CN110913201A - 一种光场显示结构及合成图像编码方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光场显示结构及合成图像编码方法，所述光场显示结构包括由底层向外层依次设置的LCD显示板、透镜阵列和全息功能屏，在LCD显示板的底部还设置有线性菲涅尔透镜，以及在LCD显示板和所述透镜阵列之间设置有柱透镜光栅。本发明通过在传统的光场显示结构中增加线性菲涅尔透镜和柱透镜光栅，提高了LCD显示板中像素的利用率，相当于增加了光场显示结构的总像素数，进而可以在增大水平视角的基础上，增加视点数和视点密度，能够提高光场显示结构的显示质量，同时增大所显示立体内容的视觉平滑性，使其有更丰富的光场信息，有助于更加真实的还原3D场景。

Description

一种光场显示结构及合成图像编码方法

技术领域

本发明属于光场显示技术领域，尤其涉及一种光场显示结构及合成图像编码方法。

背景技术

近年来，三维(3D)显示技术引起了人们的广泛关注，而3D光场显示技术被认为是最有前途的三维显示技术，具有广泛的应用前景。与基于双眼视差的三维显示不同，光场显示能够重建真实的三维光场分布，为观众提供真实自然的三维感知。利用该技术可以轻易的实现具有真彩色的3D效果，同时，集成成像3D显示技术还可以同时为观看者提供水平与竖直方向的视差和连续平滑的视点信息。视点密度是三维显示中影响显示质量的重要指标，理想的3D显示技术可以为观看者提供接近真实世界的视觉感官。通常，提高视点密度可以增大所显示立体内容的视觉平滑性，使其有更丰富的光场信息，有助于更加真实的还原3D场景。

现有的三维光场显示结构由于在视角、分辨率、深度范围和空间信息容量(视点数)之间存在固有的权衡，显示质量较低。同时，视点密度与空间显示像素成反比，大视角高视点密度的显示方法缺少。

发明内容

为克服上述现有问题或者至少部分地解决上述问题，本发明实施例提供一种光场显示结构及合成图像编码方法。

根据本发明实施例的第一方面，提供一种光场显示结构，包括由底层向外层依次设置的LCD显示板、透镜阵列和全息功能屏，其特征在于，在所述LCD显示板的底部还设置有线性菲涅尔透镜，以及在所述LCD显示板和所述透镜阵列之间设置有柱透镜光栅，所述线性菲涅尔透镜、LCD显示板、柱透镜光栅、透镜阵列和全息功能屏依次通过光路连接；

光线由平行光源平行射出，经所述线性菲涅尔透镜以水平汇聚方式点亮所述LCD显示板，经过所述柱透镜光栅将显示的最小单元从像素细化到子像素，并经过所述透镜阵列和全息功能屏后显示。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以作如下改进。

进一步的，所述透镜阵列中的相邻两个透镜单元之间的水平间距为第二距离，所述第二距离大于第一距离，其中，所述第一距离为由所述LCD显示板、透镜阵列和全息功能屏组成的原始光场显示结构中两个相邻透镜之间的水平间距。

进一步的，所述光场显示结构的水平视角为：

其中，θ为光场显示结构的水平视角，G为光场显示结构中透镜阵列距等效像素的距离，p为透镜阵列中相邻两个透镜单元的中心之间的间距。

根据本发明实施例第二方面提供一种基于光场显示结构的合成图像编码方法，包括：

计算合成图像的每个子像素来自视差图像的对应位置；

对所述合成图像的每一个子像素RGB灰度值进行合成图像编码，得到所述光场显示结构的合成图像。

进一步的，所述计算合成图像的每个子像素来自视差图像的对应位置包括：

根据所述光场显示结构的视点排布阵列，以及每一张视差图像的子像素排布阵列，计算所述光场显示结构上的子像素位置与视点位置和所述视点位置处的视差图像中子像素的位置之间的对应关系。

进一步的，根据所述光场显示结构的视点排布阵列，以及每一张视差图像的子像素排布阵列，计算所述光场显示结构上的子像素位置与视点位置和所述视点位置处的视差图像中子像素的位置之间的对应关系包括：

