CN111198448B - 一种基于异形柱透镜光栅的一维集成成像显示方法 - Google Patents

Abstract

一种基于异形柱透镜光栅的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交错式离散柱透镜光栅的具有多视点大视角高清晰度的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显示面板上显示，显示面板前的合适位置依次放置交错式离散柱透镜光栅和全息扩散片，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。本发明通过设计交错式离散柱透镜光栅和使用全息扩散片，实现了视差连续、视点密集、视角广、清晰度高的立体显示，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

一种基于异形柱透镜光栅的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，具体涉及一种基于异形柱透镜光栅的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。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于交错式离散柱透镜光栅的、具有多视点大视角高清晰度的真三维立体显示方法。

本发明提出的基于异形柱透镜光栅的一维集成成像显示方法，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三维建模软件生成的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；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根据交错式离散柱透镜光栅中单个小柱透镜的截距、高度、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M由一个显示单元经过横向和纵向延拓得到，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l、倾斜角度θ、显示面板像素尺寸w和视点数N计算得出，显示单元D应该包含所有视点图的序号，即m×n≥N，与传统具有连续结构的柱透镜光栅显示系统不同，行数m和列数n除与光栅的上述参数有关外，还与单个小柱透镜的高度h有关，h的值满足如下公式：

其中：

表示向下取整运算；l为柱透镜截距；θ为光栅的倾角；w为显示面板像素宽度；

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D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θ大小和方向、显示单元D的列数n，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的视图采样矩阵M；

1.3按照步骤1.2.2中所得的视图采样矩阵M，对N幅视点图进行像素采样，得到用作显示面板显示的立体图，这里的显示面板包括LCD屏、LED屏、投影；

1.4在显示面板前放置交错式离散柱透镜光栅，包括下列步骤：

1.4.1交错式离散柱透镜光栅由单个小柱透镜在水平和光栅倾角方向分别等间隔放置组成，小柱透镜之间的间隔使用遮光片填充，每个小柱透镜具有相同的参数；菱形的遮光片可以保证其生成的离散视点图经过全息扩散屏后有更高的清晰度，柱透镜的形状设计成近似菱形而非菱形是为了在保证成像清晰度的情况下使垂直方向覆盖的像素数为整数；

1.4.2小柱透镜的截距l、高度h，相邻遮光片水平方向的距离d_p、光栅倾角方向两底边的距离h_p满足如下条件：

h_p＝2nw-h

其中：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；n为大于等于

的任意正整数，取不同值时得到不同参数的光栅；

1.4.3光栅放置于显示面板前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f'找到最佳位置；

1.5在光栅前放置全息扩散片，包括下列步骤：

1.5.1确定扩散片与光栅的距离d_h，根据物像关系，d_h的值符合下式：

其中：f'是光栅与显示面板的距离；f是柱透镜光栅的焦距；

1.5.2确定扩散片的扩散角θ_v，θ_v由下式求得：

其中：d_h是扩散片与光栅的距离；d_p为相邻遮光片的水平距离；l为光栅截距。

本发明的有益效果在于：本发明实现了视差连续、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为本发明的工作流程图

图4为交错式离散柱透镜光栅的结构示意图

图5为一种特殊的交错式离散柱透镜光栅的结构示意图

图6为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：设计了一种交错式离散柱透镜光栅，改进了立体图的合成算法，并结合使用全息扩散片，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3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4展示了交错式离散柱透镜光栅的结构示意图，其中θ为光栅倾角，l为小柱透镜的截距，h为高度，d_p为相邻遮光片水平方向的距离，h_p为光栅倾角方向的距离。

图5展示了一种特殊的交错式离散柱透镜光栅结构，下面将以图5所示结构为例，对本发明所提出的基于异形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的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；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.设计交错式离散柱透镜光栅的参数和相对位置

如图4、图5所示，本发明设计的交错式离散柱透镜光栅，由多个侧平面近似菱形的小柱透镜在水平和光栅倾角方向分别进行等间隔放置组成，小柱透镜之间的间隔使用遮光片填充，每个柱透镜具有相同的参数。菱形的遮光片可以保证其生成的离散视点图经过全息扩散屏后有更高的清晰度，柱透镜的形状设计成近似菱形而非菱形是为了在保证成像清晰度的情况下使垂直方向覆盖的像素数为整数，小柱透镜的截距l、高度h，相邻遮光片水平方向的距离d_p、光栅倾角方向两底边的距离h_p满足如下条件：

h_p＝2nw-h

其中：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，n理论上可以为大于等于

的任意正整数，取不同值时可以得到不同参数的光栅。

光栅放置于显示面板前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f'找到最佳位置。

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5所示的特殊交错式离散柱透镜光栅结构为例，对立体图的合成方法进行介绍。该合成方法的原理与图4所示普通交错式离散柱透镜光栅的立体图合成方法原理相同，通过根据光栅结构进行算法上的修改，可以使该方法适用于图4所示的光栅结构。

