CN112087614A

CN112087614A - 一种生成二维光场图像的方法、装置和计算机可读介质

Info

Publication number: CN112087614A
Application number: CN201910505982.2A
Authority: CN
Inventors: 陈志强; 惠新标
Original assignee: Shanghai Maijie Information Technology Co ltd
Current assignee: Shanghai Maijie Information Technology Co ltd
Priority date: 2019-06-12
Filing date: 2019-06-12
Publication date: 2020-12-15

Abstract

本发明涉及一种生成二维光场图像的方法和装置，所述二维光场图像用于配合针孔阵列呈现虚拟三维模型的立体光场，所述方法包括以下步骤：获取所述立体光场的目标物像分辨率D1、所述针孔阵列与待生成的二维光场图像的设计距离S、所述立体光场的目标可视角度θ以及所述二维光场图像的目标图像分辨率D2；确定所述二维光场图像所在的二维图像面的几何参数；根据所述目标物像分辨率D1将所述二维图像面划分为物像网格阵列；标定所述虚拟三维模型与对应所述针孔阵列的虚拟针孔阵列的相对位置；以及将所述虚拟三维模型在所述目标可视角度θ内经所述虚拟针孔阵列投影到所述二维图像面的物像网格阵列上，获得所述二维光场图像。

Description

一种生成二维光场图像的方法、装置和计算机可读介质

技术领域

本发明涉及二维图像的生成方法和装置，具体涉及一种用于描述三维空间立体光场的二维图像数据的生成方法和装置。

背景技术

人们对于能实际观看立体影像一直抱有强烈的期待。目前的立体电影、立体电视、VR(virtual reality)、AR(Augmented reality)等技术正是在这样的需求下逐渐出现，并在一定程度上满足了人们的要求。但这几种技术目前都需要配戴立体眼镜才能观看，而人眼对于这种立体眼镜的某些非自然因素比较敏感，长时间观看会引起不适。这种纯粹从人眼视角出发的立体成像有很多方面的局限性，实现方法并不自然。并且如VR、AR为了完成高运算量的立体视频处理，需要相当体积的高性能运算终端，相关的观看眼镜又大又重，很不方便。现有的裸眼3D显示设备，由于视角、距离等因素会严重影像到观影体验，且由于其技术本身的局限性导致其很难在多人共同观看时满足不同位置的观众的视觉感受，因此效果上远远未达到人们正常观看的要求。

人们渴望能够像科幻电影中那样自由的穿梭在虚拟现实或恢复的自然立体世界之中，但苦于没有更好的解决方案。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种生成用于描述三维空间立体光场的二维光场图像的方法和装置。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种生成二维光场图像的方法，所述二维光场图像用于配合针孔阵列呈现虚拟三维模型的立体光场，所述方法包括以下步骤：获取所述立体光场的目标物像分辨率D1、所述针孔阵列与待生成的二维光场图像的设计距离S、所述立体光场的目标可视角度θ以及所述二维光场图像的目标图像分辨率D2；确定所述二维光场图像所在的二维图像面的几何参数；根据所述目标物像分辨率D1将所述二维图像面划分为物像网格阵列；标定所述虚拟三维模型与对应所述针孔阵列的虚拟针孔阵列的相对位置；以及将所述虚拟三维模型在所述目标可视角度θ内经所述虚拟针孔阵列投影到所述二维图像面的物像网格阵列上，获得所述二维光场图像。

在本发明的一实施例中，所述物像网格阵列包括多个物像像素网格，每个物像像素网格包括N*N个像素，其中N＝D1/D2。

在本发明的一实施例中，，将所述虚拟三维模型在所述目标可视角度θ内经所述虚拟针孔阵列投影到所述二维图像面的物像网格阵列上的方法包括：选取所述物像网格阵列的各个物像像素网格；以各个物像像素网格所对应的虚拟针孔区为原点，以所述目标可视角度θ为最大角度发散出的光线为投影线，以所述虚拟针孔阵列正对区域的无限远处为观察点，沿所述投影线对所述虚拟三维模型进行观察，记录所述投影线方向上的图像数据，填充到对应的物像像素网格中；将各个物像像素网格的图像数据组织为所述二维光场图像。

在本发明的一实施例中，所述虚拟针孔阵列包括多个虚拟针孔区，相邻虚拟针孔区的间距随着远离所述立体光场的可视范围在水平或垂直至少一个方向上单调递增，使得所述可视范围通过任意两相邻的虚拟针孔区在所述二维图像面上的投影区域没有重叠。

在本发明的一实施例中，还包括按照如下方式确定所述虚拟针孔阵列的虚拟针孔区的间距：在所述虚拟针孔阵列上选取一基点P1，记录所述立体光场的可视范围通过所述基点P1在所述二维图像面上形成投影区域A1的边界点，确定所述边界点与所述可视范围的连接线与虚拟针孔阵列的交点中，与基点P1距离最远的点为第二虚拟针孔区P2，依次迭代计算直至虚拟针孔区的间距达到预设值。

