CN107193124A - 集成成像高密度小间距led显示参数设计方法 - Google Patents

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Abstract

集成成像高密度小间距LED显示参数设计方法属立体视频显示技术领域，本发明将透镜阵列与超高密度小间距LED显示屏进行参数匹配，根据显示参数生成所需的真三维视频源(立体元图像阵列)。透镜阵列为内切圆形孔径的平凸透镜；采用实景拍摄和虚拟生成两种方式获取立体元图像阵列。本发明可实现裸眼3D立体显示，其立体显示效果突出、色彩鲜艳。

Description

集成成像高密度小间距LED显示参数设计方法
技术领域
本发明属于立体视频显示技术领域，具体涉及一种基于LED的集成成像参数设计方法。
背景技术
完全再现真实自然空间的景象一直是人类希望达到的目标之一，为了达到这个目标，几代科学家付出了艰辛的努力，三星、LG、索尼、夏普、飞利浦等跨国公司都已经投入巨资进行三维显示技术的研究，但目前的产品还只能通过人类的视觉错觉达到立体效果。此类产品由于丢失了光波所携带的相位信息，因而不可能实现真三维的显示。真三维显示是一种全新的三维图像显示技术，该技术通过光线叠加重构出原始场景的立体光学模型，恢复了在投影过程中丢失的真实场景的相对深度信息，观看者只需裸眼即可观看到具有物理景深的三维图像，具有图像色彩真实、视差完整、多视角、多人同时观看、即时交互等优点，它将引领科学可视化进入崭新的发展方向，在娱乐、医学、军事、生产、生活等领域中具有广泛的应用前景。
真三维显示技术主要包括集成成像技术(Integral Imaging)、全息显示技术和体显示技术等。全息术在显示彩色运动影像方面存在技术瓶颈，目前还难以实用。体显示技术虽然可以提供360o全方位的悬浮在空间中、非常鲜明生动的立体图像，但是它却受限于接近于真空环境的球形或圆柱形的保护罩式显示空间(保护罩的体积难以突破0.1立方米)，而且也无法显示拥有较大景深的画面，应用范围受到限制。相比之下，集成成像技术的采集和成像过程简单，是点到点的3D空间信息，能够重构出包含全真色彩以及连续视差的真实3D影像，即可用于静态场景也可用于动态视频显示，立体图像的大小仅取决于平板显示器的尺寸，如果采用光学投影仪与反射镜矩阵的集成和LED显示载体，可以实现电影级别(画面尺寸达到200英寸以上)的显示，这使得集成成像技术几乎满足了人们对理想立体显示的各项要求。因此，虽然目前集成成像技术还处于研究和发展中，具有很大的挑战性，但是它展现出了诱人的前景，已经逐渐成为了真实立体显示技术的主流发展方向。
随着技术的发展，LED显示器的像素点距越来越小，清晰度越来越高，像素点间距小于1.5mm的LED显示屏可视为高密度小间距LED显示屏。本发明提出了一种针对高密度小间距LED显示器的集成成像显示参数设计方法，实现基于LED的集成成像裸眼3D立体显示。
发明内容
本发明的目的在于提供一种集成成像高密度小间距LED显示参数设计方法，并根据显示参数生成真三维视频源，解决目前没有技术将透镜阵列与LED显示屏进行参数匹配，真正实现基于LED的集成成像裸眼3D立体显示。
本发明的集成成像高密度小间距LED显示参数设计方法，包括下列步骤：
1.透镜阵列2与高密度小间距LED显示屏1的参数匹配：
设计透镜阵列2中透镜元3的形状、孔径、排列方式、光学参数的焦距、折射率、曲率半径，建立不同立体显示模式：实模式、虚模式、聚焦模式下的光学成像模型，具体包括下列步骤：
1.1.透镜元3的参数设计：
设透镜阵列2中透镜元3的形状为圆形、阵列排列、孔径为P2、焦距为f、折射率为n，则曲率半径r＝f(n-1)、球缺高
