CN112087620B - 用于显示立体光场的多个显示装置的拼接生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于显示立体光场的多个显示装置的拼接生成方法及终端、计算机可读存储介质。该拼接生成方法包括：步骤S1，根据实际应用场景的需求，标定显示装置可安装的位置、显示立体光场所对应的三维光场图像的范围、以及立体光场的可视范围；步骤S2，确定显示装置的数量、每个显示装置的大小和形状，以及多个显示装置之间的拼接关系；步骤S3，根据实际应用场景和观看效果的需求，获取每个显示装置的生成显示参数；步骤S4，根据生成显示参数获得二维图像面上的二维图像；步骤S5，根据生成显示参数和二维图像来制作显示装置，根据拼接关系拼接多个所述显示装置。通过本发明提供的方案有助于人们通过裸眼即可从各个角度观看三维立体图像。

Description

用于显示立体光场的多个显示装置的拼接生成方法

技术领域

本发明涉及裸眼立体视觉领域，特别涉及一种用于显示立体光场的多个显示装置的拼接生成方法。

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

本发明要解决的技术问题是提供一种用于显示立体光场的多个显示装置的拼接生成方法及其装置、计算机可读存储介质，可以使人们通过裸眼即可从各个角度观看该三维光场图像。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种用于显示立体光场的多个显示装置的拼接生成方法，显示装置包括光场图像层和针孔阵列层，所述针孔阵列层位于所述光场图像层和所述立体光场的可视范围之间，所述光场图像层具有二维图像面，所述二维图像面用于配合所述针孔阵列层以呈现二维光场图像，多个不同角度及位置摆放的所述显示装置的二维光场图像形成所述立体光场所对应的三维光场图像，所述拼接生成方法包括：

步骤S1，根据实际应用场景的需求，标定所述显示装置可安装的位置、显示所述立体光场所对应的三维光场图像的范围、以及所述立体光场的可视范围；

步骤S2，确定所述显示装置的数量、每个所述显示装置的大小和形状，以及多个所述显示装置之间的拼接关系；

步骤S3，根据实际应用场景和观看效果的需求，获取每个所述显示装置的生成显示参数；

步骤S4，根据所述生成显示参数获得所述二维图像面上的二维图像；

步骤S5，根据所述生成显示参数和二维图像来制作所述显示装置，根据所述拼接关系拼接多个所述显示装置。

根据本发明的一个实施例，所述针孔阵列层包括多个针孔区，相邻所述针孔区的间距随着远离所述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针孔区在所述光场图像层上的投影区域没有重叠；

其中，所述生成显示参数包括相邻针孔区的间距D1、所述针孔阵列层与所述光场图像层之间的距离S、目标可视角度θ和所述针孔区的孔径D2。

根据本发明的一个实施例，相邻针孔区的间距D1通过如下方式确定：在所述针孔阵列层上选取一基点P1，记录所述可视范围通过所述基点P1在所述光场图像层上形成投影区域A1的边界点，确定所述边界点与所述可视范围的连接线与针孔阵列层的交点中，与基点P1距离最远的点为第二针孔区P2，依次迭代计算直至针孔区的间距达到预设值。

根据本发明的一个实施例，通过以下公式计算所述预设值：

D1<＝2*L*tan(α/2)

其中，D1表示预设值，L表示针孔阵列层与可视范围的最小距离，α表示人眼视觉分辨角。

根据本发明的一个实施例，所述基点为所述可视范围的中心线与所述针孔阵列层的交点。

根据本发明的一个实施例，步骤S4包括，

根据预设值D1将所述二维图像面划分为物像网格阵列；

标定所述立体光场的虚拟三维模型与对应所述显示装置的针孔阵列层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物像网格阵列上，获得所述二维图像面上的二维图像。

根据本发明的一个实施例，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。

根据本发明的一个实施例，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图像。

根据本发明的一个实施例，所述物像网格阵列呈矩形、菱形或六边形排列。

根据本发明的一个实施例，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。

根据本发明的一个实施例，所述光场图像层为被动发光层。

根据本发明的一个实施例，所述光场图像层为显示面板。

根据本发明的一个实施例，所述显示装置还包括设于所述光场图像层与所述针孔阵列层之间的透明层。

本发明还提供了一种拼接生成多个显示装置以显示立体光场的终端，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前述的方法。

