集成成像光场信息采集与显示方法.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201911367045.1 (22)申请日 2019.12.26 (71)申请人 西安电子科技大学 地址 710000 陕西省西安市雁塔区太白南 路2号 (72)发明人 袁影王晓蕊李洋洋刘鑫 凌进中 (74)专利代理机构 西安嘉思特知识产权代理事 务所(普通合伙) 61230 代理人 李园园 (51)Int.Cl. G02B 30/00(2020.01) (54)发明名称 一种集成成像光场信息采集与显示方法 (57)摘要 本发明涉及一种集成成像光场信息采集与 显示方法， 包括：。

2、 建立集成成像模型， 所述集成成 像模型包括探测器、 采集微透镜阵列、 显示屏以 及显示微透镜阵列； 通过所述探测器获取每个采 集微透镜的n个不同视角区域的三维光场信息， 生成微单元图像阵列， 其中n2； 将人眼视觉暂 留时间均分为n个时段， 其中n2； 以所述微单元 图像阵列作为所述显示屏的数据源， 依次在第i 时段将每个显示微透镜的第i视角区域对应的微 单元图像在三维空间中显示， 其中i1,2,n。 本发明的方法， 可以精准控制可调谐背光方向和 显示屏幕内容刷新， 在人眼视觉暂留时间范围内 在不同时刻加载不同观测视角的微单元图像信 息， 消除了串扰现象， 并且将串扰光线转化为有 用的再现图。

3、像。 权利要求书2页 说明书6页 附图4页 CN 111158161 A 2020.05.15 CN 111158161 A 1.一种集成成像光场信息采集与显示方法， 其特征在于， 包括： 建立集成成像模型， 所述集成成像模型包括探测器、 采集微透镜阵列、 显示屏以及显示 微透镜阵列； 通过所述探测器获取每个采集微透镜的n个不同视角区域的三维光场信息， 生成微单 元图像阵列， 其中n2； 将人眼视觉暂留时间均分为n个时段， 其中n2； 以所述微单元图像阵列作为所述显示屏的数据源， 依次在第i时段将每个显示微透镜 的第i视角区域对应的微单元图像在三维空间中显示， 其中i1,2,n。 2.根据权利。

4、要求1所述的集成成像光场信息采集与显示方法， 其特征在于， 所述采集微 透镜阵列和所述显示微透镜阵列为均匀排布的微透镜组成的M*V的二维阵列； 所述采集微 透镜阵列和所述显示微透镜阵列的参数相同。 3.根据权利要求1所述的集成成像光场信息采集与显示方法， 其特征在于， 所述探测器 位于所述采集微透镜阵列的焦平面处； 所述显示屏位于所述显示微透镜阵列的焦平面处。 4.根据权利要求1所述的集成成像光场信息采集与显示方法， 其特征在于， 在所述采集 微透镜阵列中， 所述三维光场信息通过采集微透镜中心与其对应的探测器区域形成的空间区域为采 集微透镜的第1视角区域； 所述三维光场信息通过采集微透镜中心与。

5、此采集微透镜相邻的同一行的采集微透镜 对应的探测器区域形成的空间区域为采集微透镜的第2视角区域； 所述三维光场信息通过采集微透镜中心与此采集微透镜间隔n-2个采集微透镜的同一 行的采集微透镜对应的探测器区域形成的空间区域为采集微透镜的第n视角区域。 5.根据权利要求4所述的集成成像光场信息采集与显示方法， 其特征在于， 每个所述采 集微透镜具有一个第1视角区域， 每个所述采集微透镜具有至多两个第i视角区域， 其中， i 2,3,n。 6.根据权利要求1所述的集成成像光场信息采集与显示方法， 其特征在于， 在所述显示 微透镜阵列中， 通过显示微透镜中心与其对应的显示屏区域向上形成的空间区域为显示。