以光栅倾斜角度

像素宽度为w，遮光片与小柱透镜侧平面形状相同为例。设立体图像素数为A×B，设正整数n，当光栅截距

高度h＝nw时，由于于遮光片形状与光栅侧平面形状相同，则有

h_p＝nw，视点数N与整数n满足关系：N＝24n+8，其视图采样矩阵M可由一个

的矩阵D获得，该矩阵称为一个显示单元，其中M＝[4,n]，[]表示取两者最小公倍数。根据倾斜角对显示单元进行延拓，得到一个B×A的矩阵，即为视图采样矩阵M。

显示单元D中每个元素D_ij由如下方法求得：

将大小为

的D矩阵分成n个大小为

的子矩阵，从上往下排序的第一个子矩阵元素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。

第2至n个子矩阵可由上公式衍生出，在第k个子矩阵中，将当前行数i和列数j代入上式，再将计算得到的值加上

若值大于N则用当前值除以N，取所得余数，即可得D_ij。

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；将所得M行A列矩阵以M为周期，纵向作周期延拓，每次延拓时取前一次延拓所得M行A列矩阵的最后

列元素，作为本次延拓的前

列元素，然后取剩余的M行

列元素作为本次延拓的第

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的视图采样矩阵M；按照视图采样矩阵M，对N幅视点图进行像素采样，得到用作显示的立体图。

4.设计全息扩散片的参数和相对位置

本方法所使用的扩散片是如图6所示的传统的小角度全息扩散片。传统的全息扩散片又称圆形扩散片，可以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。

全息扩散片的参数和相对位置由如下方法确定。

确定扩散片与光栅的距离d_h。根据物像关系，d_h的值符合下式：

其中f'是光栅与显示面板的距离，f是柱透镜光栅的焦距。

确定扩散片的扩散角θ_v，θ_v可由下式求得：

其中：d_h是扩散片与光栅的距离，d_p为相邻遮光片的水平距离，l为光栅截距，一般而言，为保证实际观看效果，θ_v应满足：θ_v<15°。

5.将交错式离散柱透镜光栅和全息扩散片按照步骤2和4设计的相对位置参数，放置于显示面板前，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显示面板上，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)

1.一种基于异形柱透镜光栅的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三维建模软件生成的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；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根据交错式离散柱透镜光栅中单个小柱透镜的截距、高度、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M由一个显示单元经过横向和纵向延拓得到，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l、倾斜角度θ、显示面板像素尺寸w和视点数N计算得出，显示单元D应该包含所有视点图的序号，即m×n≥N，与传统具有连续结构的柱透镜光栅显示系统不同，行数m和列数n除与光栅的上述参数有关外，还与单个小柱透镜的高度h有关，h的值满足如下公式：

其中：

表示向下取整运算；l为柱透镜截距；θ为光栅的倾角；w为显示面板像素宽度；

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D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θ大小和方向、显示单元D的列数n，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的视图采样矩阵M；

1.3按照步骤1.2.2中所得的视图采样矩阵M，对N幅视点图进行像素采样，得到用作显示面板显示的立体图，这里的显示面板包括LCD屏、LED屏、投影；

1.4在显示面板前放置交错式离散柱透镜光栅，包括下列步骤：

1.4.1交错式离散柱透镜光栅由单个小柱透镜在水平和光栅倾角方向分别等间隔放置组成，小柱透镜之间的间隔使用遮光片填充，每个小柱透镜具有相同的参数；

1.4.2小柱透镜的截距l、高度h，相邻遮光片水平方向的距离d_p、光栅倾角方向两底边的距离h_p满足如下条件：

h_p＝2nw-h

其中：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；n为大于等于

的任意正整数，取不同值时得到不同参数的光栅；

1.4.3光栅放置于显示面板前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f'找到最佳位置；

1.5在光栅前放置全息扩散片，包括下列步骤：

1.5.1确定扩散片与光栅的距离d_h，根据物像关系，d_h的值符合下式：

其中：f'是光栅与显示面板的距离；f是柱透镜光栅的焦距；

1.5.2确定扩散片的扩散角θ_v，θ_v由下式求得：

其中：d_h是扩散片与光栅的距离；d_p为相邻遮光片的水平距离；l为光栅截距。

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