基于柱镜光栅LCD自由立体显示设备的通用立体图像分解方法

摘要

本发明公开了一种基于柱镜光栅LCD自由立体显示设备的通用立体图像分解方法。包括以下步骤：1)测量柱镜光栅的实际线数LPI值和实际倾斜角α值；2)根据实际线数LPI值和实际倾斜角α值以及立体图像的视点个数N和分辨率，将立体图像的RGB分量填充到N个视点图像的RGB分量中，得到N个粗略视点图像，其中，N≥2；3)对N个粗略视点图像中的部分RGB分量进行修正，得到最终的N个视点图像。本发明能够从具有特定视点个数、特定分辨率和特定光栅参数的立体图像中分解出具有不同视觉角度的N个视点图像，然后再利用通用的立体图像合成方法将其合成为所需分辨率、视点个数和光栅参数的立体图像，从而大大扩展了立体图像的应用领域。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于柱镜光栅LCD自由立体显示设备的通用立体图像分解方法。

背景技术

随着显示技术的不断发展，人们已经开发出了各种各样无需借助立体眼镜等辅助视具，而直接用裸眼就能观看立体图像的自由立体显示技术，主要包括柱镜光栅立体显示、狭缝光栅立体显示、全息立体显示以及体三维立体显示等。在众多的自由立体显示技术中，基于柱镜光栅的自由立体显示技术因柱镜光栅易于加工、立体视觉效果突出，而成为当前较为常见的自由立体显示技术。

立体光栅一般附在立体图像或者显示屏外面，这样人们就能利用光的折射原理而用裸眼看到立体图像。立体光栅大体上可以分为三大类：狭缝光栅、棱柱镜光栅和点阵式光栅。狭缝光栅俗称黑光栅，其成像原理为小孔成像原理，它是在透明的胶片上间隔印刷黑色线条从而构成一个黑色不透明线条和透明缝隙间隔排列的结构。狭缝光栅成像清晰，基本上不会产生晕眼效果，但其必须要有辅助的背景光源，在没有光源的情况下，就会一片漆黑而看不到任何立体效果。柱镜光栅俗称白光栅，其成像原理为凸透镜成像原理，它由一条条的柱透镜排列而成。无论有无背景光源，通过柱镜光栅都可以看到良好的立体效果，当然在有背景光源的情况下立体效果更加完美。另外，在目前生产工艺不断提高的前提下，柱镜光栅的晕眼效果也能够得到避免。点阵式光栅，又称为全息式点阵光栅，其成像原理为凸透镜成像原理，它的表面由一个个球状突起所组成。由于点阵式光栅很少见，而狭缝光栅立体效果又不如柱镜光栅，再加上柱镜光栅易于加工，因此基于柱镜光栅的自由立体显示设备得到大力发展和普及。如图1所示为基于柱镜光栅的LCD自由立体显示设备的侧面视图，其包括LCD显示屏(1)、透明有机玻璃(2)和柱镜光栅(3)。通过在LCD显示屏和柱镜光栅中间加装透明有机玻璃，使得两者的距离为柱镜光栅单元的焦距f。

公知的基于柱镜光栅LCD自由立体显示设备的立体图像合成软件只是按照各视点图像和立体图像的映射图，将各视点图像的RGB分量分配到立体图像的RGB分量中。出于商业利益的考虑，不少开发商在设计软件时对合成图像的视点个数、分辨率以及柱镜光栅参数都进行了限定，这样通过上述方法制作的立体图像只能适应于特定视点个数、特定分辨率和特定光栅的立体显示设备，极大地限制了立体图像的应用领域。此外，如果有开发商或广告商只提供合成好的立体视频，我们也只能将其应用于给定分辨率和给定光栅参数的自由立体显示设备中。对此，我们提出了一种基于柱镜光栅LCD自由立体显示设备的通用立体图像分解方法，能够从具有特定视点个数、特定分辨率和特定光栅参数的立体图像(如果是立体视频，可以先将其分解成各独立帧)中分解出具有不同视觉角度的各视点图像，然后再利用通用的立体图像合成方法将其合成为所需分辨率、视点个数和光栅参数的立体图像(进一步可以连接成立体视频)，从而大大扩展了立体图像的应用领域。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术不足，提供一种基于柱镜光栅LCD自由立体显示设备的通用立体图像分解方法。

基于柱镜光栅LCD自由立体显示设备的通用立体图像分解方法，其特征在于包括以下步骤：

1)测量柱镜光栅的实际线数LPI值和实际倾斜角α值；

2)根据实际线数LPI值和实际倾斜角α值以及立体图像的视点个数N和分辨率，将立体图像的RGB分量填充到N个视点图像的RGB分量中，得到N个粗略视点图像，其中，N≥2；