6、微透镜的第1 视角区域； 通过显示微透镜中心与此显示微透镜相邻的同一行的显示微透镜对应的显示屏区域 向上形成的空间区域为显示微透镜的第2视角区域； 通过显示微透镜中心与此显示微透镜间隔n-2个显示微透镜的同一行的显示微透镜对 应的显示屏区域向上形成的空间区域为显示微透镜的第n视角区域。 7.根据权利要求6所述的集成成像光场信息采集与显示方法， 其特征在于， 每个所述显 示微透镜具有一个第1视角区域， 每个所述显示微透镜具有至多两个第i视角区域， 其中， i 2,3,n。 8.根据权利要求1所述的集成成像光场信息采集与显示方法， 其特征在于， 所述集成成 像光场信息采集与显示方法的视场最大角度为。

7、： 权利要求书 1/2 页 2 CN 111158161 A 2 其中， g表示显示微透镜到显示屏的距离， p表示孔径间隔， N表示时分复用次数。 9.根据权利要求2所述的集成成像光场信息采集与显示方法， 其特征在于， 所述采集微 透镜的不同视角区域个数n满足，所述显示微透镜的不同视角区域个数n满 足， 权利要求书 2/2 页 3 CN 111158161 A 3 一种集成成像光场信息采集与显示方法 技术领域 0001 本发明属于集成成像三维显示技术领域， 具体涉及一种集成成像光场信息采集与 显示方法。 背景技术 0002 集成成像是一种通过透镜阵列或相机阵列实现3D场景微单元图像阵列记录、 。

8、显示 光场微单元图像阵列生成和3D重构图像显示于一体的新型三维显示技术， 也就是集光场采 集、 光场转换和光场显示于一体的新型三维显示技术。 集成成像三维显示具有连续视点、 全 视差、 全彩色的特点， 无需助视设备， 与现代二维平板显示具有良好兼容和继承的性能， 是 未来最有潜力实现产业化的裸眼真三维显示技术之一。 近二十年来， 国内外多家研究团队 从集成成像光场调控器件、 光场数据源转换合成等角度开展了系统深入的研究。 0003 尽管很多科研人员在集成成像三维显示的理论技术和新型光学元件等方面进行 了有益尝试， 但是受集成成像固有显示模式的限制， 再现图像存在严重的视域跳变和串扰 现象， 且。

9、光场密度难以满足高质量三维显示需求。 因此， 提供一种高质量的集成成像光场信 息采集与显示方法是具有重要意义的。 发明内容 0004 为了解决现有技术中存在的上述问题， 本发明提供了一种集成成像光场信息采集 与显示方法。 本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现： 0005 本发明提供了一种集成成像光场信息采集与显示方法， 包括： 0006 建立集成成像模型， 所述集成成像模型包括探测器、 采集微透镜阵列、 显示屏以及 显示微透镜阵列； 0007 通过所述探测器获取每个采集微透镜的n个不同视角区域的三维光场信息， 生成 微单元图像阵列， 其中n2； 0008 将人眼视觉暂留时间均分为n个时段。

10、， 其中n2； 0009 以所述微单元图像阵列作为所述显示屏的数据源， 依次在第i时段将每个显示微 透镜的第i视角区域对应的微单元图像在三维空间中显示， 其中i1,2,n。 0010 在本发明的一个实施例中， 所述采集微透镜阵列和所述显示微透镜阵列为均匀排 布的微透镜组成的M*V的二维阵列； 所述采集微透镜阵列和所述显示微透镜阵列的参数相 同。 0011 在本发明的一个实施例中， 所述探测器位于所述采集微透镜阵列的焦平面处； 所 述显示屏位于所述显示微透镜阵列的焦平面处。 0012 在本发明的一个实施例中， 在所述采集微透镜阵列中， 0013 所述三维光场信息通过采集微透镜中心与其对应的探测器。

