CN103077266B - 一种用于投影式三维显示的仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于投影式三维显示的仿真方法，包括：根据三维显示系统显示原理设计系统参数，模拟在此系统参数下不同视角视图，进而验证图像生成算法可行性及其显示质量；同时可改变系统设计参数，在显示的信息量不变的情况下，权衡视角数与视角图像分辨率对最终显示效果的影响，获得一个显示效果最优时的视角数与视角图像分辨率配比；另外仿真方法中还加入各种系统误差的模拟，分析各种误差在物理设备上对最终显示效果的影响，给出系统的加工精度要求。本发明对基于投影式三维显示系统的设计与制造具有极大的促进作用，它与显示设备具体的图像生成方式无关，可使设计者在搭建硬件之前对显示结果进行综合分析，获得一个最优设计方案。

Description

一种用于投影式三维显示的仿真方法

技术领域

本发明涉及三维显示的仿真方法，尤其涉及一种用于投影式三维显示的仿真方法。

背景技术

三维显示技术是指通过一定技术手段，在空间内重现三维物体信息。近些年来，三维显示技术虽然发展非常迅速，但总体上讲目前还处于一个非常初级的阶段。三维显示技术通过几十年的发展，理论部分已相对成熟，但受制于制造水平，目前还没有出现一套较完美的三维显示设备。

无论何种显示原理，制约三维显示设备的产生概括讲有两方面：信息处理的能力和呈现信息的能力。由于精细的三维信息量是二维的几何次方，需要超高速信息处理系统和显示能力是目前显示设备几何次方的超高分辨率的空间光调制设备，当前的技术水平还无法达到如此高要求。因此目前的三维显示设备信息量都存在很大压缩，对比二维显示设备明显感觉到分辨率低及显示模糊等，这正是目前三维显示技术迫切需要解决的问题。

在信息量受限的情况下，如何获得一个更高质量的三维显示效果，也是目前三维显示技术的研究热点。由于目前三维显示的原理基本上大同小异，只是实现方式各不相同。因此在现有技术水平上，优化系统设计提高三维显示效果就显得尤为重要。

发明内容

本发明提供了一种具有普适性的、可用于投影式三维显示的仿真系统，主要目的在于为投影式三维显示系统寻找一组最优设计参数，并可用于验证图像生成原理可行性和显示效果分析，以及为硬件的搭建提供精度要求。

一种用于投影式三维显示的仿真方法，所述的仿真方法包括对投影式显示装置的仿真方法和定向散射屏的仿真方法，其中投影式显示装置的模拟包含对投影式显示装置中的投影镜头和孔阑的模拟，具体步骤包括：

(1)模拟投影镜头组的成像过程，将投影显示装置上的图像投影到定向散射屏上，获得各投影图像中各像素在定向散射屏上像点的位置，并根据投影角度确定此像素像点光线的入射方向；

(2)模拟定向散射屏的散射作用，对投影到定向散射屏上的像素像点在纵向大范围发散，横向微发散，根据光线入射方向对出射方向进行调制，得到与各个视角相对应的视角图；

(3)对视角图中的像素进行判断，将不属于当前视角所见的像素删除得到修正后的视角图，对所有修正后的视角图中各像素进行拼接；

(4)根据拼接效果调整三维显示系统的系统参数，例如调整投影镜头的光阑大小以及定向散射屏的横向散射角大小等。

步骤(3)中，模拟投影镜头孔阑大小，根据视点位置确定此位置视角图各像素对应于投影显示设备显示的图像中的位置；同时考虑散射屏的横向散射能力对视角图拼接的影响；最终各视角视图由多个投影显示装置提供的图像拼接而成，且由孔阑大小和定向散射屏横向散射能力决定各部分图像拼接效果。

步骤(3)中，对所有修正后的视角图中各像素进行拼接前，首先将各像素对应至投影显示设备显示的图像中。

所述投影显示装置为投影仪阵列；或者，所述投影显示装置由二维显示设备和镜头阵列组成。本发明的仿真方法实现了将有限个显示单元的图像显示阵列投影到定向散射屏，在任意视点位置获得其对应的显示视角图。所述的有限个显示单元可以N×M个显示单元规则或不规则排布阵列，也可以是单个二维显示设备加N×M个镜头阵列构成。

