3D显示装置和方法与流程
本发明涉及3d显示领域，具体而言，涉及一种3d显示装置和方法。
背景技术：
三维光场显示技术由于能够实现真实显著的裸眼3d显示效果，并且能够实时处理成像，所以被认为是三维显示领域最具有前景的技术之一。
目前基于普通显示器的光场显示技术的显示装置的结构如图1所示。其基本原理为基于开有小孔的遮光板和普通显示器，显示器中显示的图像可以利用计算机编码得到m×n分辨率的光场显示单元，然后利用遮光板的开孔可以控制从光场显示单元发出的每一条光线的方向与强度，即在显示屏上显示出通过编码方式调制得到的光场显示单元所组成的阵列，该阵列在空间域内被特定光学参数的小孔解调，形成的光信息相互叠加，得到目标物体的空间光场信息。人眼能够通过接收该空间光场信息，拟合出目标物体的自然形态，因此观察者能够裸眼观察到真三维效果的物像。
现有技术中显示装置的光场显示单元通过小孔形成空间光场的示意图如图2所示，其编码方式所确定的分辨率决定了空间光场所提供的视点数。若光场显示单元组成的子图像阵列为m行n列，每个光场显示单元对应一个开孔，则形成的光场视点数为m×n，即m个视点构成水平方向光场信息，n个视点构成垂直方向光场信息。因此，该技术能够在水平与垂直两个方向上同时产生视差，形成空间全视差的立体效果。水平与垂直方向的立体感与纵深感正相关于它们各自的视点数目。
然而上述现有的基于普通显示器的三维光场显示技术有以下不足：(1)对显示器分辨率要求非常高，否则难以形成3d效果，现有的遮光板的控光能力很有限，并且目前主流显示器的分辨率与像素间距不足以为成像提供足够的像素数与精细度。正由于上述两个因素，用现有光场显示技术通过适配编码形成的光场显示单元分辨率低，所成的像在水平方向与垂直方向上的视点数稀少，难以形成明显的3d效果。尤其是将现有技术应用于像素尺寸、间距非常大的led显示器时，所成的像已能让观察者感受到明显的像素颗粒感，从而使上述缺陷更加明显，对观看体验的影响更加严重。(2)光信息亮度损失大，成像亮度低；为了尽可能精确地控制光场显示单元的光线方向，就需要将遮光板的小孔结构尺寸做得很小，使其遮挡掉大部分光线，因此遮光板的整体透光率非常低，导致最终呈现的3d图像非常暗。一旦外界环境光稍强，观看体验便会受到严重影响。
针对上述现有技术中3d效果差的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
技术实现要素：
本发明实施例提供了一种3d显示装置和方法，以至少解决现有技术中3d效果差的技术问题。
根据本发明实施例的一个方面，提供了一种3d显示装置，包括依次设置的：led显示器，用于显示图像；包括多层针孔式结构的光路控制结构，用于控制图像的光路出射方向，形成三维光场信息，其中，每层针孔式结构上设置有多组针孔阵列；以及全息功能屏，用于对三维光场信息进行扩散成像，形成3d图像。
进一步的，针孔式结构为遮光板，遮光板上设置有多组针孔阵列，每一组针孔阵列包括多个针孔；图像包括多个光场显示单元，每个光场显示单元包括多行led像素和多列led像素，每个光场显示单元对应于一个针孔阵列。
进一步的，针孔阵列中的所有针孔呈一条斜线排列。
进一步的，在针孔的形状为椭圆形时，光路控制结构的参数包括：
其中，wp表示针孔的水平开孔尺寸，wb表示相邻两个针孔阵列中相同行的两个针孔之间的水平距离，d表示观看平面与针孔式结构之间的距离，l表示led显示屏与针孔式结构之间的距离，εh表示光场显示单元中led像素中发光部分水平方向的占空比，p表示光场显示单元中led像素的长和宽的值，m表示多层针孔式结构之间的节距。
进一步的，光路控制结构的参数包括：
hb+hp＝p；
hp＝εv·p；
其中，hb表示针孔阵列中相邻两个针孔的垂直距离，hp表示针孔的垂直开孔尺寸，εv表示光场显示单元中led像素中发光部分垂直方向的占空比，p表示光场显示单元中led像素的长和宽的值。
进一步的，光路控制结构的参数包括：
hb＝0；
hp＝p；
其中，hb表示针孔阵列中相邻两个针孔的垂直距离，hp表示针孔的垂直开孔尺寸，p表示光场显示单元中led像素的长和宽的值。
进一步的，光路控制结构的参数包括：
