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基于渐变线光源的高亮度集成成像3D显示

范钧 刘永志 吴非

范钧, 刘永志, 吴非. 基于渐变线光源的高亮度集成成像3D显示[J]. 红外与激光工程, 2021, 50(12): 20210058. doi: 10.3788/IRLA20210058
引用本文: 范钧, 刘永志, 吴非. 基于渐变线光源的高亮度集成成像3D显示[J]. 红外与激光工程, 2021, 50(12): 20210058. doi: 10.3788/IRLA20210058
Fan Jun, Liu Yongzhi, Wu Fei. High luminance integral imaging 3D display based on gradient line light source[J]. Infrared and Laser Engineering, 2021, 50(12): 20210058. doi: 10.3788/IRLA20210058
Citation: Fan Jun, Liu Yongzhi, Wu Fei. High luminance integral imaging 3D display based on gradient line light source[J]. Infrared and Laser Engineering, 2021, 50(12): 20210058. doi: 10.3788/IRLA20210058

基于渐变线光源的高亮度集成成像3D显示

doi: 10.3788/IRLA20210058
基金项目: 国家自然科学基金(61705022);四川省科技厅应用基础面上项目(2019YJ0377);四川省科技厅苗子工程重点项目(19MZGC0032)
详细信息
    作者简介:

    范钧,女,副教授,硕士,主要从事三维显示方面的研究工作

  • 中图分类号: TN141

High luminance integral imaging 3D display based on gradient line light source

  • 摘要: 为了解决观看视角与亮度的相互制约关系,设计了一种基于渐变线光源的集成成像3D显示器,通过设置渐变线光源中每列线光源的宽度,优化微图像阵列中每列图像元的成像光路,建立了3D成像模型,通过几何光学推导了观看视角以及亮度的计算公式;研制了基于渐变线光源的集成成像3D显示实验装置,通过实验验证了可以在保持观看视角的前提下将3D图像的亮度提高为传统集成成像3D显示的4.5倍。
  • 图  1  基于传统线光源的集成成像3D显示器参数图

    Figure  1.  Parameter of the integral imaging 3D display based on a conventional line light source

    图  2  基于渐变线光源的集成成像3D显示器结构图

    Figure  2.  Structure diagram of the integral imaging 3D display based on a gradient line light source

    图  3  基于渐变线光源的集成成像3D显示器的原理和参数图

    Figure  3.  Principle and parameter of the integral imaging 3D display based on a gradient line light source

    图  4  集成成像3D显示实验装置

    Figure  4.  Experimental equipment of the integral imaging 3D display

    图  5  微图像阵列

    Figure  5.  Element image array

    图  6  基于渐变线光源的集成成像3D显示实验装置不同角度的图像

    Figure  6.  Different 3D images viewed in the integral imaging 3D display based on a gradient line light source

    图  7  基于传统线光源的集成成像3D显示实验装置不同角度的图像

    Figure  7.  Different 3D images viewed in the integral imaging 3D display based on a conventional line light source

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出版历程
  • 收稿日期:  2021-01-18
  • 修回日期:  2021-03-23
  • 刊出日期:  2021-12-31

基于渐变线光源的高亮度集成成像3D显示

doi: 10.3788/IRLA20210058
    作者简介:

    范钧,女,副教授,硕士,主要从事三维显示方面的研究工作

基金项目:  国家自然科学基金(61705022);四川省科技厅应用基础面上项目(2019YJ0377);四川省科技厅苗子工程重点项目(19MZGC0032)
  • 中图分类号: TN141

摘要: 为了解决观看视角与亮度的相互制约关系,设计了一种基于渐变线光源的集成成像3D显示器,通过设置渐变线光源中每列线光源的宽度,优化微图像阵列中每列图像元的成像光路,建立了3D成像模型,通过几何光学推导了观看视角以及亮度的计算公式;研制了基于渐变线光源的集成成像3D显示实验装置,通过实验验证了可以在保持观看视角的前提下将3D图像的亮度提高为传统集成成像3D显示的4.5倍。

English Abstract

    • 人们现实生活的世界是立体的,而传统的平面显示的图像却是二维的。还原真实所见世界的憧憬促使人们开始研究3D显示技术。目前被广泛应用的是基于人眼双目视差原理的助视3D显示以及光栅3D显示[1]。但是,由于双目视差的显示机理与人眼视觉生理之间存在矛盾,观看者在长时间观看3D图像后会产生视疲劳[2]。与助视3D显示和光栅3D显示不同,真3D显示在成像空间中直接再现出物体的3D像,因此真3D显示不会产生视疲劳。目前主流的真3D显示包括体3D显示、全息3D显示和集成成像3D显示。与体3D显示和全息3D显示相比,集成成像3D显示具有结构简单、无需特殊成像介质和相干光源以及数据量相对较少等优点[3-7]。集成成像3D显示的诸多优点使其得到了飞速的发展,其在各方面的应用也随之传播开来:例如在3D电视娱乐、军事国防、医疗卫生等方面都有其广泛应用。近年来,集成成像也被应用于双视3D显示领域[8-9]。因此,集成成像3D显示具有良好的研究意义,已经成为国内外科研人员的研究热点之一。

