本发明涉及3d系统显示技术领域，更具体地，涉及一种多投影3d系统光场对比度调整方法及其系统。
背景技术：
多投影系统的3d显示系统具有尺寸可升级、分辨率高和动态范围高等特点。目前，典型的多投影3d立体显示系统原理如图1所示，由投影阵列，3d投影屏幕组成。根据3d投影屏幕的结构不同，该技术可以分为基于全息光学元件的3d显示系统，基于柱透镜光栅或者狭缝光栅的3d显示系统，基于以上元件与其他光学元件组合的3d显示系统。基于投影阵列和3d投影屏幕位置关系，可以划分为正面投影系统和背面投影系统。图1为典型的背面多投影3d立体显示系统。3d显示屏幕具有空间分光的作用，可以将入射的多投影投射的光线分光到空间不同的位置。
然而，光学的3d显示屏幕具一定的反射性，入射的光通常会有部分被反射，如图1所示，故实际捕获的光场可以定义为ld＝ld_s+ld_r+lamb，ld_s是相应的视点光场，ld_r是由投影阵列投射的视差光场的反射光，lamb是反射的环境光。受反射光存在的影响，3d显示屏显示的光场对比度会降低，3d图像的质量会降低，3d的体验效果会受到影响。
技术实现要素：
本发明提供一种多投影3d系统光场对比度调整方法及其系统，可根据实际反射光亮度实时调节3d图像显示光场的对比度以提供良好的3d图像显示质量，以解决现有3d显示屏显示图像质量差、3d体验感差的缺陷。
根据本发明的一个方面，提供一种多投影3d系统光场对比度调整方法，其特征在于，其包括以下步骤:
s1.基于单个投影仪的发光亮度计算函数，获取参考光场亮度图序列，并根据对比度测量函数，获取参考光场亮度图序列的感知强度；
s2.基于多个投影仪的发光亮度计算函数，获取融合光场亮度图序列，基于对比度测量函数，获取融合光场亮度图序列的感知强度；
s3.将所获取参考光场亮度图序列的感知强度和所获取融合光场亮度图序列的感知强度，通过对比度差异衡量函数，并基于最优化色调映射曲线，调整融合光场亮度图序列；
s4.基于逆显示模型，将调整后的融合光场亮度图序列转化为融合视差序列输出。
在上述方案基础上优选，所述步骤s1中还包括对所述参考光场亮度图序列进行对比度增强处理。
在上述方案基础上优选，所述单个投影仪的发光亮度计算函数公式为：
其中，lp表示显示的亮度，v是像素值，取值区间[0，1]，γ是显示伽马参数，emax是投影仪投射的最大照度值，eblack是全黑的照度值，eamb是环境光照度值，n是投影仪数目。
在上述方案基础上优选，所述多个投影仪的发光亮度计算函数公式为：
其中，d表示视区宽度；p表示单个视点宽度，d/p＝n；vk是视点k的像素值；ld-s(vk)表示视点k处投射部分的亮度值；ld-r(vi)表示视点k处反射部分的亮度值，ρdiff是朗伯反射介质的反射率，ρs_i是柱透镜光栅的透射率，ρs_r是柱透镜光栅的反射率。
在上述方案基础上优选，所述的对比度差异衡量函数公式为：
其中，dk≥0fork＝1...m
上述公式为t(·)为对比度测量函数的计算公式；m表示色调映曲线的分段数量，ρl(·)表示拉普拉斯金字塔分解；
在上述方案基础上优选，所述的最优化色调映射曲线定义为：
y(x)＝(x-xk)·dk+yk，
其中，δ表示为(xk,yk)与(xk+1,yk+1)之间分段的宽度，x表示输入亮度，y表示输出亮度，dk表示斜率。
本发明还提供了一种多投影3d系统光场对比度调整系统，其包括以下模块，
单个投影仪显示模块，用于获取单个投影的亮度光场亮度图序列，并根据对比度测量函数，获取参考光场亮度图序列的感知强度；
多个投影仪显示模块，用于获取融合光场亮度图序列，并基于对比度测量函数，获取融合光场亮度图序列的感知强度；
色阶调整模块，用于通过对比度差异衡量函数，并基于最优化色调映射曲线，调整融合光场亮度图序列；
逆显示模块，用于将调整后的融合光场亮度图序列转化为融合视差序列输出。
在上述方案基础上优选，其还包括一用于将单个投影的亮度光场亮度图序列进行亮度增强处理的对比度增强模块。
在上述方案基础上优选，所述的单个投影仪显示模块还包括一个单个投影仪显示亮度模型，用于将单个投影仪的视差序列转换为单个投影仪的亮度图序列，且该模型表示公式为：
