CN111768484A - 基于合成图像编码的电子沙盘显示方法及系统 - Google Patents

基于合成图像编码的电子沙盘显示方法及系统 Download PDF

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CN111768484A CN202010432228.3A CN202010432228A CN111768484A CN 111768484 A CN111768484 A CN 111768484A CN 202010432228 A CN202010432228 A CN 202010432228A CN 111768484 A CN111768484 A CN 111768484A
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戴任翔
葛凡
王越笛
于迅博
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Abstract

本发明实施例提供基于合成图像编码的电子沙盘显示方法及系统。该方法包括：获取待显示图像和初始三维光场显示系统；将所述初始三维光场显示系统进行改造，得到改进的三维光场显示系统；采用预设环形视区合成图像像素编码算法，将所述待显示图像投射经过所述改进的三维光场显示系统，得到合成图像。本发明实施例通过采用将改进的圆锥透镜阵列用于三维光场显示系统，并使用全新的环形视区合成图像像素编码算法，有效利用了原来无视点区的视点，为边缘视区提供视点，增强了电子沙盘三维光场的显示效果。

Description

基于合成图像编码的电子沙盘显示方法及系统
技术领域
本发明涉及视频技术领域，尤其涉及基于合成图像编码的电子沙盘显示方法及系统。
背景技术
目前，基于圆透镜阵列的三维光场显示快速发展，而且已经有多项成果被研发出来，但满足桌面式电子沙盘的要求的三维光场显示系统与技术仍然较少。现在较为流行的三维光场显示系统是由圆透镜阵列、显示屏和全息功能屏构成，能够提供具有全视差、真彩色、平滑视差和大景深的三维场景。
圆透镜阵列具有空间分光的作用，它通过空间光调制原理，使位于焦平面上的不同位置的像素发出的光线都以光心的连线方向射出。基于圆透镜阵列的分光作用，对不同角度的视差图像进行像素重排与合成，最终得到合成图像。将合成图像加载到显示屏上，通过圆透镜阵列可以还原三维场景在不同方向光场的信息，在空间中形成不同的视区，实现三维立体场景的显示。基于圆透镜阵列的三维光场显示在单个圆透镜下的二维编码方法如图1所示。现有的基于圆透镜阵列的三维光场显示提供的视点集中在视区中心，形成圆形视区。但桌面式电子沙盘是水平放置的，观看者很难看到圆形视区中心部分的视点，因此这部分的视区实际上是浪费的。因此桌面式电子沙盘需要的是环形视区，可以将本来无法被观看到的中心视区的视点利用起来，为边缘视区提供视点，如图2所示，其中，图2中(a)为基于圆透镜阵列的三维光场显示视区，图2中(b)为桌面式电子沙盘三维光场显示视区。
因此，需要采用一种新的电子沙盘显示方法，提高电子沙盘的显示效果。
发明内容
本发明实施例提供基于合成图像编码的电子沙盘显示方法及系统，用以解决现有技术中存在的不足。
第一方面，本发明实施例提供基于合成图像编码的电子沙盘显示方法，包括：
获取待显示图像和初始三维光场显示系统；
将所述初始三维光场显示系统进行改造，得到改进的三维光场显示系统；
采用预设环形视区合成图像像素编码算法，将所述待显示图像投射经过所述改进的三维光场显示系统，得到合成图像。
进一步地，所述将所述初始三维光场显示系统进行改造，得到改进的三维光场显示系统，具体包括：
获取所述初始三维光场显示系统，所述初始三维光场显示系统从光源投射方向依次包括显示屏、圆透镜阵列和全息功能屏，其中所述圆透镜阵列包括若干个圆透镜；
在所述圆透镜阵列和所述全息功能屏之间增加圆锥透镜阵列，得到改进的三维光场显示系统，其中所述圆锥透镜阵列包括若干个优化的圆锥体透镜。
进一步地，所述优化的圆锥体透镜为类圆锥体透镜，所述类圆锥体透镜的圆锥母线为凸形圆弧。
进一步地，所述预设环形视区合成图像像素编码算法，具体包括：
