CN110035274B - 基于光栅的三维显示方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及三维图像显示技术领域，更具体地，涉及基于光栅的三维显示方法，本专利所述方法通过提高观察者双目所在区域的视点分布密度，可以实现单目多视图呈现，从而提高三维视觉舒适度。该方法根据观察者眼睛所在空间位置，改变光栅的相关参数，使过相邻视区整体或部分区域的光线入射观察者左瞳，同时使过另外的相邻视区整体或部分区域的光线入射观察者右瞳。观察者双瞳各自对应视区在空间上的相互分离，借助其它向观察者左右眼睛分别投射不同图像的方法来实现，或通过光栅单元排列方向的设计来实现。

Description

基于光栅的三维显示方法

技术领域

本发明涉及三维图像显示技术领域，更具体地，涉及基于光栅的三维显示方法。

背景技术

在现实的三维世界里，二维显示由于丢失了第三维上的深度信息而不完美，所以，呈现立体场景的三维显示技术受到越来越多的关注。光栅式三维显示技术兼容于主流平板显示器的特性，使其成为目前实用化最为广泛的三维技术。通过光栅的分光功能，传统光栅式三维显示技术引导显示屏不同组的像素出射光束可见于不同视区，使处于不同视区对应视点附近的观察者双目可以分别接收来自不同像素组的光信息，基于双目视差实现三维图像的呈现。受显示屏空间带宽积的限制，光栅式显示技术所能呈现的视区及其对应的视点数目是有限的；同时为了确保观察者双目都能接收到对应光学信息，有限数目的视区需要覆盖观察者双目，由此导致相邻视区的间距较大，该较大的相邻视区间距意味着观察者的各个眼睛只能接收到一个二维视图。为了看清楚各自对应的一个二维视图，观察者双目必须聚焦于呈现二维视图的显示屏，而基于双目视差原理获得三维视觉时，双目的视向夹角是相对于显示的空间三维光点的，由此导致的聚焦-会聚冲突，会引起观察者的头晕和各种视觉不适。

在现有的基于光栅的三维显示技术中，光栅单元的长向和观察者双目连线方向都是大角度放置的，显示屏有限分辨率导致的数目非常有限的视区，其长向和光栅单元长向一致，则沿双目连线方向视区分布区域需要覆盖观察者双目的要求，导致沿双目连线方向相邻视区的间距需要比较大，从而无法实现单目多视图（包括两视图）的呈现，而各目分别只能接收一幅对应二维视图的三维显示方法存在聚焦距离和会聚距离的不一致的问题，是观看三维图像时视觉不适的重要根源之一。同时，现有的各种非光栅的三维显示技术，比如采用两个显示器的头盔式虚拟/增强现实技术、佩戴偏光眼镜或快门眼镜的三维技术，也都是通过显示面上两个等效屏（例如头盔式虚拟/增强现实***中两等效屏为两显示器的虚像、偏光眼镜式三维***中两等效屏为两投影仪在幕布上的投影）向观察者刷双目分别呈现一个对应二维视图来实现三维呈现，也存在聚焦距离和会聚距离不一致的问题。

若单目可以获取两幅或更多幅的二维视图，来自于该两幅而更多幅二维视图的、过显示物点的光线，会在显示物点叠加，形成单目可以聚焦的物点，从而克服上述聚焦-会聚冲突。

发明内容

本发明的目的在于克服现有三维显示技术的不足，提供一种基于光栅的三维显示方法，通过提高观察者瞳孔处所能呈现视点密度实现单目多视图（包括两视图）的三维显示技术，以实现舒适的三维视觉。本发明通过一维光栅进行分光形成视区，以下部分中，定义一维光栅的光栅单元排列方向的垂向为光栅单元长向，其形成各视区的长向和该光栅单元长向一致。本发明采用的技术方案是：

提供一种基于光栅的三维显示方法，包括以下步骤：

S1. 在时间点t+l×∆t，通过追踪定位，确定观察者双瞳空间位置，其中l为自然数；

S2. 沿呈现像素光信息的显示屏出射光线传输方向，置一维光栅于显示屏前，该一维光栅对显示屏像素出射光束进行分光，使N组像素分别可见于N个视区，其中N为正整数；

S3. 设计一维光栅的光栅参数和光栅单元长向相对观察者双瞳中心连线的倾角θ，使一维光栅分光形成视区中存在对应观察者左瞳的、由两个或两个以上视区组成的左视区组，该左视区组内各视区对应像素出射光束均可入射左瞳，也存在对应观察者右瞳的、由两个或两个以上视区组成的右视区组，该右视区组内各视区对应像素出射光束均可入射右瞳；

