CN203217235U - 真三维显示装置和系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种真三维显示装置和系统，该装置包括：光源；沿光源的光传播方向依次设置的N个用于记录对应预设视场的图像信息的透明感光层，N为大于1的整数，记录在各透明感光层上的对应预设视场的图像信息组成对应所述预设视场的真三维图像信息。本实用新型能够提升真三维显示的清晰度、分辨率亮度等性能。

Description

真三维显示装置和系统

技术领域

本实用新型涉及图像显示技术，尤其涉及一种真三维显示装置和系统。

背景技术

所谓“真三维显示”是指被显示的三维物体之间的相对位置关系也被真实地体现，构成真正意义上的三维空间图像，具有真实物理深度和图像质量的表面特性，观察者不需要任何辅助设备就可以从多个方向任意观察被显示物体，感知最真实、完整的三维信息。真三维显示技术从根本上更新了图像显示的概念，使显示的图像栩栩如生，向观看者提供了完备的心理和生理上的三维感知信息，为理解三维图像和其中物体之间的空间关系提供了独特的手段。

当前的双目立体眼镜技术、平行遮挡光栅技术、柱面镜技术以及集成显示技术都存在着各种缺陷，比如显示尺寸不大、视场数量少、分辨率低、亮度低、清晰度不足等。而多投影仪的光场真三维显示系统虽然有获得大视场的潜质，但其存在着投影仪间校准困难以及价格昂贵等固有的缺陷。

实用新型内容

在下文中给出关于本实用新型的简要概述，以便提供关于本实用新型的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本实用新型的穷举性概述。它并不是意图确定本实用新型的关键或重要部分，也不是意图限定本实用新型的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

本实用新型的一个主要目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种满足大尺寸显示、提升视场数量、分辨率、亮度和清晰度的真三维显示装置和系统。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种真三维显示装置，

光源；

沿所述光源的光传播方向依次设置的N个用于记录对应预设视场的图像信息的透明感光层，N为大于1的整数，记录在各透明感光层上的对应预设视场的图像信息组成对应所述预设视场的真三维图像信息。

为实现上述目的，本实用新型还提供一种真三维显示系统，包括上述真三维显示装置以及用于调整所述真三维显示装置的各透明感光层的透光率的控制器。

本实用新型的真三维显示装置和系统通过在光源的光传播方向依次设置多层透明感光层，各透明感光层能够显示对应预设视场的图像信息，多个透明感光层显示的图像信息组成对应预设视场的真三维图像信息，使得处于预设视场中的观察者能够观看到对应的真三维图像，且能够实现大尺寸显示、能够提升真三维显示的分辨率、亮度、清晰度等。

附图说明

参照下面结合附图对本实用新型实施例的说明，会更加容易地理解本实用新型的以上和其它目的、特点和优点。附图中的部件只是为了示出本实用新型的原理。在附图中，相同的或类似的技术特征或部件将采用相同或类似的附图标记来表示。

图1为本实用新型的真三维显示装置的实施例1的结构示意图。

图2为本实用新型的真三维显示装置的实施例2的结构示意图。

图3为本实用新型对真三维显示装置进行控制的流程图。

图4以图例的形式描述透光率函数的三阶张量的示意图。

图5表示在本实用新型实施例的真三维显示装置中显示真三维图像时，根据预设视场确定目标光线的示意图。

图6为本实用新型真三维显示系统的控制器的一种实施例的方框图。

具体实施方式

下面参照附图来说明本实用新型的实施例。在本实用新型的一个附图或一种实施方式中描述的元素和特征可以与一个或更多个其它附图或实施方式中示出的元素和特征相结合。应当注意，为了清楚的目的，附图和说明中省略了与本实用新型无关的、本领域普通技术人员已知的部件和处理的表示和描述。

真三维显示装置的实施例1

参考图1，本实用新型的真三维显示装置的实施例1包括光源10以及沿光源10的光传播方向依次设置的第1个透明感光层至第N个透明感光层12，N为大于1的整数，各透明感光层12用于记录对应预设视场的图像信息，记录在各透明感光层12上的对应预设视场的图像信息用于组成对应该预设视场的真三维图像信息。

上述预设视场的个数可为多个，如图1所示，本实用新型的真三维显示装置可形成多个视场V1、V2……VR，R为大于1的整数，透过各透明感光层12投射至各视场中的光线在各透明感光层上具有确定的坐标信息。各透明感光层12可通过对其光处理参数的调整来形成对应多个视场的图像信息。

