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CN114879377A - 水平视差三维光场显示系统的参数确定方法、装置及设备 - Google Patents

水平视差三维光场显示系统的参数确定方法、装置及设备 Download PDF

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CN114879377A
CN114879377A CN202210372681.9A CN202210372681A CN114879377A CN 114879377 A CN114879377 A CN 114879377A CN 202210372681 A CN202210372681 A CN 202210372681A CN 114879377 A CN114879377 A CN 114879377A
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Abstract

本申请提供一种水平视差三维光场显示系统的参数确定方法、装置、设备及介质，包括：接收用于仿真设计的显示系统参数；根据显示系统参数将二维显示屏和光栅的数学模型组合建立水平视差三维光场的显示系统模型；确定显示系统模型的目标视点，并获取在目标视点拍摄的视差图像；根据视差图像生成在二维显示屏上显示的合成图像；根据合成图像生成目标视点的仿真图像，仿真图像是将在目标视点接收的光线通过光栅回追到二维显示屏获得的；计算视差图像和仿真图像的相似度；根据相似度得到显示系统参数对应的显示质量分值。相较于现有技术，通过本申请可以在显示系统投入生产之前优化显示系统参数，提高显示质量。

Description

水平视差三维光场显示系统的参数确定方法、装置及设备
技术领域
本申请涉及三维光场显示技术领域，尤其涉及一种水平视差三维光场显示系统的参数确定方法、装置、设备及存储介质。
背景技术
随着当今科学技术的飞速发展，传统的二维平面显示技术已经远远无法满足目前各个行业领域对于深度数据与空间立体感的需求。越来越多的应用领域，如医学成像、科学研究和军事等，要求能够实现三维场景的真实重建，从而使得观看者可以更加精确的捕获相关信息，准确的进行现场判断。
水平视差三维光场显示是利用控光元件对从平面显示器加载的基元图像像素发出的光线进行控制，在空间中的特定位置实现视点的重建，为人眼提供双目视差的立体视觉生理因素激励，从而实现3D影像的再现。利用二维平面显示设备配合狭缝光栅和柱透镜光栅的水平视差三维光场显示方法是目前在市场上应用最广泛的裸眼3D显示方法。这种方法具有实现生理立体视觉激励简单、落地工程造价低廉的优点，而深受工业界的青睐。
对于基于狭缝光栅的水平视差三维光场显示，二维平面显示器上的像素发出的光线被狭缝光栅在特定角度范围内遮挡，只允许在特定小角度范围内出射到空间中形成视点。对于基于柱透镜光栅的水平视差三维光场显示，因为柱透镜光栅可以对像素发出的光线以特定折射角度出射，一定视角范围内在空间汇聚形成视点。基于狭缝光栅和柱透镜光栅的水平视差三维光场显示方法所构建的视点可以保证观察者的左右眼分别观察到不同的视点，从而产生双目视差，激励人眼形成立体视觉。因此，可以说传统的基于狭缝光栅和柱透镜光栅的水平视差三维光场显示方法是基于双目视差构建的立体视觉原理。
光栅是光栅立体显示系统最关键的硬件部分，完成光栅的设计和制作后，其参数就是固定不变的，显示系统最终的显示效果和显示质量随之确定。想要评价特定参数下光栅立体显示系统的显示质量，要在设备制造完成后用人眼观看的方式定性的评价显示图像质量的好坏，没有具体的参考标准和定量的测量，这样带来了容错率低，试错成本高等问题。因此，如何在光栅投入生产之前预测光栅立体显示系统的显示效果，评估显示质量的好坏，是本领域亟需解决的技术问题。
发明内容
本发明实施例提供了一种水平视差三维光场显示系统的参数确定方法、装置、设备及介质，用以解决水平视差三维光场显示系统的参数确定的问题。
