技术领域
[0001] 本
发明属于真三维显示领域，尤其涉及一种可供多人同时观看的裸眼三维显示系统和方法。
背景技术
[0002] 现实世界是一个三维的空间，人类通过双眼能够
感知现实世界中三维信息。如图1所示，这些三维信息主要包括：1)双目
视差、2)移动视差、3)人眼主动调节。双目视差是由于人眼在
水平方向的
位置不同，从而左右眼看到的图像也不同；左右眼的不同图像在大脑中合成以后可以感知出物体的远近，越远的物体视差越小，越近的物体视差越大。移动视差是由于人眼与物体的相对位置改变以后能够看到物体的不同侧面，从而能够感知三维物体。人眼的主动调节是基于人眼在观看远近不同的物体时清晰程度不同，人眼会主动调节睫状肌从而改变晶状体
曲率使物体尽可能在
视网膜上清晰的成像，睫状肌松弛程度的不同可以间接暗示物体的远近距离。然而传统的平面显示器并不能提供上述三种三维信息中的任何一种；传统的平面显示设备只能通过光照、纹理、阴影等心理暗示的方法为观看者提供三维的感觉，而并不能提供物理意义上的三维信息。
[0003] 真三维显示技术是一种与传统平面显示技术完全不同的显示方法，它可以在不佩戴任何特殊设备的情况下使人眼能够感知上述三种三维信息中的一种或多种。真三维技术在最近十年取得了长足的发展，并逐步走向市场化。目前真三显示技术主要包括三大类：1)体三维显示、2)全息三维显示、3)集成光栅显示。体三维显示由于体积庞大、系统复杂、呈像
质量不高等缺点而逐步被淘汰；全息三维显示目前还无法达到实时动态显示，而且对观看环境要求较高，从而也没有被普遍接受；集成光栅显示成本低廉，可以在传统
液晶面板显示器上加以改进实现；目前市面中的裸眼三维显示设备主要是基于这种技术。但是集成光栅显示也有其严重的
缺陷：1)图像
分辨率损失严重、2)视点固定、3)眩晕程度明显、4)缺少垂直视差、5)无法满足多人同时观看、6)提供的三维信息有限。
[0004] 随着真三维显示技术的发展，亟需一种既能提供全部三种三维信息又不损失分辨率而且能满足多人视点裸眼观看的三维显示技术。但当前现有的显示方法都不能同时满足上述要求。
发明内容
[0005] 为了克服上述缺陷，本发明的目的是提出一种低廉且易实现的裸眼三维显示系统和方法，避免图像分辨率的损失，允许多人同时获得最佳视点，并提供上述全部三种三维信息。
[0006] 为了实现上述目的，根据本发明的第一方面，提供一种多人观看的自由视点真三维显示系统，包括方向性
背光板、多层液晶面板、人眼
跟踪模
块、第一偏振膜、第二偏振膜、计算机和多输出端口显卡，其中：
[0007] 多层液晶面板中的第1层液晶面板靠近背光板、第N层液晶面板靠近观看者，其中n＝1，2，3...N为第n层液晶面板层数的序号，n≤N；每层液晶面板都与背光板平行放置，且每层液晶面板的
正面都面向观看者；第一偏振膜与第二偏振膜的偏振极性方向相互垂直；在第1层液晶面板的背面紧密贴置第一偏振膜，用于将背光转变为极性偏振光；在第N层液晶面板的正面紧密贴置第二偏振膜，用于阻偏由第1层液晶面板传来的偏振光；第一偏振膜、第二偏振膜与N层液晶面板共同形成空间光
调制器，用于对背光板发出的光线进行调制，调制后多层液晶面板组合产生光线，该光线与人眼连线的光线形成了一个以人眼为
顶点的四棱锥光纤束；每只眼睛接收不同的四棱锥光
线束，用于保证每个人的双眼都接收不同的图像，从而使人眼感受到三维画面；
[0008] 人眼跟踪模块放置于第N层液晶面板的上方，并保持人眼跟踪模块与第N层液晶固定连接；人眼跟踪模块实时跟踪位于多层液晶面板前的所有观看者脸部，并实时计算出每个观看者左右眼的空间三维坐标；