S4. 在左视区组各视区内分别取点作为该视区对应视点，在右视区组各视区内分别取点作为该视区对应视点；

S5. 左右视区组对应的显示屏上各像素，相对各自对应视区内视点加载视图信息；

S6. 在下一个时间点t+l×∆t+∆t，重复执行步骤S1～S5。

上述方案中，主要根据观察者的空间位置，通过设计一维光栅的光栅参数和光栅单元长向相对观察者双瞳中心连线的倾角θ，使得观察者左瞳可以接收至少两个相邻视区对应像素所能呈现的至少两幅二维视图，同时右瞳也可以接收至少两个另外的相邻视区对应像素所能呈现的至少两幅二维视图，以实现舒适的三维视觉。

在一个优选的实施方式中，步骤S4具体包括：作左、右两条分别过左、右瞳的线，分别命名为左、右视点定位线，左视区组各视区内取左视点定位线上的点作为该视区对应视点，右视区组各视区内取右视点定位线上的点作为该视区对应视点，且同一视区组内相邻两视区对应视点间距小于或等于瞳孔直径。可以理解的是，通过作左、右视点定位线的方式选取所述各视区对应视点仅仅是其中一种优选的实施方式。在其他实施方式也可以采用直接视区内取点等方式确定所述左视区组各视区对应视点和所述右视区组各视区对应视点。

在一个更优选的实施方式中，上述三维显示方法通过一维光栅进行分光，使显示屏N组像素分别可见于N个视区中的一个，其中N为正整数，所述三维显示方法还包括时分复用步骤，该时分复用步骤包括以下步骤：

P1. 在时间点t+l×∆t，基于步骤S1确定观察者瞳孔的空间位置，并采用步骤S3、S4所确定一维光栅的光栅参数、光栅单元长向相对观察者双瞳中心连线的倾角θ、所述左右视区组及其对应视点，编号N组像素和N个视区，使像素组n对应视区n，左右视区组对应的显示屏上各像素，相对各自对应视区内视点加载视图信息，其中，l、n为自然数，且1≤n≤N；

P2. 在时间点t+l×∆t至时间点t+l×∆t+∆t之间的时间点t+l×∆t+k×∆t/N，平移一维光栅，使像素组n各像素在n+k≤N时为视区n+k内可视，在n+k>N时为视区n+k-N内可视，左右视区组对应的显示屏上各像素，相对各自对应视区内视点加载视图信息，其中k为自然数，1≤k≤N-1；

P3. 在时间点t+l×∆t和时间点t+l×∆t+∆t之间的、N-1个间隔∆t/N的时间点的部分或全部，分别执行步骤P2。

本发明一种基于光栅的三维显示的一种替代方式，包括以下步骤:

SS1. 采用具有向观察者双目分别投射相异图像能力的显示装置为图像输入装置，该显示装置包含承载像素光信息的显示屏；

SS2. 在时间点t+l×∆t，通过追踪定位，确定观察者双瞳空间位置，其中l为自然数；

SS3. 沿显示屏出射光线传输方向置一维光栅于显示屏前，该一维光栅对显示屏像素出射光束进行分光，使显示屏N组像素分别可见于N个视区，其中N为正整数；

SS4. 设计一维光栅的光栅参数和光栅单元长向相对观察者双瞳中心连线的倾角θ，结合显示装置向观察者双目分别投射相异图像的能力，使一维光栅分光形成视区中存在对应观察者左瞳的、由两个或两个以上视区组成的左视区组，该左视区组内各视区对应像素出射光束均可入射左瞳，也存在对应观察者右瞳的、由两个或两个以上视区组成的右视区组，该右视区组内各视区对应像素出射光束均可入射右瞳；

SS5. 在左视区组各视区内分别取点作为该视区对应视点，在右视区组各视区内分别取点作为该视区对应视点；

SS6. 左右视区组对应的显示屏上各像素，相对各自对应视区内视点加载视图信息；

SS7. 在下一个时间点t+l×∆t+∆t，重复执行步骤SS2～SS6。

在一个优选地实施方式中，步骤SS5具体包括：作左、右两条分别过左、右瞳的线，分别命名为左、右视点定位线，在左视区组各视区内分别取左视点定位线上点作为该视区对应视点，在右视区组各视区内分别取右视点定位线上点作为该视区对应视点，且同一视区组内相邻两视区对应视点间距小于或等于观察者瞳孔直径。

可以理解的是，通过作左、右视点定位线的方式选取所述各视区对应视点仅仅是其中一种优选的实施方式。其他实施方式可以是在同视区组内相邻视区间距小于或等于观察者瞳孔直径的前提下各视区内直接选视点。

在一个更优选的实施方式中，上述三维显示方法通过一维光栅进行分光，使显示屏上N组像素分别可见于N个视区中的一个，所述三维显示方法还包括时分复用步骤，该时分复用步骤包括以下步骤：

