本發(fā)明涉及三維光場(chǎng)顯示技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種三維光場(chǎng)顯示系統(tǒng)及顯示參數(shù)確定方法。

背景技術(shù)：

隨著當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的二維平面顯示技術(shù)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法滿足目前各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域?qū)τ谏疃葦?shù)據(jù)與空間立體感的需求。越來(lái)越多的應(yīng)用領(lǐng)域，如醫(yī)學(xué)成像、科學(xué)研究、外太空探索、重要遠(yuǎn)程會(huì)議和軍事等，要求能夠?qū)崿F(xiàn)三維場(chǎng)景的真實(shí)重建，從而使得觀看者可以更加精確的捕獲相關(guān)信息，準(zhǔn)確的進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)判斷。自由立體顯示技術(shù)可以使觀看者通過(guò)肉眼直接體驗(yàn)三維視覺(jué)，使三維圖像更加逼真顯示真實(shí)圖像。

光場(chǎng)顯示作為自由立體顯示技術(shù)的一種，其代表是集成成像三維顯示，由Lippmann提出的IP(integral photography，集成攝影)技術(shù)發(fā)展而來(lái)，該技術(shù)可以為觀眾提供全視差的自由立體效果?，F(xiàn)有的集成成像三維顯示技術(shù)主要是基于透鏡陣列的集成成像三維顯示，光場(chǎng)顯示還包括基于投影機(jī)陣列的光場(chǎng)顯示。

由于真實(shí)的透鏡相對(duì)于理想透鏡而言存在成像內(nèi)容的畸變問(wèn)題，因此基于透鏡陣列的集成成像三維顯示再現(xiàn)的光場(chǎng)存在極大的誤差，如圖1所示，圖1為現(xiàn)有技術(shù)的基于透鏡陣列的集成成像三維顯示的成像示意圖，圖中包括二維凸透鏡陣列101。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明實(shí)施例的目的在于提供一種三維光場(chǎng)顯示系統(tǒng)及顯示參數(shù)確定方法，以矯正集成成像三維顯示內(nèi)容存在的畸變問(wèn)題。

為達(dá)到上述目的，第一方面，本發(fā)明實(shí)施例公開(kāi)了一種三維光場(chǎng)顯示系統(tǒng)，包括：液晶顯示面板、二維凸透鏡陣列和全息功能屏；

所述二維凸透鏡陣列設(shè)置在所述液晶顯示面板和所述全息功能屏之間；

所述二維凸透鏡陣列與所述液晶顯示面板的距離為l，所述二維凸透鏡陣列與所述全息功能屏之間的距離為L(zhǎng)，所述二維凸透鏡陣列中的每個(gè)凸透鏡的直徑為P，所述凸透鏡的焦距為f，相鄰所述凸透鏡的中心間距為g；

所述二維凸透鏡陣列與所述液晶顯示面板的距離l、所述二維凸透鏡陣列與所述全息功能屏之間的距離L和所述凸透鏡的焦距f滿足高斯成像公式：

$\frac{1}{l}+\frac{1}{L}=\frac{1}{f};$

所述全息功能屏的發(fā)散角α為：

α＝arctan(g/L)-arctan(P/L)。

較佳的，所述凸透鏡的形狀為圓形或正多邊形。

較佳的，所述凸透鏡的形狀為圓形，所述直徑P為所述凸透鏡的直徑。

較佳的，所述凸透鏡的形狀為正多邊形，所述直徑P為所述凸透鏡的外接圓直徑。

較佳的，所述二維凸透鏡陣列呈正方形排布或蜂窩狀排布。

第二方面，本發(fā)明實(shí)施例還公開(kāi)了一種三維光場(chǎng)顯示系統(tǒng)的顯示參數(shù)確定方法，應(yīng)用于第一方面所述的三維光場(chǎng)顯示系統(tǒng)，包括：

