CN103051906B - 集成成像裸眼3d自由立体led显示***及其显示屏 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种集成成像裸眼3D自由立体LED显示***及其显示屏。该显示***包括计算机、与计算机连接的集成成像裸眼3D自由立体LED显示屏，以及获取图像元给计算机生成图像元阵列的摄像头阵列；图像元阵列通过计算机在LED显示屏中播放。该LED显示屏包括阵列拼装在一起的若干图像单元；图像单元包括平凸透镜、设置在所述凸透镜周缘的挡光膜，以及多个LED像素灯；所述平凸透镜一面为平面，另一面为凸面，所述LED像素灯位于所述平面上，且LED像素灯的发光中心位于平凸透镜的焦平面上。采用了本发明技术方案的集成成像裸眼3D自由立体LED显示***，由于将集成成像实现全景3D成像技术与LED显示***完美结合，不需要佩戴助视设备，观看距离较为灵活，串扰度小。
Description
技术领域
本发明涉及LED显示技术领域，具体涉及一种LED显示***，更具体的说，涉及一种视角范围广、串扰度小、观看距离范围大，且易于装配的集成成像裸眼3D自由立体LED显示***，以及该***包含的集成成像裸眼3D自由立体LED显示屏。
背景技术
目前3D显示已经逐渐进入到人们的生活，市场上我们所能见到的3D显示产品主要是助视3D显示方式，其原理是佩戴在观众双眼上的助视设备（比如偏振光眼镜，液晶开关眼镜，滤色眼镜等）将两幅视差图像分别送入人的左右眼。根据视差原理，两幅视差图像经过大脑融合使人形成3D立体感觉。助视3D显示方式具有立体深度深，串扰小等优点，但必须佩戴笨重的助视设备，从而严重影响了人的观看舒适度。
不用佩戴助视设备的裸眼3D显示技术目前备受人们的青睐，也是未来3D显示技术的发展方向。目前实现裸眼3D自由立体显示的方式主要有：光栅式3D显示、全息3D显示和集成成像（Integral Imaging）。
相较于助视3D显示，光栅式3D显示技术同样利用视差原理，将左右两幅图像送入人的左右眼，从而使人感知到3D立体效果。但在这个过程中，光栅式3D显示并没有利用佩戴在人眼上的助视设备进行分光，而是利用耦合在二维显示屏上的光栅进行分光。分光光栅使两幅像素列间隔排布的图像分别进入人的左右眼，而人把两幅视差图像通过大脑融合从而感知3D立体效果。如中国发明专利申请201110119344.0提出的一种裸眼3D电视墙，其中采用的光栅可以是遮挡式狭缝光栅，也可以是亮度无损失的柱面光栅。然而光栅式3D显示要求观看者必须位于一定的狭小位置范围内才可以观看到3D立体效果，而且相较于助视3D显示具有更大的串扰，这些都限制了光栅式3D显示技术的广泛应用。
全息3D显示的原理是采用相干光源将物体表面光强和光的相位信息记录在全息胶片上，利用相干光使二维全息胶片前再现出3D物体场景。该技术成像清晰无串扰，被认为是解决3D显示的最终解决方案，然而全息3D显示在拍摄时必须利用相干光源，不能直接在自然光下获得图像源，其苛刻的拍摄条件和庞大的数据处理量限制了全息3D显示的实际应用和普及，且目前全息3D显示所能呈现的颜色也很有限。
集成成像技术是由M.G.Lippmann早在1908年提出的全景3D成像技术，其基本原理是利用微透镜阵列将空间场景记录到微透镜阵列后面的胶片上，每个微透镜对应其背后胶片上的一个图像元，每个图像元记录了空间场景中的一部分信息，当所有图像元集成起来组成的图像元阵列就记录了整个空间场景的3D信息。根据光路可逆原理，若在图像元阵列前面放置与记录时同样的微透镜阵列，就可以在微透镜阵列前重构起原始的3D空间场景。由于集成成像技术所重构的空间场景是实像，因此观看距离较为灵活且串扰度较小。