P1. 在时间点t+l×∆t，基于步骤SS2确定观察者瞳孔的空间位置，并采用步骤SS4、SS5所确定一维光栅的光栅参数、光栅单元长向相对观察者双瞳中心连线的倾角θ、所述左右视区组及其对应视点，编号N组像素和N个视区，使像素组n对应视区n，左右视区组对应的显示屏上各像素，相对于各自对应视区内视点加载视图信息，其中，l、n为自然数，1≤n≤N；

P2. 在时间点t+l×∆t至时间点t+l×∆t+∆t之间的时间点t+l×∆t+k×∆t/N，平移一维光栅，使像素组n各像素在n+k≤N时为视区n+k内可视，在n+k>N时为视区n+k-N内可视，左右视区组对应的显示屏上各像素，相对各自对应视区内视点加载视图信息，其中k为自然数，1≤k≤N-1；

P3. 在时间点t+l×∆t和时间点t+l×∆t+∆t之间的、N-1个间隔∆t/N的时间点的部分或全部，分别执行步骤P2。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：即使相邻视区间距较大，也可以通过控制相邻视区边界于观察者各目瞳孔处，实现单目两视图呈现，或则在相邻视区间距较小的情况下，直接由一维光栅分光实现单目多视图呈现；针对观察者双目，即使相邻视区间距较小，也可以通过设计光栅单元走向相对于双目连线方向的角度，仅靠有限数量的小间距（小于瞳孔直径）视区即可覆盖观察者双目，或者结合其它的双目相异图像投射装置实现舒适的双目三维视觉呈现。进一步地，本发明通过时分复用改善显示分辨率，进一步地提高显示效果。

附图说明

图1是本发明实施例通过两视区相邻部分区域实现单目双视图呈现的基于光栅的三维显示方法的实现原理示意图。

图2是本发明实施例通过单瞳跨越多个视区实现单目多视图呈现的基于光栅的三维显示方法的实现原理示意图。

图3是本发明实施例结合基于光栅的双目相异图像投射装置的、通过两视区相邻部分区域实现单目双视图呈现的基于光栅的三维显示方法的实现原理示意图。

图4是本发明实施例结合基于光栅的双目相异图像投射装置的、通过单瞳跨越多个视区实现单目多视图呈现的基于光栅的三维显示方法的实现原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明做进一步详细说明。附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

实施例1

本发明一种基于光栅的三维显示方法利用一维光栅对显示屏像素出射光束进行分光。沿显示屏出射光线传输方向置一维光栅于显示屏前，该一维光栅对显示屏像素出射光束进行分光，使不同组像素分别可见于不同视区，如图1所示视区1、2、3、4、5、6、7、8和9。一维光栅的光栅参数使相邻视区沿光栅单元长向垂向方向的间距d较大，观察者瞳孔无法完全覆盖一个完整的视区。在时间点t+l×∆t（l为自然数），通过追踪定位，确定观察者双瞳空间位置。根据观察者双瞳位置，设计一维光栅的光栅参数和光栅单元长向相对观察者双瞳中心连线的倾角θ，使一维光栅分光形成视区中存在对应观察者左瞳的两相邻视区，如图1中的视区3和视区4，经它们相邻各部分区域，视区3和视区4对应像素均可以为观察者左眼所观察到，该两视区分别对应命名为左视区3和左视区4；也存在对应观察者右瞳的另外两个相邻视区，如图1中的视区6和视区7，经它们相邻各部分区域，视区6和视区7对应像素均可以为观察者右眼所观察到，该两视区分别对应命名为右视区6和右视区7。左视区3和左视区4组成左视区组，右视区6和右视区7组成右视区组。过左瞳和右瞳分别做两条线，分别命名为左、右视点定位线，如图1所示。左视区组各视区内取对应视点(分别命名为左视点3和4)于定位线上，右视区组各视区内取对应视点(分别命名为右视点6和7)于定位线上，且同一视区组对应两视点间距小于或等于观察者瞳孔直径D _e 。图1各视点定位线为各自过对应瞳孔的直线，所取左视点3和左视点4处于左瞳内，右视点6和右视点7处于右瞳内。各视点定位线实际上也可以是过各自对应瞳孔的曲线，这也适用于以下各实施例。进一步的，在实际***中，上述视点定位线也可以是虽然不过左、右瞳，但沿双目连线方向间距为左、右瞳间距的两条线，只是在该设计下，显示空间光点的位置会发生一定尺度上的偏离。该视点定位线的扩展特性也适用于以下各实施例。该视点确定的方法，也可以不采用视点定位线，例如左右视区组内各视区对应视点，选取为该视区和观察者瞳孔重叠区域内的一点，这也适用于以下各实施例。左视区3在显示屏上对应的像素加载以左视点3为视点的视图，左视区4在显示屏上对应的像素加载以左视点4为视点的视图，右视区6在显示屏上对应的像素加载以右视点6为视点的视图，右视区7在显示屏上对应的像素加载以右视点7为视点的视图。观察者的各瞳将分别收到两幅视图，通过该两幅视图出射光线的空间叠加，形成真实的空间光点分布，实现可单目聚焦的空间光点呈现。在下一个时间点，同理执行上述过程，如此重复，可视实现舒适视觉的三维场景呈现。本实施例中，呈现像素光信息的显示屏，既可以是具有真实显示像素的显示器，比如OLED显示器、液晶显示器等，也可以是其它形式的显示面，比如反射或透射投影机投射图像的幕布等。

