CN113031299A - 一种桌面真三维显示方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种桌面真三维显示方法，包括步骤：a.设计裸眼三维显示所需柱镜光栅的主要参数；b.柱镜光栅与二维显示设备进行贴合操作及平躺放置；c.计算观看者的最佳观看距离及桌面起始高度；d.根据柱镜光栅式裸眼三维设备的显示特性，进行裸眼三维显示图像的合成；e.柱镜光栅式裸眼三维设备进行裸眼效果呈现。该桌面真三维显示方法解决了传统桌面式二维显示方式缺乏亮点及裸眼三维显示方式缺乏亮点、尺寸小的问题，通过将裸眼三维设备重量转嫁到桌面的方式，大大提升设备安全性，同时通过立式裸眼三维显示特性，计算出桌面式裸眼三维显示设备最佳观看位置，有效提升观众观看效果。

Description

一种桌面真三维显示方法

技术领域

本发明涉及三维显示技术领域，尤其涉及一种桌面真三维显示方法。

背景技术

随着显示技术的发展，越来越多的人不满足于传统的立式显示方式，例如电视机、电脑等。进而桌面式显示方式受到广大群众的追捧，例如桌面式茶几显示系统，桌面式沙盘显示系统等。但是随着桌面式显示方式的发展以及普及，其缺少亮点的二维显示技术也慢慢暴露在广大群众眼里。

裸眼三维显示技术是近几年才发展起来的新型显示技术，相较于二维显示技术，裸眼三维显示技术拥有图像逼真、强烈沉浸感、多人同时观看，无需佩戴3D眼镜等优点，迅速占领显示市场。然而，目前的裸眼三维显示技术以立式显示技术为主，同样缺乏亮点。同时由于裸眼三维显示设备硬件局限性，小尺寸的裸眼三维显示设备都有比较高的重量，对设备支架有非常高的要求，容易引发安全问题，所以市场上并未出现大尺寸的裸眼三维显示系统。

如若能实现一种桌面式真三维显示系统，不仅可以有效增加显示系统亮点，达到良好的“吸睛”效果，同时将裸眼三维设备的重量直接转嫁到桌面上，而非仅用支架来固定设备，大大提升显示设备的安全性，进而可以进一步增大裸眼三维显示设备的尺寸，达到良好的显示效果。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种桌面真三维显示方法。该方法不仅能够有效的解决眼镜式三维显示技术必须佩戴眼镜给用户带来极差体验感的问题，同时能够有效解决裸眼三维显示技术显示空间小，分辨率低等问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种桌面真三维显示方法，包括如下步骤：

a.设计裸眼三维显示所需柱镜光栅的主要参数；

b.将设计完成的柱镜光栅与大尺寸，高分辨率二维显示设备进行光栅贴合，并将贴合完成的设备进行桌面平躺放置；

c.根据柱镜光栅式裸眼三维设备的显示特性，计算观看者的最佳观看距离及桌面起始高度；

d.根据柱镜光栅式裸眼三维设备的显示特性，进行裸眼三维显示图像的合成；

e.将合成的裸眼三维显示图像输出到光栅式裸眼三维设备进行裸眼效果呈现；

作为进一步优化，步骤a中所述设计裸眼三维显示所需柱镜光栅的主要参数。在二维显示技术领域要实现裸眼三维效果呈现，需首先设计符合三维显示特性的柱镜光栅。其研究思路是根据二维显示屏参数和立体观看条件来设计和优化柱透镜光栅。柱透镜光栅的基本参数包括折射率n、厚度t、曲率半径r、光栅常数d和屏栅距l。其中，折射率n是由柱镜光栅材料决定，通常的PET材料的折射率为1.647。柱镜光栅的设计关键在于对曲率半径r、厚度t、光栅常数d以及屏栅距l的设计，使其与二维显示屏相匹配而得到性能优良的柱透镜光栅三维显示器。