综上所述，集成成像技术是目前较为理想的裸眼3D显示技术，而LED(半导体发光二极管)显示屏以其发光亮度高、功耗低、工作电压低、视角大、耐冲击、寿命长等诸多优点而备受人们的宠爱。将集成成像裸眼3D技术应用于LED显示屏为裸眼3D技术拓展出新的发展空间，必将给人们带来更大的视觉享受。
发明内容
本发明所要解决的技术问题之一是提供一种集成成像裸眼3D自由立体LED显示屏，解决目前没有技术将集成成像裸眼3D技术应用于LED显示屏的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
集成成像裸眼3D自由立体LED显示屏，包括集成成像裸眼3D自由立体LED显示灯板以及与所述集成成像裸眼3D自由立体LED显示灯板相连接的驱动电路，所述驱动电路与扫描控制卡相连接；所述集成成像裸眼3D自由立体LED显示灯板包括阵列拼装在一起的若干个图像单元；所述图像单元包括平凸透镜、设置在所述平凸透镜周缘的挡光膜，以及多个LED像素灯；所述平凸透镜一面为平面，另一面为凸面，所述LED像素灯位于所述平面上，且LED像素灯的发光中心位于平凸透镜的焦平面上。
优选的技术方案中，所述平凸透镜的四周围边缘具有棱柱面，所述棱柱面的一侧与平凸透镜的所述平面垂直相交，且所述挡光膜设置在所述棱柱面上。
优选的技术方案中，所述平凸透镜的四周围边缘具有棱锥面，所述棱锥面的一侧与平凸透镜的所述平面相交成锐角，且所述挡光膜设置在所述棱锥面上。
优选的技术方案中，平凸透镜的所述平面为正方形、矩形、正六边形中的一种。
优选的技术方案中，所述若干个图像单元阵列拼装形成一个平面的集成成像裸眼3D自由立体LED显示灯板，且所述曲面是可以展开成矩形的圆弧曲面。
进一步优选的技术方案中，所述若干个图像单元阵列拼装形成一个曲面的集成成像裸眼3D自由立体LED显示灯板，且所述曲面是可以展开成矩形的圆弧曲面。
进一步优选的技术方案中，所述若干个图像单元阵列拼装形成一个曲面的集成成像裸眼3D自由立体LED显示灯板，且所述曲面是球形曲面。
进一步优选的技术方案中，所述若干个图像单元阵列拼装形成一个伪曲面的集成成像裸眼3D自由立体LED显示灯板，所述伪曲面的集成成像裸眼3D自由立体LED显示灯板表现为一个平面，但是平面中的各图像单元具有大小方向不一的偏转角度，且各图像单元的偏转角度的大小和方向与拼装成圆弧曲面显示屏时各图像单元的偏转角度大小和方向一一对应。
进一步优选的技术方案中，所述若干个图像单元阵列拼装形成一个伪曲面的集成成像裸眼3D自由立体LED显示灯板，所述伪曲面的集成成像裸眼3D自由立体LED显示灯板表现为一个平面，但是平面中的各图像单元具有大小方向不一的偏转角度，且各图像单元的偏转角度的大小和方向与拼装成球形曲面显示屏时各图像单元的偏转角度大小和方向一一对应。
进一步优选的技术方案中，所述集成成像裸眼3D自由立体LED显示灯板包括多个裸眼3D自由立体LED显示灯板模组，每个所述裸眼3D自由立体LED显示灯板模组包括多个阵列拼装在一起的所述图像单元。
本发明所要解决的技术问题之二是相应提供一种集成成像裸眼3D自由立体LED显示***，解决目前没有技术将集成成像裸眼3D技术应用于LED显示***的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