      与基于微透镜阵列的集成成像3D显示相比,基于点光源的集成成像3D显示具有3D景深大、无深度翻转、节距不受制作工艺限制以及易于实现3D/2D转换等优点[10]。但是基于点光源的集成成像3D显示存在3D图像亮度偏低等缺点。四川大学采用与背光源配套的反射型锥孔阵列增大3D图像的亮度[11]。而反射型锥孔阵列的制作和对准均存在较大困难。成都工业学院通过实时调节孔径宽度来调节观看视角以及图像亮度,以满足不同观看模式的需要[12]。但该方法无法同时实现宽视角和高亮度,无法满足多人观看时的高亮度需求。通过舍弃垂直视差,基于线光源的集成成像3D显示可以显著增大3D图像的亮度和分辨率[10],但是观看视角与图像亮度仍然存在限制关系。文中提出一种基于渐变线光源的高亮度集成成像3D显示器件,通过合理设置每列线光源的宽度,优化每列图像元的成像光路,在保持观看视角的前提下显著增大3D图像的亮度,通过实验验证了所提方法的有效性。

    • 集成成像3D显示模式可以分为实模式、虚模式和聚焦模式三种。在实模式的集成成像3D显示中,3D图像是凸出显示屏的;在虚模式的集成成像3D显示中,3D图像是凹进显示屏的;基于线光源的集成成像3D显示处于聚焦模式,它可以在显示屏的两侧分别成3D像。因此,基于线光源的集成成像3D显示具有较强的深度感。如图1所示,基于传统线光源的集成成像3D显示的主视区是微图像阵列中所有图像元的成像区域的公共部分。基于传统线光源的集成成像3D显示器的观看视角θ和亮度L[10, 12]

      图  1  基于传统线光源的集成成像3D显示器参数图

      Figure 1.  Parameter of the integral imaging 3D display based on a conventional line light source

      $$\theta = 2\arctan \left[ {\frac{{p - w}}{{2g}} - \frac{{\left( {m - 2} \right)p}}{{2l}}} \right]$$ (1)
      $$L = \frac{{Cw}}{p}$$ (2)

      式中:p为图像元的节距;w为线光源的宽度;m为微图像阵列中图像元的数目;g为线光源与图像元的间距;l为观看距离;C为2D显示时的亮度。由公式(1)可知,在基于传统线光源的集成成像3D显示中,3D图像的观看视角与线光源的节距成正比,与线光源的宽度成反比。由公式(2)可知,在基于传统线光源的集成成像3D显示中,3D图像的亮度与线光源的节距成反比,与线光源的宽度成正比。因此,虽然可以通过减小线光源的节距或增大线光源的宽度来增大3D图像的亮度,但是会降低3D图像的观看视角。

      文中提出的高亮度集成成像3D显示器包括有机电致发光(Organic Light Emitting Diode, OLED)显示屏和液晶显示屏,如图2所示。OLED显示屏平行放置于液晶显示屏后方,且对应对齐。OLED显示屏用于生成渐变线光源,液晶显示屏用于显示微图像阵列。

      图  2  基于渐变线光源的集成成像3D显示器结构图

      Figure 2.  Structure diagram of the integral imaging 3D display based on a gradient line light source

      图3所示,渐变线光源中线光源的数目等于微图像阵列中图像元的数目。渐变线光源中线光源的节距等于微图像阵列中图像元的节距。每个线光源的中心均与对应图像元的中心对应对齐。每个线光源发出的光线均照亮与其对应的图像元,在观看视区内重建3D像素。

      图  3  基于渐变线光源的集成成像3D显示器的原理和参数图

      Figure 3.  Principle and parameter of the integral imaging 3D display based on a gradient line light source

      与传统线光源不同,渐变线光源中线光源的宽度从两边向中心逐渐增大。因此,微图像阵列中图像元的成像区域宽度从中心向两边逐渐增大。通过合理设置渐变线光源左半部分线光源的宽度,可以使得位于显示屏左半部分的图像元成像区域的右边缘均重合。通过合理设置渐变线光源右半部分线光源的宽度,可以使得位于显示屏右半部分的图像元成像区域的左边缘均重合。即:基于渐变线光源的集成成像3D显示的主视区是位于微图像阵列中心的两个图像元成像区域的公共部分。由图3可知,渐变线光源中第i列线光源的宽度Hi为:

      $$\left\{ \begin{array}{l} {H_i} = {H_1} + \dfrac{{2gp}}{l}\left( {\dfrac{m}{2} - i} \right)\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;1 \leqslant i \leqslant \dfrac{m}{2} \\ {H_i} = {H_1} + \dfrac{{2gp}}{l}\left( {i - \dfrac{m}{2} - 1} \right)\;\;\;\;\;\dfrac{m}{2} < i \leqslant m \\ \end{array} \right.$$ (3)

