CN1308903C - 基于柱镜光栅的隧道动画实现方法 - Google Patents

Abstract

一种基于柱镜光栅的隧道动画实现方法。属于光学显示技术领域。本发明基于柱镜光栅成像技术，结合隧道动画形成原理，在隧道内壁沿列车车窗行进轨迹设定柱镜光栅层和其后方的图片层，图片层上打印有经过以下编码的单帧画面序列：将每个单帧画面均按图片层单元宽度纵向分割并压缩，形成压缩后的单帧画面片断，将每个单帧画面的压缩后的片断，以叠进穿插的方式分配并打印在图片层单元中，并通过将单帧画面定义和设计成彼此间隔的内容单帧与快门单帧，实现频率倍增的同步快门，产生动画画面。该方法提高了画面切换速率高，具有同步快门功能，而且，形成的动画画面具有更高的亮度，单帧画面的信息量不损失，更高的动态画面精度，且不失真。

Description

基于柱镜光栅的隧道动画实现方法

技术领域

本发明涉及一种隧道动画实现方法，具体是一种基于柱镜光栅的隧道动画实现方法。属于光学显示技术领域。

背景技术

柱镜光栅成像技术是一种成熟的光学显示技术，主要由柱状透镜光栅和光栅后方的图片组成。隧道动画基本要素是一系列连续的单帧画面和用于遮挡画面切换的快门。现有的隧道动画实现方法中，快门技术有以下几类：1.包含快门技术，但没有快门同步装置，难以形成稳定的动画画面；2.包含机械式快门技术和附加的电子式快门同步装置，但技术可行性很低，相对成本很高；3.采用光源自控的频闪灯技术，但仍然存在电子式快门同步装置的缺点，且高速频闪灯的使用寿命有限。4.采用狭缝板式快门技术，但对单帧画面的大小有较大的限制，且画面照明亮度和显像质量成倍降低。在连续单帧画面排列方面，大多采用将与最终形成的动画画面等大的单帧画面、以首尾相接的方式进行排列；还有包含压缩-放大还原处理过程方法的，即将与最终动画画面等大的单帧画面信息预先压缩，在回放时，通过附加装置将压缩后的单帧画面放大还原，形成最终动画画面，能达到较高的帧切换速率和较大的动画画面宽度。

经文献检索发现，专利申请号99801448，专利名称为：向移动观众显示图像的设备，该设备包括多个安装在表面上的图象，和一块安装在该表面与观众之间的狭缝板，其中狭缝板犹如一个快门，用于产生动画效果。图象表面和狭缝板之间的距离决定伸展效果。该技术中包含典型的狭缝板式快门技术和预压缩-放大还原技术，能够形成具有同步快门和较高帧切换速率的隧道动画画面。但仍存在如下不足：1.每个单帧画面前方都安装了狭缝板，观众通过狭缝板看到的每个单帧画面上有纵向的黑色条纹，导致画面亮度的成倍损失，动画画面亮度也因此成倍降低。若要增强光源，就会增加硬件成本，同时等距间隔的纵向黑色条纹，还使单帧画面的信息量成倍降低。2.使用预先压缩图像增加画面的可用帧速率，相对于压缩前的单帧画面，预压缩图像的压缩比例越高，其信息损失就越大，单帧画面的精度则大大降低。3.使用嵌在狭缝板空隙中的透明实心圆棒作为伸展放大预压缩画面的方法，随着观众离画面距离的变化，画面的比例会产生失真。