实施例2

本发明一种基于光栅的三维显示方法利用一维光栅对显示屏像素出射光束进行分光。沿显示屏出射光线传输方向置一维光栅于显示屏前，该一维光栅对显示屏像素出射光束进行分光，使不同组像素分别可见于不同视区，如图2所示视区1、2、3、4、5、6、7、8和9。一维光栅的光栅参数使相邻视区沿光栅单元长向垂向方向的间距d小于观察者瞳孔直径D _e ，该情况下处于视区范围内的瞳孔只要在视区分布范围内，即可以和两个或更多的视区至少部分区域重叠。在时间点t+l×∆t（l为自然数），通过追踪定位，确定观察者双瞳空间位置。根据观察者双瞳位置，设计一维光栅的光栅参数和光栅单元长向相对观察者双瞳中心连线的倾角θ，使一维光栅分光所形成视区可分组为互不交叠的、分别覆盖观察者左瞳和右瞳的左视区组和右视区组。如图2中视区1、2和3组成的左视区组，其各视区分别对应命名为左视区1、左视区2和左视区3；视区6、7和8组成的右视区组，其各视区分别对应命名为右视区6、右视区7和右视区8。过左瞳和右瞳分别做两条线，分别命名为左、右视点定位线，如图2所示。各左视区内取左视点定位线上点作为该视区对应视点，如图2中的左视点1、2和3；各右视区内取右视点定位线上点作为该视区对应视点，如图2中的右视点6、7和8。则左视区1在显示屏上对应像素加载以左视点1为视点的视图；左视区2在显示屏上对应像素加载以左视点2为视点的视图；左视区3在显示屏上对应像素加载以左视点3为视点的视图；右视区6在显示屏上对应像素加载以右视点6为视点的视图；右视区7在显示屏上对应像素加载以右视点7为视点的视图；右视区8在显示屏上对应像素加载以右视点8为视点的视图。在该情况下，左、右瞳将分别接收到三幅视图，通过该三幅视图出射光线的空间叠加，形成真实的空间光点分布，实现可单目聚焦的空间光点呈现。该过程中，存在其它的和瞳孔空间不重叠的视区，如图2中的视区4、5和9。根据它们的空间位置，它们也可以分别划归到相近的那个视区组，使各视区组的空间范围被扩大，如图2中视区4划归左视区组且被对应命名为左视区4、视区5和9划归右视区组且被对应命名为右视区5和右视区9，然后按上述方法确定对应视点和进行对应像素上的图像加载。这样做的好处在于，在观察者各目的移动范围均不超过空间范围扩大了的对应视区组的空间区域时，可以不再需要通过追踪定位确定观察者双瞳空间位置。在下一个时间点，同理执行上述过程，如此重复，可视实现舒适视觉的三维场景呈现。本实施例中，呈现像素光信息的显示屏，既可以是具有真实显示像素的显示器，比如OLED显示器、液晶显示器等，也可以是其它形式的显示面，比如反射或透射投影机投射图像的幕布等。