本申请第一方面提供一种水平视差三维光场显示系统的参数确定方法，包括：
接收用于仿真设计的显示系统参数；
根据所述显示系统参数将二维显示屏和光栅的数学模型组合建立水平视差三维光场的显示系统模型；
确定所述显示系统模型的目标视点，并获取在所述目标视点拍摄的视差图像；
根据所述视差图像生成在所述二维显示屏上显示的合成图像；
根据所述合成图像生成所述目标视点的仿真图像，所述仿真图像是将在所述目标视点接收的光线通过所述光栅回追到所述二维显示屏获得的；
计算所述视差图像和所述仿真图像的相似度；
根据所述相似度得到所述显示系统参数对应的显示质量分值。
在一种可能的实现方式中，所述根据所述合成图像生成所述目标视点的仿真图像，包括：
针对所述光栅中的单个柱透镜，根据预设关系式确定所述柱透镜在所述合成图像上映射像素的位置x；
按照所述位置x，在所述合成图像上提取所述柱透镜映射的像素；
将所有柱透镜在所述合成图像上映射的像素填充到仿真图像中，以生成所述目标视点的仿真图像。
在一种可能的实现方式中，所述预设关系式为：
Figure BDA0003589470190000031
其中，m表示柱透镜的序号；DL为目标视点到二维显示屏左边缘的距离；g为光栅与二维显示屏的间距；L为光栅与目标视点的距离；p表示光栅中相邻柱透镜的间距。
在一种可能的实现方式中，所述按照所述位置x，在所述合成图像上提取所述柱透镜映射的像素，包括：
按照所述位置x，在所述合成图像上采用加权法提取所述柱透镜映射的像素。
在一种可能的实现方式中，所述计算所述视差图像和所述仿真图像的相似度，包括：
基于结构相似性算法SSIM计算所述视差图像和所述仿真图像的相似度。
本申请第二方面提供一种水平视差三维光场显示系统的参数确定装置，包括：
接收模块，用于接收用于仿真设计的显示系统参数；
模型建立模块，用于根据所述显示系统参数将二维显示屏和光栅的数学模型组合建立水平视差三维光场的显示系统模型；
图像仿真模块，用于确定所述显示系统模型的目标视点，并获取在所述目标视点拍摄的视差图像；根据所述视差图像生成在所述二维显示屏上显示的合成图像；根据所述合成图像生成所述目标视点的仿真图像，所述仿真图像是将在所述目标视点接收的光线通过所述光栅回追到所述二维显示屏获得的；
计算模块，用于计算所述视差图像和所述仿真图像的相似度；根据所述相似度得到所述显示系统参数对应的显示质量分值。
在一种可能的实现方式中，所述图像仿真模块，具体用于：
针对所述光栅中的单个柱透镜，根据预设关系式确定所述柱透镜在所述合成图像上映射像素的位置x；
按照所述位置x，在所述合成图像上提取所述柱透镜映射的像素；
将所有柱透镜在所述合成图像上映射的像素填充到仿真图像中，以生成所述目标视点的仿真图像。
在一种可能的实现方式中，所述预设关系式为：
Figure BDA0003589470190000041
其中，m表示柱透镜的序号；DL为目标视点到二维显示屏左边缘的距离；g为光栅与二维显示屏的间距；L为光栅与目标视点的距离；p表示光栅中相邻柱透镜的间距。
在一种可能的实现方式中，所述图像仿真模块，具体用于：
按照所述位置x，在所述合成图像上采用加权法提取所述柱透镜映射的像素。
在一种可能的实现方式中，所述计算模块，具体用于：
基于结构相似性算法SSIM计算所述视差图像和所述仿真图像的相似度。
本申请第三方面提供一种电子设备，包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器运行所述计算机程序时执行以实现本申请第一方面所述的方法。
本申请第四方面提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机可读指令，所述计算机可读指令可被处理器执行以实现本申请第一方面所述的方法。
本申请的有益效果如下：