[0009] 计算机与人眼跟踪模块连接，接收所有观看者左右眼的空间三维坐标，并为每个观看者
渲染出对应视点下的双目图像；将渲染的双目图像反投影到每层液晶面板，分解得到每层图像；
[0010] 多输出端口显卡与计算机连接，接收分解得到的每层图像并传输到每层液晶面板上。
[0011] 为了实现上述目的，根据本发明的第二方面，提供一种供多人观看的自由视点真三维显示方法，该方法包括以下步骤：
[0012] 步骤S1：确定液晶面板层数，构建多人观看的自由视点真三维显示系统，将所述系统的多层液晶面板前的观看区分成多个显示区，显示区的个数由液晶的最大刷新率来决定；
[0013] 步骤S2：启动人眼跟踪模块，获取位于多层液晶面板前所有观看者的左右眼空间三维坐标，并根据观看者人眼与多层液晶面板的相对位置将所有观看者划分到对应的显示区；
[0014] 步骤S3：根据观看者的左右眼空间三维坐标，通过计算机为每个观看者渲染出对应视点的双目图像；
[0015] 步骤S4：将渲染双目图像反投影到每层液晶面板上，并记录渲染双目图像上每个
像素的反投影线与每层液晶面板的相交像素的下标；
[0016] 步骤S5：对于步骤S1中的某一个显示区，通过相交像素的下标，将该显示区内的所有渲染双目图像分解到每层液晶面板上，通过计算机为每层液晶面板计算出一幅图像，并依次完成每个显示区内双目图像的分解；
[0017] 步骤S6：通过具有多端口输出显卡同时驱动每层液晶面板，将某一个显示区分解后的图像同时显示到对应的液晶面板上；判断是否完成所有显示区双目图像的显示，若未完成所有显示区双目图像的显示，则显示下一个显示区的双目图像，若已完成所有显示区双目图像的显示，则进入步骤S7；
[0018] 步骤S7：判断系统是否退出，如果系统没有退出，根据更新后的人眼空间三维坐标重复步骤S2至步骤S6，显示新视点的三维图像，如果系统退出，则显示结束。
[0019] 本发明的有益效果：本发明真三维显示系统根据人眼的位置分别为每个观看者的左右眼调制出不同的图像，从而位于不同位置的观看者会看到物体的不同侧面，这保证了观看者能够获得正确的移动视差。同时观看者左眼和右眼获得的图像也不一样，这为观看者提供了双目立体视差。当观看者与显示系统远近距离发生改变时，光线会以不同的
角度进入人眼，使得人眼睫状肌的松弛程度处在正确的主动调节状态。因此本设计为观看者同时提供了双目立体视差、移动视差和人眼主动调节感知，并且能够满足多个观看者同时裸眼观看三维图像。
[0020] 方向性背光板能够在一定角度范围内发出不同方向的光束；在实际的系统运行中，多层液晶面板前方被分成多个显示区；方向性背光板能够依次向每个显示区发出方向性光束，当该显示区的背光亮起时，N层液晶面板会投射出该区内的双目图像。显示区的数量越多，要求液晶面板的刷新率也越高；考虑到目前市面上液晶面板普遍可以达到144Hz，一般分成4个显示区，这可以保证三维图像以大于30fps的刷新率实时显示；本发明中提出的这种分区显示的方法对于满足不同位置的多个观看者同时观看至关重要，因为多个观看者的空间位置可能会相距较远，例如图6中示出的观看者061和观看者069；如果同时将空间位置相距较远的多个观看者对应的双目图像同时进行分解，会导致分解图像质量降低，最终使得所有观看者看到的三维图像质量都降低。
[0021] 液晶面板的层数需要综合考虑三维显示质量，观看人数和系统功率来确定。液晶面板的层数越多，调制生成的三维图像质量越好，但由于光线透过多层液晶面板
亮度损失增大，这时需要更大功率的背光。液晶面板层数越少光线亮度损失越少，显示亮度越高，但是调制