发明内容

本发明针对现有各种技术的不足，提出一种基于柱镜光栅的隧道动画实现方法，使其结构简单，成本很低，并且在工程上实际可行性很大的隧道动画实现方法，该方法能够在动画画面宽度一定的条件下使画面切换速率成倍提高，并具有同步快门功能，能够形成流畅的，适合人眼观看的动画画面。而且，本发明形成的动画画面具有更高的亮度，单帧画面的信息量不损失，更高的动态画面精度，在任意位置都能看到比例不失真的动画画面，并且动画画面始终出现在观众视野的正中位置。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明基于柱镜光栅成像技术，结合隧道动画形成原理，在隧道内壁沿列车车窗行进轨迹，将结构参数和性能完全相同的柱状透镜紧密排列成一个柱镜光栅层，并在其后方设定一个图片层，使图片层上紧密排列的每个图片层单元，均与其前方柱状透镜的位置相对应；图片层上打印有经过以下编码的单帧画面序列：将每个单帧画面按图片层单元宽度纵向分割并压缩，形成压缩后的单帧画面片断，接着，将所有压缩后的单帧画面片断，以叠进穿插的方式分配并打印在图片层单元上，以实现频率倍增的同步帧切换；然后，将经过上述编码的所有单帧画面定义为两种：携带最终动画画面信息的内容单帧，和没有信息或携带少量与内容单帧无关信息的快门单帧，通过内容单帧与快门单帧的交替出现，将频率倍增的同步帧改进为频率倍增的同步快门，最终产生带有环境色光和背景动画效果的动画画面。

本发明可以归纳为四个步骤：

(1)设定相互关联的柱镜光栅层和图片层，

(2)对每一个单帧画面进行编码，

(3)多幅单帧画面的编码与叠进穿插，

(4)设定内容单帧与快门单帧。

1.设定相互关联的柱镜光栅层和图片层

在隧道内壁，沿着与列车行进时车窗运动相平行的轨迹，将结构参数和性能完全相同的柱状透镜紧密排列，形成一个柱镜光栅层，柱镜光栅层后方是图片层，即柱镜光栅层位于观众视点和图片层之间。图片层上是紧密排列的图片层单元，柱镜光栅层的每一个柱状透镜宽度等于每一个图片层单元的宽度，每一个柱状透镜和其后方的图片层单元相对应。柱镜光栅层的总长度等于图片层的总长度，也等于所有图片层单元宽度之和。经过编码的单帧画面被分配在图片层单元中，打印在图片层上。在图片层的后方，或者在柱镜光栅层与图片层的上下两侧，设置必须的照明设备。柱镜光栅层，图片层和照明设备通过一定的构架固定在隧道内壁上。

2.对每一个单帧画面进行编码

对每一个单帧画面按相同的规则进行编码，动画画面宽度与每张单帧画面宽度相等为a，图片层单元的宽度为b，将第n张单帧画面纵向分割成a/b条(a能被b整除)单帧画面片断，此时每条单帧画面片断的宽度均为b，且和图片层单元相对应。将每条单帧画面片断的宽度从b压缩到c。压缩比例k为b/c，k＞1。此时每个图片层单元内各有一条压缩后的单帧画面片断，且c＜b。将压缩后的单帧画面片断编号为(n)(-m)，(n)(-m+1)，(n)(-m+2)，…，(n)(-3)，(n)(-2)，(n)(-1)，(n)(0)，(n)(1)，(n)(2)，(n)(3)，…，(n)(m-2)，(n)(m-1)，(n)(m)，其中(n)(0)在压缩前是位于单帧画面正中的那条单帧画面片断，(n)(-m)在压缩前是位于单帧画面最左边的那条单帧画面片断，(n)(m)在压缩前是位于单帧画面最右边的那条单帧画面片断。

按以下方法调整每条压缩后的单帧画面片断在其所处图片层单元中的相对位置：(n)(0)的中轴线与其所在图片层单元的中轴线重合，(n)(-1)和(n)(1)的中轴线与其所在图片层单元的中轴线之间的垂直距离为r(1)，(n)(-2)和(n)(2)的中轴线与其所在图片层单元的中轴线之间的垂直距离为r(2)，以此类推，(n)(-m)和(n)(m)的中轴线与其所在图片层单元的中轴线之间的垂直距离为r(m)，满足0＜r(1)＜r(2)＜…＜r(m)＜(b-c)/2。至此完成第n张单帧画面的编码。以上编码规则确保：当观众直视于图片层上的(n)(0)位置时，通过柱镜光栅层对图片层上单帧画面片断的折射作用，观众能在柱镜光栅层上看到完整的第n张单帧画面的虚像。按上述规则将第n张单帧画面经过编码分配到相应的图片层单元中后，每个图片层单元中各有一条第n帧的单帧画面片断，并留有c/b的空间，为相邻单帧画面片断的叠进穿插预留了位置。同理对于第n+1张单帧画面，(n+1)(-m)和(n+1)(m)的中轴线与其所在图片层单元的中轴线之间的垂直距离标记为(r+1)(m)。