设高密度小间距LED显示屏1像素尺寸为φ，则透镜元3内所含像素数量为
当高密度小间距LED显示屏1与透镜阵列2之间的距离g2大于透镜阵列2的焦距f时，为实模式，此时实模式中立体图像的分辨率R、视角θ、深度ΔZ分别为：
当高密度小间距LED显示屏1与透镜阵列2之间的距离g2小于透镜阵列2的焦距f时，为虚模式，有虚模式中立体图像的分辨率、视角、深度与实模式的相同；
当高密度小间距LED显示屏1与透镜阵列2之间的距离g2等于透镜阵列2的焦距f时，为聚焦模式，立体图像的像距L2≈∞；聚焦模式中立体图像的分辨率R、视角θ、深度ΔZ分别为：
1.2建立采集与显示间的光学映射模型：
设采集端的物距、相机焦距、相机阵列镜头间距、相邻立体元图像间视差分别为L1、g1、P1、D；显示端的像距、透镜阵列2与LED显示屏1的距离、透镜阵列2的间距、相邻立体元图像间视差分别为L2、g2、P2、d；β为放大系数，则采集与显示端的光学映射关系为：
1.3真三维视频获取：
真三维视频的获取包括计算机虚拟采集和实景采集；
1.3.1计算机虚拟采集过程中虚拟相机的视角α、数量M、间距P1满足虚拟相机的分辨率与显示端透镜元3内所含像素数量一致，即N×N；
1.3.2实景采集过程中按相机间距分为等间隔P1＝C、非等间隔P1≠C，C为常数；按拍摄方式分为平行拍摄与汇聚拍摄，包括下列步骤：
1.3.2.1计算每幅拍摄图像与其水平相邻视点图像间的视差：
将均方误差最小的点判定为匹配点，即：
D＝minMSE(m)；
式中：IL、IR为左右视点图像；k,l为像素点坐标；m为像素平移距离；T为视点图像宽度；D为视差值；同理可求垂直视点间的视差；
1.3.2.2重构拍摄对象的空间位置：
设L1为物点S到相机的距离，g1为相机焦距，D为视差，则L1＝g1×B/D，D＝XL+XR，其中XL、XR分别为物点S在左右视图中的成像点距离图像中心的横向距离；物点S相对于左侧相机中心的横向和纵向距离X和Y分别为X＝XL×B/D、Y＝YL×B/D；
1.3.2.3反向映射生成立体元图像阵列：
当物点映射在透镜元3的成像范围内，则将该物点的像素值记录在对应的立体元图像中；当物点映射在透镜元3的成型范围外，则将该物点舍弃；物点S在某个透镜元中的成像位置为：
x＝f×(X-Xlens)/(Z-Zlens)
y＝f×(Y-Ylens)/(Z-Zlens)
其中：x、y为成像点的位置坐标；X、Y、Z为物点S的空间位置坐标；Xlens、Ylens、Zlens为透镜元3的中心位置坐标；立体元图像的分辨率与显示端透镜元3内所含像素数量一致，即N×N。
本发明的积极效果在于：提供一种集成成像高密度小间距LED显示参数设计方法，将透镜阵列与LED显示屏进行参数匹配，根据显示平台生成所需的真三维视频源，实现基于LED的集成成像裸眼3D立体显示。
附图说明
图1为集成成像高密度小间距LED显示参数设计方法的原理图
图2为透镜元模板设计示意图
图3为实模式立体显示示意图
图4为虚模式立体显示示意图
图5为聚焦模式立体显示示意图
图6为集成成像显示平台光学设计示意图
图7为采集与显示间光学映射模型示意图
图8为计算机虚拟采集示意图
图9为实景采集示意图
图10为相机阵列排列结构示意图
图11为重构拍摄对象空间位置示意图
图12为反向映射生成立体元图像阵列示意图
其中：1.高密度小间距LED显示屏 2.透镜阵列 3.透镜元 4.基底 5.中心深度平面6.真实或虚拟相机阵列 7.真实或虚拟焦平面
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细的说明。