所述光场显示结构有M行N列个视点，对应有M行N列的视差图像，每张视差图像有P行Q列的像素，所述光场显示结构上第i行j列的子像素来源于第m行n列视点位置处的视差图像中第p行q列的子像素，其中m，n，p，q的关系式如下：

其中，

为向下取整，mod为取余。

本发明实施例提供一种光场显示结构及合成图像编码方法，通过在传统的光场显示结构中增加线性菲涅尔透镜和柱透镜光栅，提高了LCD显示板中像素的利用率，相当于增加了光场显示结构的总像素数，进而可以在增大水平视角的基础上，增加视点数和视点密度，能够提高光场显示结构的显示质量，同时增大所显示立体内容的视觉平滑性，使其有更丰富的光场信息，有助于更加真实的还原3D场景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为传统的光场显示结构光路图；

图2为本发明一个实施例提供的光场显示结构示意图；

图3-1为图2中光场显示结构的整体光路原理图；

图3-2为图3-1中单个透镜单元下的细化光路图；

图4为本发明一个实施例的基于光场显示结构的合成图像编码方法流程图；

图5为本发明实施例的光场显示结构中视点分布和透镜单元示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

在对本发明实施例进行详细介绍之前，先对传统的光场显示结构进行介绍，参见图1所示，传统的光场显示结构包括LCD显示板、透镜阵列和全息功能屏，光源点亮LCD显示板，经过透镜阵列聚光后，再经过全息功能屏的处理，在不同的视点位置处形成不同的视差图像。

该传统的光场显示结构的水平观看视角为：

其中，θ为光场显示的视角，g为透镜阵列距LCD的距离，p为透镜阵列中相邻透镜单元的中心相距的距离，在传统的光场显示结构中也是透镜单元的截距。

上述关系式为水平观看视角计算公式，竖直观看视角的计算公式也相同。限制集成成像显示技术发展的一个重要问题是观看视角，观看视角是由每一个子图像通过其对应透镜单元的显示范围所决定的，可以使用公式(1)计算，根据公式中的变量关系可知，增大透镜单元的截距p可以达到提高观看视角的目的，但是由于透镜单元加工原理的限制，截距与焦距的比例不能任意增大。而且，从图1可以看出集成成像3D显示的分辨率与透镜截距成反比，即加大透镜的截距将会降低3D显示的质量。同时，单一的增加光场显示的视角，而不同时增加视点数，视点密度也会下降，影响观看体验。由于传统光场显示方法的限制，光场显示视角和显示质量往往不能同时兼顾，同时，根据人类观察物体的***方向的视角需求是特别大的，这就造成了现有光场显示技术在空间信息分布上的不合理，在很多情况下，竖直方向的信息被浪费。

针对上述的问题，本发明实施例提供了一种新的光场显示结构，能够在增加透镜单元间距的基础上(由公式(1)可知，即增大水平观看视角)，增加视点数和视点密度，提高光场显示结构的显示质量。

参见图2，提供了本发明一个实施例的光场显示结构，应用于三维光场显示领域，该光场显示结构包括由底层向外层依次设置的LCD显示板、透镜阵列和全息功能屏，其特征在于，在所述LCD显示板的底部还设置有线性菲涅尔透镜，以及在所述LCD显示板和所述透镜阵列之间设置有柱透镜光栅，所述线性菲涅尔透镜、LCD显示板、柱透镜光栅、透镜阵列和全息功能屏依次通过光路连接。

光线由平行光源平行射出，经所述线性菲涅尔透镜以水平汇聚方式点亮所述LCD显示板，经过所述柱透镜光栅将显示的最小单元从像素细化到子像素，并经过透镜阵列和全息功能屏后显示。

