CN113238472B - 基于频域位移的高分辨率光场显示方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于频域位移的高分辨率光场显示方法，包括以下步骤：S1、通过虚拟三维软件构建一个虚拟三维物体的元素阵列图像；S2、构建频域平移向量，将元素阵列图像的所有子图像的图像元从高频移动到低频；S3、对移频后的图像进行图像预处理，再进行频谱分离，并对频谱分离后的图像进行频谱配准，得到高频成分和低频成分；S4、对频谱配准后的图像进行频谱融合和图像重构；S5、将高分辨率元素阵列图像高速刷新在显示面板上；S6、进一步通过微透镜阵列进行汇聚，入射到全息散射屏上，实现三维显示。该发明克服了现有技术中微透镜阵列采样率过低的缺陷，从而能够获得分辨率更高的显示结果，降低计算复杂度，具有更好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及三维立体显示领域，尤其涉及一种基于频域位移的高分辨率光场显示方法及装置。
背景技术
人类周围的真实世界是三维的，我们在生活和工作等场景需要借助三维信息对事物进行充分地理解和精确地判断。然而，传统的平面显示器只能向观看者展示二维平面信息，丢失了深度信息，无法满足各行业对三维数据和深度信息可视化的要求。三维立体显示技术能为观众展示包含真实场景深度信息的三维图像，近年来该技术受到国内外研究人员的广泛关注。自由立体显示技术包括多视点3D显示和光场显示技术，观众无需佩戴辅助眼镜就能够观看到3D图像。其中光场显示技术能够逼真地模拟原三维场景的光场信息，被认为是自有立体三维显示技术的主要发展方向。
光场显示技术是通过记录物体信息在传播过程中的三维位置信息再现出原物体的技术，如果能采集并投射出全光函数中七个维度的光线，将能使环境中所有人同时获得身临其境的全新视觉体验。光场作为理想的三维显示技术与传统的二维显示有着明显的区别：传统的二维显示器只能提供仿射、遮挡、光照阴影、纹理等心理视觉信息。光场显示技术除了能产生传统的二维显示器的所有信息外，还能够提供双目视差、移动视差、聚焦模糊三方面的生理视觉信息，能为观察者提供更真实的观看体验。而构建一个光场显示系统需要大量实验数据作为理论支撑，因此出现了三维光场显示仿真技术。
三维光场显示技术分为光场采集和重构两个阶段，在光场采集的阶段，物体的三维信息通过多个微透镜或相机被CCD(Charge-coupled Device,电荷耦合元件)采集到。多个微透镜由许多完全相同的小透镜组成，这些小透镜称为单元透镜，通过这些单元透镜记录下来的元素阵列图像，即为单元图像。胆原图像被CCD记录和存储。在三维信息重构显示阶段，单元图像阵列在LCD屏幕上显示，单元图像发出的光经过微透镜在空间中叠加，再现出原物体的光场，即可看到原物体的三维图像。但现阶段光场显示技术仍然存在一些问题需要解决，例如一个完整的光场显示系统的构建需要大量的实验数据作为理论基础，而通过搭建光场显示系统进行测试的过程较为复杂繁琐，因此光场显示仿真系统便显得尤为重要。
发明内容
本发明主要目的在于提供一种可以实现三维立体显示的基于频域位移的高分辨率光场显示装置。
本发明所采用的技术方案是：
提供一种基于频域位移的高分辨率光场显示方法，包括以下步骤：
S1、通过虚拟三维软件构建一个虚拟三维物体的元素阵列图像；
S2、构建频域平移向量，将元素阵列图像的所有子图像的图像元从高频移动到低频；
S3、对移频后的图像进行图像预处理，再进行频谱分离，并对频谱分离后的图像进行频谱配准，得到高频成分和低频成分；
S4、对频谱配准后的图像进行频谱融合和图像重构，具体将高频成分和低频成分叠加融合得到扩展频谱，再通过傅里叶逆变换得到扩展频谱后的高分辨率元素阵列图像；
S5、将高分辨率元素阵列图像高速刷新在显示面板上；
S6、显示面板上显示的高分辨率元素阵列图像进一步通过微透镜阵列进行汇聚，入射到全息散射屏上，实现三维显示。
接上述技术方案，步骤S2中，频域平移向量值为单个透镜元节距长度，该透镜元为微透镜阵列中的其中一个微透镜感光元件。
接上述技术方案，步骤S1具体包括：
S11、选择一个虚拟三维物体；
S12、根据虚拟三维物体的三维信息构建虚拟相机阵列；
S13、使用虚拟相机阵列对三维物体的光场信息进行光场采集，获得元素阵列图像。