图1为集成成像高密度小间距LED显示参数设计方法的原理图。(1)为高密度小间距LED显示屏、(2)为透镜阵列、(3)为透镜元。
图2为透镜元模板设计示意图。(3)为透镜元、(4)为基底。
设透镜阵列(2)中透镜元(3)的形状为圆形、阵列排列、孔径为P2、焦距为f、折射率为n，则曲率半径r、球缺高h分别为：
r＝f(n-1) \*MERGEFORMAT(1)
设高密度小间距LED显示屏(1)像素尺寸为φ，则透镜元(3)内所含像素数量为：
图3为实模式立体显示示意图。当高密度小间距LED显示屏(1)与透镜阵列(2)之间的距离g2大于透镜阵列(2)的焦距f时，为实模式，此时：
图4为虚模式立体显示示意图。当高密度小间距LED显示屏(1)与透镜阵列(2)之间的距离g2小于透镜阵列(2)的焦距f时，为虚模式，有
图5为聚焦模式立体显示示意图。当高密度小间距LED显示屏(1)与透镜阵列(2)之间的距离g2等于透镜阵列(2)的焦距f时，为聚焦模式，立体图像的像距L2≈∞；
图6为集成成像显示平台光学设计示意图。(5)为中心深度平面。LED显示屏发出的光线经透镜阵列折射后汇聚于中心深度平面。立体图像的中心位于中心深度平面。当立体显示模式为实模式和虚模式时，立体图像的分辨率R、视角θ、深度ΔZ分别为：
在聚焦模式下：
式中L2为像距、P2为透镜元孔径、为LED像素点尺寸。
图7为采集与显示间光学映射模型示意图。在计算机虚拟采集过程中，(6)为虚拟相机阵列、(7)为虚拟焦平面；在实景采集过程中，(6)为真实相机阵列、(7)为焦平面。根据几何光学，设采集端的物距、相机焦距、相机阵列镜头间距、相邻立体元图像间视差分别为L1、g1、P1、D；显示端的像距、透镜阵列(2)与LED显示屏(1)的距离、透镜阵列(2)的间距、相邻立体元图像间视差分别为L2、g2、P2、d；β为放大系数，则采集与显示端的光学映射关系为
图8为计算机虚拟采集示意图。计算机虚拟采集是利用计算机对光学采集***进行模拟，根据计算机图形学记录虚拟场景的三维信息。计算机虚拟采集过程中虚拟相机的视角α、数量M、间距P1满足
虚拟相机的分辨率与显示端透镜元(3)内所含像素数量一致，即N×N；
图9为实景采集示意图，包括相机阵列、计算机、服务器、路由器、同步信号控制器。图10为相机阵列排列结构示意图：按相机间距可分为为等间隔P1＝C、非等间隔P1≠C，C为常数；按拍摄方式可分为平行拍摄与汇聚拍摄。每个相机获取不同视角下的视点图像，利用视差确定三维空间点的空间坐标，反向映射生成立体元图像阵列。包括下列步骤：
首先计算每幅拍摄图像与其水平相邻视点图像间的视差，并将均方误差最小的点判定为匹配点，即
D＝minMSE(m) \*MERGEFORMAT(17)
式中IL、IR为左右视点图像，k、l为像素点坐标，m为像素平移距离，T为视点图像宽度，D为视差值。同理可求垂直视点间的视差。
然后重构拍摄对象的空间位置，如图11所示：
L1＝g1×B/D \*MERGEFORMAT(18)
X＝XL×B/D \*MERGEFORMAT(19)
Y＝YL×B/D \*MERGEFORMAT(20)
D＝XL+XR \*MERGEFORMAT(21)
其中，L1为物点S到相机的距离，g1为相机焦距，XL、XR分别为物点S在左右视图中的成像点距离图像中心的横向距离。X和Y分别为物点S相对于左侧相机中心的横向和纵向距离。
最后采用反向映射的方式生成立体元图像阵列。如果物点映射在透镜元的成像范围内，则将该物点的像素值记录在对应的立体元图像中；如果物点映射在透镜元的成型范围外，则将该物点舍弃。如图12所示，物点S在某个透镜元中的成像位置为：
x＝f×(X-Xlens)/(Z-Zlens) \*MERGEFORMAT(22)