根據(jù)預(yù)設(shè)的系統(tǒng)可觀看視角θ及公式

$\mathrm{\θ}=2arctan\left(\frac{g}{2l}\right),$

確定所述二維凸透鏡陣列與所述液晶顯示面板的距離l、和相鄰所述凸透鏡的中心間距g之間的第一關(guān)系；

根據(jù)預(yù)設(shè)的單目分辨率R_single、所述液晶顯示面板的總分辨率R_total、觀看者到所述全息功能屏的距離D及公式

$R_{\sin gle}=R_{total}\frac{l}{L}\frac{D}{D+L},$

確定所述二維凸透鏡陣列與所述全息功能屏之間的距離L、和所述二維凸透鏡陣列與所述液晶顯示面板的距離l之間的第二關(guān)系；

根據(jù)預(yù)設(shè)所述二維凸透鏡陣列與所述全息功能屏之間的距離L的值、所述第一關(guān)系及所述第二關(guān)系，計(jì)算得出相鄰所述凸透鏡的中心間距g、和所述二維凸透鏡陣列與所述液晶顯示面板的距離l的值；

根據(jù)所述二維凸透鏡陣列與所述全息功能屏之間的距離L的值、所述二維凸透鏡陣列與所述液晶顯示面板的距離l的值及公式

$\frac{1}{l}+\frac{1}{L}=\frac{1}{f},$

確定所述二維凸透鏡陣列中的每個(gè)凸透鏡的焦距f和直徑P的值；

根據(jù)所述直徑P的值、相鄰所述凸透鏡的中心間距g的值、所述二維凸透鏡陣列與所述全息功能屏之間的距離L的值及公式

α＝arctan(g/L)-arctan(P/L)，

確定所述全息功能屏的發(fā)散角α。

較佳的，所述預(yù)設(shè)的系統(tǒng)可觀看視角θ范圍為：30度≤θ≤60度。

較佳的，所述第一關(guān)系為：

$l=\frac{g}{2\tan \left(\frac{\mathrm{\θ}}{2}\right)};$

所述第二關(guān)系為：

$l=L\frac{R_{\sin gle}}{R_{total}}\frac{D+L}{D}.$

較佳的，所述二維凸透鏡陣列呈正方形排布或蜂窩狀排布。

由上述的技術(shù)方案可見(jiàn)，本發(fā)明實(shí)施例提供的三維光場(chǎng)顯示系統(tǒng)及顯示參數(shù)確定方法，通過(guò)全息功能屏的發(fā)散角α將二維凸透鏡陣列所成的三維圖像進(jìn)行擴(kuò)散成像，有效的矯正了實(shí)際透鏡成像內(nèi)容的畸變；得到的三維光場(chǎng)顯示系統(tǒng)的顯示參數(shù)，包括：所述二維凸透鏡陣列中的每個(gè)凸透鏡的直徑P、相鄰所述凸透鏡的中心間距g、所述二維凸透鏡陣列與所述全息功能屏之間的距離L、所述二維凸透鏡陣列與所述液晶顯示面板的距離l、和所述全息功能屏的發(fā)散角α，可以使觀看者從不同角度與不同距離進(jìn)行觀看；此外，從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以得到，本發(fā)明實(shí)施例提供的三維光場(chǎng)顯示系統(tǒng)相較于基于投影機(jī)陣列的光場(chǎng)顯示，具有體積小、易調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)然，實(shí)施本發(fā)明的任一產(chǎn)品或方法必不一定需要同時(shí)達(dá)到以上所述的所有優(yōu)點(diǎn)。

附圖說(shuō)明

為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為現(xiàn)有技術(shù)的基于透鏡陣列的集成成像三維顯示的成像示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例的三維光場(chǎng)顯示系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例的三維光場(chǎng)顯示系統(tǒng)成像效果圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例的二維凸透鏡陣列呈正方形排布的示意圖；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例的二維凸透鏡陣列呈蜂窩狀排布的示意圖；

