CN102243377A - 高清4d光栅图片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高清4D光栅图片的结构和设计方法，结合长方形网格化、激光照排输出、色版显色以及正交光栅技术，可以提供一种全新的图片展示设备。通过水平光栅的移动或相对移动呈现清晰透彻、大幅面、无眼晕的立体幻灯图像、立体视频图像。立体幻灯展示的立体图像或立体广告具有极好的立体感、清晰度和观看舒适度；立体视频可展示数百幅连续活动、有内容情节的立体影像。

Description

高清4D光栅图片

所属技术领域：

本发明属于光学显示技术领域，涉及一种4D光栅图片的结构和设计方法。

背景技术：

所谓4D，通常有两种意思，其一是三维空间再加上时间轴，本发明所说的4D光栅图片即是如此；其二是3D影视再加上听觉、触觉、嗅觉等全方位的感受，即4D影院。本文描述的4D，是一种光栅图片，其中包含了数百幅立体图像，每幅立体图像由数十幅视差图像组成。

立体图像以其观看自由、立体感强及适应性好的优势，在摄影、广告和装饰等行业逐步得到普及。立体图片通常由立体光栅和立体图像复合构成，立体光栅可以是狭缝，也可以是柱镜光栅，立体图是由一系列的视差图像重新抽样排列成的新图像。立体图的特点在于细节十分丰富，图像信息量大，一般用数码激光洗印、彩色写真喷绘、印刷等方式输出。两个因素影响了立体图片的进一步发展和应用，其一，立体景深不能太大，否则前后景图像裂变产生的重影将无法忍受，影像不够清晰、透彻，不利于表现大纵深的宽阔场景；其二，容易出现莫尔纹，带来眼晕感，引起部分观看者的不适应，阻碍了立体图片在商业上的广泛应用。究其原因，主要在于目前各种彩色数码图片输出方式中，像素点的精细度和分离性都不高，绝大多数像素还是相互渗透的，这与立体图横向像素相互分离的要求是矛盾的，在光栅的作用下必然引起图像的裂变，直观表现为立体图中前后景的高反差细节总是出现明显的重影；另外，输出图片的尺寸精度不高带来的立体图失配常常带来难以忍受的眼晕感。

专利99211778.X公开了4D光栅图片的基本结构，采用喷绘或三色激光洗印的方式可以实现近10幅光栅立体图像显示。专利03100612.4公开了一种改进的4D光栅图片，可显示立体图像数量成倍增加，然而对图片输出精度、光栅分光性能、光栅移动精度要求极高，使其成本居高不下。专利02125356.0公开了一种制作4D图片的正交光栅。专利号200710079378公开的高清晰光栅立体图片，很好地解决了立体图片的立体感、清晰度以及观看舒适度问题。

发明内容：

本发明公开一种高清4D光栅图片的结构和设计方法，结合了长方形网格化、激光照排输出、色版显色以及正交光栅技术，目的在于提供一种全新的图片展示设备，可展示大幅面、高清晰、无眼晕的立体幻灯或立体视频。

本发明的原理在于，将4D合成图的RGB三色分量重新组合成灰度图像，利用长方形网格对图像挂网，在激光照排机上输出菲林，与后面的RGB色版套准形成彩色图像，与正交光栅组合，在背光源的照射下，通过水平光栅的移动或相对移动呈现清晰透彻的立体幻灯图像、立体视频图像。立体幻灯和立体视频图像统称为4D图片，立体幻灯图像是指数幅静态立体图像之间切换，强调的是图像的立体感、清晰度和观看舒适度；立体视频图像是指数百幅连续立体图像之间循环，强调的是图像的动态感、情节内容。实现过程包括：1，正交光栅、激光菲林、RGB色版和背光源的组合方式；2，4D图片合成和像素优化；3，4D合成图从RGB模式转变成灰度模式；4，灰度图像网格化方法和参数选择；5，激光照排输出菲林，与RGB色版套准组合，还原彩色4D图像。