本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，所述计算机指令运行时执前述拼接生成方法的步骤。

由于单一的显示装置受成像角度限制而带来的立体显示范围不足的问题。这一问题在虚拟物体凸出显示装置显示时尤为突出，当物体越突出，其使用的光场像素点面积和角度就越大，单一的显示装置能显示的物体范围受限，容易造成穿帮。本发明能够生成多个显示装置，并以不同角度拼接，由多个显示装置的不同角度的二维光场图像形成三维光场图像，以提供更为充足的立体光场像素和角度信息，达到沉浸式三维立体显示体验。

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拼接生成方法的流程图；

图2是本发明一实施例的拼接生成方法中的拼接示意图；

图3是本发明一实施例中的显示装置的结构示意图；

图4是本发明一实施例中的显示装置的针孔阵列层上的针孔区分布原理示意图；

图5A-5C是本发明一实施例的立体光场显示装置中确定针孔区间距的方法示意图；

图6A-6C是本发明另一实施例的立体光场显示装置中确定针孔区间距的方法示意图；

图7是本发明一实施例的立体光场显示装置中的针孔阵列层的结构示意图；

图8是本发明一实施例的拼接生成方法中的步骤S4的流程图；

图9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10A-10C是本明实施例的物像网格阵列的排列方式示意图。

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。

图1是本发明一实施例的拼接生成方法的流程图。图2是本发明一实施例的拼接生成方法中的拼接示意图。图3是本发明一实施例中的显示装置的结构示意图。如图所示，本发明提供了一种用于显示立体光场的多个显示装置的拼接生成方法。其中，显示装置300包括光场图像层310和针孔阵列层320。针孔阵列层320位于光场图像层310和立体光场的可视范围(图未示)之间。光场图像层310具有二维图像面，二维图像面用于配合针孔阵列层310以呈现二维光场图像。多个显示装置300从不同角度显示的二维光场图像组合形成立体光场所对应的三维光场图像，这些二维光场图像相互补充，能完整再现立体展示效果。参考图1，拼接生成方法包括：

步骤S1，根据实际应用场景的需求，标定显示装置可安装的位置、显示立体光场所对应的三维光场图像的范围、以及立体光场的可视范围。具体来说，实际应用场景可以是封闭或半封闭的环境。例如，室内的一个角落需要展示一个三维光场图像，则可以标定位于该角落的显示装置的安装位置，以及适于观看三维光场图像的可视范围。

步骤S2，确定显示装置的数量、每个显示装置的大小和形状，以及多个显示装置之间的拼接关系。仍以室内的一个角落为例，参考图2，假设该角落由两面墙体及地面围成，那么可以确定显示装置的数量为3个，大小和形状依实际场景选择，这里选择的三个显示装置210、220、230的大小相等，都呈长方形。显示装置210、220可以紧贴两面墙体设置，显示装置230可以设置与地面。拼接关系为三个显示装置210、220、230的两两短边相接，两两之间形成 90度夹角。容易理解的，图3中的显示装置300可以应用于图2中的任一显示装置210、220、230。在实际应用场景中，显示装置的数量可以大于3个。例如，在选定的角落位置还可以增加一个顶面，即在顶面再设置一个显示装置，以提升立体展示效果。进一步的，显示装置210、220、230的大小和形状可以不同，两显示装置的夹角可以在小于180度的范围内选择。

步骤S3，根据实际应用场景和观看效果的需求，获取每个显示装置210、 220、230的生成显示参数。

步骤S4，根据生成显示参数获得每个显示装置210、220、230的二维图像面上的二维图像。

步骤S5，根据生成显示参数和二维图像来制作各显示装置210、220、230，根据之前确定的拼接关系进行拼接。显示装置210、220、230从不同角度显示的二维光场图像组合形成三维光场图像，即图2中凸显在显示装置210、220、 230所围合区域内的杯子240。这些从不同角度显示的二维光场图像相互补充，能完整再现杯子240的立体展示效果。

