立体显示方法和设备与流程

本发明涉及显示技术领域，具体而言，涉及立体显示方法和设备。

背景技术：

自由立体显示设备多是通过狭缝光栅、柱透镜等元件实现立体显示，存在视区不连续和视角较窄的问题，极大地影响了观看舒适性。为了实现在观测者位置改变时仍然得到正确、稳定的视差关系的目的，当前的立体显示设备有基于人眼追踪和图像实时重组的立体显示方案，需要在图像源方面进行多视点图像的重新绘制，对软硬件平台的图像处理能力的要求都比较高。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例提供了立体显示方法和设备，旨在改善上述问题。

本发明实施例提供的一种立体显示设备，所述立体显示设备包括：图像采集装置、处理器、显示单元、分光单元和位移调节装置。所述图像采集装置、所述位移调节装置均与所述处理器连接，所述分光单元与所述位移调节装置连接，所述分光单元位于所述显示单元的出光面，用于将所述显示单元显示的左眼图像和右眼图像进行分光使观测者能够看到立体图像。所述图像采集装置，用于采集包含观测者的图像，将所述包含观测者的图像发送至所述处理器。所述处理器，用于根据所述包含观测者的图像获得所述观测者的第一移动量，计算所述分光单元对应于所述第一移动量所需的第二移动量。所述位移调节装置，用于根据所述第二移动量调节所述分光单元的位移，以使所述观测者能够看到立体图像。

本发明实施例提供的一种立体显示方法，应用于处理器。所述方法包括：获取图像采集装置采集的包含观测者的图像，根据所述包含观测者的图像获得所述观测者的第一移动量。计算分光单元对应于所述观测者的第一移动量所需的第二移动量，将所述第二移动量发送至位移调节装置，以使所述位移调节装置根据所述第二移动量调节所述分光单元的位移，使得所述观测者能够看到立体图像。

上述本发明实施例提供的立体显示方法和设备，通过图像采集装置获取观测者移动后的图像，由所述处理器根据所获得的包含观测者的图像获取所述观测者的第一移动量，并计算对应于所述观测者时所需要分光单元移动的第二移动量，控制所述位移调节装置带动所述分光单元移动所述第二移动量，以使所述分光单元的移动能使得移动后的观测者仍然能观测到较好的立体图像。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明第一实施例提供的立体显示设备的结构示意图；

图2是本发明第一实施例提供的立体显示设备所应用的图像的像素点对应观测者的几何关系示意图；

图3是本发明第一实施例提供的立体显示设备所应用的显示单元、分光单元和观测者之间的相对位置关系的示意图；

图4是本发明第二实施例提供的立体显示设备的结构示意图；

图5是本发明第三实施例提供的立体显示方法的步骤流程图。

图标：

立体显示设备100；图像采集装置110；处理器120；分光单元130；第一端132，第二端134；显示单元140；位移调节装置150；驱动组件160；第一驱动单元162；第二驱动单元164；移动组件170；第一移动单元171；第一移动单元的控制端172；第一移动单元的移动端173；第二移动单元174；第二移动单元的控制端175；第二移动单元的移动端176；

观测者200；预设的观测区域Z1。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。

请参见图1，为本发明第一实施例提供的立体显示设备100的结构示意图。所述立体显示设备100包括：图像采集装置110、处理器120、显示单元140、分光单元130和位移调节装置150，所述图像采集装置110与所述处理器120连接，所述处理器120与所述位移调节装置150连接，所述位移调节装置150与所述分光单元130连接，所述分光单元130位于所述显示单元140的出光面。

所述图像采集装置110，为用于采集图像的装置，将所采集的图像发送至所述处理器120进行相关数据信息的获取操作。所述图像采集装置110可以优选为网络摄像头，将所采集的图像传输至与之连接的处理器120。所述处理器120还可以直接对所述网络摄像头发送的图像进行实施编辑和存储，并且可以控制摄像机的云台和镜头，以便进行全方位地图像采集。所述图像采集装置110设置于能拍摄到所述观测者200(图中用观测者双目指代所述观测者)的预设的观测区域Z1的位置，用于采集预设观测位置处可能包含观测者200的至少两帧图像，所述图像采集装置110可以按照预设的图像采集间期或者周期进行图像采集。所述图像采集装置110的输出端与所述处理器120连接，将所采集的图像发送至所述处理器120。