11、区域形成的空间区域 为采集微透镜的第1视角区域； 0014 所述三维光场信息通过采集微透镜中心与此采集微透镜相邻的同一行的采集微 说明书 1/6 页 4 CN 111158161 A 4 透镜对应的探测器区域形成的空间区域为采集微透镜的第2视角区域； 0015 所述三维光场信息通过采集微透镜中心与此采集微透镜间隔n-2个采集微透镜的 同一行的采集微透镜对应的探测器区域形成的空间区域为采集微透镜的第n视角区域。 0016 在本发明的一个实施例中， 每个所述采集微透镜具有一个第1视角区域， 每个所述 采集微透镜具有至多两个第i视角区域， 其中， i2,3,n。 0017 在本发明的一个实施例中， 。

12、在所述显示微透镜阵列中， 0018 通过显示微透镜中心与其对应的显示屏区域向上形成的空间区域为显示微透镜 的第1视角区域； 0019 通过显示微透镜中心与此显示微透镜相邻的同一行的显示微透镜对应的显示屏 区域向上形成的空间区域为显示微透镜的第2视角区域； 0020 通过显示微透镜中心与此显示微透镜间隔n-2个显示微透镜的同一行的显示微透 镜对应的显示屏区域向上形成的空间区域为显示微透镜的第n视角区域。 0021 在本发明的一个实施例中， 每个所述显示微透镜具有一个第1视角区域， 每个所述 显示微透镜具有至多两个第i视角区域， 其中， i2,3,n。 0022 在本发明的一个实施例中， 所述集成。

13、成像光场信息采集与显示方法的视场最大角 度为： 0023 0024 其中， g表示显示微透镜到显示屏的距离， p表示孔径间隔， N表示时分复用次数。 0025 在本发明的一个实施例中 ， 所述采集微透镜的不同视角区域个数n满足， 所述显示微透镜的不同视角区域个数n满足， 0026 与现有技术相比， 本发明的有益效果在于： 0027 1、 本发明的集成成像光场信息采集与显示方法， 可以精准控制可调谐背光方向和 显示屏幕内容刷新， 在人眼视觉暂留时间范围内在不同时刻加载不同观测视角的微单元图 像信息， 消除了传统集成成像显示中的串扰现象， 并且可以将串扰光线转化为有用的再现 图像。 0028 2、。

14、 本发明的集成成像光场信息采集与显示方法， 通过时间、 空间复用交织合成不 同空间区域的光线信息， 可以消除视域跳变， 实现光场信息高密度连续视域显示， 达到分辨 率、 观测视角等多维可视参数协同提升的目的。 0029 上述说明仅是本发明技术方案的概述， 为了能够更清楚了解本发明的技术手段， 而可依照说明书的内容予以实施， 并且为了让本发明的上述和其他目的、 特征和优点能够 更明显易懂， 以下特举较佳实施例， 并配合附图， 详细说明如下。 附图说明 0030 图1a-图1d是本发明实施例提供的一种传统集成成像三维显示光线分布示意图； 0031 图2是本发明实施例提供的一种集成成像光场信息采集与。

15、显示方法的流程图； 0032 图3是本发明实施例提供的单个采集微透镜的不同视角区域的示意图； 0033 图4a-图4c是本发明实施例提供的采集微透镜阵列的不同视角区域采集三维光场 说明书 2/6 页 5 CN 111158161 A 5 信息的示意图； 0034 图5是本发明实施例提供的单个显示微透镜的不同视角区域的示意图； 0035 图6是本发明实施例提供的单个显示微透镜的显示过程的示意图。 具体实施方式 0036 为了进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效， 以下结合 附图及具体实施方式， 对依据本发明提出的一种集成成像光场信息采集与显示方法进行详 细说明。 0037 有。

16、关本发明的前述及其他技术内容、 特点及功效， 在以下配合附图的具体实施方 式详细说明中即可清楚地呈现。 通过具体实施方式的说明， 可对本发明为达成预定目的所 采取的技术手段及功效进行更加深入且具体地了解， 然而所附附图仅是提供参考与说明之 用， 并非用来对本发明的技术方案加以限制。 0038 受集成成像固有显示模式的限制， 传统集成成像再现的图像存在严重的视域跳变 和串扰现象， 且光场密度难以满足高质量三维显示需求。 请参见图1a-1d， 图1a-图1d是本发 明实施例提供的一种传统集成成像三维显示光线分布示意图， 如图所示， 图1a为所有方向 光线汇聚结果， 图1b为每个透镜与对应的单元图像。