下面详细说明实现高清4D图像显示的过程。

4D光栅图片由立体光栅(1)、变图光栅(2)、4D图像菲林(3)、RGB色版(4)和背光源(5)组合而成。立体光栅是竖直光栅，可以是狭缝或柱镜；变图光栅是水平光栅，也可是狭缝或柱镜，立体、变图光栅二者栅线相互垂直，组成正交光栅，变图光栅可以上下移动，或者相对于观众双眼有上下移动，从而实现图像变换。RGB色版是一组红(6)、绿(7)、蓝(8)线条周期性排列而成的图案，每个线条宽w，一组RGB线条的宽度为3×w。4D图像菲林、RGB色版套准后紧贴在一起，组成4D彩色合成图片，RGB色版线条可以是水平也可以是垂直的，视需要而定，RGB线条的宽度与同方向光栅的栅距是相匹配的，即每个栅距恰好对应一个色条。

4D图片合成和像素优化。设一幅4D图片由m幅立体图像组成，每幅立体图像由n幅视差图像组成，则4D图片共包含m*n幅2D图像，每个4D像素包含m*n个2D RGB彩色像素，包含m*n*3个2D单色像素。如果m＜＜n，适合展示立体幻灯，称为I型4D，典型数据如m＝3，n＝120；如果m＞＞n，适合展示立体视频，称为II型4D，典型数据如m＝120，n＝10。

I型4D的大致思路是，激光菲林片和横向线条的RGB色版实现彩色4D灯片输出，每个单色像素点用网格x*y表示，每个4D点用上中下排列的n*3m个点表示，两块狭缝光栅正交放置形成针孔，3个针孔对应每组上、中、下色条中相应位置的红色网格(13)、绿色网格(14)和蓝色网格(15)，组成一个rgb彩色像素。针孔密度范围10～50dpi。

I型4D的色版线条是水平方向的，宽度为w，变图光栅的栅距与之对应，略小于w，立体光栅栅距为p，4D图片幅面尺寸为W*H。在4D合成之前，我们需要将所有m*n幅2D图像的像素尺寸均调整为(W/p)*(H/w)，4D合成分两步完成，①视差图像立体合成，即按顺序将n幅视差图像的列交错排列成一幅立体图像，像素尺寸变为(W/p*n)*(H/w)；②立体图像动画合成，即按顺序将m幅立体图像的行交错排列成一幅4D图像，像素尺寸变为(W/p*n)*(H/w*m)。立体合成与动画合成的详细方法可参照专利99211778.X、专利03100612.4等文献资料。一种推荐的光栅组合是，立体、变图光栅均采用狭缝光栅，变图光栅的缝宽不大于w/m。

II型4D的大致思路是，激光菲林片和纵向线条的RGB色版实现彩色4D灯片输出，每个单色像素点用网格x*y表示，每个4D点用左中右排列的3n*m个点表示，柱镜光栅显示立体，用狭缝光栅的相对移动实现变画，左、中、右3个网格显示一个rgb像素点，网格密度范围10～50dpi。试验表明，每个柱镜光栅条对应彩色图像中的一个颜色样条，按RGB顺序交替排列，在最佳距离之外的范围移动观看，因光栅与色版样条失配引起的颜色失真可以忽略。

II型4D的色版线条是竖直方向的，宽度为w，立体光栅的栅距与之对应，略小于w，变图光栅栅距为p，4D图片幅面尺寸为W*H。在4D合成之前，我们需要将所有m*n幅2D图像的像素尺寸均调整为(W/w)*(H/p)，4D合成分两步完成，①视差图像立体合成，即按顺序将n幅视差图像的列交错排列成一幅立体图像，像素尺寸变为(W/w*n)*(H/p)；②立体图像动画合成，即按顺序将m幅立体图像的行交错排列成一幅4D图像，像素尺寸变为(W/w*n)*(H/p*m)。一种推荐的光栅组合是，立体光栅采用柱镜，变图光栅采用狭缝，变图光栅的缝宽约为0.08mm。