所述处理器120，用于根据所述包含观测者200的图像获得所述观测者200的第一移动量，并根据所述分光单元130对应于所述第一移动量所需的第二移动量。所述处理器120可以是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力，当然，也可以由包含所述处理器120的计算机设备执行所述处理器120的数据处理功能。所述处理器120可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，简称CPU)、网络处理器(Network Processor，简称NP)等；还可以是数字信号处理器120(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现成可编程门阵列(FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件，以实现或者执行本发明实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器，该处理器120也可以是任何常规的处理器等。

所述处理器120根据所述图像采集单元采集的包含观测者200的图像获得所述观测者200的第一移动量的方式可以包括：获取包含观测者200的前后两帧图像，设为第一图像和第二图像，所述第二图像为所述观测者200基于所述第一图像移动所述第一移动量后采集的图像。利用目标识别算法获取所述观测者200的头部或者双目位置在所述第一图像中的第一像素坐标及在所述第二图像中的第二像素坐标，进而根据所述第二像素坐标和所述第一像素坐标获取观测者200的第一移动量对应于图像采集装置110的像素坐标系的位移像素量，利用图像采集装置110的视场角等参数换算为观测者200在空间坐标系中的实际位移量，即为所述第一移动量。所述用于识别所述观测者200的头部或者双目位置的目标识别算法可以为：基于sift特征的光流法、基于haal特征的多分类训练器(比如脸和眼睛)级联等，其它能实现本实施例所应用的目标识别的算法均可适用于本实施例。在其它实施方式中，还可以在所述处理器120内预设包含观测者200在观测到较好的立体图像时或者位于预设观测区域的某特定位置时的像素坐标，所述图像采集装置110采集移动后的观测者200的图像，根据预设的像素坐标获取所述观测者200的像素位移量。

所述处理器120根据所获得的观测者200移动的像素位移获取观测者200在空间坐标系中的第一移动量，以及所述分光单元130对应于所述观测者200的第一移动量所需的第二移动量的计算过程请参见图2。图2为图像的像素点对应观测者200移动的第一移动量的几何关系示意图。所述显示单元140与所述观测者200的移动平面的垂直距离为L，所述图像采集单元在水平方向所获得的总像素数即为水平分辨率H，所述图像采集装置110的视场角为，距离L的预设观测位置处能拍摄的范围宽度为A，则A/2＝L＊tan(θ/2)。图像采集装置110的H个像素点对应着宽度A，则每个像素点对应的物理位移为X，X＝A/H＝2Ltan(θ/2)/H。则相应地，若所获得的观测者200双目的像素位移为N时，则观测者200的在空间坐标系中的实际物理位移，即所述第一移动量S1＝NX＝2NLtan(θ/2)/H。

所述显示单元140，为图像显示设备，通过所述出光面将显示图像投射到预设观测位置的观测者200的双目中。

所述分光单元130，位于所述显示单元140的出光面。所述分光单元130的入光面接收所述显示单元140的出光面显示的图像，以使所述显示单元140显示的左眼图像和右眼图像经由所述分光单元130的分光作用后，通过出光面投射到预设观测位置的观测者200双目内，以使观测者200能够看到立体图像。所述分光单元130可以为周期狭缝或者柱透镜阵列其它能实现将显示单元140的左眼图像和右眼图像进行分光的装置均可适用于本实施例中。

所述显示单元140、所述分光单元130和所述观测者200的双目之间的关系遵从相应的投影规则，由所述分光单元130与所述显示单元140之间的相对位置可以推断所述观测者200位于哪些位置时可以观测到较佳的立体显示效果，因此，若要使观测者200在移动后仍然可以观测到较佳的立体显示效果，可以选择控制所述分光单元130进行相应的移动、控制显示单元140进行相应地移动或者控制所述分光单元130和所述显示单元140均移动，以使所述显示单元140、所述分光单元130和所述观测者200的双目之间的相对距离仍满足投影规则。考虑到具体实施过程中，调节所述显示单元140的位置时需要移动较多的附属器件等，因此本实施例优选通过移动所述分光单元130的方式来保持三者之间的相对位置关系。