集成成像裸眼3D自由立体LED显示***，包括安装有显示控制软件的计算机，以及通过视频控制器与所述计算机连接的集成成像裸眼3D自由立体LED显示屏；所述集成成像裸眼3D自由立体LED显示***还包括摄像头阵列，所述摄像头阵列通过视频采集卡连接到所述计算机，所述计算机将所述摄像头阵列在同一时刻获取的图像元按照摄像头阵列的排列方式合成图像元阵列，且每个所述图像元中的像素在计算机中经过左右上下翻转处理，所述图像元阵列在所述裸眼3D自由立体LED显示屏中播放；所述裸眼3D自由立体LED显示屏为前述的集成成像裸眼3D自由立体LED显示屏。
本发明的有益效果是：
采用了本发明技术方案集成成像裸眼3D自由立体LED显示屏的集成成像裸眼3D自由立体LED显示***，由于将集成成像实现全景3D成像技术与LED显示***完美结合，不但不需要佩戴助视设备，而且观看距离较为灵活，串扰度也较小，能给人们带来更大的视觉享受和乐趣；同时LED显示屏还具有发光亮度高、功耗低、工作电压低、视角大、耐冲击、寿命长等诸多优点，符合当今节能环保的理念。
附图说明
图1是本发明具体实施方式一中集成成像裸眼3D自由立体LED显示***的组成原理图；
图2是本发明具体实施方式一中集成成像裸眼3D自由立体LED显示灯板的结构示意图，包括剖面图和正面视图；
图3是本发明具体实施方式一中裸眼3D自由立体LED显示灯板模组的结构示意图，包括剖面图和正面视图；
图4是本发明具体实施方式一中裸眼3D自由立体LED显示灯板模组的立体透视示意图；
图5是本发明具体实施方式一中图像单元的结构示意图，包括剖面图和正面视图；
图6是本发明具体实施方式一中平面的集成成像裸眼3D自由立体LED显示灯板的视角示意图；
图7是本发明具体实施方式二中曲面的集成成像裸眼3D自由立体LED显示灯板的视角示意图；
图8是本发明具体实施方式三中伪曲面的集成成像裸眼3D自由立体LED显示灯板的视角示意图；
图9是本发明具体实施方式四中扩展图像单元的结构示意图，包括剖面图和正面视图；
图10是本发明具体实施方式四中扩展图像单元的视角示意图。
上述各附图中的图示标号为：10图像单元，11LED像素灯，12平凸透镜，13挡光膜，20裸眼3D自由立体LED显示灯板模组，30裸眼3D自由立体LED显示灯板，24曲面裸眼3D自由立体LED显示灯板模组，40曲面裸眼3D自由立体LED显示灯板，25伪曲面裸眼3D自由立体LED显示灯板模组，50伪曲面裸眼3D自由立体LED显示灯板，60扩展图像单元，62扩展平凸透镜，63扩展挡光膜，70摄像头阵列，71摄像头，80图像元阵列，81图像元，91计算机，100裸眼3D自由立体LED显示屏。
另有：
角1为裸眼3D自由立体LED显示灯板30的视角；
角2为曲面裸眼3D自由立体LED显示灯板40的视角；
角3为伪曲面裸眼3D自由立体LED显示灯板50的视角；
角4为扩展图像单元60的视角；
角5为图像单元10的视角。
下面详细说明本发明提出的一种集成成像LED裸眼3D自由立体显示***及其显示屏的具体实施方式，对本发明进行进一步的具体描述。有必要在此指出的是，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，该领域技术熟练人员根据上述本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。
具体实施方式
实施例一
本具体实施方式提供的一种集成成像裸眼3D自由立体LED显示***如图1所示，包括：摄像头阵列70、视频采集卡、计算机91、视频控制器和裸眼3D自由立体LED显示屏100；摄像头阵列70与视频采集卡连接，所述视频采集卡可以是一块也可以是多块并负责采集摄像头阵列70获取的视频数据，所述视频采集卡与所述计算机91相连接，所述计算机91通过视频控制器与所述裸眼3D自由立体LED显示屏100相连接。