以下进一步描述显示装置300的结构，并对其生成显示参数做具体说明。

如图3所示，本实施例中的光场图像层310和针孔阵列层320为矩形的薄层结构，光场图像层310和针孔阵列层320平行设置，且二者之间具有一距离 S。优选地，光场图像层310和针孔阵列层320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310和针孔阵列层320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310和针孔阵列层320的大小和形状都可以不同。

光场图像层310具有二维图像面，该二维图像面上形成有二维图像以用于显示二维光场图像。该二维图像是经过特殊组织的二维图像，包含三维物体模型的不同视角的图像信息。该二维图像可以是平面图像，也可以是曲面图像。该二维图像包括且不限于静态图像和动态图像。后文会具体描述二维图像面的生成。

光场图像层310可以主动发光或被动发光。当光场图像层310可以被动发光时，该光场图像层310为被动发光层。光源可以集成在光场图像层310中，也可以在光场图像层310之外，还可以独立于本发明实施例的显示装置300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-EmittingDiode，LED)灯等。

在一些实施例中，作为被动发光层的光场图像层310可以通过透光、反射或散射等方式被动地发光。光场图像层310可以是印制有二维图像的纸片、塑料片等，以显示静态图像。

在一些实施例中，光场图像层310可以是显示面板，例如液晶显示面板，并且在远离针孔阵列层320的方向设有背光光源。光场图像层310也可以为有机发光二极管(OrganicLight-Emitting Diode，OLED)面板。

参考图3所示，针孔阵列层320上包括多个针孔区，如图1中针孔阵列层 320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层 320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3所示的实施例中，该针孔阵列层320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，该针孔阵列层320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层320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310主动或被动发出的光线，使光场图像层310上的二维图像透过针孔阵列层320上的针孔区，利用小孔成像原理在针孔阵列层320的另一侧成像。其中，二维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，从而在空间里模拟三维虚拟物体(图2中的杯子240)发出的光场，实现对应于该二维光场图像的立体显示。

在一些实施例中，在光场图像层310和针孔阵列层320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310的厚度和针孔阵列层320 的厚度来优化本发明的显示装置300所显示的二维光场图像。

在一些实施例中，光场图像层310和/或针孔阵列层320可以包括透明材质。例如，光场图像层310和/或针孔阵列层320可以包括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)。

在本发明的实施例中，针孔阵列层320位于光场图像层310和立体光场显示装置的可视范围之间。针孔阵列层320上的相邻针孔区的间距随着远离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针孔区在光场图像层310上的投影区域没有重叠。可视范围通过任意两相邻的针孔区在光场图像层上的投影区域没有重叠，可以在保证观看效果的前提下，增加针孔区的个数，提高图像的分辨率，提升用户的视觉体验。

图4是本发明一实施例中的显示装置的针孔阵列层上的针孔区分布原理示意图。图4所示的视角为光场图像层310和针孔阵列层320的侧视视角。从该视角可以分别示出光场图像层310和针孔阵列层320的侧面。在图2所示的示例中，光场图像层310和针孔阵列层320为一薄层，二者之间的距离为S。在其他的实施例中，光场图像层310和针孔阵列层320可以具有一定的厚度。

参考图4所示，用一个虚线围成的矩形表示长方体的可视范围340一个角度的形状，该可视范围340表示在本发明的应用场景中，人们能够观察到二维光场图像的空间范围。图4所示为便于理论计算的示例，并不用于限制该可视范围340的形状和大小范围。针孔阵列层320位于光场图像层310和可视范围 340之间。在其他的实施例中，可视范围340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4所示，该可视范围340与针孔阵列层320 面向该可视范围340一侧的外表面的最近距离为L。