在本发明的一实施例中，还包括按照如下方式确定所述虚拟针孔阵列的虚拟针孔区的间距：定义穿过各虚拟针孔区Pi的法线平分对应虚拟针孔区的视野开角θPi，在所述虚拟针孔阵列上选取一基点P1，所述基点P1的视野开角至少覆盖所述立体光场的可视范围，并在所述二维图像面上形成投影区域A1，在所述虚拟针孔阵列上确定视野开角至少覆盖所述可视范围，且在所述二维图像面上形成的投影区域与所述投影区域A1接触的点为第二虚拟针孔区P2，依次迭代计算直至虚拟针孔区的间距达到预设值。

在本发明的一实施例中，通过以下公式计算所述预设值：

D≤2*L*tan(α/2)

其中，D表示预设值，L表示虚拟针孔阵列与可视范围的最小距离，α表示人眼视觉分辨角。

在本发明的一实施例中，所述基点为所述可视范围的中心线与所述虚拟针孔阵列的交点。

在本发明的一实施例中，所述物像网格阵列呈矩形、菱形或六边形排列。

在本发明的一实施例中，所述虚拟针孔阵列在相互垂直的第一方向和第二方向上的间距相等。

在本发明的一实施例中，所述目标物像分辨率D1为所述针孔阵列的针孔间距。

在本发明的一实施例中，所述二维图像面为平面或曲面。

在本发明的一实施例中，还包括将所述二维光场图像形成于实体媒介上。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种生成二维光场图像的装置，包括：存储器，用于存储可由处理器执行的指令；处理器，用于执行所述指令以实现如上所述的方法。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种存储有计算机程序代码的计算机可读介质，所述计算机程序代码在由处理器执行时实现如上所述的方法。

本发明由于采用以上技术方案所生成的二维光场图像中包含了充分的三维立体图像的信息，利用该二维光场图像配合针孔阵列可以呈现出虚拟三维模型的立体光场。人们无需佩戴特殊的眼镜或其他额外的设备，直接通过裸眼即可从不同的视觉角度观看到相应的三维立体图像，效果逼真。

附图说明

为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明，其中：

图1是本发明一实施例的立体光场显示装置的结构示意图；

图2是本发明一实施例的生成二维光场图像的方法的示例性流程图；

图3是本发明一实施例的生成二维光场图像的计算过程示意图；

图4A-4C是本明实施例的物像网格阵列的排列方式示意图；

图5是根据本发明的生成二维光场图像的方法所生成的二维光场图像的示例；

图6是本发明一实施例的虚拟针孔阵列上的虚拟针孔区的分布原理示意图；

图7A-7C是本发明一实施例中确定虚拟针孔区间距的方法示意图；

图8A-8C是本发明另一实施例中确定虚拟针孔区间距的方法示意图。

具体实施方式

为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其它不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

如本申请和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其他的步骤或元素。

在详述本申请实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本申请保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。例如，如果翻转附图中的器件，则被描述为在其他元件或特征“下方”或“之下”或“下面”的元件的方向将改为在所述其他元件或特征的“上方”。因而，示例性的词语“下方”和“下面”能够包含上和下两个方向。器件也可能具有其他朝向(旋转90度或处于其他方向)，因此应相应地解释此处使用的空间关系描述词。此外，还将理解，当一层被称为在两层“之间”时，它可以是所述两层之间仅有的层，或者也可以存在一个或多个介于其间的层。

在本申请的上下文中，所描述的第一特征在第二特征之“上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。

根据本发明的一种生成二维光场图像的方法所生成的二维光场图像可以应用于一种立体光场显示装置。为了辅助说明本发明的方法，首先对这种立体光场显示装置进行说明。

图1是本发明一实施例的立体光场显示装置的结构示意图。参考图1所示，该立体光场显示装置100包括光场图像层110和针孔阵列120。本实施例中的光场图像层110和针孔阵列120为矩形的薄层结构，光场图像层110和针孔阵列120平行设置，且二者之间具有一距离S。优选地，光场图像层110和针孔阵列120的大小和形状相同。

本发明并不用于限制所示结构的厚度和形状。在其他的实施例中，光场图像层110和针孔阵列120可以具有其他的厚度(厚度的范围可以在0.1～20mm之间)，也可以是其他的形状，如圆形、椭圆形、方形等。在其他的实施例中，光场图像层110和针孔阵列120的大小和形状都可以不同。

光场图像层110用于显示二维光场图像。该二维光场图像是根据本发明的生成二维光场图像的方法所生成的，包含三维物体模型的不同视角的图像信息。该二维光场图像可以是平面图像，也可以是曲面图像。该二维光场图像包括且不限于静态图像和动态图像。

光场图像层110可以主动发光或被动发光。当光场图像层110被动发光时，该光场图像层110为被动发光层。光源可以集成在光场图像层110中，也可以在光场图像层110之外，还可以独立于本发明实施例的立体光场显示装置100而存在。本发明对光源不做特殊限制，可以使用任何本领域技术人员可以想到的光源，例如荧光灯、发光二极管(Light-Emitting Diode，LED)灯等。

在一些实施例中，作为被动发光层的光场图像层110可以通过透光、反射或散射等方式被动地发光。光场图像层110可以是印制有光场图像的纸片、塑料片等，以显示静态图像。

在一些实施例中，光场图像层110可以是显示面板，例如液晶显示面板，并且在远离针孔阵列120的方向设有背光光源。光场图像层110也可以为有机发光二极管(OrganicLight-Emitting Diode，OLED)面板。