实施例3

本发明一种基于光栅的三维显示方法采用具有向观察者双目分别投射相异图像的能力的显示装置为图像输入装置。该图像输入装置通过分光技术来实现双目相异图像的呈现，比如由附着于图像输入装置显示屏的固有光栅进行分光。这些图像输入装置生成的视区，命名为图像输入装置固有视区，如图3中图像输入装置固有视区1、2、3、4和5，不同图像输入装置固有视区内可以接收到显示屏上不同组像素显示的图像。然后沿显示屏出射光线传输方向置一维光栅于显示屏前，该一维光栅对显示屏像素出射光束进行分光，沿一维光栅的光栅单元长向垂向，使不同组像素分别可见于不同视区，如图3所示视区1，2，3和4。一维光栅形成视区长向和图像输入装置固有视区的长向不在同一个方向上。一维光栅的光栅参数使相邻视区沿光栅单元长向垂向方向的间距d较大，观察者瞳孔无法完全覆盖一个完整的视区。在时间点t+l×∆t（l为自然数），通过追踪定位，确定观察者双瞳空间位置。根据观察者双瞳位置，设计一维光栅的光栅参数和光栅单元长向相对观察者双瞳中心连线的倾角θ，使一维光栅分光形成视区中存在对应观察者左瞳的两相邻视区，如图3中的视区2和视区3，经它们相邻的各部分区域，在不考虑图像输入装置固有视区的情况下，它们对应像素均可以为观察者左右眼所观察到。但由于图像输入装置固有视区的存在，视区2、视区3和图像输入装置固有视区2共同对应像素只能为观察者左眼所观察到，其中视区2和输入装置固有视区2共同覆盖的区域对应命名为左视区2，视区3和输入装置固有视区2共同覆盖的区域对应命名为左视区3；视区2、视区3和图像输入装置固有视区5共同对应像素只能为观察者右眼所观察到，其中视区2和输入装置固有视区5共同覆盖的区域对应命名为右视区2，视区3和输入装置固有视区5共同覆盖的区域对应命名为右视区3。各左视区或右视区在显示屏上对应像素互不重合，可以分别显示图像。此时，令左视区2和左视区3组成左视区组，右视区2和右视区3组成右视区组。图3中左视区2和右视区2为一维光栅分光形成的视区2的不同部分，左视区3和右视区3为一维光栅分光形成的视区3的不同部分。当改变倾角θ取值时，左、右视区组的视区可以不完全两两成对地属于一维光栅分光形成的同一个视区。过左瞳和右瞳分别做两条线，分别命名为左、右视点定位线，其分别和左视区组各视区、右视区组各视区相交，如图3所示。左视区组各视区内取左视点定位线上、且处于左瞳内的点作为该视区对应视点，如图3中的左视点2和左视点3；右视区组各视区内取右视点定位线上、且处于右瞳内的点作为该视区对应视点，如图3中的右视点2和右视点3。则左视区2对应像素投射对应左视点2的视图；右视区2对应像素投射对应右视点2的视图。同样，左视区3对应像素投射对应左视点3的视图；右视区3对应像素投射对应右视点3的视图。则观察者的各瞳将分别看到两幅视图，来自该两幅视图出射光线的空间叠加，形成真实的空间光点分布，实现可单目聚焦的空间光点呈现。在下一个时间点，同理执行上述过程，如此重复，可视实现舒适视觉的三维场景呈现。本实例中，当观察者瞳孔的位置横跨相邻图像输入装置固有视区时，该相邻两图像输入装置固有视区等效为一个合成固有视区，其作用和上述过程中一个图像输入装置固有视区等同，可以在上述过程中等效为一个图像输入装置固有视区，同样的方法进行左右视区的确定、对应视点的确定、及对应像素的信息加载。本实施例中，呈现像素光信息的显示屏，既可以是具有真实显示像素的显示器，比如OLED显示器、液晶显示器等，也可以是其它形式的显示面，比如反射或投射投影机投射图像的幕布等。

本实施例中，如果图像输入装置产生的固有视区是通过时序的方法获得的，比如由指向性背光指向的时序变换生成，则各图像输入装置固有视区对应的像素空间上是相同的，但它们出射光信息在不同的时间被指向不同的图像输入装置固有视区。此时，上述过程中各左视区或各右视区的设定方法还是同样的，虽然它们各自对应像素空间上存在重合的可能，但可以通过时间上的错位出现，同样实现了各个视点对应视图的呈现。