参考图4所示，针孔阵列层320上的多个短横杠用于表征针孔阵列层320 上的多个针孔区330的位置。相邻针孔区之间的间距为d。

在图4所示的实施例中，假设将多个针孔区330中的一个针孔区131作为一基点P1，则针孔阵列层320上的多个针孔区之间的间距随着远离可视范围 340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，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，所有针孔区的间距不完全相同。假设，针孔区332与针孔区331的间距为d₁，针孔区333与针孔区332的间距为d₂，依次类推，则针孔区33n与位于其下面相邻的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，以针孔区331作为基点P1，针孔阵列层320上的多个针孔区之间的间距随着远离可视范围340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，针孔阵列层320上的多个针孔区之间的间距随着远离可视范围340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5A-5C是本发明一实施例的立体光场显示装置中确定针孔区间距的方法示意图。其中所示的针孔阵列层320为图4中的局部区域R的放大图。参考图5A所示，假设可视范围340包含在由V1、V2、V3和V4四个边界点所围成的空间范围内。针孔区131作为基点P1。光从可视范围340发出并通过作为基点P1的针孔区131，在光场图像层310上形成投影区域A1。相应地，从光场图像层310上的投影区域A1发出的光，通过基点P1处的针孔区131向外传播，可以被位于可视范围340内的人眼捕捉到。

如图5A所示，该投影区域A1在光场图像层310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在光场图像层310 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可以表示沿图1中所示的光场图像层310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可以表示在光场图像层310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5B所示，以边界点TP1为例，在边界点TP1与可视范围340之间可以画出若干条连接线，这些连接线都穿过针孔阵列层320并与针孔阵列层320 相交，在边界点TP1与可视范围340的所有连接线中是距离基点P1最远的点为P2，将该交点P2确定为第二针孔区P2。

参考图5C所示，光从可视范围340发出通过第二针孔区P2，在光场图像层310上形成投影区域A2。相应地，从光场图像层310上的投影区域A2发出的光，通过第二针孔区P2向外传播，可以被位于可视范围340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。

按照确定第二针孔区P2的方法，可以沿着垂直或水平至少一个方向上，在针孔阵列层320上依次迭代计算出所有针孔区的位置，直至针孔区的间距达到预设值。这些针孔区的位置设置可以使得光线从可视范围340通过任意两个相邻的针孔区在光场图像层310上的投影区域都没有重叠。另一方面，随着针孔区的位置越来越远离基点P1，相邻针孔区之间的间距单调递增，使针孔区的分布越来越分散。

然而，对于处于可视范围340内的人眼来说，人眼能区别两发光点的最小角距离称为极限分辨角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。由于受到人眼的分辨角α的限制，本发明实施例中的针孔阵列层320上的各个针孔区之间的间距也受到限制。可以通过以下公式计算针孔区间距的预设值D1：

D1＝2*L*tan(α/2) (2)

其中，L是可视范围340与针孔区的最近距离。各个针孔区之间的间距不能超过该预设值D1。

图6A-6C是本发明另一实施例的立体光场显示装置中确定针孔区间距的方法示意图。

参考图6A所示，针孔区Pi为位于针孔阵列层320上的任意一个针孔区。在此实施例中，定义穿过各针孔区Pi的法线N平分对应针孔区的视野开角θPi。该视野开角θPi位于靠近可视范围340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340通过针孔区Pi在光场图像层310上的投影区域A从中间平分。

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

参考图6B所示，在此实施例中，首先在针孔阵列层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340。如图6B所示，基点P1的视野开角θP1使从基点P1处的针孔区射出的光线正好可以覆盖可视范围340。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6B中所示的可视范围340。光线从可视范围340通过基点P1处的针孔区在光场图像层310上形成投影区域A1。

其次，在针孔阵列层320上确定第二针孔区P2。可以在针孔阵列层320 上确定视野开角至少覆盖可视范围340，且在光场图像层310上形成的投影区域与投影区域A1接触的点为第二针孔区P2。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。

显然光线通过第二针孔区P2及其他远离基点P1的针孔区可以覆盖到的范围都大于原始的可视范围340。

按照确定第二针孔区P2的方法，可以沿着垂直或水平至少一个方向上，在针孔阵列层320上依次迭代计算出所有针孔区的位置，例如第三针孔区P3 等，直至针孔区的间距达到预设值。这些针孔区的位置设置可以使得光线从可视范围340通过任意两个相邻的针孔区在光场图像层310上的投影区域都没有重叠。另一方面，随着针孔区的位置越来越远离基点P1，相邻针孔区之间的间距单调递增，使针孔区的分布越来越分散。