获取单个圆透镜对应覆盖的合成子图像；
定义所述合成子图像的区域坐标，对所述合成子图像进行编码，得到所述合成子图像中的任一像素点坐标；
定义全息显示屏视区的区域坐标，将所述任一像素点坐标转换成任一视点坐标；
基于所述任一像素点坐标和所述任一视点坐标，将所述合成子图像中任一像素点转换为所述全息显示屏中任一视点，得到所述合成图像。
进一步地，所述定义全息显示屏视区的区域坐标，将所述任一像素点坐标转换成任一视点坐标，具体包括：
定义显示屏上第i行j列的像素对应第p行q列的合成子图像以及第m行n列的视点的转换关系式如下：
Figure BDA0002500946550000031
其中，
Figure BDA0002500946550000032
为向下取整符号，i和j表示显示屏上第i行j列的像素，P和Q表示合成子图像中共包含P行Q列个像素，p和q表示第p行q列的合成子图像，m和n表示第m行n列的视点，M和N表示共M行N列个视点，d表示第i行j列的像素到坐标原点的距离，D表示合成子图像边界点到坐标原点的距离，r表示无视点区的半径，R表示环形视区的半径，θ表示合成子图像中任一像素与合成子图像中心点连线的夹角。
进一步地，所述基于所述任一像素点坐标和所述任一视点坐标，将所述合成子图像中任一像素点转换为所述全息显示屏中任一视点，得到所述合成图像，还包括：
取任一视点位置的视差图的任一像素的RGB灰度值；
基于所述RGB灰度值，将与显示屏分辨率相同的空白合成图像的像素进行迭代，得到环形视区的合成图像。
第二方面，本发明实施例提供基于合成图像编码的电子沙盘显示系统，包括：
获取模块，用于获取待显示图像和初始三维光场显示系统；
改造模块，用于将所述初始三维光场显示系统进行改造，得到改进的三维光场显示系统；
处理模块，用于采用预设环形视区合成图像像素编码算法，将所述待显示图像投射经过所述改进的三维光场显示系统，得到合成图像。
进一步地，所述改造模块具体包括：
第一改造子模块，用于获取所述初始三维光场显示系统，所述初始三维光场显示系统从光源投射方向依次包括显示屏、圆透镜阵列和全息功能屏，其中所述圆透镜阵列包括若干个圆透镜；
第二改造子模块，用于在所述圆透镜阵列和所述全息功能屏之间增加圆锥透镜阵列，得到改进的三维光场显示系统，其中所述圆锥透镜阵列包括若干个优化的圆锥体透镜。
第三方面，本发明实施例提供一种电子设备，包括：
存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现任一项所述基于合成图像编码的电子沙盘显示方法的步骤。
第四方面，本发明实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现任一项所述基于合成图像编码的电子沙盘显示方法的步骤。
本发明实施例提供的基于合成图像编码的电子沙盘显示方法，通过采用将改进的圆锥透镜阵列用于三维光场显示系统，并使用全新的环形视区合成图像像素编码算法，有效利用了原来无视点区的视点，为边缘视区提供视点，增强了电子沙盘三维光场的显示效果。
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为现有技术中提供的基于圆透镜阵列的三维光场显示单个透镜下的二维编码方法示意图；
图2为现有技术中提供的基于圆透镜阵列的三维光场显示示意图；
图3为本发明实施例提供的基于合成图像编码的电子沙盘显示方法流程图；
图4为本发明实施例提供的改进的桌面式电子沙盘三维光场显示的光学结构图；
图5为本发明实施例提供的单个圆透镜截面光路与合成子图像二维编码方法示意图；
图6为本发明实施例提供的合成子图像编码和视区内各视点空间位置的网格划分示意图；
图7为本发明实施例提供的基于合成图像编码的电子沙盘显示系统结构图；
图8为本发明实施例提供的电子设备的结构框图。
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做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。