本申请提供的水平视差三维光场显示系统的参数确定方法、装置、设备及存储介质，接收用于仿真设计的显示系统参数；根据所述显示系统参数将二维显示屏和光栅的数学模型组合建立水平视差三维光场的显示系统模型；确定所述显示系统模型的目标视点，并获取在所述目标视点拍摄的视差图像；根据所述视差图像生成在所述二维显示屏上显示的合成图像；根据所述合成图像生成所述目标视点的仿真图像，所述仿真图像是将在所述目标视点接收的光线通过所述光栅回追到所述二维显示屏获得的；计算所述视差图像和所述仿真图像的相似度；根据所述相似度得到所述显示系统参数对应的显示质量分值。相较于现有技术，通过本申请可以实时准确地获得显示系统参数对应的水平视差三维光场显示系统的显示质量分值，可以帮助分析水平视差三维光场显示系统中各参数与显示质量的关系，从而在显示系统投入生产之前优化显示系统参数，提高显示质量。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选事实方案的目的，而并不认为是对本申请的限制。而且在整个附图中，用同样的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1是本申请提供的一种水平视差三维光场显示系统的参数确定方法的流程图；
图2是本申请提供的一种一种基于柱透镜光栅的裸眼3D显示系统示意图；
图3是本申请提供的单柱面透镜控光原理图；
图4是本申请提供的人眼向二维显示屏反向追踪示意图；
图5是本申请提供的步骤S105的流程图；
图6是本申请提供的水平视差三维光场显示仿真方法原理图；
图7是本申请提供的通过加权法获取目标像素的过程；
图8是本申请提供的一种水平视差三维光场显示系统的参数确定装置的示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
为了便于理解，首先对本申请中涉及的一些技术名词介绍如下：
视差图像：模拟人眼立体视觉过程，采用立体相机拍摄同一场景所获得的两幅或多幅稍有差异的图像称为视差图像。
合成图像：将视差图像的子像素按照透镜阵列的光学结构，以一定规律排列生成的图像称为合成图像。
视区：透镜阵列的折射作用使得来源于不同视差图像的光线向不同方向传播，在空间中形成的视差图像观看区域，简称视区。
视点：视差图像在空间中形成的可正确观看的位置。
本申请实施例提供一种水平视差三维光场显示系统的参数确定方法、装置、电子设备及存储介质，下面结合附图进行说明。
请参考图1，其示出了本申请所提供的一种水平视差三维光场显示系统的参数确定方法的流程图，如图1所示，所述方法可以包括以下步骤：
S101、接收用于仿真设计的显示系统参数；
本申请的水平视差三维光场显示系统包括二维显示屏和光栅，二维显示屏可以为二维平面显示器，例如液晶显示器，用于显示由视差图像合成的合成图像。光栅可以为狭缝光栅、柱透镜光栅等。
二维显示屏上的像素发出的光线被光栅在特定角度范围内遮挡，只允许在特定小角度范围内出射到空间中形成视点。如图2所示为一种基于柱透镜光栅的裸眼3D显示系统示意图。
上述显示系统参数可以包括显示系统各种参数中的任意一项或几项。例如，在显示系统中其它参数确定的情况下，上述显示系统参数可以为光栅中透镜单元的尺寸和排布方式，这样可以确定光栅中透镜单元的尺寸和排布方式对系统显示质量的影响。
S102、根据所述显示系统参数将二维显示屏和光栅的数学模型组合建立水平视差三维光场的显示系统模型；
本申请中预先设置有二维显示屏和光栅的数学模型，可以根据显示系统参数改变数学模型中的参数，从而得到需要的二维显示屏和光栅，进而组合建立水平视差三维光场的显示系统模型。上述数学模型可以采用现有技术获得，本申请在此不做赘述。
如图2所示，柱透镜光栅放置在二维显示屏的前方。二维显示屏上的像素相对于柱透镜光栅中的柱透镜光轴具有不同的相对位置，所以不同的像素所发出的光线通过柱透镜光栅后以不同的方向出射，也就是说柱透镜光栅对二维显示屏上的像素进行了空间信息的调制。
如图3所示为单柱面透镜控光原理图，具体原理在此不再赘述。通过柱透镜光栅调制后的光线在空间中汇聚，可以形成若干视点。观察者在特定的观看距离上，左眼和右眼可以观察到物像不同的侧面信息，从而形成立体感。