参考图1所示，针孔阵列120上包括多个针孔区，如图1中针孔阵列120上的点所示。该多个针孔区呈阵列方式按照一定的规律分布在针孔阵列120上。光线穿过每个针孔区会在一定的立体角度范围内展开。

在图1所示的实施例中，该针孔阵列120为一薄层，其上用白色点表示针孔区。在一些示例中，该针孔区可以是穿透该薄层的针孔结构。在一些示例中，该针孔区也可以由透光材料构成，而不是实际意义上穿透该薄层的通孔。针孔区之外的部分用黑色表示不透光，可以是在透光材料上附加不透光材料制成，或者直接由不透光材料构成。

在其他的实施例中，该针孔阵列120可以由不透光的材质构成，其上的多个针孔区可以为实际上穿过针孔阵列120厚度方向的通孔，使光可以穿过该多个针孔区。

从光场图像层110主动或被动发出的光线，使光场图像层110所显示的二维光场图像透过针孔阵列120上的针孔区，利用小孔成像原理在针孔阵列120的另一侧成像。其中，二维光场图像的不同视角图像信息会在不同方向上给出相关而不相同的光线，从而在空间里模拟虚拟三维模型发出的立体光场，实现对应于该二维光场图像的立体显示。在针孔阵列120的另一侧的空间中，用户可以观察到该虚拟三维模型的立体光场的区域被称为可视范围。

在一些实施例中，在光场图像层110和针孔阵列120之间还包括有一透明层。可以通过调整透明层的厚度、光场图像层110的厚度和针孔阵列120的厚度来优化本发明的立体光场显示装置100所显示的虚拟三维图像。

在一些实施例中，光场图像层110和/或针孔阵列120可以是透明材质。例如，光场图像层110和/或针孔阵列120可以是玻璃或有机透明材料。在一些实施例中，有机透明材料可以是亚克力、聚对苯二甲酸乙二酯(polyethylene terephthalate，PET)或聚苯乙烯(Polystyrene，PS)。

图2是本发明一实施例的生成二维光场图像的方法的示例性流程图。参考图2所示，该方法包括以下步骤：

步骤210，获取立体光场的目标物像分辨率D1、针孔阵列与待生成的二维光场图像的设计距离S、立体光场的目标可视角度θ以及二维光场图像的目标图像分辨率D2。

在本步骤中，该立体光场即由图1中所示的立体光场显示装置100所呈现出来的虚拟三维模型的立体光场。在本实施例中，根据要显示的虚拟三维模型所处的场景以及对观看效果的需求，确定该立体光场的目标物像分辨率D1。

在一些实施例中，该目标物像分辨率D1也就是立体光场显示装置100中的针孔阵列120中相邻针孔区之间的距离D1，即针孔阵列120的针孔间距D1。根据图1所示的针孔阵列120，其上的多个针孔区呈阵列方式按照一定的规律分布。在一些实施例中，对于针孔阵列120上的不同位置来说，针孔间距D1可能是不同的。

针孔阵列120与待生成的二维光场图像的设计距离S与图1中所示的光场图像层110和针孔阵列120之间的距离S相同。

图3是本发明一实施例的生成二维光场图像的计算过程示意图。参考图3所示，为生成二维光场图像，假设在空间中存在一虚拟三维模型310。该虚拟三维模型310位于一虚拟针孔阵列320的一侧。虚拟针孔阵列320上具有多个虚拟针孔区，如图3中的黑点所示。该多个虚拟针孔区呈阵列方式按照一定的规律分布在虚拟针孔阵列320上。该虚拟针孔阵列320的形状、大小以及其上的虚拟针孔区的分布方式与图1中所示的针孔阵列120的形状、大小以及其上的针孔区的分布方式是相对应的。

在一些实施例中，当针孔阵列120上的针孔区在相互垂直的第一方向和第二方向上的间距相等时，对应的虚拟针孔阵列320上的虚拟针孔区在相互垂直的第一方向和第二方向上的间距也相等。该虚拟针孔阵列320上具有L*L个虚拟针孔区，在图3的示例中示出8*8个虚拟针孔区。并且这些虚拟针孔区在相互垂直的第一方向X和第二方向Y上的间距可以相等，都为D1。

参考图3所示，光线穿过每个虚拟针孔区会在一定的立体角度范围内展开，将该立体角度范围中的最大值定义为立体光场的目标可视角度θ。

步骤220，确定二维光场图像所在的二维图像面的几何参数。

在本步骤中，如图3所示，二维光场图像所在的二维图像面360代表图1中所示的立体光场显示装置100中的光场图像层110。可以根据要显示的虚拟三维模型310所处的场景需求来确定二维图像面360的几何参数。该几何参数可以包括但不限于二维图像面360的形状、大小及其是平面或曲面等。

可以理解的是，在本发明的生成二维光场图像的方法中，是通过计算的方式，在计算空间中获得虚拟三维模型310所对应的二维光场图像，并不需要真的形成实际的光场图像层110。