与图5A-5C所示的实施例类似，在此实施例中，针孔阵列层320上的任意一个针孔区与其邻近的其他针孔区之间的间距也应小于预设值D1。

并且，为了使针孔阵列层320上所有的针孔区在光场图像层310上的投影区域之间没有交集，光场图像层310和针孔阵列层320之间的最大距离Smax 为：

Smax＝min(D1/2/tanθPi) (3)

在图5A-5C所示的实施例中，光场图像层310和针孔阵列层320之间的距离S也应小于该最大距离Smax。

在图6B所示的实施例中，第二针孔区P2位于基点P1的上方。图6B并不用于限制各个针孔区的真实位置。在其他的实施例中，第二针孔区P2及其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6C示出了当可视范围350为圆球形时的一实施例。参考图6C所示，基点P1的视野开角θP1使从基点P1处的针孔区射出的光线正好可以覆盖可视范围350。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6C中所示的可视范围350。光线从可视范围150通过基点P1处的针孔区在光场图像层310上形成投影区域A1'。在此实施例中，确定其余针孔区位置的方法与图6B所示的实施例相同。不同之处在于，对图6B所示的矩形可视范围 340来说，无论针孔区的位置如何，各个针孔区的视野开角所覆盖的范围可以由矩形可视范围340的顶点确定。例如，在图6B所示的实施例中，位于基点 P1上方的针孔区的视野范围主要由顶点V2确定。而对于图6C所示的圆球形可视范围350来说，随着针孔区位置的改变，各个针孔区的视野开角所覆盖的范围不能由圆球形可视范围350上的固定点确定。例如，在图6C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350上的 W1和W2确定；第二针孔区P2的视野开角θP2所覆盖的可视范围由圆球形可视范围350上的W3确定；第三针孔区P3的视野开角θP3所覆盖的可视范围由圆球形可视范围350上的W4确定；依次类推。显然，光线通过第二针孔区 P2及其他远离基点P1的针孔区可以覆盖到的范围都大于原始的圆球形可视范围350。

在一些实施例中，图5A-5C、图6B和6C中所示的基点P1可以是可视范围340、150的中心线与针孔阵列层320的交点。在一些实施例中，该可视范围340、150的中心线与针孔阵列层320的交点可以位于针孔阵列层320上的任意位置。在一些实施例中，该可视范围340、350的中心线与针孔阵列层320 的交点正好是针孔阵列层320的中心点。

图7是本发明一实施例的立体光场显示装置中的针孔阵列层的结构示意图。参考图7所示，在一些实施例中，在针孔阵列层320上的多个针孔区中，各个针孔区的孔径D2都是相同的。如图7所示，此实施例中的针孔区为圆形，孔径D2表示该针孔区实际上允许光透过的圆形部分的直径。对于任意一个针孔区P来说，其孔径的最大值D2为：

D2＝2*S*tan(α/2) (4)

tan(α/2)＝E/2/F (5)

其中，D2表示针孔区P的最大孔径，S表示对应于针孔区P光场图像层 310与针孔阵列层320之间的距离，α表示分辨角，E表示人眼瞳距，F表示对应于针孔区P的最远观看距离。该最远观看的位置应处于本发明实施例的可视范围340之内。

在其他的实施例中，针孔区也可以是其他的形状，如椭圆形、正方形等。在这些实施例中，孔径的最大值D2可以是该针孔区的最宽处的距离，例如该椭圆形针孔区的长轴的长度等。

需要说明的是，对于针孔阵列层320上的任意针孔区P来说，上述实施例中所涉及到的参数，包括任意一个针孔区P与其邻近的其他针孔区之间的最大间距D1、光场图像层310和针孔阵列层320之间的最大距离Smax、孔径的最大值D2和针孔区Pi的视野开角θPi等，可以各不相同，也可以相同。

通过上述实施例，根据实际应用场景和观看效果的需求，以获取显示装置 300的生成显示参数。该生成显示参数包括相邻针孔区的间距D1、针孔阵列层与光场图像层之间的距离S、目标可视角度θ和针孔区的孔径D2。

以下具体说明根据上述生成显示参数进一步获得每个显示装置的二维图像的过程。

图8是本发明一实施例的拼接生成方法中的步骤S4的流程图。图9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。步骤S4包括：