3.多幅单帧画面的编码与叠进穿插

按完全相同的编码规则，将第(n+1)张单帧画面处理成压缩后的单帧画面片断(n+1)(-m)，(n+1)(-m+1)，…，(n+1)(0)，(n+1)(1)，…，(n+1)(m)，其中压缩比例k相同，(r+1)(m)＝r(m)。将第(n+1)帧压缩后的单帧画面片断，按叠进穿插的方式，分配到图片层单元中：①(n+1)(0)的中轴线与(n)(0)的中轴线之间距离为g，且g＜a/2，即叠进；  ②每个图片层单元中，相邻两条压缩后的单帧画面片断不发生重叠，即穿插。叠进与穿插同步实现，没有穿插就无法叠进。当观众沿轨迹方向平移g时，会由直视(n)(0)位置变为直视(n+1)(0)位置，通过柱镜光栅层对图片层上单帧画面片断的折射作用，观众就会从看到第(n)张单帧画面虚像变成第(n+1)张单帧画面虚像，即实现第(n)帧与第(n+1)帧的切换。叠进穿插的方式能实现与车速同步的帧切换功能，并成倍提高帧切换频率。将所有单帧画面均按上述编码规则处理，并连续地以叠进穿插方式分配到图片层单元中，打印在图片层上。当列车在轨迹方向车速为v时，单帧画面的帧切换频率为v/g。

4.设定内容单帧与快门单帧

将同步帧切换改进为同步快门，内容单帧是指第(2n-1)张单帧画面，快门单帧是指第(2n)张单帧画面(将图片层单元上没有压缩后单帧画面片断的部分也就近归入快门单帧)。在本发明中所指的单帧画面，与传统意义上的单帧画面定义有所不同：传统意义上的单帧画面对应于本发明中的内容单帧。内容单帧和快门单帧彼此间隔。内容单帧携带着形成最终动画画面内容的信息，快门单帧上没有信息或携带有少量与内容单帧无关的信息。通过两种单帧画面，观众所见的帧切换顺序由…(2n-1)，(2n)，(2n+1)…，变为…内容单帧，快门单帧，内容单帧…，即相邻两幅内容单帧的切换被快门单帧遮挡。由于帧切换频率与列车上观众运动的速度v同步，因此快门单帧的切换频率，即快门开合频率，也和车速v同步，从而实现同步快门功能。快门开合频率即传统意义上的帧切换频率为v/2g，。由于快门单帧也是打印在图片层上的单帧画面，所以可进一步设计快门单帧所携带的少量信息：可以设定快门单帧的色彩，若色彩明度与内容单帧的平均明度相近，就能使人眼在快门开合频率较低时也难以察觉到闪烁，并为动画画面蒙上环境色光；可以将快门单帧作为一种信息简单的内容单帧使用，为最终动画画面蒙上一层有效的背景动画，如浮云、气流、繁星、光带等效果。