S103、确定所述显示系统模型的目标视点，并获取在所述目标视点拍摄的视差图像；
为了便于后续比对，首先确定一个视差图像的拍摄位置作为目标视点，如图2所示，可以选择视点1至4中的任意视点作为目标视点。
视差图像的获取可以通过虚拟相机在目标视点拍摄获得。
S104、根据所述视差图像生成在所述二维显示屏上显示的合成图像；
具体的，根据视差图像生成合成图像的过程采用现有技术，本申请在此不再赘述。
S105、根据所述合成图像生成所述目标视点的仿真图像，所述仿真图像是将在所述目标视点接收的光线通过所述光栅回追到所述二维显示屏获得的；
具体的，如图2所示，理想情况下，反向追踪人眼接收的光线，通过柱透镜回追到二维显示屏上是一列与光轴中心平行的像素。在图4中可以看出，根据三角形相似原理，观看距离确定，人眼通过任意柱透镜单元看到子图像单元的像素位置也随之确定。某一观看位置观看时每块柱透镜单元下回追到二维显示屏的位置已知，仿真图像中的像素就可以一一映射到合成图像中。
如图4所示，柱透镜阵列共有3个柱透镜单元，其中，A点代表透镜光心，Wp代表子像素宽度，T代表视点间距，p代表光栅中相邻柱透镜的间距。光栅到二维显示屏的间距为g，视点到光栅的距离为L。根据几何关系，某一视点通过任意透镜单元回追到显示屏的位置也可以确定。假设人的观看位置(目标视点)到二维显示屏左边缘的距离为DL，m表示柱透镜的序号，透过第m个柱透镜在二维显示屏上看到的像素位置到二维显示屏左边缘的距离为：
Figure BDA0003589470190000071
因此，如图5所示，步骤S105可以实现为：
S201、针对所述光栅中的单个柱透镜，根据预设关系式确定所述柱透镜在所述合成图像上映射像素的位置x；
S202、按照所述位置x，在所述合成图像上提取所述柱透镜映射的像素；
S203、将所有柱透镜在所述合成图像上映射的像素填充到仿真图像中，以生成所述目标视点的仿真图像。
所述预设关系式为：
Figure BDA0003589470190000081
其中，m表示柱透镜的序号；DL为目标视点到二维显示屏左边缘的距离；g为光栅与二维显示屏的间距；L为光栅与目标视点的距离；p表示光栅中相邻柱透镜的间距。
已知在目标视点通过不同的柱透镜单元应取的像素位置，就可以将合成图像中对应的像素一一填充到仿真图像中。图6是水平视差三维光场显示仿真方法原理图，如图6所示，将合成图像中虚线穿过的上下三行子像素填到仿真图像中一个像素的位置，将虚线穿过其上边缘的子像素填到仿真图像的对应位置，例如图中合成图像白框框取的子像素为参与填充仿真图像的子像素。
在实际应用中，因为光栅可能存在倾斜角，所以人眼通过透镜回追的光线会落在相邻两个子像素上，也就是这两个子像素会同时提供人眼看到的图像信息内容。为了使仿真结果更精确，实际提取仿真图像可以采用加权的计算方式，减少取填像素过程中的误差。
因此，步骤S202可以包括：按照所述位置x，在所述合成图像上采用加权法提取所述柱透镜映射的像素。
图7所示为通过加权法获取目标像素的过程，如图7中，以图中蓝色子像素B为例，虚线一共穿过了两个蓝色子像素B，分别由白色和黑色线段穿过，将这两个蓝色子像素B的灰度值按照白色和黑色线段的长度比例进行加权得到了仿真图像中蓝色子像素B的灰度值。然后将人眼看到的所有子像素都以这种方式进行了加权，再一一对应填充到仿真图像中，得到了最终的仿真图像。
S106、计算所述视差图像和所述仿真图像的相似度；
具体的，可以基于结构相似性算法(SSIM，Structural similarity index)计算所述视差图像和所述仿真图像的相似度，相似度越高说明水平视差三维光场显示系统的显示质量越高，例如相似度大于0.9，则认为显示质量良好。
由于显示系统的每个视点对应的最大相似度可能不同，因此在实际应用中，也可以根据不同视点对应的相似度确定显示系统的视角。
S107、根据所述相似度得到所述显示系统参数对应的显示质量分值。