4D合成图从RGB模式转换成灰度模式。I型4D和II型4D的转换方式是不同的，下面分别加以说明。

将I型4D合成图的R、G、B通道分别作为单色图层拷贝到灰度图像中，三个图层分别命名为R、G、B，保留图层R的第3m*k到3m*k+m-1行，保留图层G的第3m*k+m到3m*k+2m-1行，保留图层B的第3m*k+2m到3m*k+3m-1行，k＝0，1，2，3，……，删除3个图层的其它区域，然后合并到一起，即可保证灰度立体图像中每m行像素对应一个色条。

将II型4D合成图的R、G、B通道分别作为单色图层拷贝到灰度图像中，三个图层分别命名为R、G、B，保留图层R的第3n*k到3n*k+n-1列，保留图层G的第3n*k+n到3n*k+2n-1列，保留图层B的第3n*k+2n到3n*k+3n-1列，k＝0，1，2，3，……，删除3个图层的其它区域，然后合并到一起，即可保证灰度立体图像中每n列像素对应一个色条。

灰度图像网格化方法和参数选择。灰度立体图像的每个像素用x*y的长方形网格表示，网格上每个点代表激光照排片的一个曝光点，分为亮点(12)和暗点(11)两种，亮点透过光线，暗点遮挡光线，网格中的亮点的数量或面积比例代表相应的颜色值。

I型4D采用竖向长方形网格，x＜＜y，m个网格的长边相加与色版线条宽度相等，均为w，因此y值是由m和w决定的。

假设m＝3，w＝0.6mm，照***度D＝2540dpi，则y＝20，优选的3个网格为1×20，2×20，3×20，更宽的网格带来横向精度的降低，进而影响立体图像的清晰度。以栅距为1.2mm的立体光栅为例，一个栅条下最多可横排120个网格，可容许120幅视差图像立体合成，具有极好的立体清晰度和观看舒适度。

考虑到激光照排机曝光、显影等过程的非理想化，少量的亮点应优先聚集成正方形、圆形等团状，以免被扩展的暗点“淹没”。四种网格典型的亮点形状为菱形、长方形、横线、竖线，在多数网格的分布中，亮点并不具备这些典型形状，即使如此，网格化时也应该以指定形状为趋势。本发明的网格化方法遵循如下原则：①以网格中心为中心，亮点聚集分布；②从中心开始，亮点像种子往四周生长，到达网格边界时停止；③以横向为优先顺序，使相邻网格的亮点尽快链接在一起，减小网点扩大的百分比。

根据网格化规则，可以提供一种着色算法实现像素快速网格化。先建立一个二维数组G[x][y]，按亮点出现的先后顺序给数组赋值，例如第一个亮点出现在网格的中间，将中间位置的数组元素赋值1；第二个亮点出现在第一亮点的左侧，将该位置的数组元素赋值2；第三个亮点出现在第一亮点的下侧，将该位置的数组元素赋值3；……；设第K个亮点出现在第j行第i列，则G[i][j]＝K。灰度值为C的像素，0≤C≤255，网格化后共有C*x*y/255个亮点，如果G[i][j]≤C*x*y/255，则该点为亮点，否则为暗点，此过程编制成程序后让计算机自动处理实现网格化。

以下表所示为例，建立网格数据：

建立一套网格化表格，即建立一个数组G[x][y]，将立体图像网格化，显然x＝1的网格是最优的，形成TIF格式的2值图像，增加套印标记，用激光照排机输出菲林片。

II型4D采用横向长方形网格，x＞＞y，n个网格的长边相加与色版线条宽度相等，均为w，因此y值是由n和w决定的。

假设n＝6，w＝0.6mm，照***度D＝2540dpi，则x＝10，优选的3个网格为10×1，10×2，10×3，更宽的网格带来纵向精度的降低，进而影响视频图像的连续性。以栅距为1.2mm的变图光栅为例，当y＝1时，一个栅条下最多可竖排120个网格，可容许120帧立体图像，具有极好的连续性和清晰度。网格化方法与I型4D大致相同，但是，II型4D极易与立体光栅出现撞网，图像忽明忽暗或出现明显的网纹。