其中，lp表示显示的亮度值，v是像素值，取值区间[0，1]，γ是显示伽马参数，emax是投影仪投射的最大照度值，eblack是全黑的照度值，eamb是环境光照度值，n是投影仪数目。
在上述方案基础上优选，所述的多个投影仪显示模块还包括一个多投影仪显示亮度模型，用于将多个投影仪的视差序列转换为融合光场的亮度图序列，且该多投影仪显示亮度模型的发光亮度计算函数公式为：
其中，d表示视区宽度；p表示单个视点宽度，d/p＝n；vk是视点k的像素值；ld-s(vk)表示视点k处投射部分的亮度值；ld-r(vi)表示视点k处反射部分的亮度值，ρdiff是朗伯反射介质的反射率，ρs_i是柱透镜光栅的透射率，ρs_r是柱透镜光栅的反射率。
在上述方案基础上优选，所述的对比度差异衡量函数公式为：
其中，dk≥0fork＝1...m
上述公式为t(·)为对比度测量函数的计算公式；m表示色调映曲线的分段数量，ρl(·)表示拉普拉斯金字塔分解；
本发明的一种多投影3d系统光场对比度调整方法，通过获取参考光场亮度的感知度和融合光场亮度的感知度，利用对比度差异衡量函数，计算出融合光场和目标光场的对比度最小值，再依据最优色调映射曲线，调整融合光场亮度图序列。从而提高3d显示屏显示的光场对比度，避免3d显示过程中反射光对3d显示效果的影响，提高其3d图像的显示效果。
本发明的通过将融合光场亮度图序列与参考光场亮度图序列进行对比，利用最优色调映射曲线，可根据实际反射光亮度实时调整融合光场亮度图序列，从而改变3d图像显示光场的对比度，以提高3d图像显示质量，解决现有3d显示屏因反射光，所造成的3d显示屏显示图像低、3d图像效果差的缺陷。
附图说明
图1为本发明的多个投影3d显示亮度模型的背向投影显示系统示意图；
图2为本发明的多个投影3d显示亮度模型的正面投影显示系统示意图；
图3为本发明的基于投影光栅的正面投影3d显示系统结构图；
图4为本发明的由柱透镜广厦引入的光场重分布示意图；
图5为分段色调映射曲线的示意图；
图6为本发明的多投影3d系统光场对比度调整方法的流程图；
图7为本发明的待显示图像在调整前显示效果图；
图8为本发明的待显示图像在调整后显示效果图；
图9为本发明的无环境光时色调映射曲线示意图；
图10为本发明的有环境光时色调映射曲线示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
请参阅图1所示，本发明的一种多投影3d系统光场对比度调整方法，其包括以下步骤:
s1.基于单个投影仪的发光亮度计算函数，获取参考光场亮度图序列，并根据对比度测量函数，获取参考光场亮度图序列的感知强度；
s2.基于多个投影仪的发光亮度计算函数，获取融合光场亮度图序列，基于对比度测量函数，获取融合光场亮度图序列的感知强度；
s3.将所获取参考光场亮度图序列的感知强度和所获取融合光场亮度图序列的感知强度，通过对比度差异衡量函数，并基于最优化色调映射曲线，调整融合光场亮度图序列；
s4.基于逆显示模型，将调整后的融合光场亮度图序列转化为融合视差序列输出。本发明的逆显示模型为单投影仪发光亮度模型的逆过程。
具体操作方法是：
将待显示图像的视差序列，通过单个投影的发光亮度计算函数进行处理，获取参考光场亮度图序列。然后，一方面通过对度测量函数，将参考光场亮度图序列转化为参考光场亮度图序列的感知强度值；另一方面，将获取到的参考光场亮度图序列通过最优化色调映射曲线进行调整，并将调整后的参考光场亮度图序列作为多个投影的发光亮度计算函数的输入值，通过多个投影的发光亮度计算函数将其转化为融合光场亮度图序列，以避免多投影过程中，反射光之间的相互干扰。然后，通过对比度测量函数，将融合光场亮度图序列转化为融合光场亮度图序列的感知强度。
之后，将参考光场亮度图序列的感知强度值与融合光场亮度图序列的感知强度值，通过对比度差异衡量函数，求取调整后的融合光场与参考光场之间的对比度差异值，以获取两者之间的最小值，实现融合光场和参考光场的对比度差异最小化。
最后，通过最优化色调映射曲线，调整融合光场亮度图序列，并通过逆显示模型，将其转化为融合视差序列予以输出。
