基于掩膜板阵列的消串扰集成成像3D显示方法 下载: 635次
1 引言
集成成像技术自1908年由法国物理学家G. Lippmann[1]首次提出,至今已有一百多年的发展历史,他提出运用微透镜阵列记录三维场景信息,根据光路可逆原理,在成像过程中利用相同的微透镜阵列便可重建出具有全视差的完整空间3D图像,实现人们“更真实地还原所见世界”的目标[2-3]。集成成像3D显示具有全视差、连续视点和无需辅助设备等优点,从而受到各国研究人员的广泛关注。但由于制作微透镜阵列的材料缺乏以及制造工艺困难,研究中通常采用针孔阵列的小孔成像原理来代替微透镜阵列成像[4-8]。针孔阵列设计灵活自由、精度高、成本低、易于实现。但成像过程中相邻图像元之间存在串扰现象,使得其立体观看视区窄,成像效果不太理想,并且串扰的存在严重影响了立体观看舒适度,需要进一步考虑消除相邻图像元间的串扰对成像效果的影响。集成成像三维显示中的视觉串扰现象是立体显示技术研究中的一大主题,科研人员提出了许多消除集成成像串扰的方法,比如利用双平凸透镜阵列反射串扰光线[9],利用倾斜的正交偏振片组成的狭缝光栅阵列消除串扰,以及利用金字塔针孔阵列消除成像串扰[10]等,但双平凸透镜阵列、倾斜偏振片阵列和金字塔针孔阵列的制作都较为困难,器件结构相对复杂,无疑增加了制作成本。本文提出了一种利用掩膜板阵列阻挡相邻图像元间的视区串扰的方法,能有效阻挡相邻视区的光线,同时不影响立体观看视区范围,且器件结构简单,易于制备。
2 集成成像3D视角分析
集成成像3D显示器由普通2D显示面板和针孔阵列或微透镜阵列精密耦合而成,显示器上显示微图像阵列,微图像阵列由许多图像元在水平和垂直方向上排列而成,每个图像元对应一个针孔,图像元节距与针孔节距相同,且两者中心对齐[8]。在3D显示时,根据小孔成像的原理,图像元像素光线通过其对应的针孔成像在空间中,在针孔阵列的后方重建出三维图像。
集成成像3D显示器观看视区的分布如
图 1. (a)集成成像3D显示观看视区分布;(b)主视区重建的正确3D图像;(c)串扰区重建的串扰图像。
Fig. 1. (a)Integrated imaging 3D display viewing area distribution;(b)Correct 3D image reconstructed in main viewing area;(c)Crosstalk image reconstructed in crosstalk area.
然而,当每个图像元都分别通过其相邻的第一个针孔成像时,在观看区交汇处形成一阶视区,对称分布在主视区左右两侧,如
其中,L为观看距离,g为显示面板与针孔阵列间距,p为图像元节距。该集成成像3D显示器在水平方向上主视区的3D观看视角为:
在主视区左、右两边的串扰区宽度Df0为:
3 串扰减小方法
由于图像元通过相邻的针孔成像,产生了较大的串扰,严重影响了3D观看效果。常用的消除相邻图像元串扰光线的方法如
本文提出一种基于掩膜板阵列的消串扰集成成像3D显示方法,其结构如
图 3. 基于掩膜板阵列的消串扰集成成像3D显示器
Fig. 3. Crosstalk-free integrated imaging 3D display based on a mask array
图 4. (a)掩膜板阵列对相邻图像元光线的遮挡;(b)掩膜板阵列示意图。
Fig. 4. (a)Blocking of light from adjacent elements image by mask array;(b)Schematic diagram of mask array.
根据图中的几何关系可得,掩膜板阵列与针孔阵列的间距d应为:
掩膜板阵列的挡光宽度mb和透光宽度mw应为:
由于掩膜板阵列的制备与针孔阵列相同,结构极为简单,成本低廉,相比于前述方案,利用掩膜板设计的集成成像显示器在结构上更加简单优化,且易于实现。
4 实验设计
为了验证上述理论,实验中我们设计纵横相交的黑色挡光条打印在透明的胶片上,如
图 5. (a)3ds max软件建立的三维模型;(b)生成的微图像阵列。
Fig. 5. (a)3D model in 3ds max software;(b)Generated EIA.
表 1. 实验参数
Table 1. Experimental parameters
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图 6. 不加掩膜板的3D显示效果。(a)左20°串扰图图像;(b)左18°串扰图像;(c)左14° 3D图像;(d)中心0° 3D图像;(e)右14° 3D图像;(f)右18°串扰图像;(g)右20°串扰图像。
Fig. 6. 3D display results without mask array.(a)Left 20° crosstalk image;(b)Left 18° crosstalk image;(c)Left 14° 3D image;(d)Center 0° 3D image;(e)Right 14° 3D image;(f)Right 18° crosstalk image;(g)Right 20° crosstalk image.
图 7. 加掩膜板的3D显示效果。(a)左20°全遮挡图像;(b)左18°串扰图像;(c)左14° 3D图像;(d)中心0°视区图像;(e)右14° 3D图像;(f)右18°串扰图像;(g)右20°全遮挡图像。
Fig. 7. 3D display result with mask array.(a)Left 20° fully blocked image;(b)Left 18° crosstalk image;(c)Left 14° 3D image;(d)Central 0° 3D image;(e)Right 14° 3D image;(f)Right 18° crosstalk image;(g)Right 20° fully blocked image.
两组实验中从左14°到右14°范围内都能显示正确的不同角度的3D图像,如图
通过
5 总结
本文介绍了集成成像3D显示中的视区分布关系,分析了主视区宽度和观看视角的影响参数,提出了一种基于掩膜板阵列的集成成像3D显示方案,能有效消除图像元通过相邻针孔成像时的视区串扰,详细阐述了该方案的设计原理和结构,并通过实验验证了该显示方案能有效减小立体显示过程中的串扰现象。且该方案结构简单,经济实用,易于实现。虽然由于实验设备的限制,仅采用针孔阵列进行3D图像的再现,但本文所提的方法仍然适用于透镜阵列集成成像显示。
[1] LIPPMANN G. La photographie integrale[J]. Comtes Rendus, Academie des Sciences, 1908, 146: 446-451.
[2] 王琼华. 3D显示技术与器件[M]. 北京: 科学出版社, 2011. 10.1002/j.2637-496x.2011.tb00390.x
[4] 王丹, 彭海炎, 周兴平, 等. 全息高分子/液晶复合材料的研究进展[J]. 应用化学, 2021, 38(10): 1268-1298.
[13] 王琼华, 邓欢. 集成成像3D拍摄与显示方法[J]. 液晶与显示, 2014, 29(2): 153-158.
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邓慧, 吕国皎, 杨梅, 赖莉萍. 基于掩膜板阵列的消串扰集成成像3D显示方法[J]. 液晶与显示, 2022, 37(5): 592. Hui DENG, Guo-jiao LYU, Mei YANG, Li-ping LAI. Crosstalk-free integral imaging 3D display method based on a mask array[J]. Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays, 2022, 37(5): 592.