其中，α表示针孔阵列中所有针孔形成的斜线与垂直方向的夹角，b表示针孔阵列中相邻两个针孔的水平距离，p表示光场显示单元中led像素的长和宽的值。
进一步的，全息功能屏的参数包括：
其中，bx＝(wb+wp)·cosα，
进一步的，针孔的形状为椭圆形、圆形或矩形。
根据本发明实施例的另一方面，还提供了一种3d显示方法，应用于上述3d显示装置，包括：通过led显示器显示图像；通过多层针孔式结构的光路控制结构控制图像的光路出射方向，形成三维光场信息，其中，每层针孔式结构上设置有多组针孔阵列；以及通过全息功能屏对三维光场信息进行扩散成像，形成3d图像。
在本发明实施例中，通过包括多层针孔式结构的光路控制结构控制图像的光路出射方向，形成三维光场信息，并由全息功能屏对三维光场信息进行扩散成像，形成3d图像，包含多组针孔阵列的多层针孔式结构的光路控制结构能够精确控制光路出射方向，形成的光场既完成了水平光场超多视点的形成又满足了低串扰的条件，从而可以实现超高分辨率的水平光场和明显的水平视差，最终呈现出显著的三维光场显示效果，全息功能屏能够对光场光信息进一步复用，提高单眼分辨率；对多层针孔式结构出射的光场信息进行二次光学并行解调处理，使三维光场信息快速成像，进而辅助人眼成像。进一步加深3d图像的纵深感，从而获得更好的3d效果，达到了3d显示的目的，从而实现了具有超多视点、超高分辨率、低串扰与大视场角的真三维光场显示效果，观看者无需佩戴任何助视设备，长时间观看无疲劳感与眩晕感，显著提升了立体感、纵深感与出入屏效果，从而大大改善了观看体验，进而解决了现有技术中3d效果差的技术问题。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是根据现有技术的一种基于普通显示器的显示装置示意图；
图2是根据如图1所示的显示装置的空间光场形成显示示意图；
图3是根据本发明实施例的一种3d显示装置的示意图；
图4是根据本发明实施例的针孔式结构和光场显示单元叠加示意图；
图5是根据本发明实施例的3d显示装置的空间光场形成显示示意图；
图6是根据本发明实施例的3d显示装置的水平方向上光场光路示意图；
图7是根据本发明实施例的全息功能屏的方向选择扩散示意图；
图8是根据本发明实施例的在x方向上使用全息功能屏后的光场光路示意图；以及
图9是根据本发明实施例的一种3d显示方法的示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
如下为本发明中涉及到的技术名词解释：
光场：以超多视点所构成的、还原物体本身形态的光信息空间分布。
水平光场：以超多视点所构成的、在水平方向上还原物体本身形态并形成水平视差的光信息空间分布。
视差：采用立体相机拍摄同一场景所获得的多幅稍有差异的图像称为视差图像，而这些视差图像所展现出来的二维显示信息的组合称为视差。
水平/垂直视差：采用立体相机在水平/垂直方向上拍摄同一场景所获得的多幅稍有差异的图像称为视差图像，而这些视差图像所展现出来的二维显示信息的组合为水平/垂直视差。全视差指所拍摄图像既有水平视差信息又有垂直视差信息。
视点：在某一个角度观察物体所看到的二维光信息。
视区：通过控制光线出射方向而在空间中形成具有周期性排布的光场信息，这种周期性的光场信息就是视区。
视场角：在系统设计的最佳观看距离处，观察视区的可视范围角度。
节距：控光装置周期性结构的一个周期的水平宽度为像素水平宽度的倍数。
光场显示单元：若干特定led像素所组成的逻辑组合，用于进行图像编码，最终决定三维光场的视点数。
光场显示单元阵列：若干光场显示单元组成的阵列。
全息功能屏：利用光学全息工艺制备的，具有二次光学并行解调处理与复用功能的二维光学膜材。
扩散度：光线通过全息功能屏后被扩散的最大角度。
实施例1
根据本发明实施例，提供了一种3d显示装置的产品实施例，图3是根据本发明实施例的3d显示装置，如图3所示，该装置包括依次设置的：led显示器，用于显示图像；包括多层针孔式结构的光路控制结构，用于控制图像的光路出射方向，形成三维光场信息，其中，每层针孔式结构上设置有多组针孔阵列；以及全息功能屏，用于对三维光场信息进行扩散成像，形成3d图像。