为解决现有技术中存在的问题，本发明实施例提出基于合成图像编码的电子沙盘显示方法，采用了新的光学结构用来提供环形视区，以满足桌面式电子沙盘的需求，并且将对应的合成图像编码方法进行了新的调整。
为便于理解，本发明实施例提供以下技术名词的注释：
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。
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。
合成子图像：合成图像中被单个圆透镜覆盖的像素组成的图像。
视点：视差图像在空间中形成的可正确观看的位置。
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。
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。
图3为本发明实施例提供的基于合成图像编码的电子沙盘显示方法流程图，如图3所示，包括：
S1，获取待显示图像和初始三维光场显示系统；
S2，将所述初始三维光场显示系统进行改造，得到改进的三维光场显示系统；
S3，采用预设环形视区合成图像像素编码算法，将所述待显示图像投射经过所述改进的三维光场显示系统，得到合成图像。
具体地，对于待显示的三维光场图像，首先对硬件部分进行改进，在原有的初始三维光场显示系统基础上进行改造，得到改进的三维光场显示系统，再对原有的合成图像像素编码算法进行改进，改变原三维光场显示方法，得到显示在环形视区的合成图像。
本发明实施例通过采用将改进的圆锥透镜阵列用于三维光场显示系统，并使用全新的环形视区合成图像像素编码算法，有效利用了原来无视点区的视点，为边缘视区提供视点，增强了电子沙盘三维光场的显示效果。
基于上述实施例，该方法中步骤S2具体包括：
获取所述初始三维光场显示系统，所述初始三维光场显示系统从光源投射方向依次包括显示屏、圆透镜阵列和全息功能屏，其中所述圆透镜阵列包括若干个圆透镜；
在所述圆透镜阵列和所述全息功能屏之间增加圆锥透镜阵列，得到改进的三维光场显示系统，其中所述圆锥透镜阵列包括若干个优化的圆锥体透镜。
其中，所述优化的圆锥体透镜为类圆锥体透镜，所述类圆锥体透镜的圆锥母线为凸形圆弧。
具体地，为了满足桌面式电子沙盘对环形视区的需求，本发明实施例采用圆锥透镜阵列对光场分布进行再调制，如图4所示，在圆透镜阵列前放置圆锥透镜阵列，可提供环形视区。
此处，圆锥透镜阵列必须经过光学优化，为了确保各像素射出的光线到达指定位置，并且圆锥透镜的像差问题需要得到良好的抑制，优化该系统中的圆锥透镜的面型是必需的。优化之后的圆锥透镜是一个类圆锥体，此时的母线不再是直线，而是一段凸型圆弧，得到桌面式电子沙盘的光学结构，可以提供桌面式电子沙盘需要的环形视区。
基于上述任一实施例，所述预设环形视区合成图像像素编码算法，具体包括：
获取单个圆透镜对应覆盖的合成子图像；
定义所述合成子图像的区域坐标，对所述合成子图像进行编码，得到所述合成子图像中的任一像素点坐标；
定义全息显示屏视区的区域坐标，将所述任一像素点坐标转换成任一视点坐标；
基于所述任一像素点坐标和所述任一视点坐标，将所述合成子图像中任一像素点转换为所述全息显示屏中任一视点，得到所述合成图像。
其中，所述基于所述任一像素点坐标和所述任一视点坐标，将所述合成子图像中任一像素点转换为所述全息显示屏中任一视点，得到所述合成图像，还包括：
取任一视点位置的视差图的任一像素的RGB灰度值；
基于所述RGB灰度值，将与显示屏分辨率相同的空白合成图像的像素进行迭代，得到环形视区的合成图像。
具体地，本发明实施例提出的预设环形视区合成图像像素编码算法，是用于环形视区的合成图像像素编码方法。合成图像由若干合成子图像组成，每个圆透镜覆盖一个合成子图像，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。
假设单个圆透镜覆盖的像素数为P×P，全息功能屏在透镜阵列的像平面上。根据系统几何光学关系，可得出如图5的截面光路和像素二维编码方法。在图5中，显示屏每个像素上的数字为其对应的视点数，全息功能屏上的虚线格为每个视点对应的空间位置。
图6中(a)表示第p行q列的合成子图像，图6中(b)表示整个环形视区的网格划分。