从图2中可以看出，本发明实施例提供的新的光场显示结构较传统的光场显示结构有以下不同，在传统的光场显示结构的基础上，最底层加入了线性菲涅尔透镜，并在底部以平行光源作为点亮装置的设备，LCD显示板与透镜阵列之间加入了柱透镜光栅，本发明实施例中，所述透镜阵列中的相邻两个透镜单元之间的水平间距为第二距离，所述第二距离大于第一距离，其中，所述第一距离为由所述LCD显示板、透镜阵列和全息功能屏组成的原始光场显示结构中两个相邻透镜之间的水平间距，即本发明实施例的光场显示结构的透镜阵列中两相邻透镜单元的中心之间的距离相比传统的光场显示结构的透镜阵列中两相邻透镜单元的中心之间的距离大。根据关系式，为了增大水平视角，采用了水平间距更宽的透镜阵列，同时，在LCD显示板和透镜阵列中间加入柱透镜光栅，用以将显示的最小单元从像素细化到子像素，其中，每个像素由红绿蓝(RGB)三原色组成，每个像素上的每种颜色叫一个“子像素”，这样，较原来将获得三倍的视点数以及超高的视点密度。但相应的，一个透镜单元下覆盖的水平像素数将会更多，与竖直像素数相差较大，此时，普通的LCD显示板显然不能够将一个透镜单元下的像素完美的映射到一个透镜上，于是在本发明一个实施例中，采用平行光源和线性菲涅尔透镜来做LCD显示板的照明装置，使水平方向产生近似平行光的汇聚光，达到像素和透镜单元的映射关系。由于新的光场显示结构的采用，光路发生了改变。

根据图3对本发明实施例提供的新的光场显示结构的光路进行介绍。其中，图3-1为本发明实施例提供的新的光场显示结构的整体光路原理图，图3-2为单个透镜单元下的细化光路原理图，以一个透镜单元为例，首先，光线从平行光源平行射出，经过线性菲涅尔透镜，以水平汇聚的方式点亮LCD显示板，以达到一个透镜单元下覆盖的像素可以正好点亮该透镜单元，再通过柱透镜光栅，使像素细化到子像素，水平方向上的视点数增加，原本单个像素空间内携带了的三倍的信息，由于柱透镜光栅的加入，使一个柱透镜光栅下的像素发出的光线在经过柱透镜光栅后提前汇聚为一点再发散出去，汇聚点可等效为传统光场显示技术中的一个像素点(以下称为等效像素)，所以新的光场显示结构的视角关系式可重写为：

其中，θ为光场显示结构的视角，G为透镜阵列与等效像素之间的距离，p为透镜阵列中相邻透镜的中心相距的距离，通过该关系式(2)，可以算出新的光场显示结构的水平观看视角。

下面针对传统的光场显示结构和本发明实施例提供的新的光场显示结构进行比较，其中，在传统的光场显示结构中，总像素数不变，如果增加视点数，则每一个视差图像的像素数会变少，那么图像的显示质量就会降低。

而本发明实施例提供的光场显示结构中，由于增加了柱透镜光栅，使像素细化到子像素，相当于增加了光场显示结构中的总像素数，那么当光场显示结构中的视点数增加或者是视点密度增加，每一个视差图像的像素数不会减少，因而光场显示结构的成像质量不会降低。另外，由于增加了线性菲涅尔透镜，在增大透镜阵列中相邻两个透镜单元的中心间距的情况下，以水平汇聚的方式点亮LCD显示板，以达到一个透镜单元下覆盖的像素可以正好点亮该透镜单元，而传统的光场显示结构中，如果增大相邻两个透镜单元的中心间距时，普通的LCD显示板不能够将一个透镜单元下的像素完美的映射到一个透镜单元上，因此，本发明实施例中在传统的光场显示结构中增加线性菲涅尔透镜和柱透镜光栅，能够通过增大透镜阵列中透镜单元之间的间距提高水平观看视角，且在不影响光场显示结构的图像显示质量的基础上，提高视点数和视点密度，增大所显示立体内容的视觉平滑性，使其有更丰富的光场信息，有助于更加真实的还原3D场景。

参见图4，提供了本发明一个实施例的一种基于光场显示结构的合成图像编码方法，该合成图像编码方法包括：

计算合成图像的每个子像素来自视差图像的对应位置；

对所述合成图像的每一个子像素RGB灰度值进行合成图像编码，得到所述光场显示结构的合成图像。

在上述实施例的基础上，本发明一个实施例中，所述计算合成图像的每个子像素来自视差图像的对应位置包括：

根据所述光场显示结构的视点排布阵列，以及每一张视差图像的子像素排布阵列，计算光场显示结构上的子像素位置与视点位置和所述视点位置处的视差图像中子像素的位置之间的对应关系。