步骤230，根据目标物像分辨率D1将二维图像面划分为物像网格阵列。

参考图3所示，该物像网格阵列330包括多个物像像素网格340。假设二维图像面360为矩形，其长度为D1的m倍，宽度为D1的n倍，则物像网格阵列330中包含m*n个物像像素网格340。在图3所示的实施例中，该物像网格阵列330中包含8*8个物像像素网格340。该物像像素网格340呈正方形，并且每一个物像像素网格340的大小都是相同的，与图3中所示的虚拟针孔阵列320上的虚拟针孔区的个数及分布相对应。物像像素网格340的尺寸(如正方形的边长)是由二维图像面360的尺寸来决定的。

在本发明的生成二维光场图像的方法中，虚拟针孔阵列320上的虚拟针孔区的个数与物像网格阵列330中的多个物像像素网格340的个数相同，虚拟针孔阵列320上的虚拟针孔区的分布方式与物像网格阵列330中的多个物像像素网格340的形状和尺寸是相对应的。在一些实施例中，当虚拟针孔阵列320上的虚拟针孔区以非均匀的方式分布时，物像网格阵列330中的多个物像像素网格340的形状和尺寸也要做出相应的调整。例如，对于某一个特定的虚拟针孔区S来说，其与其水平相邻的虚拟针孔区之间的间距为Dx，与其垂直相邻的虚拟针孔区之间的间距为Dy，则该虚拟针孔区S所对应的物像像素网格(以矩形为例)在X方向和Y方向的长度的比例等于Dx：Dy。

在一些实施例中，物像网格阵列330呈矩形、菱形或六边形排列。在图3所示的实施例中，该物像网格阵列330是呈矩形排列的。具体地，参考图4A-4B所示的物像网格阵列的排列方式示意图。其中，图4A为当物像网格阵列330是呈矩形排列时的示意图。在该图4A中，物像像素网格为正方形，将四个彼此相邻的物像像素网格的中心点连接起来的虚线图形也是正方形。

在图4A所示的实施例中，每个物像像素网格340包括N*N个像素，其中N＝D1/D2。在其他的实施例中，当虚拟针孔阵列320上的虚拟针孔区以非均匀的方式分布时，也就是虚拟针孔区之间的间距D1随着虚拟针孔区所处的位置而不同时，每个物像像素网格340中所包括的像素的个数也不同。每个虚拟针孔区所对应的物像像素网格340包括的像素个数由该虚拟针孔区与其周围的虚拟针孔区之间的间距以及二维光场图像的目标图像分辨率D2共同决定。以上述例子为例，假设对应于特定的虚拟针孔区S的物像像素网格340包括N_X*N_Y个像素，其中，N_X＝Dx/D2，N_Y＝Dy/D2。

图4B为当物像网格阵列330是呈菱形排列时的示意图。在该图4B中，物像像素网格为正方形，设其边长为a，每行的物像像素网格按照错开a/2的距离排列，使得四个彼此相邻的物像像素网格的中心点连接起来的虚线图形为菱形。图4A和图4B中的物像像素网格的形状不限于正方形，还可以是例如长方形等其他形状。

图4C为当物像网格阵列330是呈六边形排列时的示意图。在该图4C中，物像像素网格为六边形，按照蜂巢方式排列。以位于中心位置的物像像素网格为例，其周围包围着六个物像像素网格，该六个物像像素网格的中心点连接起来的虚线图形为六边形。

步骤240，标定虚拟三维模型与对应针孔阵列的虚拟针孔阵列的相对位置。

参考图3所示，虚拟针孔阵列320即对应于图1中所示的针孔阵列120。可以理解的是，本步骤是在计算空间中进行，本发明的生成二维光场图像的方法中并不需要真实存在的针孔阵列120。该虚拟三维模型310与虚拟针孔阵列320的相对位置可以包括虚拟针孔阵列320上的每一个虚拟针孔区到该虚拟三维模型310的距离等信息。

步骤250，将虚拟三维模型在目标可视角度θ内经虚拟针孔阵列投影到二维图像面的物像网格阵列上，获得二维光场图像。

在一些实施例中，本步骤的方法包括：

步骤251，选取物像网格阵列330的各个物像像素网格340。对于图3所示的实施例来说，可以按照虚拟针孔阵列320上的虚拟针孔区的排列顺序，逐行选取虚拟针孔区所对应的物像像素网格340。

步骤252，以各个物像像素网格340所对应的虚拟针孔区为原点，以目标可视角度θ为最大角度发散出的光线为投影线，以虚拟针孔阵列320正对区域的无限远处350为观察点，沿投影线对虚拟三维模型310进行观察，记录投影线方向上的图像数据，填充到对应的物像像素网格340中。

参考图3所示，以虚拟针孔区P为例，从该虚拟针孔区P所发散出的光线的最大角度为目标可视角度θ。根据从虚拟针孔区P所发散出的光线，可以将虚拟三维模型310的局部图像投影在无限远处350。将该投影图像351对应的图像数据填充到虚拟针孔区P所对应的物像像素网格Q中。可以理解的是，将投影图像351在垂直方向旋转180度，即是二维光场图像中的对应局部图像361。因此通过这一方法，相当于将虚拟三维模型310的局部图像投影到物像像素网格Q中。