本发明的有益效果如下：(1)a一定时，快门开合频率成倍提高。在车速为55km/h，a为1m时，快门开合频率至少达到每秒30次以上即传统意义上的帧切换频率。在车速下降或a更大以形成更宽广的动画画面时，快门开合频率仍能在每秒24次以上，形成流畅的动画画面，且快门开合频率与车速完全同步，能形成单一，稳定的动画画面。(2)通过设定快门单帧，可减小快门与内容的明度差，使人眼在快门开合频率较低时也难以察觉令人不适的闪烁感，同时，进一步设定后的快门单帧还能形成背景动画，丰富动画画面内容，具有背景动画的隧道电影画面，能够充满车窗的全部面积，以形成包围列车的虚拟环境。(3)柱镜光栅层和图片层都是透光材料，整个方法对于图片层后方或是柱镜光栅层上下两侧的光源照明，几乎没有任何遮挡，因此动画画面亮度很高，同时减少了灯管数量，能源消耗相对较低。(4)观众观看动画时，每个单帧画面显示瞬间，柱镜光栅都通过光学作用屏蔽了该帧以外所有的信息，因此每个单帧画面都未受任何遮挡。与现有技术相比，本方法的信息量损失几乎为0。(5)动画画面的动态精度更高。在编码过程中采用的压缩比例k为b/c，当k为800％时，就能满足叠进穿插的要求，使快门开合频率足够快，原图像的压缩程度、信息损失都大大降低，柱镜光栅层还原后的单帧画面虚像精度也相应大大提高，从而使动画画面的动态精度更高。(6)具有稳定的画面长宽比例，无论观众位置如何变化，只要观众直视柱镜光栅层，动画画面就出现在观众视野的正中位置，使观众始终能够看到最完整的画面。(7)所需的装置结构十分简洁，无需附加任何电子或机械控制设备，使用的部件如普通灯箱、柱镜光栅层、打印图片层等，都是已得到广泛应用的普通材料。所有部件都容易获取和加工，成本很低，且维护和更新都十分方便。本方法无需和列车进行数据联网，只需将相关装置安装在隧道内壁即可使用，施工十分简便，更便于实际的工程操作和运营推广。

附图说明

图1是本发明方法具体实现流程图

图2是单帧画面切换效果的坐标说明图

图中A.柱镜光栅层B.图片层C.图片层单元F.压缩后的单帧画面片断R.压缩后单帧画面片短的中轴线M.图片层单元的中轴线

具体实施方式

在图1中，假设所要形成的动画画面，由传统意义上的单帧画面…，(2n-1)，(2n+1)，…连续依次切换而形成。其中…，(2n-1)，(2n+1)，…为传统意义上单帧画面序列中每个单帧画面的编号，每个单帧画面宽度为b，约等于列车车窗的宽度。假设柱镜光栅层(A)中每个柱状透镜宽度为a。

①：在传统意义上的单帧画面序列基础上，形成以下新的单帧画面序列：…，内容单帧，快门单帧，内容单帧，快门单帧，…，对应的单帧画面编号为…，(2n-1)，(2n)，(2n+1)，(2n+2)，…，其中(2n-1)，(2n+1)…为内容单帧，即传统意义上的单帧画面，(2n)，(2n+2)…为快门单帧，每个单帧画面宽度为b。

②：图片层(B)中，每个图片层单元(C)宽度等于每个柱状透镜宽度等于a。

③：在新的单帧画面序列中，将每个单帧画面纵向分割成b/a条，每个单帧画面都有b/a条单帧画面片断。每条片断的宽度为b。

④：将每个单帧画面的b/a条单帧画面片断的宽度从b压缩至c，c＜b，形成压缩后的单帧画面片断(F)。将压缩后的单帧画面片断(F)编号如下：第(2n-1)张单帧画面的压缩片断(F)编号为(2n-1)(-4)，(2n-1)(-3)，(2n-1)(-2)，(2n-1)(-1)，(2n-1)(0)，(2n-1)(1)，(2n-1)(2)，(2n-1)(3)，(2n-1)(4)，所有单帧画面的压缩片断(F)编号方式与其相同。

⑤：调整每个单帧画面的压缩后的片断(F)在其对应图片层单元(C)中的位置如下：将第(2n-1)张单帧画面的压缩后片断的中轴线(R)与其所在图片层单元的中轴线(M)间距相应编号为r(4)，r(3)，r(2)，r(1)，r(0)，r(1)，r(2)，r(3)，r(4)，其中0＝r(0)＜r(1)＜r(2)＜r(3)＜r(4)，[r(4)-r(3)]＝[r(3)-r(2)]＝[r(2)-r(1)]＝[r(1)-r(0)]。对每个单帧画面的压缩后片断(F)做上述调整。