显示屏上第i行j列的像素对应其所属的第p行q列的合成子图像和第m行n列的视点的关系式如下：
Figure BDA0002500946550000081
其中，
Figure BDA0002500946550000082
为向下取整符号，i和j表示显示屏上第i行j列的像素，P和Q表示合成子图像中共包含P行Q列个像素，p和q表示第p行q列的合成子图像，m和n表示第m行n列的视点，M和N表示共M行N列个视点，d表示第i行j列的像素到坐标原点的距离，D表示合成子图像边界点到坐标原点的距离，r表示无视点区的半径，R表示环形视区的半径，θ表示合成子图像中任一像素与合成子图像中心点连线的夹角。此处，图6中(a)的合成子图像中的坐标原点为左上角，图6中(b)的视区坐标原点为圆心。
通过上述转换关系式可以得到合成图像的第i行j列的像素应该位于第p行q列幅合成子图像，应该分配为对应的第m行n列的视点，以及应该取该视点位置的视差图的第p行q列的像素的RGB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，即可得到可提供环形视区的合成图像。
图7为本发明实施例提供的基于合成图像编码的电子沙盘显示系统结构图，如图7所示，包括：获取模块71、改造模块72和处理模块73；其中：
获取模块71用于获取待显示图像和初始三维光场显示系统；改造模块72用于将所述初始三维光场显示系统进行改造，得到改进的三维光场显示系统；处理模块73用于采用预设环形视区合成图像像素编码算法，将所述待显示图像投射经过所述改进的三维光场显示系统，得到合成图像。
本发明实施例提供的系统用于执行上述对应的方法，其具体的实施方式与方法的实施方式一致，涉及的算法流程与对应的方法算法流程相同，此处不再赘述。
本发明实施例通过采用将改进的圆锥透镜阵列用于三维光场显示系统，并使用全新的环形视区合成图像像素编码算法，有效利用了原来无视点区的视点，为边缘视区提供视点，增强了电子沙盘三维光场的显示效果。
基于上述任一实施例，所述改造模块72具体包括：第一改造子模块721和第二改造子模块722；其中：
第一改造子模块721用于获取所述初始三维光场显示系统，所述初始三维光场显示系统从光源投射方向依次包括显示屏、圆透镜阵列和全息功能屏，其中所述圆透镜阵列包括若干个圆透镜；第二改造子模块722用于在所述圆透镜阵列和所述全息功能屏之间增加圆锥透镜阵列，得到改进的三维光场显示系统，其中所述圆锥透镜阵列包括若干个优化的圆锥体透镜。
图8示例了一种电子设备的实体结构示意图，如图8所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)810、通信接口(Communications Interface)820、存储器(memory)830和通信总线840，其中，处理器810，通信接口820，存储器830通过通信总线840完成相互间的通信。处理器810可以调用存储器830中的逻辑指令，以执行如下方法：获取待显示图像和初始三维光场显示系统；将所述初始三维光场显示系统进行改造，得到改进的三维光场显示系统；采用预设环形视区合成图像像素编码算法，将所述待显示图像投射经过所述改进的三维光场显示系统，得到合成图像。
此外，上述的存储器830中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
另一方面，本发明实施例还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各实施例提供的传输方法，例如包括：获取待显示图像和初始三维光场显示系统；将所述初始三维光场显示系统进行改造，得到改进的三维光场显示系统；采用预设环形视区合成图像像素编码算法，将所述待显示图像投射经过所述改进的三维光场显示系统，得到合成图像。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
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 (10)

1.基于合成图像编码的电子沙盘显示方法，其特征在于，包括：