光源10可为背光模组，其可用于生成均匀光或者结构光。

光源10紧贴第一个透明感光层12设置。

上述各透明感光层12具体可为照相用底片、投影胶片、医用成像胶片等，其光处理参数具体为透光率函数值。各透明感光层12用于接收外部的控制信息以控制其各个像素单元的透光率函数值，进而生成所需的图像信息。

上述各透明感光层12具体可用于记录彩色、黑白和/或灰度图像。

如图1所示，本实施例中，部分或全部透明感光层的截面为平面。

真三维显示装置的实施例2

参考图2，本实用新型的真三维显示装置的实施例2包括光源（图中未示出）以及沿光源的光传播方向设置的N个透明感光层22，本实施例的真三维显示装置的与实施例1的真三维显示装置的结构基本相同，区别在于：

如图2所示，本实施例的各透明感光层22的截面可为曲面。即各透明感光层12可以为任意的三维曲面形状。将全部或部分透明感光层设置为任意的三维曲面形状，可获取更广泛的视场范围。

对真三维显示装置进行控制的实施例

参考图3，当对本实用新型真三维显示装置进行控制时，包括以下步骤：

步骤S301：根据预设视场确定目标光线，该目标光线具体为：由光源生成的、可依次透过N个透明感光层后投射至该预设视场中的光线，N为大于1的整数；以及

步骤S305：根据各目标光线在各透明感光层上的坐标信息调整各透明感光层的光处理参数，以在各透明感光层上形成用于组成对应预设视场的真三维图像的图像信息。

作为可选方案，如图3所示，在步骤S301和步骤S305之间还包括步骤S303：

根据各目标光线在任意两个透明感光层上的坐标信息获取各目标光线在其余各透明感光层上的坐标信息。

也可以其它方式、如预测等方式获取目标光线在各透明感光层上的坐标信息。

可选地，步骤S305中获取的光处理参数具体为：使得透过各透明感光层的光线与目标光线之间的误差最小的光处理参数。通过这种方式，能够使得各透明感光层记录与目标图像最接近的图像信息，进一步保证三维显示的质量。

参考图1、图2、图4和图5，各透明感光层的光处理参数具体为其透光率函数值。

在步骤S305中，可根据以下公式获取各个透明感光层的透光率函数值

${\arg \min }_A{\mathrm{\Σ}}_{\∀(i_m,j_m{i}_n,j_n)\∈M,A\∈[0,A_{\max }]}{|\begin{array}{c}T(i_m,j_m,i_n,j_n)-I_0{a}_1^{i_m,j_m,i_n,j_n}\\ a_2^{i_m,j_m,i_n,j_n}\·\·\·a_N^{i_m,j_m,i_n,j_n}\end{array}|}^2$

其中1≤l≤N,1≤m≤M, 1≤n≤N, A表示透光率函数，M代表所有目标光线组成的集合，

为第l个透明感光层上，与目标光线对应的像素单元处的透光率函数值，I₀是光源的亮度，T(i_m,j_m,i_n,j_n)为目标光线，m、n表示所述多个透明感光层中的任意两个的序号，(i_m,j_m,i_n,j_n)为目标光线在第m个透明感光层和第n个透明感光层上的坐标信息。

本实施例中，令m=1，N=n，以该任意两个透明感光层为第一个和第N个透明感光层为例进行说明，其工作原理和工作过程如下：

首先根据各透明感光层12或22之间的位置关系建立如图1所示的三维物理坐标（xyz），并沿x轴、y轴和z轴建立离散化坐标（i、j、k）。i可用于表示各透明感光层上的像素单元的横向位置，j可用于表示各透明感光层上的像素单元的纵向位置，k可用于表示透明感光层的序列号，如k1-kN。

光源10产生均匀光或者结构光，经过各透明感光层的逐级衰减，最终在预设视场形成光场分布。第一透明感光层上的像素单元的透光率函数由A(i₁,j₁,k₁)表示，第二透明感光层上的像素的透光率函数由A(i₂,j₂,k₂)表示，第N透明感光层上的像素的透光率函数由A(i_N，j_N，k_N)表示。光源与第一个透明感光层紧贴，间距很小，在以下分析中可以忽略不计。假设光源照明的亮度为I₀。