所述摄像头阵列70包含若干相同的摄像头71。所述摄像头71的等效焦距为设为f。需要说明的是，摄像头71可以是真实摄像头71，也可以是通过诸如3DS MAX（3D Studio Max，常简称为3ds Max或MAX，是Autodesk公司开发的基于PC***的三维动画渲染和制作软件）等电脑软件建立的虚拟摄像头71。
每一个摄像头71对应产生一个图像元81。图像元81中的像素经过上下左右翻转处理后，通过一一对应摄像头71的方式排列，以所述处理和排列方式在所述计算机91中通过数码图像处理技术拼接成一幅图像，该图像即为图像元阵列80。
所述计算机91为安装有显示控制软件的计算机91，其接收摄像头阵列70产生的图像元81图像信息，并将合成的图像元阵列80立体帧图像信号通过视频控制器转送到所述裸眼3D自由立体LED显示屏100，使得所述裸眼3D自由立体LED显示灯板30上显示所述图像元阵列80，图像元阵列80中的每个图像元81通过对应的图像单元10在空间重构原始被拍摄的物空间光学信息，通过集成的若干图像单元10的多重重构，使得裸眼3D自由立体LED显示灯板30可以显示出裸眼3D的效果。
本具体实施方式提供的一种裸眼3D自由立体LED显示屏100如图1中所示，包括集成成像裸眼3D自由立体LED显示灯板30以及驱动电路和扫描控制卡。如图2所示，所述集成成像裸眼3D自由立体LED显示灯板30包括若干阵列在一起的裸眼3D自由立体LED显示灯板模组20。每个裸眼3D自由立体LED显示灯板模组20如图1中所示通过驱动电路与一块扫描控制卡相连接，扫描控制卡之间通过千兆网级联方式或者UWB无线信号方式（图中未示出）连接到所述视频控制器，而每个裸眼3D自由立体LED显示灯板模组20则如图3和图4所示，包括若干图像单元10。所述图像单元10如图5所示，包括凸透镜12、设置在所述凸透镜12周缘的挡光膜13，以及所述凸透镜12所对应的多个LED像素灯11。
本具体实施方式中，所述LED像素灯11包括三个发光颜色分别为三基色(RGB，红绿蓝)的LED灯。所述凸透镜12为平凸透镜，所述平凸透镜一面为平面，另一面为凸面。所述LED像素灯11位于所述平面上，且所述LED像素灯11的发光中心位于凸透镜12的焦平面上，所述凸透镜12的焦距为Mf(M>0)。本具体实施方式中，所述平凸透镜的四周围边缘具有棱柱面，所述棱柱面的一侧与平凸透镜的所述平面垂直相交，且所述挡光膜13设置在所述棱柱面上。
需要注意的是，本具体实施方式中平凸透镜的底部的所述平面是正方形，但是实际上也可以设计为矩形或者正六边形，此时的好处是各平凸透镜之间可以实现无缝拼接。
本具体实施方式中，多个裸眼3D自由立体LED显示灯板模组阵列拼装形成一个平面的裸眼3D自由立体LED显示灯板30，但是实际上也可以由若干个图像单元10直接拼接成裸眼3D自由立体LED显示灯板30。
需要补充说明的是，观看角度（也就是视角）是针对特定观看距离L的，不同的观看距离L其视角不同。在距离所述裸眼3D自由立体LED显示灯板30L处的视角如图6中角1所示，在角1范围内，如图6中虚线所示的光路，每个所述图像单元10发出的光可以被观看者的眼睛接收到。