作为进一步优化，步骤b中所述将设计完成的柱镜光栅与大尺寸，高分辨率二维显示设备进行光栅贴合，并将贴合完成的设备进行桌面平躺放置。目前，主流的裸眼三维显示技术主要是基于柱镜光栅来实现的，柱镜光栅是利用柱面透镜对光线的折射作用，使光线在空间发生偏转，从而实现不同视点图像的空间分离。要实现二维显示设备的裸眼三维效果呈现，就需要将柱镜光栅贴合在二维显示设备正前方，并保持柱镜光栅与二维显示设备平行。为了保证观看者获得良好的裸眼三维显示效果，此柱镜光栅尺寸大小应保持与二维显示设备尺寸大小一致。在完成贴合之后，将贴合完成的设备进行桌面平躺放置，其作用在于，平躺放置的裸眼三维显示设备更符合人眼观看习惯，防止观看者视觉疲劳。

作为进一步优化，步骤c中所述根据柱镜光栅式裸眼三维设备的显示特性，计算观看者的最佳观看距离及桌面起始高度。根据裸眼三维设备显示特性，在未对裸眼三维设备进行平躺操作前，观看者的最佳观看距离为H₁＝4m，在对裸眼三维设备进行平躺操作后，观看者的最佳观看角度为θ＝15°，此时，观看者的最佳观看距离H₂以及裸眼三维设备与观看者双眼高度差H₃为：

设定观看者脚到眼睛的平均高度为H₄＝1.7m，则桌面起始高度H₅＝H₄-H₃＝0.6648m。

作为进一步优化，步骤d中所述根据柱镜光栅式裸眼三维设备的显示特性，进行裸眼三维显示图像的合成。其具体方式为：以多视点为例，一般的多视点裸眼三维图像合成方法，类似于光筛选法。根据光栅水平方向上覆盖子像素的个数Pitch值，以及光栅的倾斜角度，我们判断子像素应该被分配哪个视点图像上相应位置的像素值。Pitch值决定了视点的个数，倾斜角度θ₁决定了视点的排列方式，有多少个视点我们就需要多少张单视点图片序列。如果pitch值为8，所以我们需要8张单视点图片，然后根据棱柱镜光栅的倾斜角度θ₁和子像素的坐标(x，y)值判断视点的排布。判别公式如下：

M＝f mod(x(1-sinθ₁)-3y tanθ₁,P₁)×N/P₁

M表示(x，y)坐标上的像素点对应的单视点图片源的序列号，x,y分别是像素点的横坐标和纵坐标(以左上角为坐标原点)，P₁为柱镜光栅的Pitch值，N表示视点的个数。

求出的M值进行四舍五入，如果求得等于N，则M取为0，M+1表示的就是第几个视点。在每个像素的位置，各个像素点M值所对应的源图片序列号，取该视点图片对应坐标上的像素值，填充到需要合成的图片对应的子像素位置，当把所有的子像素填充完毕就合成了需要好的裸眼三维图像。

作为进一步优化，步骤e中将合成的裸眼三维显示图像输出到光栅式裸眼三维设备进行裸眼效果呈现。通过HDMI 2.0数据传输线将裸眼三维图像输出到柱镜光栅式裸眼三维设备，该设备利用光栅的分光作用，使不同视差图像的光线在空间分离，当观察者在合适的观看位置处，左右眼可分别接收到来自不同视点的信息，从而产生立体视觉。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：提供一种桌面真三维显示方法，解决了传统桌面式二维显示方式缺乏亮点及裸眼三维显示方式缺乏亮点、尺寸小的问题，通过将裸眼三维设备重量转嫁到桌面的方式，大大提升设备安全性，同时通过立式裸眼三维显示特性，计算出桌面式裸眼三维显示设备最佳观看位置，有效提升观众观看效果。

附图说明

图1是本发明一种桌面真三维显示方法的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步详细的描述。

实施例1

本实施例公开了一种桌面真三维显示方法，通过设计柱镜光栅的主要参数，对二维显示设备进行光栅贴合，计算观看者的最佳观看距离及桌面起始高度，完成裸眼三维图像的合成，实现二维显示设备的正确裸眼三维显示。

图1是本发明一种桌面真三维显示方法示意图。

图1中的101是设计裸眼三维显示所需柱镜光栅的主要参数。在二维显示技术领域要实现裸眼三维效果呈现，需首先设计符合三维显示特性的柱镜光栅。其研究思路是根据二维显示屏参数和立体观看条件来设计和优化柱透镜光栅。柱透镜光栅的基本参数包括折射率n、厚度t、曲率半径r、光栅常数d和屏栅距l。其中，折射率n是由柱镜光栅材料决定，通常的PET材料的折射率为1.647。柱镜光栅的设计关键在于对曲率半径r、厚度t、光栅常数d以及屏栅距l的设计，使其与二维显示屏相匹配而得到性能优良的柱透镜光栅三维显示器。