如图4所示，透明感光层12的透过率函数A(i,j,k)是一个三元数据结构，可以表示成为一个三阶张量透过率函数取值范围可以规范为小于或等于1的非负实数。这个张量表示具有明确的物理意义：对于每个固定的k值（透明感光层的序号），透过率函数A(i,j,k)是记录在相应透明感光层上的图像。

投射至预设视场中的光线与各透明感光层12在特定的像素单元相交。则在步骤S301中，可将光源生成的、依次透过第一透明感光层至第N透明感光层后投射至预设视场中的光线确定为目标光线，各目标光线可由其与第一个透明感光层和第N个透明感光层的相交点的三维位置来完全确定。

如图1所示，穿过第一层上某一点（像素单元）p(i₁,j₁,k₁)和第N层上某一点p(i_N，j_N，k_N)的光线可以由坐标信息(i₁,j₁,i_N,j_N)确定。则该光线与其它透明感光层的相交点的三维位置可由下式(1)确定：

每一根光线在预设视场形成的光场可由下式(2)确定：

$L(i_1,j_1,i_N,j_N)=I_0{\mathrm{\Π}}_{l=1}^{N}a(i_l,j_l,k_l)---\left(2\right)$

上式中，a（i_l,j_l,k_l）,l=1，2，…，N，是与各个相交点对应的透光率，I₀是光源的照明亮度，坐标值（i_l,j_l,k_l）可以根据式（1）计算得出。

图像显示的性能指标，如亮度、清晰度、分辨率等通常是由一组预设视场Vr，r=1，2，…，R，来确定。可根据各预设视场Vr中的每根光线在第一透明感光层和第N透明感光层上的交点，计算出相应的坐标信息(i₁,j₁,i_N,j_N)，以确定目标光线。

定义所有目标光线组成的集合为“目标光线组”M：

M={(i₁,j₁,i_N,j_N),such thatL(i₁,j₁,i_N,j_N)＝T(i₁,j₁,i_N,j_N)}   (3)

对于预设视场，目标光线组中的元素是确定的，个数是有限的。通常，目标光线组仅仅包括很小一部分所有可能由本实用新型的真三维显示装置产生的光线。

步骤S303中，根据目标光线在该任意两个透明感光层的坐标信息，可以获取其在其它各透明感光层的坐标信息。

步骤S305中，根据目标光线组中的所有目标光线在各透明感光层上的坐标信息，调整各透明感光层的光处理参数，以在各透明感光层上形成用于组成对应该预设视场的真三维图像信息的图像信息，即：

${\arg \min }_A{\mathrm{\Σ}}_{\∀(i_1,j_1{i}_N,j_N)\∈M,A\∈[0,A_{\max }]}{|T(i_1,j_1,i_N,j_N)-L(i_1,j_1,i_N,j_N)|}^2---\left(4\right)$

其中，L(i₁,j₁,i_N,j_N)可由式（2）式计算得出，则可将式（4）转化为由各个透明感光层的透光率描述的函数：

${\arg \min }_A{\mathrm{\Σ}}_{\∀(i_1,j_1{i}_N,j_N)\∈M,A\∈[0,A_{\max }]}{|\begin{array}{c}T(i_1,j_1,i_N,j_N)-I_0{a}_1^{i_1,j_1,i_N,j_N}\\ a_2^{i_1,j_1,i_N,j_N}\·\·\·a_N^{i_1,j_1,i_N,j_N}\end{array}|}^2$

$---\left(5\right)$

其中

l＝1,2,...,N,是透过率函数A_l,l＝1,2,...,N,在与目标光线(i₁,j₁,i_N,j_N)相对应的像素单元的函数值。

通过对所有A_l,l＝1,2,...,N,的透过率函数进行优化，使得经过各透明感光层的光线与目标光线的误差为最小，以使各透明感光层记录与所需的图像信息最接近的图像信息。

优化的过程具体可为对上式（5）的求解过程，例如：

第一种优化方法，通过一般约束条件下的最优化方法，如最速下降法，共轭梯度法，牛顿法，变尺度法，鲍威尔法，单形替换法，随机方向法，复合形法，可行方向法，惩罚函数法，线性规划，遗传算法，神经网络，专家系统等，对式（5）直接进行求解，找到一组能够使得经过第l（l大于或等于1，小于或等于N）个透明感光层的光线与目标光线的误差为最小的透过率函数A_l,l＝1,2,...,N,。上述列举的优化方法为数学运算中习知的算法，不再分别对其做具体介绍。