步骤253，将各个物像像素网格340的图像数据组织为二维光场图像。

按照步骤251和252对物像网格阵列330中的每一个物像像素网格340进行遍历操作，使每一个物像像素网格340中都填充了其所相应的图像数据。

在一些实施例中，以每一个虚拟针孔区为原点观察虚拟三维模型310的视角相差的最小角度为1度。对应于每一个虚拟针孔区所生成的图像数据之间是有重叠部分的。这样，可以使二维光场图像中包含足够多的虚拟三维模型的信息，使得在后续的应用中，利用该二维光场图像可以呈现出虚拟三维模型各个角度的立体光场，提高立体图像的真实性。

根据本发明的生成二维光场图像的方法所生成的二维光场图像如图5所示。该二维光场图像可以以电子存储方式存储在例如电子计算机、硬盘、U盘等存储器中，并用于在显示装置上显示。在一些实施例中，该二维光场图像可以形成于实体媒介上，例如将该二维光场图像打印在纸、胶片等实体媒介上。

在一些实施例中，虚拟针孔阵列320上的多个虚拟针孔区不是像图3所示的实施例那样均匀分布的，而是按照一定的规律非均匀分布的。通过这样的特殊设计，可以使根据该虚拟针孔阵列所生成的二维光场图像通过图1所示的立体光场显示装置100所呈现出的三维立体图像更见逼真。

在这些实施例中，虚拟针孔阵列320包括多个虚拟针孔区，相邻虚拟针孔区的间距随着远离立体光场的可视范围在水平或垂直至少一个方向上单调递增，使得可视范围通过任意两相邻的虚拟针孔区在二维图像面360上的投影区域没有重叠。以下具体说明这些实施例中的虚拟针孔阵列320上的虚拟针孔区的分布方式。

图6是本发明一实施例的虚拟针孔阵列上的虚拟针孔区的分布原理示意图。图6的视角为虚拟针孔阵列320的侧视视角，示出了二维图像面360和虚拟针孔阵列320的侧面。在图6所示的示例中，二维图像面360和虚拟针孔阵列320都为一薄层，二者之间的距离为S。在其他的实施例中，二维图像面360和虚拟针孔阵列320可以具有一定的厚度。

需要说明的是，本发明的生成二维光场图像的方法是在计算空间中进行的，图6中所示的二维图像面360是为了说明虚拟针孔阵列320上的虚拟针孔区的分布，并不代表利用虚拟针孔阵列320在二维图像面360上形成了真实存在的二维图像。

参考图6所示，用一个虚线围成的矩形表示长方体的可视范围640从图6的视角所观察到的形状。该可视范围640表示在本发明的应用场景中，人们能够观察到三维虚拟图像的所有空间范围。图6所示为便于理论计算的示例，并不用于限制该可视范围640的形状和大小范围。虚拟针孔阵列320位于二维图像面360和可视范围640之间。在其他的实施例中，可视范围640可以是其他的任意形状和大小，例如圆球、椭球、立方体等。如图6所示，该可视范围640与虚拟针孔阵列320面向该可视范围640一侧的外表面之间的最近距离为L。

参考图6所示，虚拟针孔阵列320上的多个短横杠用于表征虚拟针孔阵列320上的多个虚拟针孔区630的位置。相邻虚拟针孔区之间的间距为d。

在图6所示的实施例中，假设将多个虚拟针孔区630中的一个虚拟针孔区631作为一基点P1，则虚拟针孔阵列320上的多个虚拟针孔区之间的间距随着远离可视范围640在垂直向上的方向上单调递增。在本发明的实施例中，单调递增指的是以基点为起始，随着远离基点，虚拟针孔区的间距是不会减小的，但可以相等。在本发明的另一实施例中，所有虚拟针孔区的间距不完全相同。假设，虚拟针孔区632与虚拟针孔区631的间距为d₁，虚拟针孔区633与虚拟针孔区632的间距为d₂，依次类推，则虚拟针孔区63n与位于其下面相邻的虚拟针孔区之间的间距为d_n-1，则这些间距应满足下面的式子：

d₁<＝d₂<＝…<＝d_n-1 (1)

类似地，以虚拟针孔区631作为基点P1，虚拟针孔阵列320上的多个虚拟针孔区之间的间距随着远离可视范围640在水平方向上沿其一端的延伸方向上单调递增。

在其他的实施例中，虚拟针孔阵列320上的多个虚拟针孔区之间的间距随着远离可视范围640在垂直和/或水平方向上沿着其两端的延伸方向单调递增。

图7A-7C是本发明一实施例中确定虚拟针孔区间距的方法示意图。其中所示的虚拟针孔阵列320为图6中的局部区域R的放大图。参考图7A所示，假设可视范围640包含在由V1、V2、V3和V4四个边界点所围成的空间范围内。虚拟针孔区631作为基点P1。光从可视范围640发出并通过作为基点P1的虚拟针孔区631，在二维图像面360上形成投影区域A1。相应地，从二维图像面360上的投影区域A1发出的光，通过基点P1处的虚拟针孔区631向外传播，可以被位于可视范围640内的人眼捕捉到。

