视区循环跳变现象的产生与光栅循环排列的排布方式有关，这一现象的存在导致了相邻视区的边缘出现了视差反转区，使观察者在这一区域无法观看到正确的视差图像，上述三种缺陷是目前制约一维集成成像技术发展的三个重要因素。

扩散片是一种用于光束整形的光学元件，可以将入射的光束扩散成预设的形状进行出射，一般用于LED灯管、灯丝或其他照明光源的照明效果控制，近几年，人们将小角度的全息扩散片引入了集成成像显示领域，用于消除二维集成成像圆形透镜产生的串扰和提高显示质量，取得了较为理想的效果。

LED显示屏的像素结构示意图和实拍图及细节放大图如图3、图4和图5所示。相较于LCD液晶显示屏，LED显示屏具有亮度高、尺寸大且可任意拼接的优势，可用作户外广告展示屏和影院的电影放映屏。由于LED显示屏的子像素点是离散的单色发光二极管，经过柱透镜光栅的调制会加重这种离散现象，产生如图5所示的黑色条纹，影响整体的立体显示效果。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于组合型离散柱透镜光栅的具有多视点大视角高清晰度的LED显示屏真三维立体显示方法。

本发明提出的组合离散光栅的LED屏一维集成成像显示系统，其特征在于包括下列步骤：

1.1获取立体物体或场景的视点图，包括下列步骤：

利用Maya、3DMax、Blender的三维建模软件，生成三维模型和虚拟一维相机阵列，对虚拟场景进行视点图采集，或通过相机导轨、相机阵列对真实场景进行视点图采集，设采集视点图数为N，N值即为显示系统的视点数，并将视点图按位置关系顺次命名为1,2…,N；

1.2根据光栅截距、倾斜角度，将获取的N幅视点图合成为与之匹配的立体图，包括下列步骤：

1.2.1确定显示单元D，柱透镜光栅用于立体显示时视点具有周期性循环的特性，基于这一特性，立体图的视图采样矩阵由一个显示单元经过延拓得到，显示单元D是一个m行n列的矩阵，显示单元D中每个元素的值为每幅视点图的序号，根据光栅截距、倾斜角度、显示面板像素尺寸和视点数计算得出，显示单元D应包含所有视点图的序号，即m×n≥N；

1.2.2根据步骤1.2.1得到的显示单元D，生成视图采样矩阵M：

设立体图的像素数为A×B，将矩阵大小为m×n的显示单元以n为周期，横向作周期延拓，延拓成m行A列的矩阵，做最后一次延拓时若列数大于A，则截去超出部分，只保留A列,得到m行A列矩阵；以m为周期，纵向作周期延拓，每次延拓时根据光栅倾角大小和方向，确定矩阵向左或向右平移的列数，并将平移后左侧或右侧超出的部分填充至矩阵右侧或左侧，做最后一次延拓时若行数大于B，则截去超出部分，只保留B行；通过上述延拓所得的矩阵，即为像素数为A×B的立体图视点采样矩阵；

1.3按照步骤1.2.2中所得的视点采样矩阵，对N幅视点图进行像素采样，得到用作LED屏显示的立体图；

1.4在显示屏前放置复合型离散柱透镜光栅，包括下列步骤：

1.4.1组合离散柱透镜光栅由多层离散的柱透镜光栅叠加而成，每层柱透镜光栅具有相同的截距、间隔，以保证叠加时每条柱透镜一一对齐，每两条相邻柱透镜之间区域的宽度为d_p，通过涂色或遮挡使区域无法透光，暗条宽度d_p要满足如下条件：

其中：l为单条光栅的截距；θ为光栅的倾角；w为显示面板像素宽度；

表示向下取整运算，即暗条覆盖像素点数的小数部分应与光栅部分覆盖像素点数的小数部分相同，n为任意正整数，取不同值时得到不同参数的暗条宽度；

1.4.2光栅放置于LED显示屏前f’处，f为光栅的焦距，根据立体图中物体的深度范围，微调距离找到最佳位置f’；

1.5在光栅前放置双角度全息扩散片，包括下列步骤：

1.5.1确定扩散片的横向扩散角θ_p和纵向扩散角θ_v；计算垂直于光栅轴向的由LED显示屏子像素点的离散排布带来的黑色条纹宽度d_v，和由光栅遮挡部分带来的平行于光栅轴向方向的暗条宽度d_p，扩散角符合以下关系：

1.5.2将扩散片置于光栅前方d_h处，距离d_h符合以下关系：

其中：d_p为遮挡区域的宽度；l为光栅截距；θ_p为横向扩散角；

1.5.3根据步骤1.5.1中横向扩散角θ_p与纵向扩散角θ_v的关系，和步骤1.5.2中距离d_h与纵向扩散角θ_v之间的关系，给定三者中某一值，计算出其余二者的值，为保证实际观看效果，θ_p与θ_v要满足：θ_v<θ_p<15°。