根据预设值D1将显示装置的二维图像面划分为物像网格阵列。

标定立体光场的虚拟三维模型(图2中的杯子240)与对应显示装置的针孔阵列层的虚拟针孔阵列的相对位置。

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物像网格阵列上，获得二维图像面上的二维图像。

参考图9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 710。该虚拟三维模型710(相当于图2中的杯子240)位于一虚拟针孔阵列层 720的一侧。虚拟针孔阵列层720上具有多个虚拟针孔区，如图9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层720 上。该虚拟针孔阵列层720的形状、大小以及其上的虚拟针孔区的分布方式与图1中所示的针孔阵列层720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，当针孔阵列层720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层720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。该虚拟针孔阵列层720上具有 L*L个虚拟针孔区，在图9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9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。

根据步骤S2，显示装置的大小和形状是已经确定的，其相应的二维图像面 760的大小和形状也是确定。

可以理解的是，在本发明的生成二维图像的方法中，是通过计算的方式，在计算空间中获得虚拟三维模型710所对应的二维图像，为实际生成的光场图像层710做好准备。

参考图9所示，该物像网格阵列730包括多个物像像素网格740。假设二维图像面760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730中包含m*n个物像像素网格740。在图9所示的实施例中，该物像网格阵列730中包含8*8个物像像素网格740。该物像像素网格740呈正方形，并且每一个物像像素网格740的大小都是相同的，与图9中所示的虚拟针孔阵列层720上的虚拟针孔区的个数及分布相对应。物像像素网格740的尺寸(如正方形的边长)是由二维图像面760的尺寸来决定的。

在本发明的生成二维图像的方法中，虚拟针孔阵列层720上的虚拟针孔区的个数与物像网格阵列730中的多个物像像素网格740的个数相同，虚拟针孔阵列层720上的虚拟针孔区的分布方式与物像网格阵列730中的多个物像像素网格740的形状和尺寸是相对应的。在一些实施例中，当虚拟针孔阵列层720 上的虚拟针孔区以非均匀的方式分布时，物像网格阵列730中的多个物像像素网格740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P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730呈矩形、菱形或六边形排列。在图9 所示的实施例中，该物像网格阵列730是呈矩形排列的。具体地，参考图 10A-10B所示的物像网格阵列的排列方式示意图。其中，图10A为当物像网格阵列730是呈矩形排列时的示意图。在该图10A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10A所示的实施例中，每个物像像素网格740包括N*N个像素，其中N＝D1/D2。在其他的实施例中，当虚拟针孔阵列层720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740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740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P的物像像素网格740包括N_X*N_Y个像素，其中，N_X＝Dx/D2，N_Y＝Dy/D2。

图10B为当物像网格阵列730是呈菱形排列时的示意图。在该图10B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10A和图10B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10C为当物像网格阵列730是呈六边形排列时的示意图。在该图10C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。

接着，标定虚拟三维模型710与对应针孔阵列层720的虚拟针孔阵列的相对位置。

回转至图9，虚拟针孔阵列层720即对应于图3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710与虚拟针孔阵列层720 的相对位置可以包括虚拟针孔阵列层720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。

然后，将虚拟三维模型710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730上，获得二维图像。

在一些实施例中，上述步骤的方法包括：

选取物像网格阵列730的各个物像像素网格740。对于图9所示的实施例来说，可以按照虚拟针孔阵列层720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740。

以各个物像像素网格740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，以虚拟针孔阵列层720正对区域的无限远处750为观察点，沿投影线对虚拟三维模型710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740中。

参考图9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750。将该投影图像751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751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761。因此通过这一方法，相当于将虚拟三维模型710的局部图像投影到物像像素网格Q中。

最后，将各个物像像素网格740的图像数据组织为二维图像。对物像网格阵列730中的每一个物像像素网格740进行遍历操作，使每一个物像像素网格 740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710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。

在一些实施例中，虚拟针孔阵列层720上的多个虚拟针孔区不是像图9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图像通过图3所示的显示装置300所呈现出的三维立体图像更逼真。