3)对N个粗略视点图像中的部分RGB分量进行修正，得到最终的N个视点图像。

所述的测量柱镜光栅的实际线数LPI值和实际倾斜角α值步骤：

(a)取4幅全黑、2幅全白共6幅RGB图像，其中4幅全黑图像作为视点1、视点2、视点5和视点6，2幅全白图像作为视点3和视点4，并估计得到柱镜光栅的近似线数LPI值和近似倾斜角α值；

(b)根据估计的近似线数LPI值和近似倾斜角α值将6幅RGB图像合成6个视点的立体图像；

(c)通过基于柱镜光栅的LCD自由立体显示设备观察立体图像，如果能够在显示设备正前方观察到全白的视觉效果，同时在正前方偏左和偏右两个方向观察到全黑的视觉效果，说明步骤(a)估计的近似线数LPI值和近似倾斜角α值就是该柱镜光栅的实际线数LPI值和实际倾斜角α值；

(d)如果观察不到步骤(c)所述的全黑或者全白的视觉效果，则取近似值附近的线数LPI值和倾斜角α值，重复进行步骤(b)和步骤(c)操作，直到观察到全黑或者全白的视觉效果为止。

所述的将立体图像的RGB分量填充到N个视点图像的RGB分量中，得到N个粗略视点图像步骤：

(e)根据公式：X＝(25.4/LPI/cosα)/DOT*3，计算得到柱镜光栅的栅距在水平方向上所覆盖的LCD显示屏上的RGB子像素个数X，其中，LCD显示屏上的RGB子像素对应于图像的RGB分量；

(f)根据公式：n＝mod(i-3*j*tanα，X)/X*N，计算得到N个视点图像的RGB分量与立体图像的RGB分量相对应的映射表，其中，mod表示取模运算，i和j表示立体图像的RGB分量的水平和垂直坐标值，坐标值以立体图像的最左上角RGB分量的坐标值(1，1)为基准，向右则i递增1，向下则j递增1，n表示立体图像中坐标值为(i，j)的RGB分量对应于视点n的相应RGB分量，当mod(i-3*j*tanα，X)/X*N的值不为整数时，n取最接近的整数值，当mod(i-3*j*tanα，X)/X*N＝0时，n＝N；

(g)根据映射表，将立体图像的RGB分量填充到N个视点图像的RGB分量中，对于N个视点图像的每1行RGB分量，用立体图像的每v行RGB分量来填充，对于N个视点图像每一行中的RGB分量，其每1个RGB分量用立体图像相应行的每3*h个RGB分量来填充，直到立体图像的所有RGB分量都填充到N个视点图像的RGB分量中，其中，v*h＝N，v取最接近的整数值。

所述的对N个粗略视点图像中的部分RGB分量进行修正步骤：

(h)对N个视点图像RGB分量的第1列的值进行修正，其中R、G、B各分量独立进行修正：如果N个视点图像RGB分量的第1列中有取值为M的RGB分量，则N个视点图像RGB分量的第1列中取值为M的RGB分量取同一行后序列中第一个取值不为M的RGB分量的值，其中M为预先设定的固定值，M＞255；

(i)对N个视点图像RGB分量的第2列至最后第2列的值进行修正，其中R、G、B各分量独立进行修正：对N个视点图像RGB分量的第2列至最后第2列中取值为M的RGB分量，如果其同一行后一列的RGB分量的值为M，则N个视点图像RGB分量的第2列至最后第2列中取值为M的RGB分量就取同一行前一列的RGB分量的值，否则，N个视点图像RGB分量的第2列至最后第2列中取值为M的RGB分量就取同一行前一列和同一行后一列的RGB分量的值的平均值；

(j)对N个视点图像RGB分量的最后1列的值进行修正，其中R、G、B各分量独立进行修正：如果N个视点图像RGB分量的最后1列中有取值为M的RGB分量，则N个视点图像RGB分量的最后1列中取值为M的RGB分量取同一行前一列的RGB分量的值。

本发明能够从具有特定视点个数、特定分辨率和特定光栅参数的立体图像(如果是立体视频，可以先将其分解成各独立帧)中分解出具有不同视觉角度的各视点图像，然后再利用通用的立体图像合成方法将其合成为所需分辨率、视点个数和光栅参数的立体图像(进一步可以连接成立体视频)，从而大大扩展了立体图像的应用领域。