如图7A所示，该投影区域A1在二维图像面360的垂直方向上具有两个边界点TP1和BP1。该两个边界点仅用于示意该投影区域A1在二维图像面360的垂直方向上的范围，并不代表实际意义上的点。在本实施例中，投影区域A1可以为矩形，相应地，TP1和BP1可以表示沿二维图像面360的水平方向上的两条直线。在其他的实施例中，投影区域A1可以是任意不规则的形状，例如圆形、椭圆形、方形等，相应地，TP1和BP1可以表示在二维图像面360上某一不规则区域上的点，例如圆形区域的圆周上的两个点。

如图7B所示，以边界点TP1为例，在边界点TP1与可视范围640之间可以画出若干条连接线，这些连接线都穿过虚拟针孔阵列320并与虚拟针孔阵列320相交，在边界点TP1与可视范围640的所有连接线中是距离基点P1最远的点为P2，将该交点P2确定为第二虚拟针孔区P2。

参考图7C所示，光从可视范围640发出通过第二虚拟针孔区P2，在二维图像面360上形成投影区域A2。相应地，从二维图像面360上的投影区域A2发出的光，通过第二虚拟针孔区P2向外传播，可以被位于可视范围640内的人眼捕捉到。该投影区域A2与投影区域A1之间没有重叠。

按照确定第二虚拟针孔区P2的方法，可以沿着垂直或水平至少一个方向上，在虚拟针孔阵列320上依次迭代计算出所有虚拟针孔区的位置，直至虚拟针孔区的间距达到预设值。这些虚拟针孔区的位置设置可以使得光线从可视范围640通过任意两个相邻的虚拟针孔区在二维图像面360上的投影区域都没有重叠。另一方面，随着虚拟针孔区的位置越来越远离基点P1，相邻虚拟针孔区之间的间距单调递增，使虚拟针孔区的分布越来越分散。

然而，对于处于可视范围640内的人眼来说，人眼能区别两发光点的最小角距离称为人眼视觉分辨角α，其倒数则为眼睛的分辨力。通常人眼可接受的视角范围在0.5分到10度之间。由于受到人眼视觉分辨角α的限制，本发明实施例中的虚拟针孔阵列320上的各个虚拟针孔区之间的间距也受到限制。可以通过以下公式计算虚拟针孔区间距的预设值D：

D≤2*L*tan(α/2) (2)

其中，L是可视范围640与虚拟针孔阵列320之间的最近距离。各个虚拟针孔区之间的间距不能超过该预设值D。

图8A-8C是本发明另一实施例中确定虚拟针孔区间距的方法示意图。参考图8A所示，虚拟针孔区Pi为位于虚拟针孔阵列320上的任意一个虚拟针孔区。在此实施例中，定义穿过各虚拟针孔区Pi的法线N平分对应虚拟针孔区的视野开角θPi。该视野开角θPi位于靠近可视范围640(图未示)的方向。显然，该法线N不仅将视野开角θPi从中间平分，也将可视范围640通过虚拟针孔区Pi在二维图像面360上的投影区域A从中间平分。

可以理解的是，穿过各虚拟针孔区Pi的法线N也可以是一法平面，该法平面平分对应虚拟针孔区的视野开角θPi。

参考图8B所示，在此实施例中，首先在虚拟针孔阵列320上选取一基点P1，该基点P1的视野开角θP1至少覆盖可视范围640。如图8B所示，基点P1的视野开角θP1使从基点P1处的虚拟针孔区射出的光线正好可以覆盖可视范围640。在其他的实施例中，基点P1的视野开角θP1可以覆盖的范围可以大于图8B中所示的可视范围640。光线从可视范围640通过基点P1处的虚拟针孔区在二维图像面360上形成投影区域A1。

其次，在虚拟针孔阵列320上确定第二虚拟针孔区P2。该第二虚拟针孔区P2的视野开角θP2至少覆盖可视范围640，并且光线从可视范围640通过第二虚拟针孔区P2在二维图像面360上形成的投影区域A2与投影区域A1相接触。也就是说，投影区域A2与投影区域A1彼此相邻并且没有重叠，投影区域A2与投影区域A1相邻接，两个区域之间没有不被投影到的空隙。

显然光线通过第二虚拟针孔区P2及其他远离基点P1的虚拟针孔区可以覆盖到的范围都大于原始的可视范围640。

按照确定第二虚拟针孔区P2的方法，可以沿着垂直或水平至少一个方向上，在虚拟针孔阵列320上依次迭代计算出所有虚拟针孔区的位置，例如第三虚拟针孔区P3等，直至虚拟针孔区的间距达到预设值D。这些虚拟针孔区的位置设置可以使得光线从可视范围640通过任意两个相邻的虚拟针孔区在二维图像面360上的投影区域都没有重叠。另一方面，随着虚拟针孔区的位置越来越远离基点P1，相邻虚拟针孔区之间的间距单调递增，使虚拟针孔区的分布越来越分散。

与图7A-7C所示的实施例类似，在此实施例中，虚拟针孔阵列320上的任意一个虚拟针孔区与其邻近的其他虚拟针孔区之间的间距也应小于预设值D。

并且，为了使虚拟针孔阵列320上所有的虚拟针孔区在二维图像面360上的投影区域之间没有交集，二维图像面360和虚拟针孔阵列320之间的最大距离S_max为：

S_max＝min(D/2/tanθPi) (3)