在本实例中，柱镜光栅常数为d，计算公式如下：

其中，V是视点数，p为二维显示器的子像素间距，s为相邻视点间距。对于拥有V视点的裸眼三维显示器，需将V个视点的视差图像信息合成为一幅合成图像并显示在二维显示屏上。二维显示屏的分辨率是固定的，那么，单幅视差图像的分辨率只能占到显示屏分辨率的1/V，相应的三维分辨率也下降为显示屏分辨率的1/V。采用多视点技术可提高立体观看自由度，视点数越多，则立体观看自由度越大，但同时使三维分辨率损失越严重，因此，需合理选择视点数，在立体观看自由度与立体分辨率两者间取得平衡。通常，裸眼三维显示器的视点数为8。

s为相邻视点间距，是由视点组合方式决定的，这里以8视点为例，组合方式选择为1～4。则每一对视点组合之间所包含的视区数为3个，为了让左右眼分别接收到每一对视点组合的两个视差图像信息，须使每一对视点组合在观看平面的间距与人眼的瞳距e＝60mm相等，则相邻视点间距为:

柱镜光栅与二维显示器的间距，即屏栅距的计算公式为：

其中H为观看者距离二维显示屏的距离。

柱镜光栅的厚度计算公式如下：

柱镜光栅的曲率半径计算公式如下：

设计柱镜光栅就是设计曲率半径r、厚度t、光栅常数d以及屏栅距l，使其与具体的二维显示器相匹配而得到性能优良的柱状透镜光栅三维显示器。

图1中的102是将设计完成的柱镜光栅与大尺寸，高分辨率二维显示设备进行光栅贴合，并将贴合完成的设备进行桌面平躺放置。目前，主流的裸眼三维显示技术主要是基于柱镜光栅来实现的，柱镜光栅是利用柱面透镜对光线的折射作用，使光线在空间发生偏转，从而实现不同视点图像的空间分离。要实现二维显示设备的裸眼三维效果呈现，就需要将柱镜光栅贴合在二维显示设备正前方，并保持柱镜光栅与二维显示设备平行。为了保证观看者获得良好的裸眼三维显示效果，此柱镜光栅尺寸大小应保持与二维显示设备尺寸大小一致。在完成贴合之后，将贴合完成的设备进行桌面平躺放置，其作用在于，平躺放置的裸眼三维显示设备更符合人眼观看习惯，防止观看者视觉疲劳。

在本实施例中，二维显示屏选择LED显示屏，传统LCD显示屏难以实现大尺寸，即便使用拼接形式，其拼缝也会严重影响观看效果。而LED显示屏可以任意延展并实现无缝拼接，较为轻便的即可实现大尺寸。同时，相较于传统LCD显示屏，LED显示屏具有自发光、广视角、几乎无穷高的对比度、较低耗电、极高反应速度，高分辨率等优点。运用LED显示屏来实现裸眼三维显示，不仅可以自由扩展显示尺寸，同时也可以实现高分辨率显示效果。

图1中的103是根据柱镜光栅式裸眼三维设备的显示特性，计算观看者的最佳观看距离及桌面起始高度。根据裸眼三维设备显示特性，在未对裸眼三维设备进行平躺操作前，观看者的最佳观看距离为H₁＝4m，在对裸眼三维设备进行平躺操作后，观看者的最佳观看角度为θ＝15°，此时，观看者的最佳观看距离H₂以及裸眼三维设备与观看者双眼高度差H₃为：

设定观看者脚到眼睛的平均高度为H₄＝1.7m，则桌面起始高度H₅＝H₄-H₃＝0.6648m。

图1中的104是根据柱镜光栅式裸眼三维设备的显示特性，进行裸眼三维显示图像的合成。其具体方式为：以多视点为例，一般的多视点裸眼三维图像合成方法，类似于光筛选法。根据光栅水平方向上覆盖子像素的个数Pitch值，以及光栅的倾斜角度，我们判断子像素应该被分配哪个视点图像上相应位置的像素值。Pitch值决定了视点的个数，倾斜角度θ₁决定了视点的排列方式，有多少个视点我们就需要多少张单视点图片序列。如果pitch值为8，所以我们需要8张单视点图片，然后根据棱柱镜光栅的倾斜角度θ₁和子像素的坐标(x，y)值判断视点的排布。判别公式如下：