所述摄像头阵列70中摄像头71按照缩放到1/M大小的所述集成成像裸眼3D自由立体LED显示灯板中的图像单元10的排列方式进行排放，每一个摄像头71对应一个图像单元10。所述摄像头阵列70的每个摄像头71一起拍摄空间景物，获取各自的底片图像元81。同一时刻拍摄的所有底片图像元81依照相应摄像头71的排列方式合成为一副图像元阵列80。计算机91将所述图像元阵列80在集成成像裸眼3D自由立体LED显示屏中显示，每个所述图像单元10显示空间景物的一部分信息；所述空间景物的一部分信息由一个摄像头71对应的底片图像元81提供。由高斯成像公式和成像原理可知，集成成像裸眼3D自由立体LED显示屏的光路是整个拍摄成像***光路的M倍，根据光路可逆原理，即可在裸眼3D自由立体LED显示屏100前光学重构起被放大了M倍的物空间，从而达到裸眼3D自由立体显示的目的。通过在所述LED裸眼3D自由立体显示屏100上播放由摄像头阵列70得到的视频文件，人们即可在所述LED裸眼3D自由立体显示屏100前的一定角度内裸眼观看到3D立体像。
实施例二
本具体实施方式中，为了增大观看视角，可以如图7所示，将具体实施方式一中若干图像单元10在一个曲面内装配成曲面的LED裸眼3D显示屏40，在距离该曲面LED裸眼3D显示屏40L处的视角为角2，在所述角2范围内，如图7中虚线所示的光路，每个所述图像单元10发出的光可以被观看者的眼睛接收到。从图7中可以看出，决定所述角2大小的因素是所述曲面LED裸眼3D显示屏40最边缘的图像单元10光发射角在L处的重合区域，所述重合区域相对于所述曲面LED裸眼3D显示屏40的张角即为角2。结合图6和图7，可以看出，由于图7中的图像单元10的倾斜作用，使得图7中曲面LED裸眼3D显示屏40最边缘的图像单元10光发射角在L处的重合区域相比图6中的大，因此角2相比具体实施方式一中的角1有比较明显的增大。所述曲面可以是水平展开形状为矩形的圆弧曲面，也可以是球形曲面。展开形状为矩形的圆弧曲面屏可以增加水平方向的观看视角，而球形曲面屏不但可以增加水平方向的视角，还可以增加竖直方向的视角。
实施例三
本具体实施方式中，为了增大观看视角且节省显示屏所占空间，将具体实施方式二中各图像单元10保持自身倾斜角度平移到同一平面内，并装配成如图8所示伪曲面的裸眼3D自由立体LED显示灯板50,此时所述伪曲面的集成成像裸眼3D自由立体LED显示灯板50表现为一个平面，但是平面中的各图像单元10具有大小方向不一的偏转角度，且各图像单元10的偏转角度的大小和方向与拼装成实施例二中球形曲面屏或圆弧形曲面屏时各图像单元10的偏转角度大小和方向一一对应。
此时，在距离该伪曲面LED裸眼3D显示屏50L处的视角为角3，在所述角3范围内，如图8中虚线所示的光路，每个所述图像单元10发出的光可以被观看者的眼睛接收到。从图8中可以看出，决定所述角3大小的因素是所述伪曲面LED裸眼3D显示屏50最边缘的图像单元10光发射角在L处的重合区域，所述重合区域相对于所述伪曲面LED裸眼3D显示屏50的张角即为角3。结合图6和图8，可以看出，由于图8中的图像单元10的倾斜作用，使得图8中曲面LED裸眼3D显示屏50最边缘的图像单元10光发射角在L处的重合区域相比图6中的大，因此角2相比具体实施方式一中的角1有比较明显的增大；而且由于所述伪曲面LED裸眼3D显示屏50被装配在同一平面内，相比于具体实施方式二中的曲面LED裸眼3D显示屏40节省了空间且具有装配稳固安全的优点。
实施例四
本具体实施方式提供另一种增大视角的方案，将具体实施方式一、二或三中的图像单元10用扩展图像单元60替换。所述图像单元60如图9所示，包括扩展平凸透镜62、设置在所述扩展平凸透镜62周缘的扩展挡光膜63，以及所述扩展平凸透镜62所对应的多个LED像素灯11。所述扩展平凸透镜62为平凸透镜，所述扩展平凸透镜62一面为平面，另一面为凸面。所述LED像素灯11位于所述平面上，且所述LED像素灯11的发光中心位于扩展平凸透镜62的焦平面上。本具体实施方式中，所述扩展平凸透镜62的四周围边缘具有棱锥面，所述棱锥面的一侧与扩展平凸透镜62的所述平面相交成锐角，且所述挡光膜13设置在所述棱锥面上。