自由度降低，三维图像质量降低。所需液晶面板的层数可以根据观看者的数量来确定，当应用在观看者数量较多的场合时需要较多的液晶面板层，当应用在观看者数量较少的场合需要的液晶面板层数较少。在应用于手机、平板、以及个人电脑等仅供1-2人观看时，只需要2层液晶面板即可为每个观看者都提供良好的裸眼三维观看效果。在应用于家庭电视、广告机等有3人以上观看的场合时，需要3-4层液晶面板，同时背光的功率需要适当提高。
[0022] 人眼跟踪模块不仅要跟踪观看者的人脸，而且要计算出每个观看者左右眼的空间三维坐标。目前可以采用立体相机技术，或者微软公司的Kinect等都可以实现人眼位置
定位。人眼跟踪模块实时获取人眼空间三维坐标(大于24fps)，并将人眼位置数据实时送到三维显示系统用于为每个观看者渲染对应视点的双目图像。
[0023] 本发明解决了传统集成柱面棱镜式或者狭缝光栅式裸眼三维显示只能提供有限的几个固定视点，观看者只能在固定视点获得最佳的三维图像的局限；所述显示区内所有观看者对应视点的双目图像进行分解，这有效地避免了因多个观看者视点分布跨度过大而导致的三维显示图像质量下降；多层液晶面板前方允许多个观看者同时以裸眼方式观看三维图像，同时每个单独的显示区内也允许多个观看者同时以裸眼方式观看三维图像；观看者双眼接收的三维画面并不是一层液晶面板直接显示出来的图像，而是由多层液晶面板(至少2层)对光线进行调制以后投射出来的画面；某层液晶面板上的任意一个像素都可以与其他层液晶面板上的任意一个像素连线，因此可以产生的总的光线数量是以液晶面板分辨率为基数，以液晶面板层数为幂次的几何增长；本发明一
实施例中采用3层液晶面板，3
液晶面板分辨率为1920*1080，因此可以产生的总光线数量为(1920*1080)。
附图说明
[0024] 图1为人眼感知三维世界的三种主要方式；
[0025] 图2为本发明的供多人观看的自由视点真三维显示系统设计示意图；
[0026] 图3为本发明中各个模块相互连接示意图；
[0028] 图5为本发明供多人同时观看的原理图；
[0029] 图6为本发明将所有观看者划分到对应显示区的示意图；
[0030] 图7为本发明将渲染的双目图像反向投影到各层液晶面板的示意图；
[0031] 图8为本发明将调制后的双目图像投射到对应观看者左右眼的示意图；
具体实施方式
[0032] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
[0033] 如图2和图3示出本发明供多人观看的自由视点真三维显示系统，主要由一个方向性背光板001，N层液晶面板021-02N，第一偏振膜031，第二偏振膜032，人眼跟踪模块004，计算机008和多端口输出显卡009组成；多层液晶面板021-02N前方的观察者编号为
06x，如图3中共有3个观看者分别编号为061-063；每个观看者对应视点的渲染图像编号为07x，如图3中观看者061-063对应的渲染图像编号为071-073，其中：
[0034] 多层液晶面板021-02N中的第1层液晶面板021靠近背光板001，第N层液晶面板02N靠近观看者，其中n＝1，2，3...N为第n层液晶面板层数的序号，n≤N；每层液晶面板
021-02N都与背光板001平行放置，且每层液晶面板021-02N的正面都面向观看者；第一偏振膜031与第二偏振膜032必须具有相反的偏振极性，也即偏振的极性方向相互垂直；在第