M＝f mod(x(1-sinθ₁)-3y tanθ₁,P₁)×N/P₁

M表示(x，y)坐标上的像素点对应的单视点图片源的序列号，x,y分别是像素点的横坐标和纵坐标(以左上角为坐标原点)，P₁为柱镜光栅的Pitch值，N表示视点的个数。

求出的M值进行四舍五入，如果求得等于N，则M取为0，M+1表示的就是第几个视点。在每个像素的位置，各个像素点M值所对应的源图片序列号，取该视点图片对应坐标上的像素值，填充到需要合成的图片对应的子像素位置，当把所有的子像素填充完毕就合成了需要好的裸眼三维图像。

在本实例中，上述算法是一种理想化的算法，当然存在继续改进的地方，一方面，光栅不可能刚好和二维显示屏幕左上顶点不一定恰好和光栅的左上顶点对齐，所以我们需要加一个光栅单元边缘与二维显示屏幕的左上顶点的横向偏移量x_off，经过修正之后，视点判别公式修改为：

M＝f mod(x_off+x(1-sinθ₁)-3y tanθ₁,P₁)×N/P₁

图1中的105是将合成的裸眼三维显示图像输出到光栅式裸眼三维设备进行裸眼效果呈现。通过HDMI 2.0数据传输线将裸眼三维图像输出到柱镜光栅式裸眼三维设备，该设备利用光栅的分光作用，使不同视差图像的光线在空间分离，当观察者在合适的观看位置处，左右眼可分别接收到来自不同视点的信息，从而产生立体视觉。

尽管这里参照本发明的解释性实施例对本发明进行了描述，上述实施例仅为本发明较佳的实施方式，本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。

Claims (4)

1.一种桌面真三维显示方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.设计裸眼三维显示所需柱镜光栅的主要参数；

b.将设计完成的柱镜光栅与大尺寸，高分辨率二维显示设备进行光栅贴合，并将贴合完成的设备进行桌面平躺放置；

c.根据柱镜光栅式裸眼三维设备的显示特性，计算观看者的最佳观看距离及桌面起始高度；

d.根据柱镜光栅式裸眼三维设备的显示特性，进行裸眼三维显示图像的合成；

e.将合成的裸眼三维显示图像输出到光栅式裸眼三维设备进行裸眼效果呈现。

2.根据权利要求1所述的桌面真三维显示方法，其特征在于：步骤a中柱镜光栅常数为d，计算公式如下：

其中V是视点数，p为二维显示器的子像素间距，s为相邻视点间距；

柱镜光栅与二维显示器的间距，即屏栅距的计算公式为：

其中H为观看者距离二维显示屏的距离；

柱镜光栅的厚度计算公式如下：

其中，n为柱镜光栅折射率；

柱镜光栅的曲率半径计算公式如下：

设计柱镜光栅就是设计曲率半径r、厚度t、光栅常数d以及屏栅距l，使其与具体的二维显示器相匹配而得到性能优良的柱状透镜光栅三维显示器。

3.根据权利要求1所述的桌面真三维显示方法，其特征在于：步骤c中具体为根据裸眼三维设备显示特性，在未对裸眼三维设备进行平躺操作前，观看者的最佳观看距离为H₁＝4m，在对裸眼三维设备进行平躺操作后，观看者的最佳观看角度为θ＝15°，此时，观看者的最佳观看距离H₂以及裸眼三维设备与观看者双眼高度差H₃为：

设定观看者脚到眼睛的平均高度为H₄＝1.7m，则桌面起始高度H₅＝H₄-H₃＝0.6648m。

4.根据权利要求1所述的桌面真三维显示方法，其特征在于：步骤d中裸眼三维图像合成方法判别公式如下：

M＝fmod(x(1-sinθ₁)-3ytanθ₁,P₁)×N/P₁

M表示(x，y)坐标上的像素点对应的单视点图片源的序列号，x,y分别是像素点的横坐标和纵坐标，P₁为柱镜光栅的Pitch值，N表示视点的个数。

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