基于掩膜板陣列的消串?dāng)_集成成像3D 顯示方法

鄧 慧，呂國皎，楊 梅，賴?yán)蚱?/p>

（成都工業(yè)學(xué)院 電子工程學(xué)院，四川 成都611730）

1 引 言

集成成像技術(shù)自1908 年由法國物理學(xué)家G.Lippmann［1］首次提出，至今已有一百多年的發(fā)展歷史，他提出運(yùn)用微透鏡陣列記錄三維場景信息，根據(jù)光路可逆原理，在成像過程中利用相同的微透鏡陣列便可重建出具有全視差的完整空間3D 圖像，實(shí)現(xiàn)人們“更真實(shí)地還原所見世界”的目標(biāo)［2-3］。集成成像3D 顯示具有全視差、連續(xù)視點(diǎn)和無需輔助設(shè)備等優(yōu)點(diǎn)，從而受到各國研究人員的廣泛關(guān)注。但由于制作微透鏡陣列的材料缺乏以及制造工藝?yán)щy，研究中通常采用針孔陣列的小孔成像原理來代替微透鏡陣列成像［4-8］。針孔陣列設(shè)計(jì)靈活自由、精度高、成本低、易于實(shí)現(xiàn)。但成像過程中相鄰圖像元之間存在串?dāng)_現(xiàn)象，使得其立體觀看視區(qū)窄，成像效果不太理想，并且串?dāng)_的存在嚴(yán)重影響了立體觀看舒適度，需要進(jìn)一步考慮消除相鄰圖像元間的串?dāng)_對(duì)成像效果的影響。集成成像三維顯示中的視覺串?dāng)_現(xiàn)象是立體顯示技術(shù)研究中的一大主題，科研人員提出了許多消除集成成像串?dāng)_的方法，比如利用雙平凸透鏡陣列反射串?dāng)_光線［9］，利用傾斜的正交偏振片組成的狹縫光柵陣列消除串?dāng)_，以及利用金字塔針孔陣列消除成像串?dāng)_［10］等，但雙平凸透鏡陣列、傾斜偏振片陣列和金字塔針孔陣列的制作都較為困難，器件結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，無疑增加了制作成本。本文提出了一種利用掩膜板陣列阻擋相鄰圖像元間的視區(qū)串?dāng)_的方法，能有效阻擋相鄰視區(qū)的光線，同時(shí)不影響立體觀看視區(qū)范圍，且器件結(jié)構(gòu)簡單，易于制備。

2 集成成像3D 視角分析

集成成像3D 顯示器由普通2D 顯示面板和針孔陣列或微透鏡陣列精密耦合而成，顯示器上顯示微圖像陣列，微圖像陣列由許多圖像元在水平和垂直方向上排列而成，每個(gè)圖像元對(duì)應(yīng)一個(gè)針孔，圖像元節(jié)距與針孔節(jié)距相同，且兩者中心對(duì)齊［8］。在3D 顯示時(shí)，根據(jù)小孔成像的原理，圖像元像素光線通過其對(duì)應(yīng)的針孔成像在空間中，在針孔陣列的后方重建出三維圖像。

集成成像3D 顯示器觀看視區(qū)的分布如圖1所示。每個(gè)圖像元通過其正前方的針孔成像，微圖像陣列成像區(qū)的交匯區(qū)稱為立體觀看的主視區(qū)，如圖1（a）中藍(lán)色區(qū)域所示。觀看者位于主視區(qū)某視點(diǎn)時(shí)透過每個(gè)針孔接收到其對(duì)應(yīng)圖像元上的像素信息，形成3D 場景在該視點(diǎn)處的視點(diǎn)圖像，如圖1（b）所示。微圖像陣列觀看視區(qū)的非交匯區(qū)域稱為串?dāng)_區(qū)，如圖1（a）中的灰色區(qū)域所示，觀看者觀察到的圖像一部分來自對(duì)應(yīng)圖像元上的像素信息，而另一部分則是其相鄰圖像元上的像素信息，稱為串?dāng)_圖像，如圖1（c）所示［11］。

圖1 （a）集成成像3D 顯示觀看視區(qū)分布；（b）主視區(qū)重建的正確3D 圖像；（c）串?dāng)_區(qū)重建的串?dāng)_圖像。Fig.1 （a）Integrated imaging 3D display viewing area distribution；（b）Correct 3D image reconstructed in main viewing area；（c）Crosstalk image reconstructed in crosstalk area.