获取待显示图像和初始三维光场显示系统；
将所述初始三维光场显示系统进行改造，得到改进的三维光场显示系统；
采用预设环形视区合成图像像素编码算法，将所述待显示图像投射经过所述改进的三维光场显示系统，得到合成图像。
2.根据权利要求1所述的基于合成图像编码的电子沙盘显示方法，其特征在于，所述将所述初始三维光场显示系统进行改造，得到改进的三维光场显示系统，具体包括：
获取所述初始三维光场显示系统，所述初始三维光场显示系统从光源投射方向依次包括显示屏、圆透镜阵列和全息功能屏，其中所述圆透镜阵列包括若干个圆透镜；
在所述圆透镜阵列和所述全息功能屏之间增加圆锥透镜阵列，得到改进的三维光场显示系统，其中所述圆锥透镜阵列包括若干个优化的圆锥体透镜。
3.根据权利要求2所述的基于合成图像编码的电子沙盘显示方法，其特征在于，所述优化的圆锥体透镜为类圆锥体透镜，所述类圆锥体透镜的圆锥母线为凸形圆弧。
4.根据权利要求1或2所述的基于合成图像编码的电子沙盘显示方法，其特征在于，所述预设环形视区合成图像像素编码算法，具体包括：
获取单个圆透镜对应覆盖的合成子图像；
定义所述合成子图像的区域坐标，对所述合成子图像进行编码，得到所述合成子图像中的任一像素点坐标；
定义全息显示屏视区的区域坐标，将所述任一像素点坐标转换成任一视点坐标；
基于所述任一像素点坐标和所述任一视点坐标，将所述合成子图像中任一像素点转换为所述全息显示屏中任一视点，得到所述合成图像。
5.根据权利要求4所述的基于合成图像编码的电子沙盘显示方法，其特征在于，所述定义全息显示屏视区的区域坐标，将所述任一像素点坐标转换成任一视点坐标，具体包括：
定义显示屏上第i行j列的像素对应第p行q列的合成子图像以及第m行n列的视点的转换关系式如下：
Figure FDA0002500946540000021
其中，
Figure FDA0002500946540000022
为向下取整符号，i和j表示显示屏上第i行j列的像素，P和Q表示合成子图像中共包含P行Q列个像素，p和q表示第p行q列的合成子图像，m和n表示第m行n列的视点，M和N表示共M行N列个视点，d表示第i行j列的像素到坐标原点的距离，D表示合成子图像边界点到坐标原点的距离，r表示无视点区的半径，R表示环形视区的半径，θ表示合成子图像中任一像素与合成子图像中心点连线的夹角。
6.根据权利要求4所述的基于合成图像编码的电子沙盘显示方法，其特征在于，所述基于所述任一像素点坐标和所述任一视点坐标，将所述合成子图像中任一像素点转换为所述全息显示屏中任一视点，得到所述合成图像，还包括：
取任一视点位置的视差图的任一像素的RGB灰度值；
基于所述RGB灰度值，将与显示屏分辨率相同的空白合成图像的像素进行迭代，得到环形视区的合成图像。
7.基于合成图像编码的电子沙盘显示系统，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取待显示图像和初始三维光场显示系统；
改造模块，用于将所述初始三维光场显示系统进行改造，得到改进的三维光场显示系统；
处理模块，用于采用预设环形视区合成图像像素编码算法，将所述待显示图像投射经过所述改进的三维光场显示系统，得到合成图像。
8.根据权利要求7所述的基于合成图像编码的电子沙盘显示系统，其特征在于，所述改造模块具体包括：
第一改造子模块，用于获取所述初始三维光场显示系统，所述初始三维光场显示系统从光源投射方向依次包括显示屏、圆透镜阵列和全息功能屏，其中所述圆透镜阵列包括若干个圆透镜；
第二改造子模块，用于在所述圆透镜阵列和所述全息功能屏之间增加圆锥透镜阵列，得到改进的三维光场显示系统，其中所述圆锥透镜阵列包括若干个优化的圆锥体透镜。
9.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至6任一项所述基于合成图像编码的电子沙盘显示方法的步骤。
10.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至6任一项所述基于合成图像编码的电子沙盘显示方法的步骤。
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