接上述技术方案，步骤S2中，在若干个不同方向选取不同相位值进行频率平移，对采集得到的单幅元素阵列图像的所有图像元均进行平移后得到新的元素阵列图像，重复该步骤，获得若干幅包含不同相位信息的元素阵列图像。
接上述技术方案，虚拟相机阵列为若干个克隆虚拟相机排列成阵列状。
接上述技术方案，步骤S1具体包括：
S11、选择一个虚拟三维物体；
S12、根据虚拟三维物体的三维信息构建单个虚拟相机；
S13、设置单个虚拟相机并规划好其移动路线，从若干个不同位置和视角对三维物体的光场信息进行光场采集，获得元素阵列图像。
接上述技术方案，元素阵列图像的高速刷新频率大于或等于引起人眼视觉暂留效应的频率。
接上述技术方案，步骤S3中，图像预处理具体为去除背景噪声、强度归一化处理及边缘模糊化处理。
本发明还提供了一种基于频域位移的高分辨率光场显示装置，依次包括背光源、显示面板、微透镜阵列和全息散射屏，其中：
背光源，包括圆形排列的单个或多个点状光源；
显示面板，用于显示元素阵列图像，该元素阵列图像为上述技术方案所述的高分辨率元素阵列图像；
微透镜阵列，由多个透镜元等间距排列而成，用于将显示面板上显示的高分辨率元素阵列图像的平行光汇聚，产生具有特定传播方向和发散角的光源阵列；
全息散射屏，以全息散射屏的中心为原点建立三维坐标系，用于将透过微透镜阵列的元素阵列图像显示为三维图像。
接上述技术方案，微透镜感光元件上的光圈图像按六边形排列，对六边形图像块进行规则化转化，最终得到正交的元素阵列图像。
接上述技术方案，全息散射屏的水平散射角为1度，垂直方向散射角为60度。
本发明产生的有益效果是：本发明通过构建频域平移向量，将元素阵列图像的所有子图像的图像元从高频移动到低频，通过移频可在系统带宽固定的前提下，实现频谱扩展，即相当于将大于截止频率的高频成分编码到光学传递函数的低频区域，从而获得更加完整、分辨率更高的三维目标图像。本发明克服了现有技术中微透镜阵列采样率过低的缺陷，能够获得分辨率更高的显示结果，降低计算复杂度，具有更好的应用前景。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例基于频域位移的高分辨率光场显示方法的流程图；
图2是本发明实施例基于频域位移的高分辨率光场显示装置结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明实施例基于频域位移的高分辨率光场显示方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、通过虚拟三维软件构建一个虚拟三维物体的元素阵列图像；
S2、构建频域平移向量，将元素阵列图像的所有子图像的图像元从高频移动到低频；
S3、对移频后的图像进行图像预处理，再进行频谱分离，并对频谱分离后的图像进行频谱配准，得到高频成分和低频成分；
S4、对频谱配准后的图像进行频谱融合和图像重构，具体将高频成分和低频成分叠加融合得到扩展频谱，再通过傅里叶逆变换得到扩展频谱后的高分辨率元素阵列图像；
S5、将高分辨率元素阵列图像高速刷新在显示面板上；
S6、显示面板上显示的高分辨率元素阵列图像进一步通过微透镜阵列进行汇聚，入射到全息散射屏上，实现三维显示。
进一步地，步骤S1具体包括：
S11、选择一个虚拟三维物体；
S12、根据虚拟三维物体的三维信息构建虚拟相机阵列；
S13、使用虚拟相机阵列对三维物体的光场信息进行光场采集，获得元素阵列图像。
元素阵列图像由虚拟相机阵列对指定的虚拟三维物体采集得到，若通过仿真软件构建虚拟相机阵列进行光场采集，则通过设置若干个克隆虚拟相机排列成阵列状，设置符合实验要求的参数对目标三维物体进行光场采集。采集前需对场景进行检测，即保证相机阵列可以正常运行的前提下对镜头进行必要的畸变检查和矫正处理，并对采集后的图像进行校正，最终获得单幅元素阵列图像。其中，获得的单幅元素阵列图像由多个图像元组成，若以单个图像元为研究对象，其通过微透镜阵列的过程可视作一个成像系统，成像系统光学传递函数的截止频率直接决定了光学成像系统的分辨率水平。
若通过仿真软件构建单个虚拟相机进行光场采集，则通过设置单个虚拟相机并规划好其移动路线获得若干个不同位置和视角的图像，对目标三维物体进行光场采集。
也可通过采用光场采集系统采集目标三维物体光场信息，采集到的数据通过渲染由计算机后端传送到仿真程序，计算机控制器对采集到的光场图像进行数据处理；光场采集系统可以使用微透镜阵列或相机阵列对目标三维物体的光场信息进行记录。