实施例4

本发明一种基于光栅的三维显示方法采用具有向观察者双目分别投射相异图像的能力的显示装置为图像输入装置。该图像输入装置是通过附着于输入装置显示屏的固有光栅进行分光。这些图像输入装置生成的视区，命名为图像输入装置固有视区，如图4中的图像输入装置固有视区1、2、3、4和5，不同图像输入装置固有视区内可以接收到显示屏上不同组像素显示的图像。沿显示屏出射光线传输方向置一维光栅于显示屏前，沿一维光栅的光栅单元长向垂向，该一维光栅使不同组像素分别可见于不同视区，如图4所示视区1，2，3和4。一维光栅形成视区长向和图像输入装置固有视区的长向不在同一个方向上。一维光栅形成的相邻视区，沿光栅单元长向垂向方向的间距d小于观察者瞳孔直径D _e 。在时间点t+l×∆t（l为自然数），通过追踪定位，确定观察者双瞳空间位置。根据观察者双瞳位置，设计一维光栅的光栅参数和光栅单元长向相对观察者双瞳中心连线的倾角θ，使一维光栅分光形成视区中观察者左瞳可以通过至少两个视区接收它们对应像素出射的光，如图4中的视区2、3和视区4，其和图像输入装置固有视区2共同对应像素均可以为观察者左眼所观察到，其中视区2和输入装置固有视区2共同覆盖的区域命名为左视区2，视区3和输入装置固有视区2共同覆盖的区域命名为左视区3，视区4和输入装置固有视区2共同覆盖的区域命名为左视区4；同样，观察者右瞳也可以通过至少两个视区接收它们对应像素出射的光，如图4中的视区2、3和视区4，其和图像输入装置固有视区5共同对应像素均可以为观察者右眼所观察到，其中视区2和输入装置固有视区5共同覆盖的区域命名为右视区2，视区3和输入装置固有视区5共同覆盖的区域命名为右视区3，视区4和输入装置固有视区5共同覆盖的区域命名为右视区4。各左视区或右视区内分别可以接收到不同对应像素组显示的图像。此时，令左视区2、左视区3和左视区4组成左视区组，右视区2、右视区3和右视区4组成右视区组。图4中左视区2和右视区2同属一维光栅分光形成的视区2，左视区3和右视区3同属一维光栅分光形成的视区3，左视区4和右视区4同属一维光栅分光形成的视区4。当倾角θ取值变化时，左、右视区组的组成视区可以不完全两两成对地属于一维光栅分光形成的同一个视区。过左瞳和右瞳分别做两条线，分别命名为左、右视点定位线，如图4所示。左视区组各视区内取左视点定位线上点作为该视区对应视点，如图4中的左视点2、左视点3和左视点4，右视区组内各视区内取右视点定位线上点作为该视区对应视点，如图4中的右视点2、右视点3和右视点4。则左视区2在显示屏上对应像素，向左视点2投射对应视图；右视区2在显示屏上对应像素，向右视点2投射对应视图。其它左视区或右视区对应像素按同样原理进行信息加载。则观察者的各瞳将分别收到三幅视图，通过该三幅视图出射光线的空间叠加，形成真实的空间光点分布，实现可单目聚焦的空间光点呈现。该过程中，瞳孔所在的图像输入装置固有视区内，还存在其它的和瞳孔空间不发生重叠的视区，如图4中的视区1。它分别和左、右瞳所在图像输入装置固有视区的重叠区域，也可以分别划归到左视区组或右视区组，并对应命名为左视区1和右视区1，然后按上述方法确定对应视点和进行对应像素上的图像加载。这样做的好处在于，在观察者各目的移动范围均不超过对应图像输入装置固有视区的空间范围时，可以不再需要通过追踪定位确定观察者双瞳空间位置。而且进一步地，输入装置固有视区和一维光栅形成视区两两组合，各组共同对应像素都相对于它们共同覆盖区域内按上述方法所取视点进行视图信息加载时，观察者移动到不同位置，双目皆可以接收到各自对应的多个视图，在无需追踪定位的情况下，实现单目多视图显示。在下一个时间点，同理执行上述过程，如此重复，可视实现舒适视觉的三维场景呈现。本实例中，当观察者瞳孔的位置横跨相邻图像输入装置固有视区时，该相邻两图像输入装置固有视区等效为一个合成固有视区，其作用和上述过程中一个图像输入装置固有视区等同，可以在上述过程中等效为一个图像输入装置固有视区，同样的方法进行左右视区的确定、对应视点的确定、及对应像素的信息加载。本实施例中，呈现像素光信息的显示屏，既可以是具有真实显示像素的显示器，比如OLED显示器、液晶显示器等，也可以是其它形式的显示面，比如反射或透射投影机投射图像的幕布等。

本实施例中，如果图像输入装置产生的固有视区是通过时序的方法获得的，比如由指向性背光指向的时序变换生成，则各图像输入装置固有视区对应的像素空间上是相同的，但它们出射光信息在不同的时间被指向不同的图像输入装置固有视区。此时，上述过程中各左视区或各右视区的设定方法还是同样的，虽然它们各自对应像素空间上存在重合的可能，但可以通过时间上的错位出现，同样实现了各个视点对应视图的呈现。

实施例5

本发明一种基于光栅的三维显示方法采用具有向观察者双目分别投射相异图像的能力的显示装置为图像输入装置。该图像输入装置通过等效双屏分别向观察者双目呈现不同视图。比如头戴式虚拟现实/增强显示技术中，两个显示器通过各自对应的目镜分别显示放大的图像给观察者的两个眼睛，该两个显示器的放大虚像重合于作为显示屏的虚像面上的一个共同区域，该显示屏起到等效双屏的功能，其两个等效屏分别为两个显示器的放大虚像，分别向观察者双目呈现对应视图；比如快门眼镜式三维显示***，通过快门式眼镜的时序开关，显示屏时序显示不同的图像给观察者的不同眼睛，虽然双目看到的图像均来自于该显示屏，但它们在时间上是分离的，故该显示屏即为时序分离的等效双屏，其两个等效屏分别为显示屏相邻两个时间点上的该屏，时序向观察者双目分别呈现对应视图；比如偏光眼镜式三维显示***，两个投影仪透射偏振态相互正交的图像给幕布（即显示屏），经偏光眼镜，分别反射或透射给观察者左、右眼睛，该显示屏具有等效双屏的功能，其两个等效屏为两个投影仪在幕布上的投影。类似的等效双屏，其各等效屏分别向观察者双目分别投射对应图像，对应观察者左目的等效屏和对应观察者右目的等效屏所对应的图像输入装置固有视区，空间上分离，分别命名为左、右图像输入装置固有视区。在该情况下，类似于实施例3和4，可以基于同样方法和过程，实现单目多视图（包含双视图）三维显示。其区别在于，在本实施例中，图3和图4中示意的图像输入装置固有视区变为仅有左、右图像输入装置固有视区两个视区，且分别覆盖观察者左目和右目，其对应像素来自不同等效屏。采用实施例3或4所述方法，确定各左、右视区和对应视点，并进行信息加载，即可实现单目多视图显示。