附图说明

图1是基于柱镜光栅的LCD自由立体显示设备的侧面视图；

图2是基于柱镜光栅的LCD自由立体显示设备的正面视图；

图3是4幅全黑和2幅全白RGB图像合成立体图像的示意图；

图4是4个视点立体图像的RGB分量分配示意图；

图5是视点n的RGB分量修正示意图。

具体实施方式

基于柱镜光栅LCD自由立体显示设备的通用立体图像分解方法，其特征在于包括以下步骤：

1)测量柱镜光栅的实际线数LPI值和实际倾斜角α值；

2)根据实际线数LPI值和实际倾斜角α值以及立体图像的视点个数N和分辨率，将立体图像的RGB分量填充到N个视点图像的RGB分量中，得到N个粗略视点图像，其中，N≥2；

3)对N个粗略视点图像中的部分RGB分量进行修正，得到最终的N个视点图像。

所述的测量柱镜光栅的实际线数LPI值和实际倾斜角α值步骤：

(a)取4幅全黑、2幅全白共6幅RGB图像，其中4幅全黑图像作为视点1、视点2、视点5和视点6，2幅全白图像作为视点3和视点4，并估计得到柱镜光栅的近似线数LPI值和近似倾斜角α值；

(b)根据估计的近似线数LPI值和近似倾斜角α值将6幅RGB图像合成6个视点的立体图像；

(c)通过基于柱镜光栅的LCD自由立体显示设备观察立体图像，如果能够在显示设备正前方观察到全白的视觉效果，同时在正前方偏左和偏右两个方向观察到全黑的视觉效果，说明步骤(a)估计的近似线数LPI值和近似倾斜角α值就是该柱镜光栅的实际线数LPI值和实际倾斜角α值；

(d)如果观察不到步骤(c)所述的全黑或者全白的视觉效果，则取近似值附近的线数LPI值和倾斜角α值，重复进行步骤(b)和步骤(c)操作，直到观察到全黑或者全白的视觉效果为止。

如图2所示，LCD显示屏上的每个RGB子像素的高度为其宽度的3倍，其在LCD显示屏上按如下顺序排列：每一行都为RGBRGB……直至排满整个LCD显示屏，其中每三个相邻的RGB子像素构成一个LCD像素。每个柱镜光栅单元在水平方向上覆盖RGB子像素的个数为X，其透镜轴相对于LCD显示屏垂直轴的倾斜角为α，这样设置的好处一是可以平衡合成立体图像在水平和垂直方向的分辨率，保证其比例不失真，二是可以减轻因LCD像素排列而引起的摩尔纹效应。

如图3所示的是4幅全黑和2幅全白RGB图像合成立体图像的示意图。

所述的将立体图像的RGB分量填充到N个视点图像的RGB分量中，得到N个粗略视点图像步骤：

(e)根据公式：X＝(25.4/LPI/cosα)/DOT*3，计算得到柱镜光栅的栅距在水平方向上所覆盖的LCD显示屏上的RGB子像素个数X，其中，LCD显示屏上的RGB子像素对应于图像的RGB分量；

(f)根据公式：n＝mod(i-3*j*tanα，X)/X*N，计算得到N个视点图像的RGB分量与立体图像的RGB分量相对应的映射表，其中，mod表示取模运算，i和j表示立体图像的RGB分量的水平和垂直坐标值，坐标值以立体图像的最左上角RGB分量的坐标值(1，1)为基准，向右则i递增1，向下则j递增1，n表示立体图像中坐标值为(i，j)的RGB分量对应于视点n的相应RGB分量，当mod(i-3*j*tanα，X)/X*N的值不为整数时，n取最接近的整数值，当mod(i-3*j*tanα，X)/X*N＝0时，n＝N；

(g)根据映射表，将立体图像的RGB分量填充到N个视点图像的RGB分量中；

对于N个视点图像的每1行RGB分量，用立体图像的每v行RGB分量来填充，也就是说，N个视点图像的第1行RGB分量用立体图像的第1至v行RGB分量来填充，N个视点图像的第2行RGB分量用立体图像的第v+1至2*v行RGB分量来填充，依此类推；

对于N个视点图像每一行中的RGB分量，其每1个RGB分量用立体图像相应行的每3*h个RGB分量来填充，也就是说，N个视点图像的某行第1个RGB分量用立体图像相应行的第1至3*h个分量来填充，N个视点图像的第2个RGB分量用立体图像相应行的第3*h+1至6*h个RGB分量来填充，依此类推，直到立体图像的所有RGB分量都填充到N个视点图像的RGB分量中；

其中，v*h＝N，v取最接近的整数值。

例如，当N＝4，DOT＝0.264mm，LPI＝26，α＝atan(1/6)，分辨率为1024*768时，我们可以得到如表1所示的4个视点图像的RGB分量与立体图像的RGB分量相对应的映射表。