然而，當(dāng)每個(gè)圖像元都分別通過其相鄰的第一個(gè)針孔成像時(shí)，在觀看區(qū)交匯處形成一階視區(qū)，對(duì)稱分布在主視區(qū)左右兩側(cè)，如圖1（a）中綠色區(qū)域所示。同理，當(dāng)每個(gè)圖像元都分別通過其相鄰的第i個(gè)針孔成像時(shí)，在觀看區(qū)交匯處形成i階視區(qū)對(duì)稱分布在主視區(qū)兩側(cè)，每個(gè)視區(qū)都包括立體視區(qū)和串?dāng)_區(qū)［12］。隨著圖像元數(shù)量的增加，主視區(qū)寬度將急劇減小，而串?dāng)_區(qū)則隨之增大［13］。以水平方向?yàn)槔?，圖像元個(gè)數(shù)為M，其主視區(qū)寬度D3D可表示為：

其中，L為觀看距離，g為顯示面板與針孔陣列間距，p為圖像元節(jié)距。該集成成像3D 顯示器在水平方向上主視區(qū)的3D 觀看視角為：

在主視區(qū)左、右兩邊的串?dāng)_區(qū)寬度Df0為：

Df0=(M-1)p. （3）

3 串?dāng)_減小方法

由于圖像元通過相鄰的針孔成像，產(chǎn)生了較大的串?dāng)_，嚴(yán)重影響了3D 觀看效果。常用的消除相鄰圖像元串?dāng)_光線的方法如圖2 所示，在顯示屏與針孔陣列間加入垂直柵欄陣列［14］，阻隔了相鄰圖像元的光線信息，使得每個(gè)圖像元的像素光線都被限制在其對(duì)應(yīng)的針孔單元內(nèi)成像，從而避免了串?dāng)_的產(chǎn)生。但垂直柵欄陣列制作較為復(fù)雜，且較厚的柵欄壁會(huì)引起圖像元有效信息的遮蓋，較薄的柵欄壁則難以支撐，導(dǎo)致實(shí)際應(yīng)用困難。

圖2 常用的垂直柵欄消除串?dāng)_的方法Fig.2 Common method of eliminating crosstalk by vertical fence

本文提出一種基于掩膜板陣列的消串?dāng)_集成成像3D 顯示方法，其結(jié)構(gòu)如圖3 所示，主要由2D 顯示面板、掩膜板陣列和針孔陣列組成，顯示面板用于顯示微圖像陣列，針孔陣列用于光線調(diào)控，實(shí)現(xiàn)集成成像3D 顯示，掩膜板陣列位于顯示面板與針孔陣列之間，用于阻擋圖像元的像素光線向左右相鄰的針孔透射，從而消除相鄰圖像元間的串?dāng)_光線，同時(shí)不影響立體觀看視區(qū)范圍。掩膜板陣列的參數(shù)設(shè)計(jì)如圖4（a）所示，為了阻擋圖像元A 的像素光線通過其右側(cè)相鄰的針孔B成像，以及阻擋圖像元B 的像素光線通過其左側(cè)相鄰的針孔A 成像，掩膜板陣列的擋光部分應(yīng)位于兩束光線的交匯處，恰好滿足既能阻擋全部相鄰視區(qū)的光線又不影響主視區(qū)的成像光線，掩膜板陣列如圖4（b）所示。

圖3 基于掩膜板陣列的消串?dāng)_集成成像3D 顯示器Fig.3 Crosstalk-free integrated imaging 3D display based on a mask array

圖4 （a）掩膜板陣列對(duì)相鄰圖像元光線的遮擋；（b）掩膜板陣列示意圖。Fig.4 （a）Blocking of light from adjacent elements image by mask array；（b）Schematic diagram of mask array.

根據(jù)圖中的幾何關(guān)系可得，掩膜板陣列與針孔陣列的間距d應(yīng)為：

d=g/2.（4）

掩膜板陣列的擋光寬度mb和透光寬度mw應(yīng)為：

mb=mw=p/2.（5）

由于掩膜板陣列的制備與針孔陣列相同，結(jié)構(gòu)極為簡單，成本低廉，相比于前述方案，利用掩膜板設(shè)計(jì)的集成成像顯示器在結(jié)構(gòu)上更加簡單優(yōu)化，且易于實(shí)現(xiàn)。