实施例6

实施例1所述的方法描述了任意一个时间点t+l×∆t时（l为自然数），通过一维光栅进行三维显示的方法，其实施过程中一维光栅的作用在于通过分光，使显示屏上N（N为正整数）组（像素组1，像素组2，...，像素组n，...，像素组N）像素分别可见于N个视区（视区1，视区2，...，视区n，...，视区N）。这里本实施例基于实施例1（实施例1中N=9），说明通过引入时分复用，可以提高视点所接收到视图的分辨率。

在时间点t+l×∆t（l为自然数），确定观察者双瞳位置后，根据实施例1所述方法，调整一维光栅的光栅参数和光栅单元长向相对观察者双瞳中心连线的倾角θ，并确定左、右视区组的及其各视区对应视点。然后将一维光栅分光产生视区和对应像素组进行编号，使像素组n（自然数1≤n≤N）对应视区n，各像素分别相对于各自对应视区内的视点加载光信息。在时间点t+l×∆t至时间点t+l×∆t+∆t之间的时间点t+l×∆t+k×∆t/N，平移光栅，使像素组n各像素在n+k≤N时为视区n+k内可视，在n+k>N时为视区n+k-N内可视，其中k为自然数，1≤k≤N-1。比如，在时间点t+l×∆t+k×∆t/N=t+l×∆t+1×∆t/N平移光栅，显示屏的像素组1经一维光栅视区2内可视，显示屏的像素组2经一维光栅视区3内可视，显示屏的像素组3经一维光栅为视区4内可视，显示屏的像素组4经一维光栅为视区5内可视，显示屏的像素组5经一维光栅为视区6内可视，显示屏的像素组6经一维光栅为视区7内可视，显示屏的像素组7经一维光栅为视区8内可视，显示屏的像素组8经一维光栅为视区9内可视，显示屏的像素组9经一维光栅为视区1内可视。在该过程中，一维光栅分光形成各视区空间分布并不发生变化，但其在显示屏上对应的像素组发生了变化。这样，在左视区组各视区和右视区组各视区的空间位置及各自对应视点保持不变的情况下，其对应的像素也发生了变化。则左右视区组内各视区对应新像素，以该视区内的视点为视点，进行视图加载，即可实现单目多视图的显示。后面的以∆t/N为间隔的(N-2)个时间点，同理进行光栅的平移和光信息加载，当∆t足够小时，基于视觉滞留，观察者眼睛在各视点接收到的视图，都是由N组像素组的像素时序合成，分辨率相对应于未采用时分复用操作时，增加了N-1倍。在下面每个∆t内，上述过程操作同理进行。在每一个∆t的时分复用周期内，其N个∆t/N为间隔的时间点上，部分时间点可以不进行上述操作，且该周期内不同时间点间的操作内容可以对换。

本实施例是基于实施例1进行的时分复用操作，该操作也同理可以应用于上述的实施例2-5。

本实施例所述的时分复用，也可应扩展应用于其它光栅式三维显示技术，比如现有的、向观察者双目分别投影一幅对应二维视图的多视图三维显示技术。

以上仅为本发明的优选实施例，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明做出的非实质性修改，也均落入本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于光栅的三维显示方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1. 在时间点t+l×∆t，通过追踪定位，确定观察者双瞳空间位置，其中l为自然数；

S2. 沿呈现像素光信息的显示屏出射光线传输方向，置一维光栅于显示屏前，该一维光栅对显示屏像素出射光束进行分光，使N组像素分别可见于N个视区，其中N为正整数；

S3. 设计一维光栅的光栅参数和光栅单元长向相对观察者双瞳中心连线的倾角θ，使一维光栅分光形成视区中存在对应观察者左瞳的、由两个或两个以上视区组成的左视区组，该左视区组内各视区对应像素出射光束均可入射左瞳，也存在对应观察者右瞳的、由两个或两个以上视区组成的右视区组，该右视区组内各视区对应像素出射光束均可入射右瞳；

S4. 在左视区组各视区内分别取点作为该视区对应视点，在右视区组各视区内分别取点作为该视区对应视点；

S5. 左右视区组对应的显示屏上各像素，相对各自对应视区内视点加载视图信息；

S6. 在下一个时间点t+l×∆t+∆t，重复执行步骤S1～S5。

2.根据权利要求1所述的一种基于光栅的三维显示方法，其特征在于，步骤S4包括：作左、右两条分别过左、右瞳的线，分别命名为左、右视点定位线，在左视区组各视区内取左视点定位线上的点作为该视区对应视点，在右视区组各视区内取右视点定位线上的点作为该视区对应视点，且同一视区组内相邻两视区对应视点间距小于或等于观察者瞳孔直径。