17、所形成的主视区， 图1c和图1d分别为每 个微透镜与相邻和相间隔的单元图像所形成的串扰区域。 从图中可以看出， 传统集成成像 三维显示时主视区很窄， 观看视角较小， 而且串扰区域的存在也会导致视域跳变和失真， 严 重影响观看者的视觉体验。 0039 实施例一 0040 请参见图2， 图2是本发明实施例提供的一种集成成像光场信息采集与显示方法的 流程图， 如图所示， 本实施例的集成成像光场信息采集与显示方法， 包括如下步骤： 0041 S1： 建立集成成像模型； 0042 具体地， 所述集成成像模型包括探测器、 采集微透镜阵列、 显示屏以及显示微透镜 阵列。 其中， 所述采集微透镜阵列和所述显示。

18、微透镜阵列为均匀排布的微透镜组成的M*V的 二维阵列， M表示微透镜水平排列的数目， V表示微透镜垂直排列的数目。 在本实施例中， 所 述采集微透镜阵列和所述显示微透镜阵列的参数相同， 所述探测器位于所述采集微透镜阵 列的焦平面处， 所述显示屏位于所述显示微透镜阵列的焦平面处。 0043 S2： 通过所述探测器获取每个采集微透镜的n个不同视角区域的三维光场信息， 生 成微单元图像阵列， 其中n2； 0044 具体地， 可以利用齐次光场函数和光线追迹理论， 通过探测器获取每个采集微透 镜的n个不同视角区域的三维光场信息， 生成微单元图像阵列。 0045 请参见图3， 图3是本发明实施例提供的单个。

19、采集微透镜的不同视角区域的示意 图， 以中心采集微透镜为例， 对采集微透镜的不同视角区域进行具体说明。 如图所示， 在所 述采集微透镜阵列中， 所述三维光场信息通过采集微透镜中心与其对应的探测器区域形成 的空间区域为采集微透镜的第1视角区域(图中视角1)； 所述三维光场信息通过采集微透镜 中心与此采集微透镜相邻的同一行的采集微透镜对应的探测器区域形成的空间区域为采 集微透镜的第2视角区域(图中视角2)； 所述三维光场信息通过采集微透镜中心与此采集微 透镜间隔n-2个采集微透镜的同一行的采集微透镜对应的探测器区域形成的空间区域为采 说明书 3/6 页 6 CN 111158161 A 6 集微透。

20、镜的第n视角区域(图中视角n)。 0046 在采集微透镜阵列中， 每个所述采集微透镜均具有一个第1视角区域， 每个所述采 集微透镜具有至多两个第i视角区域， 其中， i2,3,n。 具体地， 当采集微透镜位于所述 采集微透镜阵列的第一列或最后一列时， 其只具有一个第i视角区域， 其中， i2,3,n。 在本实施例中， 所述采集微透镜的不同视角区域个数n满足，在采集三维光场 信息过程中， n可以取在上述范围内的任一整数值。 0047 以中心显示微透镜为例， 对光场信息采集过程进行具体说明， 在本实施例中， 三维 光场信息为虚拟信息， 基于几何光学的光线追迹方法， 计算通过单个透镜到达探测器位置 。

21、的n个视角区域的光场信息， 获取所有微透镜的不同视角区域。 具体地， 基于齐次光场函数 和光线追迹理论， 第1视角区域(图中视角1)中的三维光场信息由与采集微透镜对应的探测 器完成采集， 生成微单元图像数据， 基于齐次光场函数和光线追迹理论， 第2视角区域(图中 视角2)中的三维光场信息由与此采集微透镜相邻的同一行的采集微透镜对应的探测器完 成采集， 生成微单元图像数据， 以此类推， 基于齐次光场函数和光线追迹理论， 第n视角区域 (图中视角n)中的三维光场信息由与此采集微透镜间隔n-2个采集微透镜的同一行的采集 微透镜对应的探测器完成采集， 生成微单元图像数据。 所有微单元图像数据组成微单元。