表1 4个视点的映射表

 R 4 G 1 B 1 R 1 G 2 B 2 R 2 G 3 B 3 R 3 G 4 B 4 R 4 G 1 B 1 R 2 G 2 B 2 R 3 G 3 B 3 R 4 G 4 B 4 R 1 G 1 B 1 R 2... R 4 G 4 B 1 R 1 G 1 B 2 R 2 G 2 B 3 R 3 G 4 B 4 R 4 G 1 B 1 R 1 G 2 B 2 R 2 G 3 B 3 R 3 G 4 B 4 R 1 G 1 B 1 R 2... R 4 G 4 B 1 R 1 G 1 B 2 R 2 G 2 B 3 R 3 G 3 B 4 R 4 G 4 B 1 R 1 G 2 B 2 R 2 G 3 B 3 R 3 G 4 B 4 R 4 G 1 B 1 R 1... R 4 G 4 B 4 R 1 G 1 B 1 R 2 G 2 B 2 R 3 G 3 B 4 R 4 G 4 B 1 R 1 G 1 B 2 R 2 G 2 B 3 R 3 G 3 B 4 R 4 G 1 B 1 R 1...

以如图4所示的4个视点立体图像的RGB分量分配为例，此时，v＝2，h＝2，对于N个视点图像的每1行RGB分量，用立体图像的每2行RGB分量来填充，对于N个视点图像每一行中的RGB分量，其每1个RGB分量用立体图像相应行的的每6个RGB分量来填充。例如，立体图像的第1行第1个RGB分量(坐标值为(1，1))为R分量，其对应视点4的R分量，于是将立体图像的第1行第1个RGB分量的值放入视点4的第1行第1个R分量中；又如，立体图像的第1行第8个RGB分量(坐标值为(1，8))为G分量，其对应视点3的G分量，于是将立体图像的第1行第8个RGB分量的值放入视点3的第1行第2个G分量中；再如，立体图像的第4行第7个RGB分量(坐标值为(4，7))为R分量，其对应视点2的R分量，于是将立体图像的第4行第7个RGB分量的值放入视点2的第2行第2个R分量中，依此类推，直到立体图像的所有RGB分量的值都填充到相应4个视点图像的RGB分量中，这样就得到了4个粗略分解图像。

所述的对N个粗略视点图像中的部分RGB分量进行修正步骤：

(h)对N个视点图像RGB分量的第1列的值进行修正，其中R、G、B各分量独立进行修正：如果N个视点图像RGB分量的第1列中有取值为M的RGB分量，则N个视点图像RGB分量的第1列中取值为M的RGB分量取同一行后序列中第一个取值不为M的RGB分量的值；

(i)对N个视点图像RGB分量的第2列至最后第2列的值进行修正，其中R、G、B各分量独立进行修正：对N个视点图像RGB分量的第2列至最后第2列中取值为M的RGB分量，如果其同一行后一列的RGB分量的值为M，则N个视点图像RGB分量的第2列至最后第2列中取值为M的RGB分量就取同一行前一列的RGB分量的值，否则，N个视点图像RGB分量的第2列至最后第2列中取值为M的RGB分量就取同一行前一列和同一行后一列的RGB分量的值的平均值；

(j)对N个视点图像RGB分量的最后1列的值进行修正，其中R、G、B各分量独立进行修正：如果N个视点图像RGB分量的最后1列中有取值为M的RGB分量，则N个视点图像RGB分量的最后1列中取值为M的RGB分量取同一行前一列的RGB分量的值。

因为N个粗略视点图像中的每个粗略视点图像都有部分RGB分量没有被立体图像的RGB分量所填充，其值依然为预先设定的固定值M(M＞255)，因此需要对这部分RGB分量的值进行修正，以便使最终得到的N个视点图像的质量与原始图像相差无几；

如图5所示的是视点n的RGB分量修正示意图，例如，视点n的R分量中第1行第1列取值为M，根据步骤(h)，该R分量的值应取为第1行第3列的R分量的值10；又如，视点n的G分量中第2行第12列取值为M，根据步骤(i)，该G分量的值应取为第2行第11列和第2行第13列的G分量的值的平均值，即79/2+83/2；再如，视点n的B分量中第1行最后1列取值为M，根据步骤(j)，该B分量的值应取为第1行最后第2列的B分量的值96，依此类推，直到视点n的所有取值为M的R、G、B分量都修正完毕。

当4个粗略分解图像都修正完毕后，就可以得到最终所需的4个分解图像。通过大量实验观察，发现分解图像的视觉效果可以与原始图像相媲美；而用分解图像合成的立体图像，其立体视觉效果也十分出色。