具体的，在led显示屏这样的大尺寸显示器的应用场合中，观察者的视距一般都在5米以外，再加上观察者在垂直方向上的移动范围相当有限，因此能够看到的垂直方向的视点数是极其稀少的。在这种情况下，增加垂直方向的视点数意义很小。相比之下，观察者在水平方向的移动范围则要大得多，能够看到的视点数也要多得多，因此，增加水平方向视点数的意义也要重大得多。鉴于此，由于led显示器像素间距与led发光部分尺寸之比较大，即像素发光部分的占空比较小，因此可以使用能够精确控制光路出射方向的包括多组针孔阵列的多层针孔式结构，其中，多层针孔式结构上包括多组针孔阵列，多组针孔阵列又组成一个大的阵列，多组针孔阵列可以使led显示器显示的图像分割成的光场显示单元中的像素所发出的光线有规律地在水平方向上按顺序排列分布，并且满足相互之间串扰足够小，即不同像素所携带的光信息间的信噪比足够小，就可以被有效地解调得到光场。上述过程事实上是将垂直方向上的led像素大规模应用于水平方向视点构建的过程。这样所形成的光场既完成了水平光场超多视点的形成又满足了低串扰的条件，从而可以实现超高分辨率的水平光场和明显的水平视差，最终呈现出显著的三维光场显示效果。在利用多层针孔式结构的同时，基于该结构强大的控光能力，可以把多层针孔式结构放在离led显示屏很近的位置上，而得到较大的视场角，进而消除视区频繁跳变带来的观看不真实感。
具体的，全息功能屏置于多层针孔式结构的光路控制结构的正前方，在特定方向上对光场有特定角度的扩散能力。全息功能屏的作用为：对光场信息进一步复用，提高单眼分辨率；对多层针孔式结构出射的光场信息进行二次光学并行解调处理，使三维光场信息快速成像，进而辅助人眼成像。
在本发明实施例中，通过包括多层针孔式结构的光路控制结构控制图像的光路出射方向，形成三维光场信息，并由全息功能屏对三维光场信息进行扩散成像，形成3d图像，包含多组针孔阵列的多层针孔式结构的光路控制结构能够精确控制光路出射方向，形成的光场既完成了水平光场超多视点的形成又满足了低串扰的条件，从而可以实现超高分辨率的水平光场和明显的水平视差，最终呈现出显著的三维光场显示效果，全息功能屏能够对光场光信息进一步复用，提高单眼分辨率；对多层针孔式结构出射的光场信息进行二次光学并行解调处理，使三维光场信息快速成像，进而辅助人眼成像。进一步加深3d图像的纵深感，从而获得更好的3d效果，达到了3d显示的目的，从而实现了具有超多视点、超高分辨率、低串扰与大视场角的真三维光场显示效果，观看者无需佩戴任何助视设备，长时间观看无疲劳感与眩晕感，显著提升了立体感、纵深感与出入屏效果，从而大大改善了观看体验，进而解决了现有技术中3d效果差的技术问题。
在一种可选的实施例中，如图4所示，针孔式结构为遮光板，遮光板上设置有多组针孔阵列，每一组针孔阵列包括多个针孔；图像包括多个光场显示单元，每个光场显示单元包括多行led像素和多列led像素，每个光场显示单元对应于一个针孔阵列，本发明中对针孔阵列中针孔的个数不做限定，根据实际需要可以自定义设置，图4中所示的针孔阵列中针孔的个数与光场显示单元中led像素的行数相同，此处需要注意的是，图4中仅仅给出了一种示例，实际应用中，针孔阵列中针孔的个数可能会多于光场显示单元中led像素的行数。
具体的，图4为led显示器显示的图像与光路控制结构叠加的示意图，图4中遮光板上每一组斜线排列的针孔即为一个针孔阵列，led显示器显示的图像可以划分多个光场显示单元，即为图4中较大的黑色方框所示，图4中较小的方框为图像中的led像素，一个光场显示单元包括多行和多列的led像素，一个光场显示单元对应的针孔数目为多个，并不是现有技术中的一个。
具体的，遮光板上的针孔阵列按特定参数打开，以控制单个光场显示单元为一个重复周期，其中，针孔的针孔结构是指足够小的开孔。
在一种可选的实施例中，如图4所示，针孔阵列中的所有针孔呈一条斜线排列。
具体的，如图4所示，针孔阵列中的所有针孔呈一条斜线排列，在针孔足够小且针孔阵列足够密集的情况下，针孔阵列在肉眼观看时，近乎一条斜的空隙，也就是遮光板上布满了一个一个斜的空隙，呈斜线排列的针孔阵列可以使光场显示单元中的像素所发出的光线有规律地在水平方向上按顺序排列分布，并且满足相互之间串扰足够小，即不同像素所携带的光信息间的信噪比足够小，就可以被有效地解调得到光场，将垂直方向上的led像素大规模应用于水平方向视点构建，这样所形成的光场既完成了水平光场超多视点的形成又满足了低串扰的条件，从而可以实现超高分辨率的水平光场和明显的水平视差，最终呈现出显著的三维光场显示效果。