1层液晶面板021的背面紧密贴置第一偏振膜031，用于将背光转变为极性偏振光；在第N层液晶面板02N的正面紧密贴置第二偏振膜032，用于阻偏由第1层液晶面板021传来的偏振光；第一偏振膜031、第二偏振膜032与N层液晶面板021-02N共同形成空间光调制器，用于对背光板001发出的光线进行调制，调制后多层液晶面板021-02N组合产生光线，该光线与人眼连线的光线形成了一个以人眼为顶点的四棱锥光纤束；每只眼睛接收不同的四棱锥光线束，用于保证每个人的双眼都接收不同的图像，从而使人眼感受到三维画面；
[0035] 人眼跟踪模块004放置于第N层液晶面板02N的上方，并保持人眼跟踪模块004与第N层液晶02N固定连接；人眼跟踪模块004实时跟踪位于多层液晶面板021-02N前的所有观看者脸部，并实时计算出每个观看者左右眼的空间三维坐标；
[0036] 计算机008与人眼跟踪模块004连接，接收所有观看者左右眼的空间三维坐标，并渲染出对应视点下的双目图像，并将渲染的双目图像反投影到每层液晶面板021-02N，分解得到每层图像；
[0037] 多输出端口的显卡009与计算机008连接，接收分解得到的每层图像并传输到每层液晶面板021-02N上。
[0038] 其中，所述背光板001是具有方向性的背光板，并在设定角度范围内产生方向性光束；如图6所示，将多层液晶面板021-02N前方的观看区分成多个显示区051-054，背光板001依次轮流为不同显示区提供背光。
[0039] 其中，所述空间光调制器，能够对背光板001发出的光线进行调制，为多个观看者提供正确的光线束，使得多个观看者能够同时感知到双目视差和移动视差，并使观看者的眼睛处于正确的主动调节状态。光线从背光板001发出后每经过一层液晶面板021-02N就会受到一次调制，最后到达人眼。
[0040] 其中，所述人眼跟踪模块004，用于实时跟踪人脸，并且计算出人的左眼和右眼在空间中的空间三维坐标，当人眼位置改变时，实时渲染出每个观看者对应视点下的双目图像，确保所有观看者都能同时获得最佳的裸眼三维观看效果。
[0041] 如图5示出本发明提供多人同时观看的原理图，根据人的双眼相对于多层液晶面板021-023的偏移位置和远近距离，多层液晶面板为每一个观看者都调制出对应视点下的双目图像并将正确的光线束射到所有观看者的左右眼，使得人眼能够同时感知双目视差和移动视差，并主动调节睫状肌的松弛程度，从而使得多个观看者都能接收到正确的裸眼三维图像。
[0042] 如图4示出本发明运行流程图，本发明所述真三维显示产生方法包括以下步骤：
[0043] 步骤S1：根据应用场合确定液晶层数，按照如图2所示的系统示意图和设计描述，构建多人观看的自由视点真三维显示
硬件系统，将真三维显示系统的多层液晶面板021-02N前的观看区分成多个显示区，显示区的个数由液晶的最大刷新率来决定；
[0044] 所需多层液晶面板021-02N的层数由应用场合决定，并根据观看者数量来确定。对于供1-2人观看的手机、平板、个人电脑等显示应用场合，使用2层液晶面板即可保证所有观看者都能获得最佳的裸眼三维观看效果；在家庭电视、广告机等有3人及以上观看的应用场合，需要3-4层液晶面板，同时背
光亮度的功率需要相应提高。
[0045] 在本发明一实施例中，液晶面板层数为3层，液晶面板型号为华硕VG278，27英寸，分辨率为1920*1080，最高刷新率为144Hz；第一偏振膜031的偏振角度为45°和第二偏振膜032的偏振角度为-45°，第一偏振膜031紧贴于第1层液晶面板的背面，即靠近背光板001的一侧，第二偏振膜032紧贴于第3层液晶面板的前面，即供观看者直接观看的一侧。第一偏振膜031和第二偏振膜032的偏振方向相互垂直，并不要求按照图2所示排列成45°和-45°，只要保证第一偏振膜031和第二偏振膜032的偏振方向相互垂直即可；