4 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證上述理論，實(shí)驗(yàn)中我們?cè)O(shè)計(jì)縱橫相交的黑色擋光條打印在透明的膠片上，如圖4（b）所示，并將打印好的膠片與高透光率的亞克力板材料緊密貼合制備掩膜板，用同樣的方式制備針孔陣列，配合高分辨率顯示面板（小米R(shí)edmi 系列35.8 cm（14.1 in）顯示屏）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試。實(shí)驗(yàn)過程中采用3ds Max 軟件建立立體模型，并利用虛擬相機(jī)陣列拍攝不同視角的子圖像，經(jīng)MATLAB 軟件合成得到待顯示的3D 片源［15］，建立的三維模型如圖5（a）所示，合成的微圖像陣列如圖5（b）所示。測試中我們?cè)O(shè)置了兩組實(shí)驗(yàn)對(duì)照組，一組設(shè)置了參數(shù)符合上述理論分析要求的掩膜板，并配合針孔陣列和顯示面板實(shí)現(xiàn)消串?dāng)_集成成像顯示方案；一組設(shè)置相同參數(shù)不加掩膜板的常規(guī)集成成像顯示方案，實(shí)驗(yàn)中的各項(xiàng)參數(shù)如表1 所示。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試，將兩組顯示方案實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比如圖6 和圖7 所示。

圖5 （a）3ds max 軟件建立的三維模型；（b）生成的微圖像陣列。Fig.5 （a）3D model in 3ds max software；（b）Generated EIA.

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)Tab. 1 Experimental parameters

圖6 不加掩膜板的3D 顯示效果。（a）左20°串?dāng)_圖圖像；（b）左18°串?dāng)_圖像；（c）左14° 3D 圖像；（d）中心0° 3D 圖像；（e）右14°3D 圖像；（f）右18°串?dāng)_圖像；（g）右20°串?dāng)_圖像。Fig.6 3D display results without mask array.（a）Left 20° crosstalk image；（b）Left 18° crosstalk image；（c）Left 14° 3D image；（d）Center 0° 3D image；（e）Right 14° 3D image；（f）Right 18° crosstalk image；（g）Right 20° crosstalk image.

圖7 加掩膜板的3D 顯示效果。（a）左20°全遮擋圖像；（b）左18°串?dāng)_圖像；（c）左14° 3D 圖像；（d）中心0°視區(qū)圖像；（e）右14°3D 圖像；（f）右18°串?dāng)_圖像；（g）右20°全遮擋圖像。Fig.7 3D display result with mask array.（a）Left 20° fully blocked image；（b）Left 18° crosstalk image；（c）Left 14° 3D image；（d）Central 0° 3D image；（e）Right 14° 3D image；（f）Right 18° crosstalk image；（g）Right 20° fully blocked image.

兩組實(shí)驗(yàn)中從左14°到右14°范圍內(nèi)都能顯示正確的不同角度的3D 圖像，如圖6（c）～6（e）和圖7（c）～7（e）所示，說明其立體觀看視區(qū)并無影響。而在左右18°和20°兩個(gè)方向分別觀察時(shí)，不加掩膜板的顯示裝置存在明顯的串?dāng)_圖像，如圖6（a）、6（b）、6（f）和6（g）中箭頭所指處存在明顯視覺串?dāng)_；而加掩膜板的顯示裝置隨著視角增大串?dāng)_逐漸被阻擋，直至串?dāng)_圖像全部消失，如圖7（a）、7（b）、7（f）和7（g）所示，說明增加掩膜板的顯示方案能有效減小串?dāng)_圖像的產(chǎn)生。

通過圖6 和圖7 的3D 顯示實(shí)驗(yàn)效果可知，增加的掩膜板能有效減小集成成像中相鄰圖像元串?dāng)_對(duì)觀看效果的影響，同時(shí)不影響立體觀看視區(qū)范圍，但增加掩膜板后顯示圖像的清晰度有所下降，這一方面是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)過程中的人為誤差，掩膜板與針孔陣列、圖像元在裝配過程中沒有完全的中心對(duì)齊，導(dǎo)致臨界處有少量正確光線被遮擋，降低了顯示圖像的亮度；另一方面，由于實(shí)驗(yàn)拍攝時(shí)，環(huán)境光的影響，導(dǎo)致不同角度拍攝的圖像亮度不均勻，導(dǎo)致圖7 的清晰度有下降。這些問題可以在具體制作過程中通過提高安裝精度等得到緩解。

5 總 結(jié)

本文介紹了集成成像3D 顯示中的視區(qū)分布關(guān)系，分析了主視區(qū)寬度和觀看視角的影響參數(shù)，提出了一種基于掩膜板陣列的集成成像3D顯示方案，能有效消除圖像元通過相鄰針孔成像時(shí)的視區(qū)串?dāng)_，詳細(xì)闡述了該方案的設(shè)計(jì)原理和結(jié)構(gòu)，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該顯示方案能有效減小立體顯示過程中的串?dāng)_現(xiàn)象。且該方案結(jié)構(gòu)簡單，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，易于實(shí)現(xiàn)。雖然由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備的限制，僅采用針孔陣列進(jìn)行3D 圖像的再現(xiàn)，但本文所提的方法仍然適用于透鏡陣列集成成像顯示。