一种基于视角导向层的集成成像360°桌面3D显示系统

摘要

本发明提出一种基于视角导向层的集成成像360°桌面显示系统。该系统由高速投影机、接收屏、视角导向层、透镜阵列、全息功能屏及旋转电机组成。高速投影机位于系统的最底层，往上依次是接收屏、视角导向层、透镜阵列以及全息功能屏。旋转电机带动接收屏、视角导向层及透镜阵列旋转，其旋转的角分辨率与微图像阵列的切换速度保持同步，依次再现出环向360°范围内所有视区的目标3D图像，从而实现环向360°可视的集成成像桌面3D显示。

说明书

一、技术领域

本发明涉及桌面显示技术和集成成像3D显示技术，特别涉及一种基于视角导向层的集成成像360°桌面3D显示系统。

二、背景技术

集成成像是一种真3D显示技术，具有裸眼观看、全真3D再现、无视疲劳、视点连续等诸多优点。集成成像技术包含拍摄和显示两个过程：拍摄过程利用摄像机阵列记录3D场景不同角度的3D信息；显示过程将拍摄到的3D图像信息合成微图像阵列，根据光路可逆原理，在显示空间重建出3D场景。

理想的桌面显示在以目标场景为中心的360°范围内均可观看到完整的图像，因此桌面显示屏像素发出的光线不像常规显示屏一样朝正前方发散，而是向显示屏的一侧偏转，光线发散角的对称轴与显示屏的法线方向具有一定夹角，使得环绕在桌面显示屏周围的观看者位于光线发散角的中间位置，从而获得良好的360°环视观看效果。但目前桌面显示大多局限于2D显示，无法模拟真实的3D场景。将集成成像和桌面显示结合起来，能为不同方位的观看者提供不同的3D场景信息，从而还原出3D场景的真实形貌。但传统的集成成像桌面显示的最佳观看视区在显示屏的正前方，无法适应桌面显示环绕360°观看的特性，并且由于像素的漫反射特性，在多人同时观看时会产生较为严重的串扰。

三、发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提出一种基于视角导向层的集成成像360°桌面3D显示系统。所述系统由高速投影机、接收屏、视角导向层、透镜阵列、全息功能屏及旋转电机组成。如附图1所示，高速投影机位于系统的最底层，往上依次是接收屏、视角导向层、透镜阵列以及全息功能屏。旋转电机带动接收屏、视角导向层及透镜阵列旋转，其旋转的角分辨率与微图像阵列的切换速度保持同步，以实现集成成像360°桌面3D显示。

所述高速投影机，用于将编码生成的多幅微图像阵列以高刷新率投影到接收屏上。

所述接收屏，位于透镜阵列下方与透镜阵列距离为g的平面上，用于接收并显示集成成像片源。集成成像片源由多幅微图像阵列组成，包含目标物体360°的立体信息。每幅微图像阵列由多个图像元组成，包含不同视区的立体信息。

所述视角导向层，位于接收屏和透镜阵列之间，由多个倾斜角度为θ的孔洞单元排列而成，如附图2所示，孔洞单元数量与微图像阵列包含的图像元数量相同，用于对微图像阵列发出的光线进行调制，消除传统集成成像桌面显示系统存在的串扰。由于微图像阵列发出的光线只能沿着倾斜孔洞单元发散，因此能够对光线进行调制。调制后的环向视角θ_h和垂直视角θ_v分别满足：

视角导向层中单个孔洞单元的长l、宽w由式(1)(2)约束，单个孔洞单元的高h、相邻孔洞单元的节距p₁和孔洞单元壁的厚度p₀满足：

h＝g (3)

p₁-p₀≥D>

其中D为透镜阵列中透镜元的直径。所述系统经视角导向层调制后的单个观看视区的垂直视角范围由接收屏正前方的调制为的范围内可视，如附图3(a)所示，实现了侧面倾斜观看的效果；调制后的环向视角仅在θ_h范围内可视如附图3(b)所示，从而消除了单个视区微图像阵列由于像素漫反射特性带来的多个视区可视的串扰。所述θ₀为未使用视角导向层时，集成成像主视区的观看视角，如附图3(c)所示。

所述透镜阵列，由多个透镜元等间距排列而成，透镜元的数量与微图像阵列包含的图像元数量相同，用于将经过视角导向层调制后的光线在显示空间中重建出目标3D图像。透镜元的排列可以是紧密排列、蜂窝状排列等方式，对应的图像元和孔洞单元也按相同的方式排列。

所述全息功能屏，用于对水平方向和竖直方向的光线进行扩散，消除由透镜元间隙带来的再现图像元之间的不连续，实现图像元的融合拼接，生成具有平滑连续视差的3D图像。

所述旋转电机，用于带动接收屏、视角导向层及透镜阵列旋转，依次再现出每个观看视区对应的3D图像，从而构成360°环向连续的视区，实现环向360°的集成成像桌面3D显示。所述旋转电机的旋转的角分辨率与微图像阵列的切换速度保持同步。

优选地，所述微图像阵列中的图像元、视角导向层中的倾斜孔洞单元和透镜阵列中的透镜元的中心完全对应，以确保微图像阵列中的每个图像元发出的全部光线都能依次通过视角导向层中的倾斜孔洞单元和透镜阵列中的透镜元。所述旋转电机的转速R应满足R≥24转每秒(r/s)，以确保观看者能看到目标3D场景的360°连续立体信息。