本发明的有益效果在于：采用本发明消除了LED屏像素点间具有的离散效应，实现了视差连续、视点密集、视角广、清晰度高的立体显示，提升了一维集成成像立体显示中单一视区的显示视角。

附图说明

图1为n视点柱透镜光栅成像方法的原理示意图

图2为n视点狭缝光栅成像方法的原理示意图

图3为LED显示屏的子像素一种排布方式

图4为LED屏显示图像的实拍图

图5为图4中a所指的放大图

图6为LED屏显示全白图像经过柱透镜光栅后产生的黑色条纹

图7为图6中b所指的放大图

图8为本系统的工作流程图

图9为组合型离散柱透镜光栅结构示意图

图10为图9中c所指的放大图

图11为双角度全息扩散片结构示意图

具体实施方式

本发明的核心内容在于：设计了一种组合型离散柱透镜光栅，改进了立体图的合成算法，并结合使用双角度全息扩散片，消除了LED屏像素点间具有的离散效应，解决了传统柱透镜光栅立体显示中单一观看视区视角小的问题。

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。

如图8所示，本显示方法的工作流程可划分为视点图获取、合成立体图、立体图显示等几个步骤。

图9展示了一种组合型离散柱透镜光栅的结构示意图，其中θ为光栅倾角，l为柱透镜的截距，d_p为遮光暗条宽度。下面将以图9所示结构为例，对本发明所提出的基于组合型离散柱透镜光栅的一维集成成像显示方法进行详细叙述。

1.获取视点图像

利用Maya、3DMax、Blender等三维建模软件生成三维模型和虚拟一维相机阵列对虚拟场景进行视点图采集，或通过相机导轨、相机阵列等对真实场景进行视点图采集。设采集视点图数为N，N值即为显示系统的视点数，并将视点图按位置关系顺次命名为1,2…,N。

2.设计组合型离散柱透镜光栅的参数和相对位置

如图9和图10所示，本发明设计并使用了组合型离散柱透镜光栅，由于LED显示屏的像素点排列稀疏且面积较大，当柱透镜覆盖多个像素点时光栅的截距l相对较大，在透镜焦距f值相同的条件下，使用单层透镜需要更小的曲率半径r和更大的拱高h，增大了显示系统的像差，影响了显示质量，使用多层大曲率半径的薄透镜叠加组合的方式可大大改善像差，提高显示质量。遮光暗条宽度d_p和组合柱透镜截距l的关系符合如下公式：

其中l为单条光栅的截距，θ为光栅的倾角，w为显示面板像素宽度，

表示向下取整运算。

光栅放置于LED显示屏前f’处，f为光栅的焦距，根据立体图中物体的深度范围，微调距离找到最佳位置f’。

3.依据光栅参数，将视点图合成立体图

本发明改进了传统的立体图合成算法，进而提出了适合于本发明的立体图合成算法，下面以图9所示的一种组合型离散柱透镜光栅结构为例，对立体图的合成方法进行介绍。以光栅倾斜角度

像素宽度为w，立体图像素数为A×B为例。设正整数m，n，当光栅截距

遮光暗条宽度

时，视点数N与整数m,n满足关系：N＝12(m+n)+8，其视图采样矩阵可由一个

的矩阵D获得，该矩阵称为一个显示单元，根据倾斜角对显示单元进行上下和左右平移，得到一个B×A的矩阵，即为视图采样矩阵，显示单元D中每个元素D_ij符合如下公式：

其中mod()表示取整函数，i,j表示当前元素所在的行数和列数；D_ij的数值代表在合成的立体图中，第i行第j列像素的值取第D_ij个视点图中对应位置的像素值。

将矩阵大小为

的显示单元以

为周期，横向作周期延拓，延拓成4行A列的矩阵，做最后一次延拓时若列数大于A，则截去超出部分，只保留A列；将所得4行A列矩阵以4为周期，纵向作周期延拓，每次延拓时取前一次延拓所得4行A列矩阵的最后一列元素，作为本次延拓的第1列元素，然后取剩余的4行(A-1)列元素作为本次延拓的第2到第A列元素，直至延拓成B行A列的矩阵，做最后一次延拓时若行数大于B，则截去超出部分，只保留B行。通过上述延拓所得的矩阵即为像素数为A×B的立体图视点采样矩阵；按照视点采样矩阵，对N幅视点图进行像素采样，得到用作LED屏显示的立体图。

4.设计双角度全息扩散片的参数和相对位置

为消除LED显示屏像素点间的离散效应，本发明使用了如图11所示的双角度全息扩散片。双角度全息扩散片又称椭圆形扩散片，传统的单角度全息扩散片是将入射的单束光扩散成以入射点为顶点，以出射方向为中轴线的圆锥形，双角度全息扩散片对入射的单束光在竖直和水平两个方向做不同角度的扩散，投射到平面上形成的光斑为椭圆形。双角度全息扩散片在本系统中的作用是生成连续视点图并消除如图6和图7所示LED显示屏像素点间的黑色条纹。