步骤S3中，移频后的图像需要进行图像预处理，主要为去除背景噪声、强度归一化及边缘模糊化等；对预处理后的图像进行频谱分离，标定初始相位，反复迭代，确保各阶频谱准确分离，避免产生网格伪影；再对频谱分离后的图像进行频谱配准，解码出高频成分；最后对频谱配准后的图像进行频谱融合和图像重构，将平移后的高阶频谱和初级频谱叠加融合获得扩展频谱，再通过傅里叶逆变换得到频谱扩展的子图像。重复该步骤即可获得用于实现高分辨率光场显示的元素阵列图像。
本发明的另一实施例中，光场采集的方式为：在满足采样要求和实验条件的情况下对目标进行初次采样，提取元素阵列图像中的若干个子图像进行二值化处理得到灰度图；并利阈值分析的方法对子图和灰度图进行分析，判断该采样方式是否符合实验预期结果，重复该过程，确定最佳采样距离。获得目标三维物体的光场信息后，可获得元素阵列图像、获取元素阵列图像频域图像信号、元素阵列图像的加工、图像优化合成，其中：
1)、获得元素阵列图像，设置在整个光场显示仿真系统前，用于充当本方法的输入源；相机阵列步长与透镜元节距保持一致，均设置为p＝2.36mm；
2)、元素阵列图像的加工，将图像元的高频移动到低频位置，再通过图像重构算法解码出高频成分，移频值设置为单个透镜元节距长度，通过移频可在系统带宽固定的前提下，实现频谱扩展，并发送到终端响应；
3)、图像优化合成，用于储存和管理优化处理后的光场信息，在同步终端对采集和频域处理后的光场信息进行重建，其中：
进一步的，将得到的元素阵列图像集合高速刷新在显示面板上，背光源发射的平行光到达显示面板后照明显示面板上显示的元素阵列图像，其光源进一步通过微透镜阵列进行汇聚，最终入射到全息散射屏上实现三维像点的重建显示。
本实施例中，具体参数的设置如下：透镜间距、元素阵列图像间距、光场采集所需的相机阵列步长p＝2.36mm，透镜焦距为f＝14.6mm，微透镜规格设置为43×35。即一维水平方向上的透镜元个数为43，一维垂直方向上包含的透镜元个数为35。观看者距离全息功能屏的水平距离为L＝450mm。
当显示完成后，判断是否继续运行，若为是，则继续返回初始状态，重新选取一个目标三维物体对其进行光场信息的采集工作，若为否，则结束该处理过程。
该方法在Win10环境下基于MATLAB运行。在MATLAB的基础之上，不断获取新的元素阵列图像并在后端进行刷新读取，刷新频率与人眼的残像效应时间保持一致。
基于频域平移的光场显示方法可以获得更加完整、分辨率更高的目标图像。该系统在三维测量，三维显示、医疗检测等现代信息化应用中都具有很高的潜力和需求性。
如图2所示，本发明实施例的基于频域位移的高分辨率光场显示装置，依次包括背光源10、显示面板20、微透镜阵列30和全息散射屏40，其中：
背光源10位于显示面板的正左侧，由单个或多个点状光源成圆形排列而成，并同时点亮。显示面板20用于显示元素阵列图像，元素阵列图像是一幅由光场采集得到的多个图像元组成的微图像阵列。元素阵列图像的刷新频率大于或等于引起人眼视觉暂留效应的频率。微透镜阵列30由多个透镜元等间距排列而成，用于将入射的平行光汇聚，产生具有特定传播方向和发散角的光源阵列.本发明较佳实施例中微透镜感光元件上的光圈图像按六边形排列，对六边形图像块进行规则化转化，最终得到正交的图像排列。全息散射屏40的水平散射角为1度，垂直方向散射角为60度，以全息散射屏的中心为原点建立三维坐标系，元素阵列图像通过微透镜阵列显示在全息散射屏上，显示出三维图像。
移频值设置为单个透镜元节距长度，将图像元的高频移动到低频位置，再通过图像重构算法解码出高频成分，最后通过傅里叶逆变换获得新的元素阵列图像。通过移频可在系统带宽固定的前提下，实现频谱扩展，并发送到终端响应；再在同步终端对采集和频域处理后的光场信息进行重建。将重建后的元素阵列图像高速刷新在显示面板20上，背光源10发射的平行光到达显示面板后照明显示面板上显示的元素阵列图像，其光源进一步通过微透镜阵列30进行汇聚，最终入射到全息散射屏上实现三维像点的重建显示。
本发明该实施例中，图像元的普通宽场频谱在平移了一部分后，相当于将大于截止频率的高频成分编码到光学传递函数的低频区域。为确保重构图像质量，可根据显示需求在若干个不同方向选取不同相位值进行平移，对采集得到的单幅元素阵列图像的所有图像元均进行平移后得到新的元素阵列图像，重复该步骤，即可获得若干幅包含不同相位信息的元素阵列图像。