本发明通过多个投影的发光亮度计算函数，以减少多个投影仪在投影过程中，光场相互干涉的影响。同时，本发明还通过设置一参考光场亮度的感知强度，将其作为参考值，通过对比度差异衡量函数，将融合光场亮度图序列的感知强度与参考光场亮度的感知强度进行对比，求取两者之间的最小值，实现融合光场和参考光场的对比度差异最小化，再利用最优化色调映射曲线，调整输出光场的亮度图序列，从而，有效避免反射光对3d显示屏显示的影响，提高3d显示图像的质量和3d显示平的立体效果。
进一步的，为了防止单个投影仪在投影过程中，受反射光和环境光的影响，导致其获取的参考光场亮度图序列有误差，本发明的步骤s1中还包括对参考光场亮度图序列进行对比度增强处理步骤，即通过对比度增强处理，可有效去除环境光和反射光对参考光场亮度的影响，确保其准确性，为后续处理融合光场的亮度提供准确的处理基础。
其中，本发明的单个投影的发光亮度计算函数的公式可以表示为：
lp表示显示的亮度，v是像素值，取值区间[0，1]，γ是显示伽马参数，emax是投影仪投射的最大照度，eblack是全黑的照度，eamb是环境光照度，n是投影仪数目。当n＝1时，表示单投影仪，所形成的光场为单投影仪显示光场，当n≥2时，表示多投影仪，所形成的光场为多投影仪显示光场如图1-图4所示，为不同方向的多投影仪显示光场。
计算过程中，根据显示屏的像素值，及投影仪的个数、投影仪投射的最大照度、显示屏的全黑照度、环境光照度，并适当选取显示伽马参数值，获取单个投影仪的参考光场亮度图序列值。作为本发明的优选技术方案，本发明的γ在rgb标准化动态空间内为2.2。
本发明的投影系统，光照度比光亮度更容易测量，针对具有2π立体角发散角的朗伯体，亮度l与照度e之间的关系可以表示为e＝πl。故，得到投射部分的亮度如下：ld_s(v)＝ρdiff·ρs_i·lp(v)；
反射部分的亮度如：ld_r(v)＝ρs_r·lp(v)；
其中，上述公式中的ρdiff是朗伯反射介质的反射率，ρs_i是柱透镜光栅的透射率，ρs_r是柱透镜光栅的反射率，lp(v)表示显示的亮度，eamb是环境光照度。
而人眼最终捕获到的光亮度为视点光场的亮度与环境光的亮度和反射光的亮度之和，即ld＝ld_s+ld_r+lamb。
由于在实际过程中，人眼观看到的3d模型是多个投影仪所投射出来的光场所产生的图像，为了避免投影仪所产生光场相互之间的干扰，本发明还定义了多个投影的发光亮度计算函数以排除相邻光场之间的干扰，且多个投影仪的发光亮度计算函数公式可以表示为：
其中，d表示视区宽度；p表示单个视点宽度，d/p＝n；vk是视点k的像素值；ld-s(vk)表示视点k处投射部分的亮度值；ld-r(vi)表示视点k处反射部分的亮度值。
进一步的，本发明为了求取参考光场与融合光场之间的对比度差异之间的差异最小化，还定义了对比度差异衡量函数，其该对比度差异函数可以表示为以下公式，如：
其中，dk≥0fork＝1...m
上述公式为t(·)为对比度测量函数的计算公式；m表示色调映曲线的分段数量，ρl(·)表示拉普拉斯金字塔分解；
即通过分别对色调映射之后的融合光场亮度值和参考光场亮度值进行求对数，然后对分别求取拉普斯金字塔分解，将分解后的值分别通过对比度测量函数进行计算，获得融合光场亮度的感应强度和参考光场亮度的感应强度，然后将两者进行比较，获得两者差异的最小值，并求取两者差异值最小值时，色调映射之后的融合光场亮度图序列。
其中，本发明的色调映射之后的融合光场的亮度值计算公式可以表示为：
且s1＝n·ρdiff·ρs_i
s2＝n·ρs_r
n是投影仪的数目，lp是当前视点的亮度，lpi是投影i的投射亮度。显示系统的动态范围为r，
进一步的，本发明的最优化色调映射曲线定义为：
y(x)＝(x-xk)·dk+yk，
其中，δ表示为(xk,yk)与(xk+1,yk+1)之间分段的宽度，x表示输入亮度，y表示输出亮度，且本发明的通过色调映射操作之后的亮度值
为了进一步说明本发明的技术方案，以下将结合具体数值，详细说明本发明的调整方法，以下实验是基于表1的实验参数进行处理，其中，如图7为调整前显示效果，图8为通过本发明的调整方法对图7进行调整后的显示效果，且图9为无环境光时色调映射曲线示意图，图10为有环境光时色调映射曲线示意图。
表1为实验参数:
本发明还提供了一种多投影3d系统光场对比度调整系统，其包括以下模块，