y＝f×(Y-Ylens)/(Z-Zlens) \*MERGEFORMAT(23)
式中x、y为成像点的位置坐标，X、Y、Z为物点S的空间位置坐标，Xlens、Ylens、Zlens为透镜元中心位置坐标。立体元图像的分辨率与显示端透镜元(3)内所含像素数量一致，即N×N。

Claims (1)

1.一种集成成像高密度小间距LED显示参数设计方法，其特征在于包括下列步骤：
1.1透镜阵列(2)与高密度小间距LED显示屏(1)的参数匹配：
设计透镜阵列(2)中透镜元(3)的形状、孔径、排列方式、光学参数的焦距、折射率、曲率半径，建立不同立体显示模式：实模式、虚模式、聚焦模式下的光学成像模型，具体包括下列步骤：
1.1.1透镜元(3)的参数设计：
设透镜阵列(2)中透镜元(3)的形状为圆形、阵列排列、孔径为P2、焦距为f、折射率为n，则曲率半径r＝f(n-1)、球缺高
设高密度小间距LED显示屏(1)像素尺寸为φ，则透镜元(3)内所含像素数量为
当高密度小间距LED显示屏(1)与透镜阵列(2)之间的距离g2大于透镜阵列(2)的焦距f时，为实模式，此时实模式中立体图像的分辨率R、视角θ、深度ΔZ分别为：
当高密度小间距LED显示屏(1)与透镜阵列(2)之间的距离g2小于透镜阵列(2)的焦距f时，为虚模式，有虚模式中立体图像的分辨率、视角、深度与实模式的相同；
当高密度小间距LED显示屏(1)与透镜阵列(2)之间的距离g2等于透镜阵列(2)的焦距f时，为聚焦模式，立体图像的像距L2≈∞；聚焦模式中立体图像的分辨率R、视角θ、深度ΔZ分别为：
1.1.2建立采集与显示间的光学映射模型：
设采集端的物距、相机焦距、相机阵列镜头间距、相邻立体元图像间视差分别为L1、g1、P1、D；显示端的像距、透镜阵列(2)与LED显示屏(1)的距离、透镜阵列(2)的间距、相邻立体元图像间视差分别为L2、g2、P2、d；β为放大系数，则采集与显示端的光学映射关系为：
1.2真三维视频获取：
真三维视频的获取包括计算机虚拟采集和实景采集；
1.2.1计算机虚拟采集过程中虚拟相机的视角α、数量M、间距P1满足虚拟相机的分辨率与显示端透镜元(3)内所含像素数量一致，即N×N；
1.2.2实景采集过程中按相机间距分为等间隔P1＝C、非等间隔P1≠C，C为常数；按拍摄方式分为平行拍摄与汇聚拍摄，包括下列步骤：
1.2.2.1计算每幅拍摄图像与其水平相邻视点图像间的视差：
将均方误差最小的点判定为匹配点，即：
D＝minMSE(m)；
式中：IL、IR为左右视点图像；k,l为像素点坐标；m为像素平移距离；T为视点图像宽度；D为视差值；同理可求垂直视点间的视差；
1.2.2.2重构拍摄对象的空间位置：
设L1为物点S到相机的距离，g1为相机焦距，D为视差，则L1＝g1×B/D，D＝XL+XR，其中XL、XR分别为物点S在左右视图中的成像点距离图像中心的横向距离；物点S相对于左侧相机中心的横向和纵向距离X和Y分别为X＝XL×B/D、Y＝YL×B/D；
1.2.2.3反向映射生成立体元图像阵列：
当物点映射在透镜元(3)的成像范围内，则将该物点的像素值记录在对应的立体元图像中；当物点映射在透镜元(3)的成型范围外，则将该物点舍弃；物点S在某个透镜元中的成像位置为：
x＝f×(X-Xlens)/(Z-Zlens)
y＝f×(Y-Ylens)/(Z-Zlens)
其中：x、y为成像点的位置坐标；X、Y、Z为物点S的空间位置坐标；Xlens、Ylens、Zlens为透镜元(3)的中心位置坐标；立体元图像的分辨率与显示端透镜元(3)内所含像素数量一致，即N×N。
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