22、图 像阵列。 每个采集微透镜的采集过程相同， 在此不再赘述。 请参见图4a-图4c， 图4a-图4c是 本发明实施例提供的采集微透镜阵列的不同视角区域采集三维光场信息的示意图， 如图所 示， 图4a为采集微透镜阵列的第1视角区域采集三维光场信息的示意图， 图4b为采集微透镜 阵列的第2视角区域采集三维光场信息的示意图， 图4c为采集微透镜阵列的第n视角区域采 集三维光场信息的示意图。 0048 另外， 在其他实施例中， 三维光场信息若为真实光场信息， 则通过液晶或者空间光 调制器等光学器件的调控， 来实现不同视角区域的光通过采集微透镜， 再利用探测器采集 微透镜的n个视角区域的光场信息。 00。

23、49 值得说明的是， 此采集方法对显示端参数和观测位置没有特定要求， 显示微透镜 阵列参数、 重构图像的深度位置和尺寸都可以任意指定， 均可以实现连续视角高分辨率光 场数据源转换生成。 0050 S3： 将人眼视觉暂留时间均分为n个时段， 其中n2； 0051 人眼视觉暂留指的是物体在快速运动时， 当人眼所看到的影像消失后， 人眼仍能 继续保留其影像0.1-0.4秒左右， 这种现象被称为视觉暂留现象。 保留其影像的时间为人眼 视觉暂留时间。 0052 在本实施例中， 人眼视觉暂留时间划分的时段n与采集三维光场信息时， 采集微透 镜的不同视角区域的个数n相对应。 0053 S4： 以所述微单元图。

24、像阵列作为所述显示屏的数据源， 依次在第i时段将每个显示 微透镜的第i视角区域对应的微单元图像在三维空间中显示， 其中i1,2,n。 0054 在本实施例中， 对应的微单元图像为探测器采集到的相同位置处的采集微透镜的 第i个视角区域的微单元图像。 具体地， 使用基于时间和空间复用的高密度连续视域光场交 织合成显示方法实现光场显示。 请参见图5， 图5是本发明实施例提供的单个显示微透镜的 不同视角区域的示意图， 以中心显示微透镜为例， 对显示微透镜的不同视角区域进行具体 说明书 4/6 页 7 CN 111158161 A 7 说明。 如图所示， 在所述显示微透镜阵列中， 通过显示微透镜中心与其。

25、对应的显示屏区域向 上形成的空间区域为显示微透镜的第1视角区域； 通过显示微透镜中心与此显示微透镜相 邻的同一行的显示微透镜对应的显示屏区域向上形成的空间区域为显示微透镜的第2视角 区域； 通过显示微透镜中心与此显示微透镜间隔n-2个显示微透镜的同一行的显示微透镜 对应的显示屏区域向上形成的空间区域为显示微透镜的第n视角区域。 0055 在显示微透镜阵列中， 每个所述显示微透镜具有一个第1视角区域， 每个所述显示 微透镜具有至多两个第i视角区域， 其中， i2,3,n。 具体地， 当显示微透镜位于所述显 示微透镜阵列的第一列或最后一列时， 其只具有一个第i视角区域， 其中， i2,3,n。 在。

26、 本实施例中， 所述显示微透镜的不同视角区域个数n满足，在显示过程中， n可 以取在上述范围内的任一整数值， 且显示微透镜的不同视角区域的个数n与采集微透镜的 不同视角区域的个数n相对应。 0056 请参见图6， 图6是本发明实施例提供的单个显示微透镜的显示过程的示意图， 以 中心显示微透镜为例， 对光场交织合成显示过程进行具体说明。 如图所示， 在人眼视觉暂留 时间范围内， 动态控制高分辨率显示屏幕内容刷新和可调谐背光方向切换， 在第1时段(图 中Time1)控制每个显示微透镜的第1视角区域对应的微单元图像光线通过显示微透镜中心 在三维空间显示， 在第2时段(图中Time2)控制每个显示微透。