可以理解的是，为了适应新的光场显示结构，必须提供满足其显示的合成图像编码方法，由于合成图像由若干个合成子图像组成，所谓的合成图像即将视差图像的像素按照满足其光路的映射条件，以一定规律排列生成的图像，合成图像中被单个圆透镜覆盖的像素组成的图像称为合成子图像，每个合成子图像对应显示器上的某个透镜显示单元，组成合成子图像的每个子像素来自每个视差图像的同一位置，而不同合成子图像的子像素来自视差图像的不同位置，某个合成子图像来自视差图的对应位置与传统光场显示方法相同。因此，只需要解决合成图像的每个子像素来源。

在上述各实施例的基础上，本发明一个实施例中，在根据光场显示结构的视点排布阵列，以及每一张视差图像的子像素排布阵列，计算所述光场显示结构上的子像素位置与视点位置和所述视点位置处的视差图像中子像素的位置之间的对应关系的过程中，参见图5，假设光场显示结构有M行N列个视点，对应有M行N列的视差图像，每张视差图像有P行Q列的像素，所述光场显示结构上第i行j列的子像素来源于第m行n列视点位置处的视差图像中第p行q列的子像素，其中m，n，p，q的关系式如下：

其中，

为向下取整，mod为取余。

本发明提供的一种光场显示结构及合成图像编码方法，通过在传统的光场显示结构中增加线性菲涅尔透镜和柱透镜光栅，提高了LCD显示板中像素的利用率，相当于增加了光场显示结构的总像素数，进而可以在增大水平视角的基础上，增加视点数和视点密度，能够提高光场显示结构的显示质量，同时增大所显示立体内容的视觉平滑性，使其有更丰富的光场信息，有助于更加真实的还原3D场景。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种光场显示结构，包括由底层向外层依次设置的LCD显示板、透镜阵列和全息功能屏，其特征在于，在所述LCD显示板的底部还设置有线性菲涅尔透镜，以及在所述LCD显示板和所述透镜阵列之间设置有柱透镜光栅，所述线性菲涅尔透镜、LCD显示板、柱透镜光栅、透镜阵列和全息功能屏依次通过光路连接；

光线由平行光源平行射出，经所述线性菲涅尔透镜以水平汇聚方式点亮所述LCD显示板，经过所述柱透镜光栅将显示的最小单元从像素细化到子像素，并经过所述透镜阵列和全息功能屏后显示。

2.根据权利要求1所述的光场显示结构，其特征在于，所述透镜阵列中的相邻两个透镜单元之间的水平间距为第二距离，所述第二距离大于第一距离，其中，所述第一距离为由所述LCD显示板、透镜阵列和全息功能屏组成的原始光场显示结构中两个相邻透镜之间的水平间距。

3.根据权利要求1所述的光场显示结构，其特征在于，所述光场显示结构的水平视角为：

其中，θ为光场显示结构的水平视角，G为光场显示结构中透镜阵列距等效像素的距离，p为透镜阵列中相邻两个透镜单元的中心之间的间距。

4.一种基于权利要求1所述的光场显示结构的合成图像编码方法，其特征在于，包括：

计算合成图像的每个子像素来自视差图像的对应位置；

对所述合成图像的每一个子像素RGB灰度值进行合成图像编码，得到所述光场显示结构的合成图像。

5.根据权利要求4所述的合成图像编码方法，其特征在于，所述计算合成图像的每个子像素来自视差图像的对应位置包括：

根据所述光场显示结构的视点排布阵列，以及每一张视差图像的子像素排布阵列，计算所述光场显示结构上的子像素位置与视点位置和所述视点位置处的视差图像中子像素的位置之间的对应关系。

6.根据权利要求5所述的合成图像编码方法，其特征在于，根据所述光场显示结构的视点排布阵列，以及每一张视差图像的子像素排布阵列，计算所述光场显示结构上的子像素位置与视点位置和所述视点位置处的视差图像中子像素的位置之间的对应关系包括：

所述光场显示结构有M行N列个视点，对应有M行N列的视差图像，每张视差图像有P行Q列的像素，所述光场显示结构上第i行j列的子像素来源于第m行n列视点位置处的视差图像中第p行q列的子像素，其中m，n，p，q的关系式如下：

其中，

为向下取整，mod为取余。

Images