CN115859662A - 一种裸眼光场3d显示仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种裸眼光场3D显示仿真方法。该方法包括四个步骤：第一步，获取3D场景不同视点的视差图像，根据像素映射关系合成裸眼光场3D显示器所使用的仿真片源；第二步，使用三维设计软件搭建裸眼光场3D显示器的完整3D模型；第三步，将仿真片源和完整3D模型分别导入3D渲染器中，添加材质和纹理等信息，并设置光源和背景等参数；第四步，在3D渲染器中搭建相机并合理设置渲染参数，利用光线跟踪渲染输出3D显示图像，进行不同观看位置的显示画面模拟。所提方法可实现3D显示效果的可视化仿真，可用于指导裸眼光场3D显示器的设计与优化。

Description

一种裸眼光场3D显示仿真方法

一、技术领域

本发明涉及裸眼3D显示技术领域，更具体地说，本发明涉及一种裸眼光场3D显示仿真方法。

二、背景技术

裸眼光场3D显示能真实重构光场发光分布，具有无立体观看视疲劳、在观看范围内遮挡关系正确等优势，被认为是一类有发展和应用前景的3D显示技术。裸眼光场3D显示器的研制过程中会涉及众多参数的协调与优化，且任一参数的变动均会对观看视角等3D显示性能产生一定的影响。常见的光学设计软件侧重于显示器中单个零部件的光学性能分析和优化，无法定量分析和综合评价3D显示性能，而重复多次的光学再现实验对技术人员的精力和时间均是一种浪费。因此，对裸眼光场3D显示效果的可视化仿真至关重要。

三、发明内容

本发明的目的是提供一种裸眼光场3D显示仿真方法。

所述方法包括四个步骤：

第一步，获取3D场景不同视点的视差图像，根据像素映射关系合成裸眼光场3D显示器所使用的仿真片源。

第二步，在三维设计软件中对裸眼光场3D显示器包含的所有零部件进行搭建，建立零部件的位置和角度关系，得到裸眼光场3D显示器的完整3D模型。

第三步，将前两步得到的仿真片源和完整3D模型分别导入3D渲染器中，对所述裸眼光场3D显示器的完整3D模型中各零部件添加材质和纹理等信息，并设置光源和背景等参数。

第四步，在所述3D渲染器中搭建相机并合理设置渲染参数，渲染输出3D显示图像，实现不同观看位置3D显示效果的可视化仿真。

进一步地，所述第一步中，首先根据3D场景，搭建相机阵列，拍摄得到不同视点对应的视差图像，组成视差图像阵列。相机阵列中的每个相机参数相同，且按一定的方向等间隔排列，以获取不同位置的3D场景信息。获得视差图像阵列后，根据像素映射关系合成仿真片源，所述仿真片源为数字图像。

进一步地，所述相机阵列的相机排列方式可以是一维或二维。

进一步地，所述第二步中，所述三维设计软件可以是SolidWorks、3dsMAX或Maya软件等。

进一步地，所述第二步中，所述裸眼光场3D显示器可以是集成成像、压缩光场或超多视点裸眼光场3D显示器等。

进一步地，所述裸眼光场3D显示器的零部件主要包括2D显示屏和光学调制元件。

进一步地，所述2D显示屏可以是LCD显示屏、LED显示屏、OLED显示屏或Micro-LED显示屏等。

进一步地，所述光学调制元件可以是微透镜阵列、柱透镜光栅或狭缝光栅等。

优选地，三维设计软件采用SolidWorks。具体地，按照所设计的参数，在SolidWorks的零件环境下绘制草图并进行拉伸、切除、阵列等操作，得到所述2D显示屏和光学调制元件零部件的3D模型。之后在SolidWorks的装配体环境下对零部件的3D模型之间点、线、面之间的位置关系添加配合，以保证所述2D显示屏和光学调制元件之间的距离和角度关系与裸眼光场3D显示器的设计参数一致，最终得到整个裸眼光场3D显示器的3D模型。

进一步地，所述第三步中，所述3D渲染器可以是Keyshot软件。在Keyshot软件中根据设计参数，对导入的裸眼光场3D显示器的完整3D模型赋予材质、颜色、背景、环境光等。具体地，对导入的所述完整3D模型进行调整，包括位置的平移、旋转、缩放等。之后对所述3D模型的2D显示屏和光学调制元件等零部件附着不同的材质，其中将仿真片源作为纹理贴图贴在2D显示屏零部件的前表面。最后，设置光源以点亮整个模型，调节灯光设置，并选择合适的背景。