      式中:H1为渐变线光源中第一列线光源的宽度。由图2可得,基于渐变线光源的集成成像3D显示器的观看视区宽度D为:

      $$D = \frac{{\left( {p - {H_1}} \right)l}}{g} - \left( {m - 2} \right)p$$ (4)

      基于渐变线光源的集成成像3D显示器的观看视角θ′和亮度L′为:

      $$\theta ' = 2\arctan \left[ {\frac{{p - {H_1}}}{{2g}} - \frac{{\left( {m - 2} \right)p}}{{2l}}} \right]$$ (5)
      $$L' = \sum\limits_{i = 1}^m {\frac{{C{H_i}}}{{mp}}} $$ (6)

      式中:Hi为渐变线光源中第i列线光源的宽度。

      由公式(5)和(6)可知,与基于传统线光源的集成成像3D显示器相同,文中提出的集成成像3D显示器的亮度与渐变线光源中所有线光源的宽度成正比;与基于传统线光源的集成成像3D显示器不同,文中提出的集成成像3D显示器的观看视角仅与渐变线光源中第一列线光源的宽度成反比。渐变线光源中线光源的宽度从两边向中心逐渐增大,因此可以在保持观看视角的前提下显著增大3D图像的亮度。更进一步地,可以根据实际需求,合理设置渐变线光源中第一列线光源的宽度,同时实现宽视角和高亮度集成成像3D显示。

    • 搭建了基于渐变线光源和传统线光源的集成成像3D显示实验装置验证所提理论的有效性,如图4所示。OLED显示屏与液晶显示屏的分辨率均为1920×1080,像素尺寸均为0.063 mm,两者的间距为5 mm。

      图  4  集成成像3D显示实验装置

      Figure 4.  Experimental equipment of the integral imaging 3D display

      实验采用计算机程序生成微图像阵列代替了微透镜阵列的3D拍摄过程。在3Ds MAX中设置多个虚拟相机来对3D场景“11”进行3D拍摄,按照几何光学原理建立数学模型,由计算机来完成3D拍摄,获得如图5所示的微图像阵列。微图像阵列中图像元的数目为16,图像元的节距为3.78 mm。渐变线光源中第一列线光源的宽度和传统线光源中线光源的宽度均为0.126 mm。根据公式(1)计算得到,渐变线光源中第1~16列线光源的宽度分别为0.126、0.252、0.378、0.504、0.63、0.756、0.882、1.008、1.008、0.882、0.756、0.63、0.504、0.378、0.252、0.126 mm。

      图  5  微图像阵列

      Figure 5.  Element image array

      在观看距离300 mm处,分别从不同的观看角度拍摄基于渐变线光源和传统线光源的集成成像3D显示实验装置,如图6图7所示。在左15°~右15°之间,基于渐变线光源和传统线光源的集成成像3D显示实验装置均能呈现清晰无串扰的3D图像“11”,且两个数字“1”的相对位置随着观看视角的变化而变化,即重建的3D图像“11”具有良好的水平视差。从左16°和右16°两个方向观测基于渐变线光源和传统线光源的集成成像3D显示实验装置,两个数字“1”均出现重影等串扰现象。上述实验结果证明,当渐变线光源中第一列线光源的宽度等于传统线光源的宽度时,基于渐变线光源和传统线光源的集成成像3D显示的观看视角相同。在左15°的方向上测得基于渐变线光源和传统线光源的集成成像3D显示重建3D图像的亮度分别为45.2 cd/m2和10.1 cd/m2。即在观看视角相同的前提下,基于渐变线光源的集成成像3D显示的亮度是基于传统线光源的集成成像3D显示的亮度的4.5倍。

      图  6  基于渐变线光源的集成成像3D显示实验装置不同角度的图像

      Figure 6.  Different 3D images viewed in the integral imaging 3D display based on a gradient line light source

      图  7  基于传统线光源的集成成像3D显示实验装置不同角度的图像

      Figure 7.  Different 3D images viewed in the integral imaging 3D display based on a conventional line light source

      上述实验结果验证了基于渐变线光源的集成成像3D显示器件在保持观看视角的前提下显著增大3D图像的亮度。

    • 文中设计了一种基于渐变线光源的高亮度集成成像3D显示器,详细阐述了如何设置渐变线光源中各个线光源的宽度,从而改变图像元的成像光线,研制了基于渐变线光源的集成成像3D显示实验装置。通过实验验证了基于渐变线光源的集成成像3D显示器件在保持观看视角的前提下显著增大3D图像的亮度。

参考文献 (12)

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