第二种优化方法，根据第k个透明感光层的透光率函数值，求解第k+1个透明感光层的透光率函数值，以迭代求解各透明感光层的透光率函数值，其中1≤k<N。例如：

对各透明感光层的透光率函数A_l,l＝1,2,...,N,逐个进行优化，将式（5）分解为N个子问题，逐步求解：

$A_l^{k+1}=\arg A_l^{k+1}=$

${\arg \min }_{a_l^k}{\mathrm{\&Sigma;}}_{\&ForAll;(i_1,j_1,i_N,j_N)\&Element;M,A\&Element;[0,A_{\max }]}{\left|\begin{array}{c}T(i_1,j_1,i_N,j_N)-\\ I_0{a}_1^{k+1}\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;a_{l-1}^{k+1}{a}_l^k\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;a_N^k\end{array}\right|}^2---\left(6\right)$

在对第l透明感光层的透光率函数A_l进行优化时，利用第l-1层已经优化更新的结果进行优化，迭代更新格式由下式（7）表示：

$a^{k+1}(i_l{,j}_l,k_l)=$

$a^k(i_l,j_l,k_l)\frac{T(i_1,j_1,i_N,j_N)}{L^k(i_1,j_1,i_N,j_N)}\mathrm{for}(i_1,j_1,i_N,j_N)\&Element;M,A\&Element;[0,A_{\max }],L^k>0---\left(7\right)$

如果某一个像素与多个迭代条件相关，则利用统计方法（比如取平均值或者中值），根据多个迭代条件，为该像素得出一个迭代值。

第三种优化方法，对以下公式（8）两边取对数，求解线性方程的方式获取各个透明感光层的透光率函数值

公式（8）中，T(i_m,j_m,i_n,j_n)为目标光线，I₀是光源的亮度，a(i_l,j_l,k_l)为第l个透明感光层上、与目标光线对应的像素单元处的透光率函数值。

$T(i_1,j_1,i_N,j_N)=I_0{\mathrm{\&Pi;}}_{l=1}^{N}a(i_l,j_l,k_l)---\left(8\right)$

具体地，通过对两边取对数，将式（8）由乘法（非线性）方程变为加法（线性）方程：

$G(i_1,j_{1,}{i}_N,j_N)={\mathrm{\&Sigma;}}_{l=1}^{N}F(i_l,j_l,k_l)---\left(9\right)$

其中，

$G(i_1,j_1,i_N,j_N)=\stackrel{\&OverBar;}{T(i_1,j_1,i_N,j_N)}-\stackrel{\&OverBar;}{I_0},F(i_l,j_l,k_l)=$

$\stackrel{\&OverBar;}{a(i_l,j_l,k_l)},\stackrel{\&OverBar;}{x}=\log \left(x\right).$

由式（9）可以解出F(i_l,j_l,k_l)，从而求出透过率函数值a(i_l,j_l,k_l)。

真三维显示系统的实施例

本实用新型还提供一种真三维显示系统，包括上述任一实施例的真三维显示装置以及用于调整该真三维显示装置的各透明感光层的透光率的控制器。参考图6，该控制器包括目标光线确定模块61和参数信息获取模块65。

目标光线确定模块61用于根据预设视场确定目标光线，该目标光线具体为：由光源生成的、可依次透过N个透明感光层后投射至预设视场中的光线，N为大于1的整数。

参数调整模块65用于根据各目标光线在各透明感光层上的坐标信息调整各透明感光层的光处理参数，以在各透明感光层上形成用于组成对应所述预设视场的真三维图像的图像信息。

可选地，该控制器还包括坐标信息获取模块63，用于根据各目标光线在任意两层透明感光层上的坐标信息获取各目标光线在其余各个透明感光层上的坐标信息。

参数调整模块65获取的光处理参数可为：使得透过各所述透明感光层的光线与目标光线之间的误差最小的光处理参数。

各透明感光层的光处理参数具体为其透光率函数。

参数调整模块65根据以下公式获取各个透明感光层的透光率函数值

${\arg \min }_A{\mathrm{\&Sigma;}}_{\&ForAll;(i_m,j_m{i}_n,j_n)\&Element;M,A\&Element;[0,A_{\max }]}{|\begin{array}{c}T(i_m,j_m,i_n,j_n)-I_0{a}_1^{i_m,j_m,i_n,j_n}\\ a_2^{i_m,j_m,i_n,j_n}\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;a_N^{i_m,j_m,i_n,j_n}\end{array}|}^2$