本发明所述一种基于视角导向层的集成成像360°桌面3D显示系统，利用接收屏显示高速投影机投影的由多幅微图像阵列组成的集成成像片源，并使用视角导向层对微图像阵列发出的光线进行调制，随后通过透镜阵列，在目标显示空间重建出单个视区的目标3D图像，并利用旋转电机带动接收屏、视角导向层和透镜阵列实现同步旋转，依次再现出环向360°范围内所有视区的目标3D图像，从而实现环向360°可视的集成成像桌面3D显示。该系统消除了由于像素的漫反射特性带来的串扰，提高了集成成像360°桌面3D显示的观看体验。

四、附图说明

附图1为一种基于视角导向层的集成成像360°桌面3D显示系统的结构示意图

附图2为本发明的视角导向层结构示意图

附图3本发明的视角导向层的调制原理图，(a)为垂直方向的视角调制原理示意图，(b)为环向的视角调制原理示意图，(c)为未使用视角导向层的集成成像观看视角示意图

上述附图中的图示标号为：

1高速投影机，2接收屏，3视角导向层，4透镜阵列，5全息功能屏，6旋转电机，7旋转轴，8观看者，9孔洞单元。

应该理解上述附图只是示意性的，并没有按比例绘制。

五、具体实施方式

下面详细描述本发明提出的一种基于视角导向层的集成成像360°桌面3D显示系统的一个典型实施例，所述实施例的示例在附图中示出。有必要在此指出的是，下面描述的实施例是示例性的，旨在对本发明做进一步的解释，而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前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。

本实施例的一种基于视角导向层的集成成像360°桌面3D显示系统由高速投影机、接收屏、视角导向层、透镜阵列、全息功能屏及旋转电机组成。如附图1所示，高速投影机位于系统的最底层，往上依次是接收屏、视角导向层、透镜阵列以及全息功能屏。旋转电机带动接收屏、视角导向层及透镜阵列旋转，其旋转的角分辨率与微图像阵列的切换速度保持同步，以实现集成成像360°桌面3D显示。

高速投影机将将编码生成的微图像阵列序列以高刷新率投影到接收屏上，投影机刷新率为每秒钟10800幅图像。

接收屏位于透镜阵列的成像平面上，与透镜阵列距离为13.5mm，用于接收并显示集成成像片源，集成成像片源由360幅微图像阵列组成，包含目标物体360°的立体信息。每幅微图像阵列由21×21个图像元编码生成的微图像阵列，每个图像元的分辨率为100×100，包含不同的立体信息。接收屏尺寸为566mm×566mm，显示像素大小为0.13725mm，显示分辨率为2160×2160。

视角导向层位于接收屏和透镜阵列之间，由多个倾斜角度为θ的孔洞单元排列而成，如附图2所示，孔洞单元数量与微图像阵列包含的图像元数量相同，用于对微图像阵列发出的光线进行调制，消除传统集成成像桌面显示系统存在的串扰。由于微图像阵列发出的光线只能沿着倾斜孔洞单元发散，因此能够对光线进行调制。调制后的环向视角θ_h和垂直视角θ_v分别满足：

视角导向层中单个孔洞单元的长l、宽w由式(1)(2)约束，单个孔洞单元的高h、相邻孔洞单元的节距p₁和孔洞单元壁的厚度p₀满足：

h＝g (3)

p₁-p₀≥D>

孔洞单元的长、宽和高分别为13.1mm、13.1mm、13.5mm，由此计算得出分别为微图像阵列发出的光线经视角导向层调制后的环向视角θ_h＝45°和垂直视角θ_v＝60°。相邻孔洞单元的节距为13.7mm，孔洞单元壁的厚度为0.6mm。所述系统经视角导向层调制后的单个观看视区的环向视角仅在θ_h＝45°范围内可视，垂直方向由接收屏的正前方70～110的范围调制为30～90范围内可视，如附图3所示。所述θ₀＝60°为未使用视角导向层时，集成成像主视区的观看视角，如附图3(c)所示。

透镜阵列由多个尺寸相同的圆形透镜元呈等间距矩形排列，透镜元直径为12.7mm，焦距为12.7mm，相邻透镜元节距为13.7mm，透镜元数目为21×21。

全息功能屏位于透镜阵列上方155mm处，尺寸为566mm×566mm，消除了由于透镜之间的间隙带来的再现图像元之间的不连续，实现了图像元的融合拼接，生成了具有平滑连续视差的3D图像。

旋转电机，用于带动接收屏、视角导向层及透镜阵列旋转，转速为30转/每秒，依次再现出每个观看视区对应的3D图像，从而构成360°环向视区，实现环向360°的集成成像桌面3D显示。所述旋转电机的旋转的角分辨率与微图像阵列的切换速度保持同步。

优选地，所述微图像阵列中的图像元、视角导向层中的倾斜孔洞单元和透镜阵列中的透镜元的中心完全对应，以确保微图像阵列中的每个图像元发出的全部光线都能依次通过视角导向层中的倾斜孔洞洞单元和透镜阵列中的透镜元

本发明所述一种基于视角导向层的集成成像360°桌面3D显示系统，利用接收屏显示高速投影机投影的由多幅微图像阵列组成的集成成像片源，并使用视角导向层对微图像阵列发出的光线进行调制，随后通过透镜阵列，在目标显示空间重建出单个视区的目标3D图像，并利用旋转电机带动接收屏、视角导向层和透镜阵列实现同步旋转，依次再现出环向360°范围内所有视区的目标3D图像，从而实现环向360°可视的集成成像桌面3D显示。该系统消除了由于像素的漫反射特性带来的串扰，提高了集成成像360°桌面3D显示的观看体验。