我们需要为x*y网格建立一组网格化表格，每个表格对应的亮点起点不再是网格的中心，相互错开，亮点聚集分布，从起点开始，像种子往四周生长，到达网格边界时停止。为灰度模式的4D合成图片设定一个矩形点集，该点集可以是一个RGB 4D点，包含左中右排列的3n*m个像素，也可以是一个单色4D点，包含n*m个像素，还可以是更小的单色点，包含n*j个像素，j＜m，比如20＜j＜50就是比较好的选择。随机选择一个表格，对矩形点集内所有像素进行网格化处理，可保证点集范围内激光点的较好的聚集性，便于高精度输出，总体上随机分布的亮点中心在光栅作用下不会出现亮度闪烁或网纹。以10×1的网格为例建立一组10个网格化表格：

设定矩形点集包含6*40个像素，随机选择一个表格编号，用对应数据对点集内所有像素进行网格化处理，一个点集可形成60*40个聚集性的激光点。每次处理一个点集之前，需随机选择一次表格编号。

由于可以容纳大量的2D图像，我们还可以组成一种单向的III型4D图片，即只采用大视角光栅，如厚度为3.8mm的10线光栅，可以容纳254幅2D图像。

假设一幅4D图片由25幅立体图像组成，每幅立体图像由10幅视差图像组成，我们将10幅视差图像作为一组，共25组依次排序，然后按立体合成方法合成4D图像，并转换成灰度图，用1*60网格处理灰度图，上中下排列的三个RGB网格(10)组成一个完整彩色像素(9)。

网格化后的二值TIF图像通过激光照排输出菲林，与RGB色版套准组合，还原彩色4D图像。这样一张菲林片虽然是黑白的，但已经包含了4D图所有的颜色信息，照排机有网点精度和有效幅面两个重要指标，当前主流机器的照***度都不低于2400dpi，大幅面照排机的有效面积已经超过2000mm*1200mm，完全满足输出4D图像的要求。色版由R、G、B三色线条交错排列构成，只要将色版套准在菲林片的后面并固定，每个单色网格与对应的色块就准确地匹配在一起了，配合正交光栅，在灯箱的照明下显示鲜艳透彻的立体图像。

本发明公开的4D图片，通过水平光栅的移动或相对移动呈现清晰透彻的立体幻灯图像、立体视频图像。立体幻灯展示的立体图像或立体广告具有极好的立体感、清晰度和观看舒适度；立体视频可展示数百幅连续活动、有内容情节的立体影像。

附图说明：

图1是4D光栅图片结构示意图，a为前视图，b为侧视图，由立体光栅(1)、变图光栅(2)、4D图像菲林(3)、RGB色版(4)和背光源(5)组合而成。变图光栅(3)可以上下移动，或者相对于观众双眼有上下移动，实现立体图像之间的切换。

图2是RGB色版的示意图，由红色线条(6)、绿色线条(7)和蓝色线条(8)周期***错排列构成，每个线条宽w，一组RGB线条的宽度为3×w，套准标记分布在色版的四个角上。RGB色版线条可以是水平也可以是垂直的，视需要而定，RGB线条的宽度与同方向光栅的栅距是相匹配的，即每个栅距恰好对应一个线条。