圖6為本發(fā)明實(shí)施例的體像素映射實(shí)現(xiàn)二維圖像的編碼原理示意圖；

圖7為本發(fā)明實(shí)施例的三維光場(chǎng)顯示系統(tǒng)的顯示參數(shù)確定方法的流程示意圖；

圖8為本發(fā)明實(shí)施例的應(yīng)用場(chǎng)景示意圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例的三維光場(chǎng)顯示系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，所述三維光場(chǎng)顯示系統(tǒng)包括：液晶顯示面板201、二維凸透鏡陣列101和全息功能屏202；

所述二維凸透鏡陣列101設(shè)置在所述液晶顯示面板201和所述全息功能屏202之間；

所述二維凸透鏡陣列101與所述液晶顯示面板201的距離為l，所述二維凸透鏡陣列101與所述全息功能屏202之間的距離為L(zhǎng)，所述二維凸透鏡陣列101中的每個(gè)凸透鏡的直徑為P，所述凸透鏡的焦距為f，相鄰所述凸透鏡的中心間距為g；

所述二維凸透鏡陣列101與所述液晶顯示面板201的距離l、所述二維凸透鏡陣列101與所述全息功能屏202之間的距離L和所述凸透鏡的焦距f滿足高斯成像公式：

$\frac{1}{l}+\frac{1}{L}=\frac{1}{f};$

所述全息功能屏的發(fā)散角α為：

α＝arctan(g/L)-arctan(P/L)。

應(yīng)用本發(fā)明實(shí)施例，根據(jù)全息功能屏的發(fā)散角，將二維凸透鏡陣列所成的三維圖像進(jìn)行擴(kuò)散成像，擴(kuò)散后的三維圖像能夠減小基于透鏡陣列的集成成像三維顯示再現(xiàn)的光場(chǎng)存在的誤差。

圖3為本發(fā)明實(shí)施例的三維光場(chǎng)顯示系統(tǒng)成像效果圖。

本實(shí)施例公開(kāi)的三維光場(chǎng)顯示系統(tǒng)通過(guò)全息功能屏202將二維凸透鏡陣列101所成的三維圖像進(jìn)行擴(kuò)散成像，將二維凸透鏡陣列101的成像多擴(kuò)散了α角度，有效的矯正了實(shí)際透鏡成像內(nèi)容的畸變。

具體的，本發(fā)明實(shí)施例的所述凸透鏡的形狀為圓形或正多邊形。所述凸透鏡的形狀為圓形，所述直徑P為所述凸透鏡的直徑；所述凸透鏡的形狀為正多邊形，所述直徑P為所述凸透鏡的外接圓直徑。

圖4為本發(fā)明實(shí)施例的二維凸透鏡陣列呈正方形排布的示意圖，圖5為本發(fā)明實(shí)施例的二維凸透鏡陣列呈蜂窩狀排布的示意圖。所述二維凸透鏡陣列呈正方形排布時(shí)，每個(gè)二維凸透鏡的大小、形狀及參數(shù)完全相同并且行列對(duì)齊設(shè)置；所述二維凸透鏡陣列呈蜂窩狀排布時(shí)，每個(gè)二維凸透鏡的大小、形狀及參數(shù)完全相同并且行列按六邊形設(shè)置。

當(dāng)二維凸透鏡陣列不同時(shí)，將改變液晶顯示面板201上像素編碼的方法，具體的所述液晶顯示面板201上像素編碼過(guò)程，參見(jiàn)圖6，圖6為本發(fā)明實(shí)施例的體像素映射實(shí)現(xiàn)二維圖像的編碼原理示意圖，像素編碼過(guò)程包括：