单个投影显示模型，用于获取单个投影的亮度光场亮度图序列，并根据对比度测量函数，获取参考光场亮度图序列的感知强度；
多个投影显示模型，用于获取融合光场亮度图序列，并基于对比度测量函数，获取融合光场亮度图序列的感知强度；
色阶调整模块，用于通过对比度差异衡量函数，并基于最优化色调映射曲线，调整融合光场亮度图序列；
逆显示模块，用于将调整后的融合光场亮度图序列转化为融合视差序列输出。
优选的，本发明的一种多投影3d系统光场对比度调整系统还包括一用于将单个投影仪的亮度光场亮度图序列进行亮度增强处理的对比度增强模块。
优选的，本发明的单个投影仪显示模块还包括一个单个投影仪显示亮度模型，用于将单个投影仪的视差序列转换为单个投影仪的亮度图序列，且该单个投影仪显示亮度模型的亮度函数可以为
其中，lp表示显示的亮度，v是像素值，取值区间[0，1]，γ是显示伽马参数，emax是投影仪投射的最大照度，eblack是全黑的照度，eamb是环境光照度，n是投影仪数目。
在上述方案基础上优选，所述的多个投影仪显示模块还包括一个多投影仪显示亮度模型，用于将多个投影仪的视差序列转换为融合光场的亮度图序列，且该多投影仪显示亮度模型的发光亮度计算函数公式为：
其中，d表示视区宽度；p表示单个视点宽度，d/p＝n；vk是视点k的像素值；ld-s(vk)表示视点k处投射部分的亮度值；ld-r(vi)表示视点k处反射部分的亮度值。
在上述方案基础上优选，所述的对比度差异衡量函数公式为：
其中，dk≥0fork＝1...m
上述公式为t(·)为对比度测量函数的计算公式；m表示色调映曲线的分段数量，ρl(·)表示拉普拉斯金字塔分解；
为了防止单个投影仪在投影过程中，受反射光和环境光的影响，导致其获取的参考光场亮度图序列有误差。本发明的一种多投影3d系统光场对比度调整系统，还包括一用于将单个投影仪的亮度光场亮度图序列进行亮度增强处理的对比度增强模块。
优选，本发明的单个投影仪显示模块还包括一个单个投影仪显示亮度模型，用于将单个投影的视差序列转换为单个投影仪的亮度图序列，且该模型表示公式为
其中，lp表示显示的亮度，v是像素值，取值区间[0，1]，γ是显示伽马参数，emax是投影仪投射的最大照度，eblack是全黑的照度，eamb是环境光照度，n是投影仪数目。
进一步的，本发明的多个投影仪显示模块还包括一个多投影仪显示亮度模型，用于将多个投影仪的视差序列转换为融合光场的亮度图序列，且该多投影仪显示亮度模型的发光亮度计算函数公式为：
其中，d表示视区宽度；p表示单个视点宽度；vk是视点k的像素值；ld-s(vk)表示视点k处投射部分的亮度值；ld-r(vi)表示视点k处反射部分的亮度值。
进一步的，本发明的对比度差异衡量函数公式为：
其中，dk≥0fork＝1...m
上述公式为t(·)为对比度测量函数的计算公式；m表示色调映曲线的分段数量，ρl(·)表示拉普拉斯金字塔分解；
本发明的一种多投影3d系统光场对比度调整方法，通过获取参考光场亮度的感知度和融合光场亮度的感知度，利用对比度差异衡量函数，计算出融合光场和目标光场的对比度最小值，再依据最优色调映射曲线，调整融合光场亮度图序列。从而提高3d显示屏显示的光场对比度，避免3d显示过程中反射光对3d显示效果的影响，提高其3d图像的显示效果。
本发明的通过将融合光场亮度图序列与参考光场亮度图序列进行对比，利用最优色调映射曲线，可根据实际反射光亮度实时调整融合光场亮度图序列，从而改变3d图像显示光场的对比度，以提高3d图像显示质量，解决现有3d显示屏因反射光，所造成的3d显示屏显示图像低、3d图像效果差的缺陷。
本发明涉及的技术术语如下：
动态范围：显示设备能够显示的最大亮度与最小亮度之比。
显示亮度模型：标明显示器显示亮度与输入像素值之间映射关系的数学模型。
色调映射：在有限动态范围媒介上近似显示高动态范围图像的一项计算机图形学技术，将大幅度的对比度调整到场景亮度可以显示的范围，同时保持图像亮度与色彩等重要信息。
朗伯反射：辐射源各个方向的辐射亮度不变，辐射强度随观察方向与面源法线之间的夹角的变换遵循余弦规律。
最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。