本申请中，预设了目标视点对应的显示质量分值与视差图像和仿真图像的相似度的对应关系，例如相似度在0.8和0.9之间，显示质量分值为80分，相似度在大于0.9，显示质量分值为90分。
本申请中，当得到显示系统参数对应的显示质量小于90分时，则认为系统显示质量不高，调整显示系统参数后继续计算调整后的显示质量分值，直至质量分值为90分停止，最终确定出水平视差三维光场显示系统的参数。
相较于现有技术，通过本申请可以实时准确地获得显示系统参数对应的水平视差三维光场显示系统的显示质量分值，可以帮助分析水平视差三维光场显示系统中各参数与显示质量的关系，从而在显示系统投入生产之前优化显示系统参数，提高显示质量。
在上述的实施例中，提供了一种水平视差三维光场显示系统的参数确定方法，与之相对应的，本申请还提供一种水平视差三维光场显示系统的参数确定装置。
如图8所示，本申请提供的一种水平视差三维光场显示系统的参数确定装置10，包括：
接收模块101，用于接收用于仿真设计的显示系统参数；
模型建立模块102，用于根据所述显示系统参数将二维显示屏和光栅的数学模型组合建立水平视差三维光场的显示系统模型；
图像仿真模块103，用于确定所述显示系统模型的目标视点，并获取在所述目标视点拍摄的视差图像；根据所述视差图像生成在所述二维显示屏上显示的合成图像；根据所述合成图像生成所述目标视点的仿真图像，所述仿真图像是将在所述目标视点接收的光线通过所述光栅回追到所述二维显示屏获得的；
计算模块104，用于计算所述视差图像和所述仿真图像的相似度；根据所述相似度得到所述显示系统参数对应的显示质量分值。
在一种可能的实现方式中，所述图像仿真模块103，具体用于：
针对所述光栅中的单个柱透镜，根据预设关系式确定所述柱透镜在所述合成图像上映射像素的位置x；
按照所述位置x，在所述合成图像上提取所述柱透镜映射的像素；
将所有柱透镜在所述合成图像上映射的像素填充到仿真图像中，以生成所述目标视点的仿真图像。
在一种可能的实现方式中，所述预设关系式为：
Figure BDA0003589470190000101
其中，m表示柱透镜的序号；DL为目标视点到二维显示屏左边缘的距离；g为光栅与二维显示屏的间距；L为光栅与目标视点的距离；p表示光栅中相邻柱透镜的间距。
在一种可能的实现方式中，所述图像仿真模块103，具体用于：
按照所述位置x，在所述合成图像上采用加权法提取所述柱透镜映射的像素。
在一种可能的实现方式中，所述计算模块104，具体用于：
基于结构相似性算法SSIM计算所述视差图像和所述仿真图像的相似度。
本申请实施例提供的水平视差三维光场显示系统的参数确定装置，与本申请前述实施例提供的水平视差三维光场显示系统的参数确定方法出于相同的发明构思，具有相同的有益效果。
本申请实施方式还提供一种与前述实施方式所提供的水平视差三维光场显示系统的参数确定方法对应的电子设备，该电子设备，包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器运行所述计算机程序时执行以实现上述水平视差三维光场显示系统的参数确定方法。所述电子设备可以是手机、笔记本电脑、平板电脑、台式机电脑等。
本申请实施方式还提供一种与前述实施方式所提供的水平视差三维光场显示系统的参数确定方法对应的计算机可读存储介质，例如光盘、U盘等，其上存储有计算机程序(即程序产品)，所述计算机程序在被处理器运行时，会执行前述任意实施方式所提供的水平视差三维光场显示系统的参数确定方法。
需要说明的是，所述计算机可读存储介质的例子还可以包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他光学、磁性存储介质，在此不再一一赘述。
以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请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申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种水平视差三维光场显示系统的参数确定方法，其特征在于，包括：