如图3所示，为所述显示单元140、所述分光单元130和所述观测者200双目之间的相对位置关系的示意图。图3(a)所示为较佳立体显示效果下的投影关系示意图，图3(b)所示为观测者200移动后较差立体显示效果下的投影关系示意图。如图3(a)所示，设定所述显示单元140上依次设置有1－10号像素点，1、3、5、7、9号像素点承载着构成立体场景的左眼图像(即为图中所示L)，2、4、6、8、10号像素点承载着构成上述立体显示场景的右眼图像(即为图中所示R)。观测者200位于当前观测位置时，左眼看到构成所述左眼图像的各个像素点，右眼能看到构成所述右眼图像的各个像素点，左眼图像和右眼图像不会较差，能观测到较好的立体显示效果。

如图3(b)所示，设定所述观测者200双目向右移动约0.3倍瞳距，约2cm。此时，所述观测者200左眼可以看到所述显示单元140的1.7、3.7、5.7、7.7、9.7号像素点，表示观测者200的左眼同时看到1号像素左边的70％和2号像素右边的30％，3号像素左边的70％和4号像素右边的30％等。右眼可以看到所述显示单元140的0.7、2.7、4.7、6.7、8.7号像素点，表示观测者200的右眼同时看到1号像素左边0号像素(图中未示出)的70％和1号像素右边的30％，2号像素左边的70％和3号像素右边的30％等。左右眼观测到同一像素点的部分图像，会产生视觉重影。

为了消除由于观测者200移动所产生的视觉重影，呈现较好的立体显示效果，利用小孔成像原理或者透镜成像原理，可以控制显示单元140的像素点依次向左移动0.3个像素同时保证分光单元130不动，或者是控制显示单元140的像素点保持不动，同时控制分光单元130向右移动0.3倍光栅周期，以补偿观测者200向右移动0.3倍瞳距所带来的视觉重影。在其它实施方式中，也可以选择控制所述分光单元130和所述显示单元140同时移动，以配合补偿所述观测者200的移动量。考虑到所述显示单元140多为固定设置的设备，其移动多需要较大工作量且移动量的控制难度较大，因此本实施例优选采用控制所述分光单元130沿观测者200的移动方向移动且所述显示单元140不动的方式来弥补所述观测者200的移动量，以实现观测者200在移动一定位移后仍然可以观测到较好的立体图像。

所述处理器120计算所述分光单元130补偿所述观测者200的第一移动量所需的第二位移量的过程请继续参见图2。设定所述分光单元130的主平面到所述显示单元140像素之间的光学距离为d，则对应于所述观测者200的第一移动量S1的所述分光单元130的第二移动量S2＝δS1d/L＝2Ndtan(θ/2)/H。

所述位移调节装置150，用于根据所述第二移动量S2调节所述分光单元130的位移，以使所述观测者200能够看到较好的立体图像。优选将所述位移调节装置150设置于其水平方向，所述位移调节装置150可以为机械移动结构或者电动移动结构，例如，所述位移调节装置150可以为步进电机或者为由驱动组件160和移动组件170构成的位移调节装置150，其它能实现带动所述分光单元130进行定量移动的装置均可适用于本实施例。本实施例优选所述位移调节装置150包括驱动组件160和移动组件170，所述驱动组件160的信号接收端与所述处理器120连接。所述移动组件170包括控制端和移动端，所述驱动组件160的信号输出端与所述移动组件170的控制端连接，将所述驱动电压施加于所述移动组件170，控制所述移动组件170的移动端带动与之连接的分光单元130的移动。

所述移动组件170优选为弹性单元，通过本身的弹性形变带动分光单元130的移动，不必设置多余的滑动轨道和移动空间。进一步地，所述移动组件170优选为电致活性聚合物，主要包括硅橡胶、聚氨酯、丙烯酸类高应变率、频带宽可达数百赫兹的介电弹性体。选用应变率较高的材料可以使得驱动电压不需要很高的条件下即可实现弹性单元的较大形变，避免了高压驱动带来的工程隐患。选用频率可达数百赫兹的材料可以达到较快的响应速度，使得弹性单元在几毫秒到几十毫秒内做出变化，避免人眼感受到图像的明显抖动。