3.根据权利要求1至2任一项所述的一种基于光栅的三维显示方法，其特征在于，所述三维显示方法通过一维光栅进行分光，使显示屏N组像素分别可见于N个视区中的一个，所述三维显示方法还包括时分复用步骤，该时分复用步骤包括以下步骤：

P1. 在时间点t+l×∆t，基于步骤S1确定观察者瞳孔的空间位置，并采用步骤S3、S4所确定一维光栅的光栅参数、光栅单元长向相对观察者双瞳中心连线的倾角θ、所述左右视区组及其各视区对应视点，编号N组像素和N个视区，使像素组n对应视区n，左右视区组对应的显示屏上各像素，相对各自对应视区内视点加载视图信息，其中，l、n为自然数，且1≤n≤N；

P2. 在时间点t+l×∆t至时间点t+l×∆t+∆t之间的时间点t+l×∆t+k×∆t/N，平移一维光栅，使像素组n各像素在n+k≤N时为视区n+k内可视，在n+k>N时为视区n+k-N内可视，左右视区组对应的显示屏上各像素，相对各自对应视区内视点加载视图信息，其中k为自然数，1≤k≤N-1；

P3. 在时间点t+l×∆t和时间点t+l×∆t+∆t之间的、N-1个间隔∆t/N的时间点的部分或全部，分别执行步骤P2。

4.一种基于光栅的三维显示方法，其特征在于，包括以下步骤：

SS1. 采用具有向观察者双目分别投射相异图像能力的显示装置为图像输入装置，该显示装置包含承载像素光信息的显示屏；

SS2. 在时间点t+l×∆t，通过追踪定位，确定观察者双瞳空间位置，其中l为自然数；

SS3. 沿显示屏出射光线传输方向置一维光栅于显示屏前，该一维光栅对显示屏像素出射光束进行分光，使显示屏N组像素分别可见于N个视区，其中N为正整数；

SS4. 设计一维光栅的光栅参数和光栅单元长向相对观察者双瞳中心连线的倾角θ，结合显示装置向观察者双目分别投射相异图像的能力，使一维光栅分光形成视区中存在对应观察者左瞳的、由两个或两个以上视区组成的左视区组，该左视区组内各视区对应像素出射光束均可入射左瞳，也存在对应观察者右瞳的、由两个或两个以上视区组成的右视区组，该右视区组内各视区对应像素出射光束均可入射右瞳；

SS5. 在左视区组各视区内分别取点作为该视区对应视点，在右视区组各视区内分别取点作为该视区对应视点；

SS6. 左右视区组对应的显示屏上各像素，相对各自对应视区内视点加载视图信息；

SS7. 在下一个时间点t+l×∆t+∆t，重复执行步骤SS2～SS6。

5.根据权利要求4所述的一种基于光栅的三维显示方法，其特征在于，步骤SS5包括：作左、右两条分别过左、右瞳的线，分别命名为左、右视点定位线，在左视区组各视区内取左视点定位线上点作为该视区对应视点，在右视区组各视区内取右视点定位线上点作为该视区对应视点，且同一视区组内相邻两视区对应视点间距小于或等于观察者瞳孔直径。

6.根据权利要求4至5任一项所述的一种基于光栅的三维显示方法，其特征在于，所述三维显示方法通过一维光栅进行分光，使显示屏上N组像素分别可见于N个视区中的一个，其中N为正整数，所述三维显示方法还包括时分复用步骤，该时分复用步骤包括以下步骤：

P1. 在时间点t+l×∆t，基于步骤SS2确定观察者瞳孔的空间位置，并采用步骤SS4、SS5所确定一维光栅的光栅参数、光栅单元长向相对观察者双瞳中心连线的倾角θ、所述左右视区组及其对应视点，编号N组像素和N个视区，使像素组n对应视区n，左右视区组对应的显示屏上各像素，相对于各自对应视区内视点加载视图信息，其中，l、n为自然数，1≤n≤N；

P2. 在时间点t+l×∆t至时间点t+l×∆t+∆t之间的时间点t+l×∆t+k×∆t/N，平移一维光栅，使像素组n各像素在n+k≤N时为视区n+k内可视，在n+k>N时为视区n+k-N内可视，左右视区组对应的显示屏上各像素，相对各自对应视区内视点加载视图信息，其中k为自然数，1≤k≤N-1；

P3. 在时间点t+l×∆t和时间点t+l×∆t+∆t之间的、N-1个间隔∆t/N的时间点的部分或全部，分别执行步骤P2。

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