步驟1，確定三維光場(chǎng)中體像素點(diǎn)的信息：A位置處體像素點(diǎn)在B方向上發(fā)出的光強(qiáng)信息可以用I_AB表示。

步驟2，利用相鄰所述凸透鏡的中心間距g、所述二維凸透鏡陣列101與所述液晶顯示面板201的距離為l、所述二維凸透鏡陣列101與所述全息功能屏202之間的距離為L(zhǎng)、及體像素的位置信息A、方向信息B確定液晶顯示面板201上像素的排布信息C。

步驟3，形成由所述A位置處體像素點(diǎn)在B方向上發(fā)出的光強(qiáng)信息I_AB到所述液晶顯示面板201上像素的排布信息C的光強(qiáng)信息I_C的像素映射關(guān)系。

本發(fā)明實(shí)施例中，液晶顯示面板201用于加載二維的編碼圖像，所述編碼圖像經(jīng)過(guò)透鏡陣列101與全息功能屏202的調(diào)制作用可以實(shí)現(xiàn)三維光場(chǎng)的重建。液晶顯示面板201的分辨率越高，重建的信息就越完整，內(nèi)容的精確度就越好。應(yīng)用本發(fā)明實(shí)施例，全息功能屏成像通過(guò)映射關(guān)系得到液晶顯示面板201上的對(duì)應(yīng)像素的光強(qiáng)信息。

圖7為本發(fā)明實(shí)施例的三維光場(chǎng)顯示系統(tǒng)的顯示參數(shù)確定方法的流程示意圖，包括：

步驟701，根據(jù)預(yù)設(shè)的系統(tǒng)可觀看視角θ及公式

$\mathrm{\θ}=2arctan\left(\frac{g}{2l}\right),$

確定所述二維凸透鏡陣列與所述液晶顯示面板的距離l、和相鄰所述凸透鏡的中心間距g之間的第一關(guān)系。

步驟702，根據(jù)預(yù)設(shè)的單目分辨率R_single、所述液晶顯示面板的總分辨率R_total、觀看者到所述全息功能屏的距離D及公式

$R_{\sin gle}=R_{total}\frac{l}{L}\frac{D}{D+L},$

確定所述二維凸透鏡陣列與所述全息功能屏之間的距離L、和所述二維凸透鏡陣列與所述液晶顯示面板的距離l之間的第二關(guān)系。

步驟703，根據(jù)預(yù)設(shè)所述二維凸透鏡陣列與所述全息功能屏之間的距離L的值、所述第一關(guān)系及所述第二關(guān)系，計(jì)算得出相鄰所述凸透鏡的中心間距g、和所述二維凸透鏡陣列與所述液晶顯示面板的距離l的值。

步驟704，根據(jù)所述二維凸透鏡陣列與所述全息功能屏之間的距離L的值、所述二維凸透鏡陣列與所述液晶顯示面板的距離l的值及公式

$\frac{1}{l}+\frac{1}{L}=\frac{1}{f},$

確定所述二維凸透鏡陣列中的每個(gè)凸透鏡的焦距f和直徑P的值。

步驟705，根據(jù)所述直徑P的值、相鄰所述凸透鏡的中心間距g的值、所述二維凸透鏡陣列與所述全息功能屏之間的距離L的值及公式

α＝arctan(g/L)-arctan(P/L)，

確定所述全息功能屏的發(fā)散角α。

具體的，本發(fā)明實(shí)施例中，預(yù)設(shè)系統(tǒng)可觀看視角θ范圍為：30度≤θ≤60度。

具體的，本發(fā)明實(shí)施例中，所述第一關(guān)系為：

$l=\frac{g}{2\tan \left(\frac{\mathrm{\θ}}{2}\right)};$

所述第二關(guān)系為：

$l=L\frac{R_{\sin gle}}{R_{total}}\frac{D+L}{D}.$

應(yīng)用本發(fā)明實(shí)施例，根據(jù)三維顯示系統(tǒng)的系統(tǒng)參數(shù)，得到三維顯示系統(tǒng)的顯示參數(shù)，三維顯示系統(tǒng)通過(guò)發(fā)散角α實(shí)現(xiàn)對(duì)二維凸透鏡陣列成像的圖像矯正，所成的三維圖像更接近于實(shí)際圖像，減小了二維凸透鏡陣列成像所產(chǎn)生的誤差。