由上可知，根据生成显示参数可以获得显示装置300的二维图像。根据生成显示参数和二维图像来制作显示装置300。具体来说，图2中的三个显示装置210、220、230任一个可以依照显示装置300来构建。以显示装置210为例，根据实际应用场景和观看效果的需求，获取显示装置210的生成显示参数。根据生成显示参数获得显示装置210上的二维图像，并由生成显示参数和二维图像来制作实际的显示装置210。同理，制作显示装置220、230，并根据拼接关系进行拼接。参考图2，由显示装置210、220、230从不同角度显示的二维光场图像组合形成三维光场图像，呈现显示装置210、220、230所围合区域内的杯子240。这些从不同角度显示的二维光场图像在立体光场中相互补充，完整再现杯子240的立体展示效果。

本发明还包括一种生成二维光场图像的终端，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三维光场图像的方法。

本发明还提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质为非易失性存储介质或非瞬态存储介质，其上存储有计算机指令，计算机指令运行时执行上述任一种拼接生成方法对应的步骤，此处不再赘述。

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。

本发明的用于显示立体光场的多个显示装置的拼接生成方法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。

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作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 (13)

1.一种用于显示立体光场的多个显示装置的拼接生成方法，所述显示装置包括光场图像层和针孔阵列层，所述针孔阵列层位于所述光场图像层和所述立体光场的可视范围之间，所述光场图像层具有二维图像面，所述二维图像面用于配合所述针孔阵列层以呈现二维光场图像，多个不同角度及位置摆放的所述显示装置的二维光场图像形成所述立体光场所对应的三维光场图像，所述拼接生成方法包括：

步骤S1，根据实际应用场景的需求，标定所述显示装置可安装的位置、显示所述立体光场所对应的三维光场图像的范围、以及所述立体光场的可视范围；

步骤S2，确定所述显示装置的数量、每个所述显示装置的大小和形状，以及多个所述显示装置之间的拼接关系；

步骤S3，根据实际应用场景和观看效果的需求，获取每个所述显示装置的生成显示参数；

步骤S4，根据所述生成显示参数获得所述二维图像面上的二维图像；

步骤S5，根据所述生成显示参数和二维图像来制作所述显示装置，根据所述拼接关系拼接多个所述显示装置；

其中，所述针孔阵列层包括多个针孔区，相邻所述针孔区的间距随着远离所述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针孔区在所述光场图像层上的投影区域没有重叠；所述生成显示参数包括相邻针孔区的间距D1、所述针孔阵列层与所述光场图像层之间的距离S、目标可视角度θ和所述针孔区的孔径D2；

相邻针孔区的间距D1通过如下方式确定：在所述针孔阵列层上选取一基点P1，记录所述可视范围通过所述基点P1在所述光场图像层上形成投影区域A1的边界点，确定所述边界点与所述可视范围的连接线与针孔阵列层的交点中，与基点P1距离最远的点为第二针孔区P2，依次迭代计算直至针孔区的间距达到预设值。

2.如权利要求1所述的拼接生成方法，其特征在于，通过以下公式计算所述预设值：

D1<＝2*L*tan(α/2)

其中，D1表示预设值，L表示针孔阵列层与可视范围的最小距离，α表示人眼视觉分辨角。

3.如权利要求1所述的拼接生成方法，其特征在于，所述基点为所述可视范围的中心线与所述针孔阵列层的交点。

4.如权利要求3所述的拼接生成方法，其特征在于，步骤S4包括，

根据预设值D1将所述二维图像面划分为物像网格阵列；

标定所述立体光场的虚拟三维模型与对应所述显示装置的针孔阵列层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物像网格阵列上，获得所述二维图像面上的二维图像。

5.如权利要求4所述的拼接生成方法，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。

6.如权利要求4所述的拼接生成方法，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图像。

7.如权利要求6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。

8.如权利要求6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。

9.如权利要求1所述的拼接生成方法，其特征在于，所述光场图像层为被动发光层。

10.如权利要求1所述的拼接生成方法，其特征在于，所述光场图像层为显示面板。

11.如权利要求1所述的拼接生成方法，其特征在于，所述显示装置还包括设于所述光场图像层与所述针孔阵列层之间的透明层。

12.一种拼接生成多个显示装置以显示立体光场的终端，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1-8任一项所述的方法。

13.一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1-8任一项所述的方法。

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