在图7A-7C所示的实施例中，二维图像面360和虚拟针孔阵列320之间的距离S也应小于该最大距离S_max。

在图8B所示的实施例中，第二虚拟针孔区P2位于基点P1的上方。图8B并不用于限制各个虚拟针孔区的真实位置。在其他的实施例中，第二虚拟针孔区P2及其虚拟针孔区可以沿垂直方向位于基点P1的下方，或沿水平方向位于基点P1的周围。

图8C示出了当可视范围650为圆球形时的一实施例。参考图8C所示，基点P1的视野开角θP1使从基点P1处的虚拟针孔区射出的光线正好可以覆盖可视范围650。在其他的实施例中，基点P1的视野开角θP1可以覆盖的范围可以大于图8C中所示的可视范围650。光线从可视范围650通过基点P1处的虚拟针孔区在二维图像面360上形成投影区域A1'。在此实施例中，确定其余虚拟针孔区位置的方法与图8B所示的实施例相同。不同之处在于，对图8B所示的矩形可视范围640来说，无论虚拟针孔区的位置如何，各个虚拟针孔区的视野开角所覆盖的范围可以由矩形可视范围640的顶点确定。例如，在图8B所示的实施例中，位于基点P1上方的虚拟针孔区的视野范围主要由顶点V2确定。而对于图8C所示的圆球形可视范围650来说，随着虚拟针孔区位置的改变，各个虚拟针孔区的视野开角所覆盖的范围不能由圆球形可视范围650上的固定点确定。例如，在图8C所示的实施例中，基点P1的视野开角θP1所覆盖的可视范围由圆球形可视范围650上的W1和W2确定；第二虚拟针孔区P2的视野开角θP2所覆盖的可视范围由圆球形可视范围650上的W3确定；第三虚拟针孔区P3的视野开角θP3所覆盖的可视范围由圆球形可视范围650上的W4确定；依次类推。显然，光线通过第二虚拟针孔区P2及其他远离基点P1的虚拟针孔区可以覆盖到的范围都大于原始的圆球形可视范围650。

在一些实施例中，图7A-7C、图8B和8C中所示的基点P1可以是可视范围640、650的中心线与虚拟针孔阵列320的交点。在一些实施例中，该可视范围640、650的中心线与虚拟针孔阵列320的交点可以位于虚拟针孔阵列320上的任意位置。在一些实施例中，该可视范围640、650的中心线与虚拟针孔阵列320的交点正好是虚拟针孔阵列320的中心点。

本发明还包括一种生成二维光场图像的装置，包括存储器和处理器。该存储器用于存储可由处理器执行的指令；该处理器用于执行该指令以实现本发明的生成二维光场图像的方法。

根据本发明的生成二维光场图像的方法和装置，可以生成二维光场图像，使该二维光场图像通过针孔阵列120之后，立体显示在立体光场显示装置100的前方。人们无需佩戴特殊的眼镜或其他额外的设备，直接通过裸眼即可从不同的视觉角度观看到相应的三维立体图像，效果逼真。

本申请的方法和装置的一些方面可以完全由硬件执行、可以完全由软件(包括固件、常驻软件、微码等)执行、也可以由硬件和软件组合执行。以上硬件或软件均可被称为“数据块”、“模块”、“引擎”、“单元”、“组件”或“系统”。处理器可以是一个或多个专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)、数字信号处理器件(DAPD)、可编程逻辑器件(PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)、处理器、控制器、微控制器、微处理器或者其组合。此外，本申请的各方面可能表现为位于一个或多个计算机可读介质中的计算机产品，该产品包括计算机可读程序编码。例如，计算机可读介质可包括，但不限于，磁性存储设备(例如，硬盘、软盘、磁带……)、光盘(例如，压缩盘(CD)、数字多功能盘(DVD)……)、智能卡以及闪存设备(例如，卡、棒、键驱动器……)。

计算机可读介质可能包含一个内含有计算机程序编码的传播数据信号，例如在基带上或作为载波的一部分。该传播信号可能有多种表现形式，包括电磁形式、光形式等等、或合适的组合形式。计算机可读介质可以是除计算机可读存储介质之外的任何计算机可读介质，该介质可以通过连接至一个指令执行系统、装置或设备以实现通讯、传播或传输供使用的程序。位于计算机可读介质上的程序编码可以通过任何合适的介质进行传播，包括无线电、电缆、光纤电缆、射频信号、或类似介质、或任何上述介质的组合。

此外，除非权利要求中明确说明，本申请所述处理元素和序列的顺序、数字字母的使用、或其他名称的使用，并非用于限定本申请流程和方法的顺序。尽管上述披露中通过各种示例讨论了一些目前认为有用的发明实施例，但应当理解的是，该类细节仅起到说明的目的，附加的权利要求并不仅限于披露的实施例，相反，权利要求旨在覆盖所有符合本申请实施例实质和范围的修正和等价组合。例如，虽然以上所描述的系统组件可以通过硬件设备实现，但是也可以只通过软件的解决方案得以实现，如在现有的服务器或移动设备上安装所描述的系统。