进一步地，将获得的元素阵列图像高速刷新在显示面板20上，通过时分复用和人眼的余晖效应将显示结果在人脑中进行融合，即可获得高分辨率的三维显示结果，频域平移前和频域平移后的两幅EIA为P1，P2，相机阵列规格为M×N,图像大小为i×j，P1(x,y)表示P1在(x,y)处的灰度值。通过时分复用融合得到的图像为P3，P3＝[σ1P1(x,y)+σ2P2(x,y)+I]，σ1，σ2为时分复用融合系数，I为亮度参数。计算P1，P2，P3的平均梯度，由G1,G2和G3表示为，
其中微透镜阵列间距和元素阵列图像的间距相同，即相机阵列的采集步长与微透镜阵列保持一致，都为p，微透镜阵列的焦距为f。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于频域位移的高分辨率光场显示方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、通过虚拟三维软件构建一个虚拟三维物体的元素阵列图像；
S2、构建频域平移向量，将元素阵列图像的所有子图像的图像元从高频移动到低频；
S3、对移频后的图像进行图像预处理，再进行频谱分离，并对频谱分离后的图像进行频谱配准，得到高频成分和低频成分；
S4、对频谱配准后的图像进行频谱融合和图像重构，具体将高频成分和低频成分叠加融合得到扩展频谱，再通过傅里叶逆变换得到扩展频谱后的高分辨率元素阵列图像；
S5、将高分辨率元素阵列图像高速刷新在显示面板上；
S6、显示面板上显示的高分辨率元素阵列图像进一步通过微透镜阵列进行汇聚，入射到全息散射屏上，实现三维显示。
2.根据权利要求1所述的基于频域位移的高分辨率光场显示方法，其特征在于，步骤S2中，频域平移向量值为单个透镜元节距长度，该透镜元为微透镜阵列中的其中一个微透镜感光元件。
3.根据权利要求1所述的基于频域位移的高分辨率光场显示方法，其特征在于，步骤S1具体包括：
S11、选择一个虚拟三维物体；
S12、根据虚拟三维物体的三维信息构建虚拟相机阵列；
S13、使用虚拟相机阵列对三维物体的光场信息进行光场采集，获得元素阵列图像。
4.根据权利要求3所述的基于频域位移的高分辨率光场显示方法，其特征在于，步骤S2中，在若干个不同方向选取不同相位值进行频率平移，对采集得到的单幅元素阵列图像的所有图像元均进行平移后得到新的元素阵列图像，重复该步骤，获得若干幅包含不同相位信息的元素阵列图像。
5.根据权利要求1所述的基于频域位移的高分辨率光场显示方法，其特征在于，步骤S1具体包括：
S11、选择一个虚拟三维物体；
S12、根据虚拟三维物体的三维信息构建单个虚拟相机；
S13、设置单个虚拟相机并规划好其移动路线，从若干个不同位置和视角对三维物体的光场信息进行光场采集，获得元素阵列图像。
6.根据权利要求1所述的基于频域位移的高分辨率光场显示方法，其特征在于，元素阵列图像的高速刷新频率大于或等于引起人眼视觉暂留效应的频率。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的基于频域位移的高分辨率光场显示方法，其特征在于，步骤S3中，图像预处理具体为去除背景噪声、强度归一化处理及边缘模糊化处理。
8.一种基于频域位移的高分辨率光场显示装置，其特征在于，依次包括背光源、显示面板、微透镜阵列和全息散射屏，其中：
背光源，包括圆形排列的单个或多个点状光源；
显示面板，用于显示元素阵列图像，该元素阵列图像为权利要求1中所述的高分辨率元素阵列图像；
微透镜阵列，由多个透镜元等间距排列而成，用于将显示面板上显示的高分辨率元素阵列图像的平行光汇聚，产生具有特定传播方向和发散角的光源阵列；
全息散射屏，以全息散射屏的中心为原点建立三维坐标系，用于将透过微透镜阵列的元素阵列图像显示为三维图像。
9.根据权利要求8所述的基于频域位移的高分辨率光场显示装置，其特征在于，微透镜感光元件上的光圈图像按六边形排列，对六边形图像块进行规则化转化，最终得到正交的元素阵列图像。
10.根据权利要求9所述的基于频域位移的高分辨率光场显示装置，其特征在于，全息散射屏的水平散射角为1度，垂直方向散射角为60度。
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