进一步地，所述第四步中，在Keyshot软件中根据观看距离等设计参数添加相机，设置相机的位置、焦距、角度大小等参数和渲染参数。渲染得到相机所在位置的显示效果仿真图，进行不同观看位置的显示画面模拟，通过运动视差和遮挡关系反映3D显示效果和3D显示性能，对裸眼光场3D显示器的显示效果进行可视化仿真，指导3D显示器的参数设计和优化。

可选地，编辑所述2D显示屏的纹理贴图为视频贴图，实现动态画面的仿真，获得同一位置连续不同时刻的3D显示效果仿真图。

可选地，对相机添加绕轨和平移等动作实现观看位置的连续转换，获得连续不同位置同一时刻的3D显示效果仿真图。

四、附图说明

本发明的前述方面及优点从下述结合附图与实施例的详细描述中将得以进一步明确和容易理解，其中：

附图1为本发明一实施例的一种裸眼光场3D显示仿真方法流程示意图。

附图2为本发明一实施例提供的仿真片源。

附图3为本发明一实施例提供的超多视点裸眼光场3D显示器的完整3D模型设计界面。

附图4为本发明一实施例提供的已添加贴图和光源的超多视点裸眼光场3D显示器的仿真界面。

附图5为本发明一实施例提供的超多视点裸眼光场3D显示器在三个不同观看位置的仿真显示效果图。附图5(a)为观看距离为1200mm时-15°观看位置的仿真显示效果图，附图5(b)为观看距离为1200mm时0°观看位置的仿真显示效果图，附图5(c)为观看距离为1200mm时15°观看位置的仿真显示效果图。

上述各附图中的图示标号为：

1LCD显示屏3D模型、2柱透镜光栅3D模型。

应该理解上述附图只是示意性的，并没有按比例绘制。

五、具体实施方式

下面将结合本发明实施例的相关附图对本发明实施例中的技术方案进行更全面的描述。有必要在此指出的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，以下实施例只用于本发明做进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域技术熟练人员根据上述发明内容对本发明做出一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。

除非另有定义，本文所使用的所有技术和科学术语与所述技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本申请。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

附图1示出了本发明一实施例的一种裸眼光场3D显示仿真方法流程示意图，所述方法包括四个步骤。

在一个实施例中，进行超多视点裸眼光场3D显示的仿真，所述步骤一中，使用204×1虚拟相机阵列，对“蛋糕”3D模型进行拍摄，相机水平等间隔排列，相邻相机的间距为1.5mm，共拍摄得到204幅视差图像，组成204×1的视差图像阵列。由视差图像阵列与仿真片源之间的子像素映射关系，合成分辨率为7680×4320的仿真片源，如附图2所示。

在一个实施例中，进行超多视点裸眼光场3D显示的仿真，所述步骤二中，首先在SolidWorks三维设计软件的零件环境下建立超多视点裸眼光场3D显示器各个零部件的3D模型，超多视点裸眼光场3D显示器的零部件包括LCD显示屏和柱透镜光栅。为简化建模过程，绘制698.11mm×392.69mm×10mm的长方体作为LCD显示屏的3D模型，称为模型1。按照柱透镜单元的节距、曲率半径、厚度等绘制得到柱透镜单元，将所述柱透镜单元按照水平方向阵列排布，得到柱透镜光栅的3D模型，称为模型2。之后在装配体环境中，重合模型1的前表面与模型2的后表面，并对模型1的左侧面与模型2的左侧面进行角度配合。通过上述操作，确保各部件间的位置关系，在装配体环境中完成超多视点裸眼光场3D显示器的虚拟装配，得到超多视点裸眼光场3D显示器的完整3D模型，其设计界面如附图3所示。

在一个实施例中，进行超多视点裸眼光场3D显示的仿真，所述步骤三中，首先将步骤二生成的完整3D模型导入Keyshot软件的场景中，并通过平移、旋转和缩放等工具，将其放置在场景的中心位置。对模型1选择纹理贴图，所贴图片为附图2。对模型2添加玻璃的材质类型，并修改折射率为1.56。之后，将环境的颜色选择为黑色背景作为衬托，以更好地显示3D效果。照明设置保持默认不变，完成上述设置后的超多视点裸眼光场3D显示器的仿真界面如附图4所示。