所述投影显示装置由二维显示设备和镜头阵列组成时，步骤(3)中判断的原则为：

假设二维显示设备上一个像素点S(i，j)，且其分射光线方向在[0，π/2)U(3π/2，2π)范围内；

令：

函数h(S)＝[0，π/2)U(3π/2，2π)，即当函数h()作用于某个向量时对于其方向角；

函数θ(S)＝(π/2-0)+(2π-3π/2)＝π；

令P(x，y)＝f(S)，函数f()表示成像关系，其中x，y为S(i，j)投影到散射屏上像点的坐标；

若定向散射屏横向散射角为ε，孔阑大小为d，投影镜头与散射屏距离为D，视点位置为V，可得：θ(P)≈d/D+ε；

若则像素点S(i，j)为V位置视图一部分，否则不是。

所述定向散射屏为弧面或平面形式置于投影显示装置之后，用于呈现投影画面。

步骤(3)修正过程中，为提高仿真精度，需要同时模拟三维显示设备中各种精度误差和限制对显示效果的影响，考虑投影镜头位置及投影方向误差，畸变和圆形孔阑对显示视角图亮度均匀性的影响。

本发明的用于投影式三维显示的仿真方法，可广泛用于基于多投影显示的体视三维显示装置的结构设计和实验分析，计算量小实时性高、操作简单灵活、仿真结果可靠性强、利用常规的编程语言就可以实现。且由于投影式三维显示系统中硬件设计的灵活性，给设计者提供更大设计空间，本发明就显得尤为重要。本发明能有效、准确地还原各视点图像，具有计算量小，运行速度快，且不受图像生成原理影响，仅对各显示部件的模拟扩展性强等优点。

附图说明

图1a是定向散射屏为平面体视三维显示的装置基本结构示意图；

图1b是定向散射屏为弧面体视三维显示的装置基本结构示意图；

图2是液晶面板与投影镜头阵列组成的视场拼接三维显示装置结构示意图；

图3是液晶面板上像素成像于定向散射屏示意图；

图4是视点视图拼接显示仿真原理示意图；

图5是视点视图的拼接说明；

图中，1为图像显示阵列、2为定向散射屏、3为投影透镜阵列、4为液晶面板、5为透镜孔阑、6为基于孔阑的拼接图像部分、7为基于散射的拼接图像部分。

具体实施方式

一种用于投影式三维显示的仿真方法，包括：对投影式显示装置的仿真方法和定向散射屏的仿真方法，其中投影式显示装置的模拟包含对投影式显示装置中的投影镜头和孔阑的模拟。仿真方法实现将有限个显示单元的图像显示阵列投影到定向散射屏，在任意视点位置获得其对应的显示视角图。

具体实现步骤如下：

(1)模拟投影镜头组的成像过程，将投影图像投影在定向散射屏上，获得各投影图像中各像素在定向散射屏上像点的位置，并根据投影角度确定此像素像点光线的入射角度。

(2)模拟定向散射屏的散射作用，对投影到定向散射屏上的像素像点在纵向大范围发散，横向微发散，根据光线入射方向对出射方向进行调制。

(3)模拟投影镜头孔阑大小，根据视点位置确定此位置视角图各像素对应于投影显示设备显示的图像中的位置；同时考虑散射屏的横向散射能力对视角图拼接的影响；最终各视角视图由多个投影显示装置提供的图像拼接而成，且由孔阑大小和定向散射屏横向散射能力决定各部分图像拼接效果。

(4)模拟三维显示设备中各种精度误差和限制对显示效果的影响，包括投影镜头位置及投影方向误差，畸变和圆形孔阑对显示视角图亮度均匀性的影响。

上述投影显示装置可以是投影仪阵列，或由二维显示设备和镜头阵列组成。所述的有限个显示单元可以N×M个显示单元规则或不规则排布阵列，也可以是单个二维显示设备加N×M个镜头阵列构成。

上述定向散射屏可以是弧面或平面形式置于投影显示装置之后，用于呈现投影画面。如图1(a)和图1(b)所示，图1(a)为平面形式置于投影显示装置1之后的定向散射屏2；图1(b)为弧面形式置于投影显示装置1之后的定向散射屏2。

以液晶面板与投影镜头阵列组成的视场拼接三维显示装置为例，如图2所示，装置包括图像显示装置1和弧形的定向散射屏2两部分，图像显示装置由投影镜头阵列3和液晶面板4拼接而成。液晶面板4上的图像通过投影镜头阵列3投影到弧形定向散射屏2上，定向散射屏2对出射光线方向进行限制，在水平平面内顺着入射方向继续传播而在垂直平面内进行大角度散射，因而在水平面内光线方向受到控制，只要对其光强做适当调制即可获得水平视差，从而实现三维显示。在定向散射屏2右侧的观察点获得的视角图由一系列竖条图像拼接而成，这一系列竖条图像由各投影显示装置提供。