接收用于仿真设计的显示系统参数；
根据所述显示系统参数将二维显示屏和光栅的数学模型组合建立水平视差三维光场的显示系统模型；
确定所述显示系统模型的目标视点，并获取在所述目标视点拍摄的视差图像；
根据所述视差图像生成在所述二维显示屏上显示的合成图像；
根据所述合成图像生成所述目标视点的仿真图像，所述仿真图像是将在所述目标视点接收的光线通过所述光栅回追到所述二维显示屏获得的；
计算所述视差图像和所述仿真图像的相似度；
根据所述相似度得到所述显示系统参数对应的显示质量分值。
2.根据权利要求1所述的水平视差三维光场显示系统的参数确定方法，其特征在于，所述根据所述合成图像生成所述目标视点的仿真图像，包括：
针对所述光栅中的单个柱透镜，根据预设关系式确定所述柱透镜在所述合成图像上映射像素的位置x；
按照所述位置x，在所述合成图像上提取所述柱透镜映射的像素；
将所有柱透镜在所述合成图像上映射的像素填充到仿真图像中，以生成所述目标视点的仿真图像。
3.根据权利要求2所述的水平视差三维光场显示系统的参数确定方法，其特征在于，所述预设关系式为：
Figure FDA0003589470180000011
其中，m表示柱透镜的序号；DL为目标视点到二维显示屏左边缘的距离；g为光栅与二维显示屏的间距；L为光栅与目标视点的距离；p表示光栅中相邻柱透镜的间距。
4.根据权利要求2所述的水平视差三维光场显示系统的参数确定方法，其特征在于，所述按照所述位置x，在所述合成图像上提取所述柱透镜映射的像素，包括：
按照所述位置x，在所述合成图像上采用加权法提取所述柱透镜映射的像素。
5.根据权利要求1所述的水平视差三维光场显示系统的参数确定方法，其特征在于，所述计算所述视差图像和所述仿真图像的相似度，包括：
基于结构相似性算法SSIM计算所述视差图像和所述仿真图像的相似度。
6.一种水平视差三维光场显示系统的参数确定装置，其特征在于，包括：
接收模块，用于接收用于仿真设计的显示系统参数；
模型建立模块，用于根据所述显示系统参数将二维显示屏和光栅的数学模型组合建立水平视差三维光场的显示系统模型；
图像仿真模块，用于确定所述显示系统模型的目标视点，并获取在所述目标视点拍摄的视差图像；根据所述视差图像生成在所述二维显示屏上显示的合成图像；根据所述合成图像生成所述目标视点的仿真图像，所述仿真图像是将在所述目标视点接收的光线通过所述光栅回追到所述二维显示屏获得的；
计算模块，用于计算所述视差图像和所述仿真图像的相似度；根据所述相似度得到所述显示系统参数对应的显示质量分值。
7.根据权利要求6所述的水平视差三维光场显示系统的参数确定装置，其特征在于，所述图像仿真模块，具体用于：
针对所述光栅中的单个柱透镜，根据预设关系式确定所述柱透镜在所述合成图像上映射像素的位置x；
按照所述位置x，在所述合成图像上提取所述柱透镜映射的像素；
将所有柱透镜在所述合成图像上映射的像素填充到仿真图像中，以生成所述目标视点的仿真图像。
8.根据权利要求7所述的水平视差三维光场显示系统的参数确定装置，其特征在于，所述预设关系式为：
Figure FDA0003589470180000021
其中，m表示柱透镜的序号；DL为目标视点到二维显示屏左边缘的距离；g为光栅与二维显示屏的间距；L为光栅与目标视点的距离；p表示光栅中相邻柱透镜的间距。
9.一种电子设备，包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器运行所述计算机程序时执行以实现如权利要求1至5中任一项所述的方法。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其上存储有计算机可读指令，所述计算机可读指令可被处理器执行以实现如权利要求1至5中任一项所述的方法。
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