在一个实施例中，进行超多视点裸眼光场3D显示的仿真，所述步骤四中，在Keyshot中添加球形相机，通过设置不同的相机距离可渲染得到对应不同观看距离处的效果图，通过设置不同的相机角度，包括方位角、倾斜和扭曲角，可渲染得到对应不同观看角度处的效果图。具体地，在一个实施例中，设置相机距离为1200mm，相机的倾斜和扭曲均为0°，相机的方位角分别为-165°、180°、+165°，分别对应观看距离为1200mm时，观看角度为-15°、0°和15°的三个观看位置。利用Keyshot软件的光线跟踪渲染，在静态图像窗口下设置渲染图片的名称、存储位置、存储格式、分辨率和尺寸等参数，渲染输出3个位置处的显示效果仿真图，如附图5所示。通过3幅显示效果仿真图像的对比，可以看出不同位置处的显示效果与原始虚拟的“蛋糕”3D模型有着正确的位置遮挡关系和运动视差。

因此，本发明一实施例通过使用三维设计软件SolidWorks与可进行光线跟踪的3D渲染器Keyshot，可实现对超多视点裸眼光场3D显示器3D显示效果的可视化仿真。通过对比渲染图片的遮挡关系和清晰程度等，反映3D显示效果和3D显示性能，为预测和优化超多视点裸眼光场3D显示器的设计效果提供有效的手段。

Claims (10)

1.一种裸眼光场3D显示仿真方法，其特征在于，该方法包括四个步骤：

第一步，获取3D场景不同视点的视差图像，根据像素映射关系合成裸眼光场3D显示器所使用的仿真片源；

第二步，在三维设计软件中对裸眼光场3D显示器包含的所有零部件进行搭建，得到裸眼光场3D显示器的完整3D模型；

第三步，将前两步得到的仿真片源和完整3D模型分别导入3D渲染器中，对所述裸眼光场3D显示器的完整3D模型中各零部件添加材质和纹理等信息，并设置光源和背景等参数；

第四步，在所述3D渲染器中搭建相机并合理设置渲染参数，渲染输出3D显示图像，实现不同观看位置3D显示效果的可视化仿真。

2.根据权利要求1所述的一种裸眼光场3D显示仿真方法，其特征在于，在第一步中，根据3D场景，搭建相机阵列，拍摄得到不同视点对应的视差图像，组成视差图像阵列，相机阵列中的每个相机的参数相同，且按一定的方向等间隔排列，获得视差图像阵列后，根据像素映射关系合成仿真片源。

3.根据权利要求1或2所述的一种裸眼光场3D显示仿真方法，其特征在于，相机阵列的相机排列方式可以是一维或二维。

4.根据权利要求1所述的一种裸眼光场3D显示仿真方法，其特征在于，在第二步中，三维设计软件可以是SolidWorks、3dsMAX或Maya软件，采用SolidWorks软件时，在零件环境下绘制草图并进行拉伸、切除、阵列等操作，得到零部件的3D模型，之后在装配体环境下对零部件的3D模型之间点、线、面之间的位置关系添加配合，得到整个裸眼光场3D显示器的3D模型。

5.根据权利要求1所述的一种裸眼光场3D显示仿真方法，其特征在于，在第二步中，裸眼光场3D显示器可以是集成成像、压缩光场或超多视点裸眼光场3D显示器等。

6.根据权利要求1所述的一种裸眼光场3D显示仿真方法，其特征在于，裸眼光场3D显示器的零部件主要包括2D显示屏和光学调制元件，2D显示屏可以是LCD显示屏、LED显示屏、OLED显示屏或Micro-LED显示屏等，光学调制元件可以是微透镜阵列、柱透镜光栅或狭缝光栅等。

7.根据权利要求1所述的一种裸眼光场3D显示仿真方法，其特征在于，在第三步中，3D渲染器可以是Keyshot，在Keyshot中根据设计参数，对导入的裸眼光场3D显示器的完整3D模型进行调整，包括位置的平移、旋转、缩放等，之后对3D模型的零部件附着不同的材质，其中将仿真片源作为纹理贴图贴在裸眼光场3D显示器用于显示发光的零部件的前表面，最后，设置光源以点亮整个模型，调节灯光设置，并选择合适的背景。

8.根据权利要求7所述的一种裸眼光场3D显示仿真方法，其特征在于，编辑裸眼光场3D显示器用于显示发光的零部件的贴图为视频贴图，实现动态画面的仿真，获得同一位置连续不同时刻的3D显示效果仿真图。

9.根据权利要求1或7所述的一种裸眼光场3D显示仿真方法，其特征在于，在第四步中，在Keyshot中根据观看距离等设计参数添加相机，设置相机的位置、焦距、角度大小等参数和渲染器参数，渲染得到相机所在位置的显示效果仿真图，进行不同观看位置的显示画面模拟。

10.根据权利要求9所述的一种裸眼光场3D显示仿真方法，其特征在于，对相机添加绕轨和平移等动作实现观看位置的连续转换，获得连续不同位置同一时刻的3D显示效果仿真图。

Images