同理，应当注意的是，为了简化本申请披露的表述，从而帮助对一个或多个申请实施例的理解，前文对本申请实施例的描述中，有时会将多种特征归并至一个实施例、附图或对其的描述中。但是，这种披露方法并不意味着本申请对象所需要的特征比权利要求中提及的特征多。实际上，实施例的特征要少于上述披露的单个实施例的全部特征。

一些实施例中使用了描述成分、属性数量的数字，应当理解的是，此类用于实施例描述的数字，在一些示例中使用了修饰词“大约”、“近似”或“大体上”来修饰。除非另外说明，“大约”、“近似”或“大体上”表明所述数字允许有±20％的变化。相应地，在一些实施例中，说明书和权利要求中使用的数值参数均为近似值，该近似值根据个别实施例所需特点可以发生改变。在一些实施例中，数值参数应考虑规定的有效数位并采用一般位数保留的方法。尽管本申请一些实施例中用于确认其范围广度的数值域和参数为近似值，在具体实施例中，此类数值的设定在可行范围内尽可能精确。

本申请使用了特定词语来描述本申请的实施例。如“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本申请至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本申请的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。

虽然本发明已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，在没有脱离本发明精神的情况下还可做出各种等效的变化或替换，因此，只要在本发明的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本申请的权利要求书的范围内。

Claims

1.一种生成二维光场图像的方法，所述二维光场图像用于配合针孔阵列呈现虚拟三维模型的立体光场，所述方法包括以下步骤：

获取所述立体光场的目标物像分辨率D1、所述针孔阵列与待生成的二维光场图像的设计距离S、所述立体光场的目标可视角度θ以及所述二维光场图像的目标图像分辨率D2；

确定所述二维光场图像所在的二维图像面的几何参数；

根据所述目标物像分辨率D1将所述二维图像面划分为物像网格阵列；

标定所述虚拟三维模型与对应所述针孔阵列的虚拟针孔阵列的相对位置；以及

将所述虚拟三维模型在所述目标可视角度θ内经所述虚拟针孔阵列投影到所述二维图像面的物像网格阵列上，获得所述二维光场图像。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述物像网格阵列包括多个物像像素网格，每个物像像素网格包括N*N个像素，其中N＝D1/D2。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，将所述虚拟三维模型在所述目标可视角度θ内经所述虚拟针孔阵列投影到所述二维图像面的物像网格阵列上的方法包括：

选取所述物像网格阵列的各个物像像素网格；

以各个物像像素网格所对应的虚拟针孔区为原点，以所述目标可视角度θ为最大角度发散出的光线为投影线，以所述虚拟针孔阵列正对区域的无限远处为观察点，沿所述投影线对所述虚拟三维模型进行观察，记录所述投影线方向上的图像数据，填充到对应的物像像素网格中；

将各个物像像素网格的图像数据组织为所述二维光场图像。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述虚拟针孔阵列包括多个虚拟针孔区，相邻虚拟针孔区的间距随着远离所述立体光场的可视范围在水平或垂直至少一个方向上单调递增，使得所述可视范围通过任意两相邻的虚拟针孔区在所述二维图像面上的投影区域没有重叠。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，还包括按照如下方式确定所述虚拟针孔阵列的虚拟针孔区的间距：在所述虚拟针孔阵列上选取一基点P1，记录所述立体光场的可视范围通过所述基点P1在所述二维图像面上形成投影区域A1的边界点，确定所述边界点与所述可视范围的连接线与虚拟针孔阵列的交点中，与基点P1距离最远的点为第二虚拟针孔区P2，依次迭代计算直至虚拟针孔区的间距达到预设值。

6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，还包括按照如下方式确定所述虚拟针孔阵列的虚拟针孔区的间距：定义穿过各虚拟针孔区Pi的法线平分对应虚拟针孔区的视野开角θPi，在所述虚拟针孔阵列上选取一基点P1，所述基点P1的视野开角至少覆盖所述立体光场的可视范围，并在所述二维图像面上形成投影区域A1，在所述虚拟针孔阵列上确定视野开角至少覆盖所述可视范围，且在所述二维图像面上形成的投影区域与所述投影区域A1接触的点为第二虚拟针孔区P2，依次迭代计算直至虚拟针孔区的间距达到预设值。

7.如权利要求5或6所述的方法，其特征在于，通过以下公式计算所述预设值：

D≤2*L*tan(α/2)

8.如权利要求5或6所述的方法，其特征在于，所述基点为所述可视范围的中心线与所述虚拟针孔阵列的交点。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述物像网格阵列呈矩形、菱形或六边形排列。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述虚拟针孔阵列在相互垂直的第一方向和第二方向上的间距相等。

11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述目标物像分辨率D1为所述针孔阵列的针孔间距。

12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述二维图像面为平面或曲面。

13.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括将所述二维光场图像形成于实体媒介上。

14.一种生成二维光场图像的装置，包括：

存储器，用于存储可由处理器执行的指令；

处理器，用于执行所述指令以实现如权利要求1-13任一项所述的方法。

15.一种存储有计算机程序代码的计算机可读介质，所述计算机程序代码在由处理器执行时实现如权利要求1-13任一项所述的方法。