由电致活性聚合物构成的弹性单元在外加电场激励下由库仑引力作用产生较大变形，在横向上延展，失电后又会收缩，进而实现分光单元130在其延展方向上的移动。如果所述弹性单元采用的是具有线性介电弹性的材料，若单位电场强度产生的横向变形系数为α，弹性单元厚度为t，长度为a，那么需要施加的驱动电压为如果所述弹性单元采用的是非线性介电弹性体材料，电压值和变形量之间并非简单的线性关系，需要先根据材料特质获得变形量和电压值之间的映射表，通过查表求得控制驱动单元所需的输出电压。

上述本发明实施例提供的立体显示设备100，通过图像采集装置110获取观测者200移动后的图像，由所述处理器120根据所获得的包含观测者200的图像获取所述观测者200的第一移动量，并计算对应于所述观测者200时所需要分光单元130移动的第二移动量，控制所述位移调节装置150带动所述分光单元130移动所述第二移动量，以使所述分光单元130的移动能使得移动后的观测者200仍然能观测到较好的立体图像。

请参见图4，为本发明第二实施例提供的立体显示单元140的结构示意图。在上述实施例的基础上，设定所述观测者200的第一移动量所在的方向为第一方向，所述驱动组件160包括第一驱动单元162和第二驱动单元164，所述移动组件170包括第一移动单元171和第二移动单元174，所述分光单元130包括第一端132和第二端134，所述第一端132和所述第二端134为设置于所述分光单元130与所述显示平行方向的对应两端。

所述第一驱动单元162的输入端和所述第二驱动单元164的输入端均与所述处理器120连接，所述第一驱动单元162的输出端与所述第一移动单元的控制端172连接，所述第一移动单元的移动端173与所述分光单元130的第一端132连接。所述第二驱动单元164的输入端和第二移动单元的控制端175连接，所述第二移动单元的移动端176与所述分光单元130的第二端134连接。所述第一驱动单元162驱动所述第一移动单元171带动与之连接的分光单元130移动第一位移，所述第二驱动单元164驱动所述第二移动单元174带动与之连接的分光单元130移动第二位移，所述位移与所述第二位移的矢量和为所述分光单元130对应于所述观测者200的第一移动量所需的第二移动量。

如果所述第一移动单元171和所述第二移动单元174优选为线性介电弹性的材料，设定所述分光单元130的初始位置为平衡位置，相对平衡位置伸展则为正，相对平衡位置移动则为负。所述第一弹性单元和所述第二弹性单元的驱动电压采用共模等幅度反相电压信号，因此第一弹性单元和第二弹性单元的变形量之差为恒定值。则所述第一弹性单元的变形量为σ_L＝U_Lαa/t，第二弹性单元的变形量为σ_R＝U_Rαa/t，且第二移动量δ＝σ_L－σ_R。对应的变形量为：F(U)＝(σ_L－σ_R)/2，那么第一弹性单元的变形量为σ_L＝(2F(U)+δ)/2，第二弹性单元的变形量为σ_R＝(2F(U)－δ)/2，第一驱动单元162施加的瞬时电压应该为F^－1(F(U)+δ/2)，第二驱动电压施加的瞬时电压为F^－1(F(U)－δ/2)，F和F^－1代表正向和反向查表。

本发明实施例提供立体显示设备100，将所述驱动组件160分为第一驱动单元162和第二驱动单元164，将所述移动组件170分为第一移动组件170和第二移动组件170。所述第一移动组件170和所述第二移动组件170分别设置于所述分光单元130的两端，且所述第一移动组件170和所述第二移动组件170均优选为驱动电压较低、响应速度较快的线性介电弹性体材料，以实现更准确的立体显示效果。