需要注意的是，扩展平凸透镜62的底面也可以设计为正方形、矩形、正六边形中的一种此时的好处是各扩展平凸透镜62之间可以实现无缝拼接。
如图10所示，在距离扩展图像单元60L处的视角为角4，在所述角4范围内，如图10中实线所示的光路，扩展图像单元60发出的光可以被观看者的眼睛接收到。在图10中根据图像单元10的发光区域使用虚线标示了图像单元10的光路，在如图10中所示在距离图像单元10L处的视角角5范围内，图像单元10发出的光可以被观看者的眼睛接收到。很显然扩展图像单元60前L处的视角角4大于图像单元10前L处的视角角5，由扩展图像单元60最终形成的集成成像裸眼3D自由立体LED显示屏的视角也会相应增大。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种集成成像裸眼3D自由立体LED显示屏，其特征在于，所述集成成像裸眼3D自由立体LED显示屏包括集成成像裸眼3D自由立体LED显示灯板以及与所述集成成像裸眼3D自由立体LED显示灯板相连接的驱动电路，所述驱动电路与扫描控制卡相连接；所述集成成像裸眼3D自由立体LED显示灯板包括阵列拼装在一起的若干个图像单元；所述图像单元包括平凸透镜、设置在所述平凸透镜周缘的挡光膜，以及多个LED像素灯；所述平凸透镜一面为平面，另一面为凸面，所述LED像素灯位于所述平面上，且LED像素灯的发光中心位于平凸透镜的焦平面上；
所述若干个图像单元阵列拼装形成一个伪曲面的集成成像裸眼3D自由立体LED显示灯板，所述伪曲面的集成成像裸眼3D自由立体LED显示灯板表现为一个平面，但是平面中的各图像单元具有大小方向不一的偏转角度，且各图像单元的偏转角度的大小和方向与拼装成圆弧曲面显示屏或球形曲面显示屏时各图像单元的偏转角度大小和方向一一对应。
2.如权利要求1所述的集成成像裸眼3D自由立体LED显示屏，其特征在于，所述平凸透镜的四周围边缘具有棱柱面，所述棱柱面的一侧与平凸透镜的所述平面垂直相交，且所述挡光膜设置在所述棱柱面上。
3.如权利要求1所述的集成成像裸眼3D自由立体LED显示屏，其特征在于，所述平凸透镜的四周围边缘具有棱锥面，所述棱锥面的一侧与平凸透镜的所述平面相交成锐角，且所述挡光膜设置在所述棱锥面上。
4.如权利要求1所述的集成成像裸眼3D自由立体LED显示屏，其特征在于，平凸透镜的所述平面为正方形、矩形、正六边形中的一种。
5.如权利要求1至4中任意一项所述的集成成像裸眼3D自由立体LED显示屏，其特征在于，所述集成成像裸眼3D自由立体LED显示灯板包括多个裸眼3D自由立体LED显示灯板模组，每个所述裸眼3D自由立体LED显示灯板模组包括多个阵列拼装在一起的所述图像单元。
6.一种集成成像裸眼3D自由立体LED显示***，包括安装有显示控制软件的计算机，以及通过视频控制器与所述计算机连接的集成成像裸眼3D自由立体LED显示屏，其特征在于，所述集成成像裸眼3D自由立体LED显示***还包括摄像头阵列，所述摄像头阵列通过视频采集卡连接到所述计算机，所述计算机将所述摄像头阵列在同一时刻获取的图像元按照摄像头阵列的排列方式合成图像元阵列，且每个所述图像元中的像素在计算机中经过左右上下翻转处理，所述图像元阵列在所述裸眼3D自由立体LED显示屏中播放；所述裸眼3D自由立体LED显示屏为权利要求1至5中任意一项所述的集成成像裸眼3D自由立体LED显示屏。
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