仿真过程，首先通过理想成像原理，将液晶像素成像到弧形定向散射屏2，在定向散射屏2上获得此投影显示装置显示的像素分布及此像素对应的入射光线方向，如图3和图4所示。定向散射屏横向散射角为ε，孔阑大小为d，投影镜头与散射屏距离为D，视点位置为V。假设液晶屏上一个像素点S(i，j)，且其分射光线方向在[0，π/2)U(3π/2，2π)范围内，即往右边发射光线。

令函数h(S)＝[0，π/2)U(3π/2，2π)，

函数θ(S)＝(π/2-0)+(2π-3π/2)＝π，

当函数h()作用于某个向量时对于其方向角；

令P(x，y)＝f(S)，函数f()表示成像关系，其中x，y为S(i，j)投影到散射屏上像点的坐标；

可得：θ(P)≈d/D+ε；

若则像素点S(i，j)为V位置视图一部分，否则不是。逐点计算可获得整个视图。如此获得此视点对应的最终视角图，如图5所示，图中透镜孔阑5的大小确定了基于孔阑的拼接图像部分6的大小；定向散射屏的横向散射角大小确定了基于散射的拼接图像部分7的大小；视图的连续性由孔阑和横向散射角决定。通过缩小孔阑大小并增大定向散射屏横向散射角同样可获得连续的视角图，反之亦然，其他位置视图同理可获得。

通过引入各种精度误差，包括投影镜头位置及投影方向误差，畸变和圆形孔阑对显示视角图亮度均匀性的影响，使获得的视角视图更接近实际显示效果。于是通过调节透镜阵列个数，即重新划分液晶屏上子图分布，可进一步研究视角视图分辨率与视角数之间此涨彼消的对应关系，进而得出一个最优的分配方案，这是仿真方法最有意义的部分。

虽然这里是通过示意和举例的方式对本发明进行进一步描述的，但应该认识到，本发明并不局限于上述实施方式和实施例，前文的描述只被认为是说明性的，而非限制性的，本领域技术人员可以做出多种变换或修改，只要没有离开所附权利要求中所确立的范围和精神实质，均视为在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种用于投影式三维显示的仿真方法，其特征在于，包括：

(1)将投影显示装置上的图像投影到定向散射屏上，获得各投影图像中各像素在定向散射屏上像点的位置，并根据投影角度确定此像素像点光线的入射方向；

(2)模拟定向散射屏的散射作用，对投影到定向散射屏上的像素像点在纵向大范围发散，横向微发散，根据光线入射方向对出射方向进行调制，得到与各个视角相对应的视角图；

(3)对视角图中的像素进行判断，将不属于当前视角所见的像素删除得到修正后的视角图，对所有修正后的视角图中各像素进行拼接；

所述投影显示装置由二维显示设备和镜头阵列组成，步骤(3)中判断的原则为：

假设二维显示设备上一个像素点S(i，j)，且其发射光线方向在[0，π/2)U(3π/2，2π)范围内；

令函数h(S)＝[0，π/2)U(3π/2，2π)，

函数θ(S)＝(π/2-0)+(2π-3π/2)＝π，

当函数h()作用于某个向量时对应于其方向角；

令P(x，y)＝f(S)，函数f()表示成像关系，其中x，y为S(i，j)投影到散射屏上像点的坐标；

若定向散射屏横向散射角为ε，孔阑大小为d，投影镜头与散射屏距离为D，视点位置为V，可得：θ(P)≈d/D+ε；

若则像素点S(i,j)为V位置视图一部分，否则不是；

(4)根据拼接效果调整三维显示系统的系统参数。

2.根据权利要求1所述的用于投影式三维显示的仿真方法，其特征在于，步骤(3)中，对所有修正后的视角图中各像素进行拼接前，首先将各像素对应至投影显示设备显示的图像中。

3.根据权利要求1所述的用于投影式三维显示的仿真方法，其特征在于，所述定向散射屏为弧面或平面形式置于投影显示装置之后，用于呈现投影画面。

4.根据权利要求1所述的用于投影式三维显示的仿真方法，其特征在于，步骤(3)修正过程中，同时考虑投影镜头位置及投影方向误差，畸变和圆形孔阑对显示视角图亮度均匀性的影响。