请参见图5，为本发明第三实施例提供的立体显示方法的步骤流程图，所述立体显示方法应用于上述实施例提供的立体显示设备100。下面将对图5所示的步骤进行具体描述。

步骤S501，获取图像采集装置110采集的包含观测者200的图像。

所述图像采集装置110设置于能拍摄到所述观测者200的预设观测位置的位置，用于采集预设观测位置处可能包含观测者200的至少两帧图像，所述图像采集装置110可以按照预设的图像采集间期或者周期进行图像采集。所述图像采集装置110的输出端与所述处理器120连接，将所采集的图像发送至所述处理器120。

步骤S502，根据所述包含观测者200的图像获得所述观测者200的第一移动量。

所述处理器120根据所述图像采集单元采集的包含观测者200的图像获得所述观测者200的第一移动量的方式可以包括：获取包含观测者200的前后两帧图像，设为第一图像和第二图像，所述第二图像为所述观测者200基于所述第一图像移动所述第一移动量后采集的图像。利用目标识别算法获取所述观测者200的头部或者双目位置在所述第一图像中的第一像素坐标及在所述第二图像中的第二像素坐标，进而根据所述第二像素坐标和所述第一像素坐标获取观测者200的第一移动量对应于图像采集装置110的像素坐标系的位移像素量，利用图像采集装置110的视场角等参数换算为观测者200在空间坐标系中的实际位移量，即为所述第一移动量。

步骤S503，计算分光单元130对应于所述观测者200的第一移动量所需的第二移动量。

所述处理器120根据所获得的观测者200移动的像素位移获取观测者200在空间坐标系中的第一移动量，以及所述分光单元130对应于所述观测者200的第一移动量所需的第二移动量的计算过程可以为：

根据公式：δ＝Xd/L计算所述分光单元130的第二移动量，其中，δ表示所述第二移动量，X表示所述第一移动量，d表示所述分光单元130与所述显示单元140之间的光学距离，L表示所述显示单元140到所述观测者200的移动平面之间的垂直距离。具体的推算过程请参见上述装置实施例，在此不再一一赘述。

步骤S504，将所述第二移动量发送至位移调节装置150，以使所述位移调节装置150根据所述第二移动量调节所述分光单元130的位移，使得所述观测者200能够看到立体图像。

所述位移调节装置150，用于根据所述第二移动量S2调节所述分光单元130的位移，以使所述观测者200能够看到较好的立体图像。优选将所述位移调节装置150设置于其水平方向，所述位移调节装置150可以为机械移动结构或者电动移动结构，例如，所述位移调节装置150可以为步进电机或者为由驱动组件160和移动组件170构成的位移调节装置150，

其它能实现带动所述分光单元130进行定量移动的装置均可适用于本实施例。本实施例优选所述位移调节装置150包括驱动组件160和移动组件170，所述驱动组件160的输入端与所述处理器120连接，所述驱动组件160的输出端与所述移动组件170的控制端连接，所述移动组件170的移动端与所述分光单元130连接，将所述第二移动量发送至位移调节装置150，以使所述位移调节装置150根据所述第二移动量调节所述分光单元130的位移的步骤包括：

根据所述第二移动量获取驱动所述移动组件170所需的驱动电压，将所述驱动电压发送至所述驱动组件160，以使所述驱动组件160将所述驱动电压施加于所述移动组件170上，使得所述移动组件170在所述驱动电压的作用下带动所述分光单元130移动所述第二移动量。

在一种实施方式中，所述处理器120根据所述第二移动量获取驱动所述移动组件170所需的驱动电压的步骤包括：根据公式：计算驱动电压，其中，U表示所述驱动电压，δ表示所述第二移动量，t表示所述移动组件170的厚度，a表示所述移动组件170的长度。

上述本发明实施例提供的立体显示方法，应用于处理器，通过图像采集装置获取观测者移动后的图像，由所述处理器根据所获得的包含观测者的图像获取所述观测者的第一移动量，并计算对应于所述观测者时所需要分光单元移动的第二移动量，控制所述位移调节装置带动所述分光单元移动所述第二移动量，以使所述分光单元的移动能使得移动后的观测者仍然能观测到较好的立体图像。所述立体显示方法的具体实施过程请参见上述装置实施例，在此不再一一赘述。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。