[0046] 步骤S2：启动人眼跟踪模块004实时追踪位于多层液晶面板021-02N前的所有观看者的脸部，并通过分析人脸特征实时计算出每个观看者左右眼的空间三维坐标；并根据人眼位置的分布将观看者划分到多个显示区；
[0047] 人眼定位技术可以采用微软公司的kinect，也可以采用双目立体相机技术，在本发明一实施例中，采用kinect进行实时的人眼定位；方向性背光在一定角度范围内有效，最大的有效角度由背光板001上的柱面棱镜的曲率决定，在本发明一实施例中，如图6示出为本发明将所有观看者划分到对应显示区的示意图，方向性背光的最大有效角度为120°，并划分成4个显示区051-054，每个显示区为30°；根据人眼所在的位置，将观看者划分到对应的显示区；为了更加清楚地表明显示区如何划分，图6中4个显示区051-054之间有间隙，而实际的显示区之间没有间隙。
[0048] 步骤S3：根据每个观看者双眼的空间位置，通过计算机为每个观看者渲染出对应视点下的双目图像，本发明一实施例中使用的计算机008为Dell Optiplex 960，并在电脑上安装OpenGL
软件库。
[0049] 考虑到人眼位置的不同，会看到物体的不同侧面；同时与物体远近距离不同，看到物体的大小也不同；并且左右眼也应该接收到不同的图像；在本发明一实施例中，通过OpenGL渲染出不同位置下对应视点的双目图像07x，如图3中有三个观看者061-063，对应渲染出的图像为071-073；每对双目图像071-073包含左右两幅图像，分别对应人的左右眼；渲染出的双目图像分辨率应不高于步骤S1中选择的液晶面板分辨率。在本发明一实施例中，通过OpenGL渲染出的双目图像分辨率与液晶面板分辨率相同，为1920*1080。
[0050] 步骤S4：将双目图像反投影到各层液晶面板上，并记录下渲染双目图像上每个像素的每条反投影线与各层液晶面板相交像素的下标。
[0051] 在本发明一实施例中，每对双目图像07x中心的空间三维坐标与在步骤2中计算得出的对应观看者06x左右眼的空间三维坐标一致；如图7示出为本发明将3个观看者061-063对应的渲染双目图像071-073反向投影到各层液晶面板021-023的示意图，将双目图像中的每一个像素反投影到第1层液晶面板对应像素上，其反投影线会与其他液晶面板层相交；依此对每个观看者的双目图像进行逐像素反投影，并记录与各层液晶面板相交像素的下标；直到每个观看者的双目图像中的每个像素都完成上述反投影过程。
[0052] 步骤S5：对于某一个显示区051-054，通过相交像素的下标，将该显示区内的所有渲染双目图像分解到每层液晶面板021-023上，其中用于分解图像的变换矩阵由步骤S4中记录的相交像素的下标决定，通过计算机008为每层液晶面板计算出一幅图像，并依次将所有双目图像按照如下公式分解成N层液晶面板图像。
[0053]
[0054] 按照步骤S2中对显示区域进行分区，共分成M个显示区；其中，Li是位于第i个显示区内所有双目图像的集合；Bi是第i个显示区的背光亮度；W为权重矩阵，由步骤S4中反投影线与各层液晶面板相交像素的下标决定，如果反投影线与液晶面板上某像素相交，则权重矩阵W中对应的元素为1，否则为0；FiGiHi分别为第i个显示区分解后三层液晶面板的图像；w，bi，fi，gi，hi分别为矩阵W，Bi，Fi，Gi，Hi中的元素；“。”为向量的外积运算符；在本发明一实施例中，在每个显示区分别对该区内的所有双目图像进行分解，每个显示区都会计算得出三幅液晶面板图像。