⑥：将每个单帧画面的压缩后片断(F)，以叠进穿插的方式排列在图片层(B)上的图片层单元(C)内。相邻两个单帧画面中轴线的间距为g，由于叠进穿插使g＜b，如本实施例中b＝3g，使帧切换频率提高了3倍。若将一个内容单帧切换到下一个内容单帧作为一次块门开合，则快门开合频率即传统意义上的帧切换频率提高了1.5倍。

⑦：将全部单帧画面的压缩后片断(F)按⑥所示的叠进穿插方式依次排列在图片层(B)上的图片层单元(C)内。

⑧：将图片层单元(C)内没有压缩后单帧画面片断(F)的部分，也就近归入快门单帧的压缩后片断(F)中。至此完成图片层(B)的编码制作打印。

⑨：将图片层(B)置于柱镜光栅层(A)后方，柱镜光栅层(A)位于观众视点和图片层(B)之间。每一个柱状透镜和其后方的图片层单元(C)相对应。柱镜光栅层(A)的总长度等于图片层(B)的总长度。在隧道内壁，沿着与列车行进时车窗运动相平行的轨迹，将柱镜光栅层(A)和对应图片层(B)，以及必要的照明设备，通过一定的构架固定安装在隧道内壁。当列车在隧道内驶过装置，乘客就能在车窗外看到显示在柱镜光栅层(A)上的动画画面。

在图2中，假定列车车速为v，坐标横轴x为列车行驶距离，坐标纵轴y为列车行驶时间，横轴刻度与纵轴刻度相对应：y＝x/v。横轴上的刻度间距为g，纵轴上的刻度间距为g/v。

在(x1，y1)，乘客看见第(2n-1)张单帧画面，在(x2，y2)看见第(2n)张，在(x3，y3)看见第(2n+1)张，在(x4，y4)看见第(2n+2)张，…，以此类推。即乘客能看见与车速同步的单帧画面切换效果，帧切换频率为v/g。

因为第(2n-1)，(2n+1)…张单帧画面为内容单帧，第(2n)，(2n+2)…张单帧画面为快门单帧，所以乘客能看见内容单帧与快门单帧的交替切换，即带有同步快门的动画画面，快门开合频率即传统意义上的帧切换频率为v/2g。

Claims (5)

1、基于柱镜光栅的隧道动画实现方法，其特征在于，基于柱镜光栅成像技术，结合隧道动画形成原理，在隧道内壁沿列车车窗行进轨迹，将结构参数和性能完全相同的柱状透镜紧密排列成一个柱镜光栅层，并在其后方设定一个图片层，使图片层上紧密排列的每个图片层单元，均与其前方柱状透镜的位置相对应；图片层上打印有经过以下编码的单帧画面序列：将每个单帧画面按图片层单元宽度纵向分割并压缩，形成压缩后的单帧画面片断，接着，将所有压缩后的单帧画面片断，以叠进穿插的方式分配并打印在图片层单元上，以实现频率倍增的同步帧切换；然后，将经过上述编码的所有单帧画面定义为两种：携带最终动画画面信息的内容单帧，和没有信息或携带少量与内容单帧无关信息的快门单帧，通过内容单帧与快门单帧的交替出现，将频率倍增的同步帧改进为频率倍增的同步快门，最终产生带有环境色光和背景动画效果的动画画面。

2、根据权利要求1所述的基于柱镜光栅的隧道动画实现方法，其特征是，所述的柱镜光栅层，其每一个柱状透镜宽度等于每一个图片层单元的宽度，每一个柱状透镜和其后方的图片层单元相对应，柱镜光栅层的总长度等于图片层的总长度，也等于所有图片层单元宽度之和，经过编码的单帧画面被分配在图片层单元中，打印在图片层上，在图片层的后方，或者在柱镜光栅层与图片层的上下两侧，设置必须的照明设备，柱镜光栅层，图片层和照明设备固定在隧道内壁上。