27、镜的第2视角区域对应的微单 元图像光线通过显示微透镜中心三维空间显示， 在第3时段(图中Time3)控制每个显示微透 镜的第3视角区域对应的微单元图像光线通过显示微透镜中心三维空间显示， 以此类推， 在 第n时段(图中Timen)控制每个显示微透镜第n视角区域应的微单元图像光线通过显示微透 镜中心三维空间显示。 0057 在本实施例中， 由于每个所述显示微透镜具有至多两个第i视角区域， 其中， i2, 3,n， 在第i时间段显示两个第i视角区域时， 可以将第i时间段划分为两段， 在第一段显 示左边的第i个视角区域对应的微单元图像， 在第二段显示右边的第i个视角区域对应的微 单元图像； 也可以以。

28、两个像元为一组， 在第i时间段， 控制一个像元的光线方向指向其对应 的微透镜中心经过此微透镜的左边第i个视角区域在三维空间射出， 控制另一个像元的光 线方向指向对应的微透镜中心经过此微透镜的右边第i个视角区域在三维空间射出。 在本 实施例中， 对第i时段的显示方法不做具体限制。 0058 值得说明的是， 在本实施例中， 由于采集微透镜阵列与显示微透镜阵列的参数相 同， 因此， 利用采集微透镜阵列获取的微单元图像阵列可以直接作为显示过程中的数据源， 无需进行数据处理， 在其他实施例中， 若采集微透镜阵列与显示微透镜阵列的参数不相同， 需要将利用采集微透镜阵列获取的微单元图像阵列进行数据处理， 然。

29、后将处理后的微单元 图像阵列作为显示过程中的数据源按照本实施例的方法进行显示。 其中， 数据处理方法可 以是本领域中的常规数据处理方法， 在此不做限制。 0059 进一步地， 本实施例的集成成像光场信息采集与显示方法的视场最大角度为： 0060 0061 其中， g表示显示微透镜到显示屏的距离， p表示孔径间隔， N表示时分复用次数。 0062 而传统的集成成像的视场最大角度为： 说明书 5/6 页 8 CN 111158161 A 8 0063 0064 其中， g表示显示微透镜到显示屏的距离， p表示孔径间隔。 0065 从上式可以看出， 本实施例的视场最大角度与传统集成成像的视场最大角度。

30、相 比， 实现了角度的扩大。 0066 本实施例的集成成像光场信息采集与显示方法， 可以精准控制可调谐背光方向和 显示屏幕内容刷新， 在人眼视觉暂留时间范围内在不同时刻加载不同观测视角的微单元图 像信息， 消除了传统集成成像显示中的串扰现象， 并且可以将串扰光线转化为有用的再现 图像。 另外， 本实施例的方法通过时间、 空间复用交织合成不同空间区域的光线信息， 可以 消除视域跳变， 实现光场信息高密度连续视域显示， 达到分辨率、 观测视角等多维可视参数 协同提升的目的。 0067 以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明， 不能认定 本发明的具体实施只局限于这些说明。 对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说， 在 不脱离本发明构思的前提下， 还可以做出若干简单推演或替换， 都应当视为属于本发明的 保护范围。 说明书 6/6 页 9 CN 111158161 A 9 图1a 图1b 图1c 说明书附图 1/4 页 10 CN 111158161 A 10 图1d 图2 图3 说明书附图 2/4 页 11 CN 111158161 A 11 图4a 图4b 图4c 说明书附图 3/4 页 12 CN 111158161 A 12 图5 图6 说明书附图 4/4 页 13 CN 111158161 A 13 。