基于狹縫光柵的一維集成成像雙視3D顯示

吳 非，于軍勝

(1.成都工業(yè)學(xué)院電子工程學(xué)院 成都 611730；2.電子科技大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院 成都 610054)

雙視顯示是近年來出現(xiàn)的一種新型顯示技術(shù)，它在一個顯示器上同時顯示兩個不同的畫面，在不同觀看方向上的觀看者只能看到其中一個畫面，從而實現(xiàn)在一個顯示器上同時滿足多個觀看者的不同需求[1]。最初的雙視顯示技術(shù)存在3個明顯的缺點：需要觀看者額外佩戴觀看濾鏡，影響觀看的舒適度；畫面的分辨率降低為原來的一半；顯示畫面為2D畫面，無法實現(xiàn)3D顯示。

國內(nèi)外研究人員提出了多種技術(shù)方案對現(xiàn)有的雙視顯示技術(shù)進行改進：采用狹縫光柵或者柱透鏡光柵替代觀看濾鏡實現(xiàn)裸眼雙視顯示；采用圖案電極實現(xiàn)全分辨率裸眼雙視顯示；采用時分復(fù)用技術(shù)實現(xiàn)全分辨率裸眼雙視顯示[2-5]。但是，基于以上方法的雙視顯示均為2D顯示。

文獻[6]首次提出集成成像。與其他3D顯示相比，如眼鏡式助視3D顯示、頭盔式助視3D顯示、光柵3D顯示、體3D顯示和全息3D顯示等，集成成像3D顯示具有全視差、連續(xù)視點、適合多人觀看、無需助視設(shè)備和相干光源、結(jié)構(gòu)簡單和成本低廉等優(yōu)點[7]。因此，集成成像3D顯示具有巨大的研究價值和廣泛的應(yīng)用前景，已經(jīng)成為眾多科研機構(gòu)和跨國公司的重點研究對象之一。

文獻[8]將集成成像3D顯示與雙視顯示技術(shù)結(jié)合，提出并實現(xiàn)集成成像雙視3D顯示，同時實現(xiàn)了雙視和裸眼3D顯示。在該成果的基礎(chǔ)上，文獻[9]提出并實現(xiàn)了基于偏振光柵的裸眼雙視3D顯示，文獻[10]提出并實現(xiàn)了投影型裸眼雙視3D顯示，文獻[11]提出并實現(xiàn)了基于正交偏振陣列的裸眼雙視3D顯示。

然而，上述集成成像雙視3D顯示仍然存在分辨率較低等缺點。一維集成成像3D顯示通過采用狹縫光柵來取代二維集成成像3D顯示中的微透鏡陣列，可以增加3D圖像的垂直或水平分辨率[12]。因此，本文提出一種基于狹縫光柵的一維集成成像雙視3D顯示。

1 原理與結(jié)構(gòu)

1.1 原 理

在傳統(tǒng)的一維集成成像3D顯示中，微圖像陣列中每一個圖像元經(jīng)過它所對應(yīng)的狹縫的成像區(qū)域都是一個大小相等的區(qū)域，如圖1所示。傳統(tǒng)的一維集成成像3D顯示的主視區(qū)是微圖像陣列中所有圖像元的成像區(qū)域的公共部分，觀看者能夠在主視區(qū)內(nèi)觀看到具有正確視差的完整的3D圖像。在主視區(qū)的兩側(cè)則是串擾區(qū)。

圖1 傳統(tǒng)的一維集成成像3D顯示視區(qū)分布圖

將微圖像陣列中每一個圖像元對應(yīng)于主視區(qū)的部分定義為顯示區(qū)，將微圖像陣列中每一個圖像元對應(yīng)于串擾區(qū)的部分定義為非顯示區(qū)，如圖2所示。如果2D顯示器只顯示微圖像陣列中顯示區(qū)的信息，同時不顯示微圖像陣列中非顯示區(qū)的信息，那么傳統(tǒng)的一維集成成像3D顯示的主視區(qū)不變，同時將會使得傳統(tǒng)的一維集成成像3D顯示中的串擾區(qū)變成了無圖像區(qū)。

圖2 非顯示區(qū)與無圖像區(qū)的對應(yīng)示意圖

將兩個參數(shù)相同的一維集成成像3D顯示的微圖像陣列的顯示區(qū)分別向左和向右移動一定距離，那么兩個一維集成成像3D顯示中的主視區(qū)和無圖像區(qū)則會分別向右和向左移動一定距離。如果第一個一維集成成像3D顯示的主視區(qū)剛好對應(yīng)第二個一維集成成像3D顯示的無圖像區(qū)，而且第二個一維集成成像3D顯示的主視區(qū)也剛好對應(yīng)第一個一維集成成像3D顯示的無圖像區(qū)，那么將兩個一維集成成像3D顯示的微圖像陣列的顯示區(qū)同時顯示在一個2D顯示器上則會形成兩個剛好不相交的主視區(qū)，如圖3所示。如果兩個一維集成成像3D顯示的微圖像陣列分別從兩個不同的3D場景獲取，那么觀看者在不同觀看方向上將會觀看到兩個不同的3D圖像。