3、根据权利要求1所述的基于柱镜光栅的隧道动画实现方法，其特征是，所述的经过编码的单帧画面，对每一个所述单帧画面进行编码的方法如下：

对每一个单帧画面按相同的规则进行编码，动画画面宽度与每张单帧画面宽度相等为a，图片层单元的宽度为b，将第n张单帧画面纵向分割成a/b条单帧画面片断，a能被b整除，此时每条单帧画面片断的宽度均为b，且和图片层单元相对应，将每条单帧画面片断的宽度从b压缩到c，压缩比例k为b/c，k＞1，此时每个图片层单元内各有一条压缩后的单帧画面片断，且c＜b，将压缩后的单帧画面片断编号为(n)(-m)，(n)(-m+1)，(n)(-m+2)，…，(n)(-3)，(n)(-2)，(n)(-1)，(n)(0)，(n)(1)，(n)(2)，(n)(3)，…，(n)(m-2)，(n)(m-1)，(n)(m)，其中(n)(0)在压缩前是位于单帧画面正中的那条单帧画面片断，(n)(-m)在压缩前是位于单帧画面最左边的那条单帧画面片断，(n)(m)在压缩前是位于单帧画面最右边的那条单帧画面片断。

4、根据权利要求3所述的基于柱镜光栅的隧道动画实现方法，其特征是，按以下方法调整每条压缩后的单帧画面片断在其所处图片层单元中的相对位置：(n)(0)的中轴线与其所在图片层单元的中轴线重合，(n)(-1)和(n)(1)的中轴线与其所在图片层单元的中轴线之间的垂直距离为r(1)，(n)(-2)和(n)(2)的中轴线与其所在图片层单元的中轴线之间的垂直距离为r(2)，以此类推，对于第n张单帧画面，(n)(-m)和(n)(m)的中轴线与其所在图片层单元的中轴线之间的垂直距离为r(m)，满足0＜r(1)＜r(2)＜…＜r(m)＜(b-c)/2，至此完成第n张单帧画面的编码，按上述规则将第n张单帧画面经过编码分配到相应的图片层单元中后，每个图片层单元中各有一条第n帧的单帧画面片断，并留有c/b的空间，为相邻单帧画面片断的叠进穿插预留了位置；同理对于第n+1张单帧画面，(n+1)(-m)和(n+1)(m)的中轴线与其所在图片层单元的中轴线之间的垂直距离标记为(r+1)(m)。

5、根据权利要求1所述的基于柱镜光栅的隧道动画实现方法，其特征是，所述的将所有压缩后的单帧画面片断，以叠进穿插的方式分配并打印在图片层单元上，具体如下：

按完全相同的编码规则，将第n+1张单帧画面处理成压缩后的单帧画面片断，其中压缩比例k相同，并使(r+1)(m)＝r(m)，将第n+1帧压缩后的单帧画面片断按叠进穿插的方式分配到图片层单元中：①(n+1)(0)的中轴线与(n)(0)的中轴线之间距离为g，且g＜a/2，即叠进；②每个图片层单元中，相邻两条压缩后的单帧画面片断不发生重叠，即穿插，叠进与穿插同步实现，将所有单帧画面均按上述编码规则处理，并连续地以叠进穿插方式分配到图片层单元中，打印在图片层上，当列车在轨迹方向车速为v时，单帧画面的帧切换频率为v/g；

其中，动画画面宽度与每张单帧画面宽度相等为a；对于第n张单帧画面，(n)(-m)和(n)(m)的中轴线与其所在图片层单元的中轴线之间的垂直距离为r(m)；对于第n+1张单帧画面，(n+1)(-m)和(n+1)(m)的中轴线与其所在图片层单元的中轴线之间的垂直距离标记为(r+1)(m)。

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