圖8為本發(fā)明實(shí)施例的應(yīng)用場(chǎng)景示意圖。

應(yīng)用本發(fā)明實(shí)施例，液晶顯示面板201上加載的二維圖像通過(guò)二維凸透鏡陣列101，進(jìn)行三維成像，并經(jīng)全息功能屏202的擴(kuò)散成像，觀看者站在X點(diǎn)處可以裸眼觀看到三維顯示系統(tǒng)所成的三維圖像，由于全息功能屏的擴(kuò)散作用，觀看者觀看到的三維圖像能夠接近于實(shí)際圖像，具有較小的成像誤差。

應(yīng)用本發(fā)明實(shí)施例，通過(guò)預(yù)設(shè)的系統(tǒng)可觀看視角θ得到了所述二維凸透鏡陣列與所述液晶顯示面板的距離l、和所述凸透鏡的中心間距g之間的第一關(guān)系；通過(guò)預(yù)設(shè)的單目分辨率R_single、所述液晶顯示面板的總分辨率R_total、及觀看者到所述全息功能屏的距離D，得到了所述二維凸透鏡陣列與所述全息功能屏之間的距離L、和所述二維凸透鏡陣列與所述液晶顯示面板的距離l之間的第二關(guān)系；通過(guò)得到的第一關(guān)系、第二關(guān)系及高斯公式推導(dǎo)出了三維光場(chǎng)顯示系統(tǒng)的顯示參數(shù)，包括：所述二維凸透鏡陣列與所述液晶顯示面板的距離l，所述二維凸透鏡陣列與所述全息功能屏之間的距離L，所述二維凸透鏡陣列中的每個(gè)凸透鏡的直徑P，所述凸透鏡的焦距f，相鄰所述凸透鏡的中心間距g，以及所述全息功能屏的發(fā)散角α。通過(guò)上述方法得到的三維光場(chǎng)顯示系統(tǒng)具有一定的發(fā)散角，可以使觀看者從不同角度與不同距離進(jìn)行觀看，并且有效的矯正了實(shí)際透鏡成像內(nèi)容的畸變。此外，從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以得到，本發(fā)明實(shí)施例提供的三維光場(chǎng)顯示系統(tǒng)相較于基于投影機(jī)陣列的光場(chǎng)顯示，具有體積小、易調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)。

需要說(shuō)明的是，在本文中，諸如第一和第二等之類的關(guān)系術(shù)語(yǔ)僅僅用來(lái)將一個(gè)實(shí)體或者操作與另一個(gè)實(shí)體或操作區(qū)分開(kāi)來(lái)，而不一定要求或者暗示這些實(shí)體或操作之間存在任何這種實(shí)際的關(guān)系或者順序。而且，術(shù)語(yǔ)“包括”、“包含”或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過(guò)程、方法、物品或者設(shè)備不僅包括那些要素，而且還包括沒(méi)有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過(guò)程、方法、物品或者設(shè)備所固有的要素。在沒(méi)有更多限制的情況下，由語(yǔ)句“包括一個(gè)……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的過(guò)程、方法、物品或者設(shè)備中還存在另外的相同要素。

本說(shuō)明書(shū)中的各個(gè)實(shí)施例均采用相關(guān)的方式描述，各個(gè)實(shí)施例之間相同相似的部分互相參見(jiàn)即可，每個(gè)實(shí)施例重點(diǎn)說(shuō)明的都是與其他實(shí)施例的不同之處。尤其，對(duì)于系統(tǒng)實(shí)施例而言，由于其基本相似于方法實(shí)施例，所以描述的比較簡(jiǎn)單，相關(guān)之處參見(jiàn)方法實(shí)施例的部分說(shuō)明即可。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。