在一种可选的实施例中，针孔的形状包括椭圆形、圆形或矩形，图4中的针孔的形状为椭圆形。
在一种可选的实施例中，针孔的形状为椭圆形时，光路控制结构的参数设计如下：
如图4所示，多层针孔式结构的两个关键参数为针孔的水平开孔尺寸wp和垂直开孔尺寸hp，设光场显示单元的分辨率为m×n，vnm表示在光场显示单元中第n行m列的led像素；多层针孔式结构的节距等于光场显示单元的水平分辨率m；相邻两个针孔阵列中相同行的两个针孔之间的水平距离为wb；针孔阵列中相邻两个针孔的垂直距离为hb，水平距离为b，针孔阵列中所有针孔形成的斜线与垂直方向的夹角为α；led像素长和宽的值均为p。
光场显示单元通过多层针孔式结构形成的空间光场示意图如图5所示，由分辨率为m×n的光场显示单元组成的子图像阵列最终形成的光场的视点数为mn×1，即m×n个视点组成空间水平方向光场信息，1个视点组成空间垂直方向光场信息，也就是说，该技术将能够产生的视点数全部应用于水平方向上，从而在水平方向上将物像各个角度的信息完全呈现出来，形成显著的水平视差真三维显示效果。本技术产生的水平视点数是现有光场显示技术产生的水平视点数的n倍，立体效果显著增强。
如下为对涉及到的相关参数进行公式描述并推导求解：
水平方向有关的参数设计：
因为多层针孔式结构之间的节距为m，所以有：
wb+wp＝mp(1)
如图6所示，图6中的光场像显示单元即光场显示单元，设led显示屏距离针孔结构的距离为l，观看平面与针孔结构距离为d，led像素中发光部分水平方向的占空比为εh，考虑发光部分与非发光部分的物理尺寸大小之比，由图6所示的水平方向上光场光路示意图有：
设水平方向光场的视场角为θ，有以下公式：
由(1)和(2)得：
垂直方向所涉及的参数：
设led像素中发光部分垂直方向的占空比为εv，在垂直方向上设计参数为：
hb+hp＝p(7)
hp＝εv·p(8)
可选的，因为要考虑到多层针孔式结构的透光率，也可以设计hp和hb分别为p和0，不过利用这组参数会降低该结构的控光精度。
其他参数：
作用于针孔阵列中所有针孔形成的斜线与垂直方向的夹角α可以描述为：
综上，光路控制结构中涉及到的参数汇总于下表：
在一种可选的实施例中，全息功能屏的参数设计如下：
根据多层针孔式结构的针孔排列规则，需要对如图7所示的x和y方向进行光线的扩散，设全息功能屏x和y方向上的扩散度分别为φx和φy，全息功能屏与多层针孔式结构的距离为d。
φx的设计与bx有关，根据图7有：
bx＝(wb+wp)·cosα(10)
如图8所示，使单点光线扩散后视区覆盖bx，因为实际设计中d≥l≥p，并且有bx≥wp，根据光路图8有：
对于φy，计算原理与φx相同，φy和by有关，有：
全息功能屏能够进一步加深3d图像的纵深感，从而获得更好的3d效果，其加深程度正相关于全息功能屏与多层针孔式结构之间的距离d。然而同时，d负相关于定向散射膜的扩散度。也就是说，更大的扩散度能提供更大的视场角和单眼分辨率，但同时将减弱3d图像的纵深感并使串扰增大。因此，在设计参数时要根据实际使用场合的需求，权衡二者的取舍。
实施例2
根据本发明实施例，提供了一种3d显示方法的方法实施例，需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
图9是根据本发明实施例的3d显示方法，应用于上述3d显示装置，如图9所示，该方法包括如下步骤：
步骤s102，通过led显示器显示图像；
步骤s104，通过多层针孔式结构的光路控制结构控制图像的光路出射方向，形成三维光场信息，其中，每层针孔式结构上设置有多组针孔阵列；以及
步骤s106，通过全息功能屏对三维光场信息进行扩散成像，形成3d图像。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
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