图3是灰度立体图像网格示意图。虚线框表示一个彩色像素(9)，每个彩色像素含有R、G、B三个单色网格(10)，呈纵向排列，III型4D图片采用这种像素结构。

图4是灰度像素网格化示意图，网格由暗点(11)和亮点(12)构成，网格大小为8*32。图4a表示一个颜色值为137的网格，亮点聚集成典型的菱形；图4b表示一个颜色值为142的网格，亮点聚集成典型的长方形；图4c表示一个颜色值为77的网格，亮点以横线优先的方式聚集；图4d表示一个颜色值为111的网格，亮点以竖线优先的方式聚集。本发明的网格化方法遵循亮点以横线优先聚集的原则，如图4c所示。

图5是I型4D图片灰度像素结构示意图，一个彩色像素由纵向间隔(m-1)个像素的红色网格(13)、绿色网格(14)和蓝色网格(15)构成，色版线条是水平方向的，宽度为w。R1、R2、R3对应色版红色线条3行网格像素，每一行由同一立体图像的视差序列图像像素顺序交错排列而成，像素宽度就是网格的宽度，可以小到一个激光点尺寸。每个色版线条上对应m行像素网格，本图以m＝3为例，可以变换3幅立体图像。

图6是II型4D图片灰度像素结构示意图，一个彩色像素由横向间隔(n-1)个像素的红色网格(13)、绿色网格(14)和蓝色网格(15)构成，色版线条是竖直方向的，宽度为w。R1、R2、R3是对应色版红色线条的3列网格像素，像素高度就是网格的高度，可以小到一个激光点尺寸。每个色版线条上对应n列像素网格，为了绘图方便，简单以n＝3为例，每幅立体图像是由3幅视差序列图构成的。事实上，5＜n＜20是比较合适的设定。

具体实施方式：

制作I型高清4D图片。

准备一张幅面1200*900mm，栅距为1.2mm，栅线在竖直方向，缝宽0.08mm的狭缝光栅，裱贴在同样幅面，厚度4mm的透明亚克力板前表面；准备一张幅面1200*900mm，栅距为0.6mm，栅线在水平方向，缝宽0.2mm的狭缝光栅，裱贴在亚克力板后表面。准备一块平直硬质的RGB色版，线条为水平方向，线条宽0.6mm，一组RGB线条的宽度为1.8mm。

用相机在滑轨上移动拍摄立体图像，每组拍120幅，共3组不同画面。将120*3幅图像一致裁切，非等比压缩调整为1000*1500像素，将所有图像4D合成后，像素大小变为120000*4500像素，图像是RGB模式，将R、G、B通道分别作为单色图层拷贝到灰度图像中，保留图层R的第9k到9k+2行，保留图层G的第9k+3到9k+5行，保留图层B的第9k+6到9k+8行，k＝0，1，2，3，……，删除3个图层的其它区域，然后合并到一起，可保证灰度立体图像中每3行像素对应一个色条。用1*20的网格处理4D灰度图像，形成120000*90000像素的二值TIF图像，图像分辨率为2540dpi，幅面1200*900mm，增加套印标记，用输出精度为2540dpi的激光照排机输出菲林片。与RGB色版套准后粘合固定在一起，可以整体上下移动，与前面的亚克力光栅板保持1mm的间隔，在后面灯箱的照明下可显示鲜艳透彻的立体幻灯图像。

制作II型高清4D图片。

准备一张幅面1200*900mm，栅距为0.6mm，栅线在竖直方向的柱镜光栅；准备一张幅面1200*900mm，栅距为1.2mm，栅线在水平方向，缝宽0.08mm的狭缝光栅，裱贴在柱镜光栅后表面。准备一块平直硬质的RGB色版，线条为竖直方向，线条宽0.6mm，一组RGB线条的宽度为1.8mm，柱镜光栅的厚度不足，聚焦面在后表面外测1mm处。