[0055] 步骤S6：通过具有多端口输出显卡009同时驱动每层液晶面板021-023，将步骤S5中某一个显示区分解得到的液晶面板图像同时显示在对应的液晶面板上，判断是否完成所有显示区双目图像的显示，若未完成所有显示区双目图像的显示，则显示下一个每一个显示区的双目图像，若已完成所有显示区双目图像的显示，则进入步骤S7。
[0056] 在本发明一实施例中，多端口输出显卡009的型号为Nvidia Gerforce690，显卡009能同时为4个液晶面板传输图像；每个显示区都会同时显示步骤5中分解得到的三幅液晶面板图像；4个显示区依次轮流显示，每个显示区的刷新率为30fps，因此需要液晶面板的最高刷新率为120Hz；根据步骤1中选择的液晶面板，其最高刷新率为144Hz，因此液晶面板的刷新率满足要求。
[0057] 步骤S7：上述步骤S2至步骤S6完成了一
帧可供多人同时裸眼观看的真三维图像的显示。判断系统是否退出，如果系统没有退出，如果需要继续显示下帧三维图像，根据更新后的人眼空间三维坐标重复步骤S2至步骤S6；如果显示结束，则退出系统。
[0058] 其中，所述观看者位于多层液晶面板前设定显示区范围内的任意视点都能获得最佳的裸眼三维效果；对每个显示区内所有观看者对应视点的双目图像进行分解，用于有效地避免三维显示图像质量下降；多层液晶面板前方允许多个观看者061-069同时以裸眼方式观看三维图像，同时每个单独的显示区051-054内也允许多个观看者同时以裸眼方式观看三维图像。
[0059] 其中，同一时间只有一个显示区内的三维图像投射到该显示区内的所有观看者，依次投射每个显示区内的三维图像，直到所有显示区内的观看者都接收到了对应视点的三维图像。
[0060] 其中，观看者双眼接收的三维画面是由3层液晶面板021、022、023对光线进行调制以后投射出来的画面。
[0061] 其中，某层液晶面板上的任意一个像素都能与其他层液晶面板上的任意一个像素连线，因此产生的总的光线数量是以液晶面板分辨率为基数，以液晶面板层数为幂次的几何增长。
[0062] 图8示出本发明将调制后的双目图像投射到对应观看者左右眼的示意图，3层液晶面板021-023能够组合产生大量的光线，其中与人眼连线的光线形成了一个以人眼为顶点的四棱锥光纤束；每只眼睛接收不同的四棱锥光线束，这保证了每个人的双眼都接收了不同的图像，从而使人眼感受到三维画面。
[0063] 目前已经出现一些商业化的裸眼三维显示产品，主要是基于微柱透镜成像技术来实现，将微柱透镜阵列
覆盖在一层
液晶显示器上，使得液晶显示器向不同的方向发出不同的画面；但目前该技术存在下列明显的缺陷：1)图像分辨率损失严重、2)视点固定、3)眩晕程度明显、4)缺少垂直视差、5)无法满足多人在自由视点同时观看、6)不能提供图1中所示的全部三种三维信息。相对于之前的技术，本发明很好的弥补了上述不足；本发明采用多层液晶面板多次对背光板发出的光线进行调制，不会造成图像分辨率损失；本发明实时跟踪人眼位置，允许在任意视点观看；本发明会根据观看者与多层液晶面板的距离来渲染正确的视点图像，使得人眼的睫状肌处于正确的调节状态，避免了观看过程中的眩晕；当人眼相对于多层液晶面板左右移动和上下移动时，本发明都能提供不同的图像，为观看者了提供了水平视差和垂直视差；本发明为多个观看者的左右眼都投射出对应的锥形光线束，因此允许多人从任意视点同时观看；本发明同时为观看者提供了双目视差、移动视差，并使得人眼的睫状肌处于正确的调节状态。
[0064] 以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。