圖3 一維集成成像雙視3D顯示原理和參數(shù)圖

1.2 結(jié)構(gòu)與參數(shù)

基于狹縫光柵的一維集成成像雙視3D顯示包括2D顯示器和狹縫光柵。狹縫光柵包含m個狹縫，狹縫的節(jié)距為p，圖像元的節(jié)距為d，最佳觀看距離為L。

圖像元的節(jié)距d可以通過下式計算得到：

根據(jù)圖3中的幾何關(guān)系，一維集成成像雙視3D顯示的3D視區(qū)I和3D視區(qū)II的寬度W為：

由于一維集成成像雙視3D顯示的3D視區(qū)I和3D視區(qū)II的寬度與傳統(tǒng)的一維集成成像3D顯示的主視區(qū)寬度相等，所以3D視區(qū)I和3D視區(qū)II的寬度W也可以用下式表達[12]：

根據(jù)式(2)和式(3)可以計算得到基于狹縫光柵的一維集成成像雙視3D顯示的最佳觀看距離L為：

由式(4)可以看出，基于狹縫光柵的一維集成成像雙視3D顯示的最佳觀看距離與狹縫的個數(shù)成正比。即基于狹縫光柵的一維集成成像雙視3D顯示的最佳觀看距離隨著圖像顯示設(shè)備的尺寸增大而增大。在最佳觀看距離L處，基于狹縫光柵的一維集成成像雙視3D顯示的每個視區(qū)的觀看視角為：

2 實驗驗證

2.1 實驗參數(shù)

圖4 兩個傳統(tǒng)一維集成成像3D顯示的微圖像陣列

實驗首先利用3D Studio Max建立兩個虛擬的3D場景，左邊的3D場景包括兩個字母“CS”，右邊的3D場景是兩個字母“SC”，兩個3D場景的左邊字母和右邊字母中心位置的X軸、Y軸和Z軸坐標分別為?10、+45、0 mm和+10、?40、0 mm。因此，3D場景左邊字母凸出顯示屏，右邊字母則凹進顯示屏。本文實驗采用像素映射的方法，利用Matlab軟件將3D Studio Max軟件獲得的每一個圖像元上的所有像素都分別映射，再合成得到兩個傳統(tǒng)一維集成成像3D顯示的微圖像陣列，如圖4所示。

利用Matlab軟件將兩個傳統(tǒng)的一維集成成像3D顯示的微圖像陣列中的顯示區(qū)提取出來，合成一維集成成像雙視3D顯示的微圖像陣列，如圖5所示。

圖5 一維集成成像雙視3D顯示的微圖像陣列

實驗建立了基于狹縫光柵的一維集成成像雙視3D顯示原型樣機，參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 一維集成成像雙視3D顯示原型樣機參數(shù)

2.2 實驗結(jié)果

圖6是從不同觀看角度觀測到的基于狹縫光柵的一維集成成像雙視3D顯示原型樣機重建的3D圖像。如圖6a和圖6b所示，首先在左18°方向可以觀察到正確顯示的兩個完整的字母“C”和“S”；然后從左2°方向觀察到同樣正確顯示的兩個完整的字母“C”和“S”，而且隨著觀看角度的變化，左邊的字母“C”和右邊的字母“S”的相對位置都發(fā)生改變，即基于狹縫光柵的一維集成成像雙視3D顯示原型樣機能夠正確地顯示3D圖像“CS”。如圖6c和圖6d所示，在右2°方向可以觀察到正確顯示的兩個完整的字母“S”和“C”；從右18°方向可以觀察到正確顯示的兩個完整的字母“S”和“C”，而且隨著觀看角度的變化，左邊的字母“S”和右邊的字母“C”的相對位置都發(fā)生改變，即基于狹縫光柵的一維集成成像雙視3D顯示原型樣機能夠正確的顯示3D圖像“SC”。綜上所述，觀看者在基于狹縫光柵的一維集成成像雙視3D顯示原型樣機的左和右兩個觀看方向上觀看到兩個不同的3D圖像。

圖6 一維集成成像雙視3D顯示原型樣機重建的3D圖像

3 結(jié)束語

本文實現(xiàn)了一種基于狹縫光柵的一維集成成像雙視3D顯示，它包括顯示微圖像陣列的2D顯示器和狹縫光柵。微圖像陣列由兩組圖像元相間排列組成，兩組圖像元分別從兩個不同的3D場景拍攝獲取。觀看者在左18°～左2°范圍內(nèi)觀看到3D場景“CS”，而在右2°～右18°范圍內(nèi)觀看到3D場景“SC”。該一維集成成像雙視3D顯示可以應(yīng)用于車載顯示屏、監(jiān)視器、家庭影院以及醫(yī)療設(shè)備等。

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