进一步，求解该公式时，参数调整模块65可通过一般约束条件下的最优化方法，如最速下降法，共轭梯度法，牛顿法，变尺度法，鲍威尔法，单形替换法，随机方向法，复合形法，可行方向法，惩罚函数法，线性规划，遗传算法，神经网络，专家系统等，对求解各个透明感光层的透光率函数值

进行求解。

进一步，求解该公式时，参数调整模块65可根据第k个透明感光层的旋转率函数值，求解第k+1个透明感光层的透光率函数旋转率函数值，以迭代求解各透明感光层的旋转率函数值，其中1≤k<N。

进一步，参数调整模块65通过对以下公式两边取对数，求解线性方程的方式获取各个透明感光层的透光率函数值

$T(i_m,j_m,i_n,j_n)=I_0{\mathrm{\&Pi;}}_{l=1}^{N}a(i_l,j_l,k_l)$

本实用新型的真三维显示系统可通过控制器可对各透明感光层的透光率进行调整，使得真三维显示装置可应用在上述真三维显示装置中以控制各透明感光层记录所需的图像信息，使得可在各预设视场中观察到真三维图像，具体原理与上述对真三维显示装置的控制流程的描述相同，不再赘述。

本实用新型的真三维显示装置和系统通过在光源的光传播方向依次设置多层透明感光层，各透明感光层能够记录对应预设视场的图像信息，多个透明感光层记录的图像信息对应组成对应预设视场的真三维图像信息，使得处于预设视场中的观察者能够观看到对应的真三维图像，无机械运动部件，三维图像显示尺寸可以根据需求调整，不受机械运动部件的物理特性限制。采用透明感光层，三维显示系统的分辨率可以与现有二维显示器的分辨率相同或相近。显示亮度由光源亮度与各透明感光层的特性决定，可以在设计和实现中加以优化，满足产品需求，因此本实用新型能够实现大尺寸显示、能够提升真三维显示的分辨率、亮度、清晰度等；同时避免采用多投影仪进行真三维显示时产生的校准难度低的问题。

在本实用新型的装置和方法中，显然，各部件或各步骤是可以分解、组合和/或分解后重新组合的。这些分解和/或重新组合应视为本实用新型的等效方案。同时，在上面对本实用新型具体实施例的描述中，针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。

虽然已经详细说明了本实用新型及其优点，但是应当理解在不超出由所附的权利要求所限定的本实用新型的精神和范围的情况下可以进行各种改变、替代和变换。而且，本实用新型的范围不仅限于说明书所描述的过程、设备、手段、方法和步骤的具体实施例。本领域内的普通技术人员从本实用新型的公开内容将容易理解，根据本实用新型可以使用执行与在此所述的相应实施例基本相同的功能或者获得与其基本相同的结果的、现有和将来要被开发的过程、设备、手段、方法或者步骤。因此，所附的权利要求旨在在它们的范围内包括这样的过程、设备、手段、方法或者步骤。

Claims (6)

1.一种真三维显示装置，其特征在于，包括：

光源；

沿所述光源的光传播方向依次设置的N个用于记录对应预设视场的图像信息的透明感光层，N为大于1的整数，记录在各透明感光层上的对应预设视场的图像信息组成对应所述预设视场的真三维图像信息。

2.根据权利要求1所述的真三维显示装置，其特征在于，所述透明感光层包括：照相用底片、投影胶片或医用成像胶片。

3.根据权利要求1或2所述的真三维显示装置，其特征在于，至少部分所述透明感光层的截面形状为平面或曲面。

4.根据权利要求1或2所述的真三维显示装置，其特征在于，所述光源为用于生成结构光的背光模组。

5.根据权利要求1或2所述的真三维显示装置，其特征在于，所述光源为用于生成均匀光的背光模组。

6.一种真三维显示系统，其特征在于，包括权利要求1-5任一项所述的真三维显示装置以及用于调整所述真三维显示装置的各透明感光层的透光率的控制器。

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