在三维动画软件中设置一组共6台具有水平视差的相机，同步拍摄一个运动场景的立体图像，每组6幅，共拍摄120组立体画面。

将6*120幅图像一致裁切，非等比压缩调整为2000*750像素，将所有图像4D合成后，像素大小变为12000*90000像素，图像是RGB模式，将R、G、B通道分别作为单色图层拷贝到灰度图像中，保留图层R的第18k到18k+5列，保留图层G的第18k+6到18k+11列，保留图层B的第18k+12到18k+17列，k＝0，1，2，3，……，删除3个图层的其它区域，然后合并到一起，可保证灰度立体图像中每6列像素对应一个色条。用10*1的网格处理4D灰度图像：以6*40像素为一个矩形点集，随机选择一个表格编号，用对应数据对点集内所有像素进行网格化处理，形成120000*90000像素的二值TIF图像。图像分辨率为2540dpi，幅面1200*900mm，增加套印标记，用输出精度为2540dpi的激光照排机输出菲林片。与RGB色版套准后粘合固定在一起，可以整体上下移动，与前面的光栅板保持1mm的间隔，在后面灯箱的照明下可显示鲜艳透彻的立体视频图像。

Claims (8)

1.一种高清4D光栅图片，由立体光栅、变图光栅、合成图片和背光源组合而成，光栅可以是狭缝或柱镜，其特征在于，立体光栅、变图光栅二者栅线相互垂直，组成正交光栅，变图光栅可以上下移动，或者相对于观众双眼有上下移动，合成图片由4D图像菲林片和RGB色版组合形成彩色图像。

2.如权利要求1所述的图片，其特征还在于，RGB色版是一组红、绿、蓝线条周期性排列而成的图案，每个线条宽w，一组RGB线条的宽度为3×w，4D图像菲林片、RGB色版套准后紧贴在一起，组成4D彩色合成图片，RGB色版线条可以是水平也可以是垂直的，RGB线条的宽度与同方向光栅的栅距相匹配，即每个栅距恰好对应一个色条。

3.如权利要求2所述的图片，其特征还在于，将合成图片的RGB三色分量重新组合成灰度图像，设定长方形网格的大小和亮点填充顺序，利用网格将灰度图像转化成二值图像，在激光照排机上输出菲林。

4.如权利要求3所述的图片，其特征还在于，采用竖向长方形网格，x＜＜y，m个网格的长边相加与色版线条宽度相等，均为w，激光菲林片与横向线条的RGB色版套准实现彩色4D显示，上、中、下三色线条中相应位置的红色网格、绿色网格和蓝色网格组成一个rgb彩色像素。

5.如权利要求3所述的图片，其特征还在于，采用横向长方形网格，x＞＞y，n个网格的长边相加与色版线条宽度相等，均为w，激光菲林片与纵向线条的RGB色版套准实现彩色4D显示，左、中、右三色线条中相应位置的红色网格、绿色网格和蓝色网格组成一个rgb彩色像素。

6.如权利要求4或5所述的图片，其特征还在于，网格中亮点的数量或面积比例代表像素的灰度值，亮点以网格中心为中心聚集分布，从中心点开始，亮点像种子往四周生长，到达网格边界时停止，以网格短边方向为优先顺序，使相邻网格的亮点尽快链接在一起，减小曝光时暗点扩大的百分比。

7.如权利要求5所述的图片，其特征还在于，为x*y网格建立一组网格化表格，每个表格对应的亮点起点不再是网格的中心，相互错开，亮点聚集分布，从起点开始，像种子往四周生长，到达网格边界时停止，在灰度图像中设定n*j个像素为一个矩形点集，j＜m，随机选择一个表格，对矩形点集内所有像素进行网格化处理，可保证点集范围内激光点的较好的聚集性，便于高精度输出。

8.如权利要求6或7所述的图片，其特征还在于，用一种着色算法实现像素快速网格化，先建立一个二维数组G[x][y]，按亮点出现的先后顺序给数组赋值，第K个亮点出现在第j行第i列，则G[i][j]＝K，灰度值为C的像素，0≤C≤255，网格化后共有C*x*y/255个亮点，如果G[i][j]≤C*x*y/255，则该点为亮点，否则为暗点，此过程由程序自动处理实现网格化。

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