双角度全息扩散片的参数和相对位置由如下方法确定。

确定扩散片的横向扩散角θ_p和纵向扩散角θ_v。计算垂直于光栅轴向方向的由LED显示屏子像素点的离散排布带来的黑色条纹宽度d_v和由光栅遮挡部分带来的平行于光栅轴向方向的暗条宽度d_p，扩散角符合以下关系：

将扩散片置于光栅前方d_h处，距离d_h符合以下关系：

其中d_p为遮挡区域的宽度，l为光栅截距，θ_p为横向扩散角，由上述两公式，给定三者中某一值，可计算出其余二者的值，为保证实际观看效果，θ_p与θ_v的值都不能过大，要满足：θ_v<θ_p<15°。

5.将组合型离散柱透镜光栅和双角度全息扩散片按照步骤2和4设计的相对位置参数，放置于LED显示屏前，按照步骤1和步骤3的方式获取视点图和合成立体图，并将合成后的立体图显示在LED显示屏上，观看者在屏幕前适当位置观看，即可看到视差连续、视点密集、视角广、清晰度高的立体图像。

Claims (1)

1.一种基于组合离散光栅的LED屏一维集成成像显示方法，其特征在于包括下列步骤：

1.1获取立体物体或场景的视点图，包括下列步骤：

利用Maya、3DMax、Blender的三维建模软件，生成三维模型和虚拟一维相机阵列，对虚拟场景进行视点图采集，或通过相机导轨、相机阵列对真实场景进行视点图采集，设采集视点图数为N，N值即为显示系统的视点数，并将视点图按位置关系顺次命名为1,2…,N；

1.2根据光栅截距、倾斜角度，将获取的N幅视点图合成为与之匹配的立体图，包括下列步骤：

1.2.1确定显示单元D，柱透镜光栅用于立体显示时视点具有周期性循环的特性，基于这一特性，立体图的视图采样矩阵由一个显示单元经过延拓得到，显示单元D是一个m行n列的矩阵，显示单元D中每个元素的值为每幅视点图的序号，根据光栅截距、倾斜角度、显示面板像素尺寸和视点数计算得出，显示单元D应包含所有视点图的序号，即m×n≥N；

1.2.2根据步骤1.2.1得到的显示单元D，生成视图采样矩阵M：

设立体图的像素数为A×B，将矩阵大小为m×n的显示单元以n为周期，横向作周期延拓，延拓成m行A列的矩阵，做最后一次延拓时若列数大于A，则截去超出部分，只保留A列,得到m行A列矩阵；以m为周期，纵向作周期延拓，每次延拓时根据光栅倾角大小和方向，确定矩阵向左或向右平移的列数，并将平移后左侧或右侧超出的部分填充至矩阵右侧或左侧，做最后一次延拓时若行数大于B，则截去超出部分，只保留B行；通过上述延拓所得的矩阵，即为像素数为A×B的立体图视点采样矩阵；

1.3按照步骤1.2.2中所得的视点采样矩阵，对N幅视点图进行像素采样，得到用作LED屏显示的立体图；

1.4在显示屏前放置复合型离散柱透镜光栅，包括下列步骤：

1.4.1组合离散柱透镜光栅由多层离散的柱透镜光栅叠加而成，每层柱透镜光栅具有相同的截距、间隔，以保证叠加时每条柱透镜一一对齐，每两条相邻柱透镜之间区域的宽度为d_p，通过涂色或遮挡使区域无法透光，暗条宽度d_p要满足如下条件：

其中：l为单条光栅的截距；θ为光栅的倾角；w为显示面板像素宽度；

表示向下取整运算，即暗条覆盖像素点数的小数部分应与光栅部分覆盖像素点数的小数部分相同，n为任意正整数，取不同值时得到不同参数的暗条宽度；

1.4.2光栅放置于LED显示屏前f’处，f为光栅的焦距，根据立体图中物体的深度范围，微调距离找到最佳位置f’；

1.5在光栅前放置双角度全息扩散片，包括下列步骤：

1.5.1确定扩散片的横向扩散角θ_p和纵向扩散角θ_v；计算垂直于光栅轴向的由LED显示屏子像素点的离散排布带来的黑色条纹宽度d_v，和由光栅遮挡部分带来的平行于光栅轴向方向的暗条宽度d_p，扩散角符合以下关系：

1.5.2将扩散片置于光栅前方d_h处，距离d_h符合以下关系：

其中：d_p为遮挡区域的宽度；l为光栅截距；θ_p为横向扩散角；

1.5.3根据步骤1.5.1中横向扩散角θ_p与纵向扩散角θ_v的关系，和步骤1.5.2中距离d_h与纵向扩散角θ_v之间的关系，给定三者中某一值，计算出其余二者的值，为保证实际观看效果，θ_p与θ_v要满足：θ_v<θ_p<15°。

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