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一种基于曲面屏和视差光栅的显示系统

2021/5/12 8:55:01   来源:本站   作者:郭俊达   人气:397次

近日,应用光学国家重点实验室郭俊达提出了一种基于曲面屏和视差光栅的显示系统,并从理论上详细研究了该显示系统的显示原理和特点。它可以在不戴任何眼镜的情况下提供360°的水平视场立体图像,以获取沉浸式的自由立体效果。仿真和实验结果表明,该显示系统在观察区域内可获得无串扰的显示效果。本研究为自由立体显示技术的改进和虚拟现实技术的应用提供了一些新的思路。

1. 研究背景

目前,虚拟现实技术以其想象性、沉浸性和交互性等特点引起了人们的广泛关注。为了建立一个虚拟场景,让人们感觉就像在现实世界中一样,虚拟现实显示器需要提供沉浸感的立体图像。以往关于虚拟现实显示的报道主要是头戴显示器(HMD)和曲面投影屏。对于头戴显示器,显示面板放置在离眼睛很近的地方,通过从不同的光路向每个眼睛发送立体图像来产生沉浸式的立体效果,但头戴显示器的主要问题在于辐辏-调节冲突比普通立体显示器更严重。而对于曲面投影屏,通常使用成对的多个投影仪,以照亮整个圆柱形屏幕,并使用偏振滤光片来分离左右眼通道,当人们站在圆柱屏内侧时,戴上偏光镜就可以获得沉浸式立体图像。但是,由于投影光的入射角较大,会在屏幕的顶部或底部出现去极化效果,因此会失去一定的立体感。除上述问题外,无论是头戴显示器还是曲面投影屏都需要特殊的眼镜装置,往往不适合近视患者和长时间使用者。

为了改善这些问题,自由立体显示是一个良好的解决方案,它不需要任何形式的特殊眼镜或其他头戴设备。传统的自由立体显示方法是利用视差光栅,左右眼图像列交替排布在显示面板上,视差光栅可以控制光仅通过到期望区域并形成多个离散视点。由于视角是严格固定的,人们不能自由旋转或移动头部,导致了缺乏沉浸感的观看体验。自由度低也是目前应用于虚拟现实领域的自由立体显示报道较少的主要原因,因此需要开发一种沉浸式的自由立体显示系统。

2. 系统结构与原理

我们提出了一种基于曲面屏和视差光栅的显示系统,结构如图1(a)所示。显示像素以圆形连接形成曲面屏,三个连续的像素组成一个显示单元:像素“RL分别为右眼和左眼提供图像,像素M用于防止串扰。曲面视差光栅是由离散的黑色条带和狭缝按周期环形排布构成,曲面屏幕和视差光栅共用一个中心O,且两者之间的距离恒定,使得整个显示结构呈中心对称。曲面屏与视差光栅之间的详细几何关系可以描述为:从中心O到黑色条带的边缘绘制直线,并且这些直线将在不同像素之间的交点处相交。


1 a)系统整体结构;(b)独立显示单元工作原理;(c)独立显示单元结构参数

1b)为独立显示单元及其工作原理,视差光栅布置在三个像素的前面。在视差光栅的作用下,像素RL形成四个区域,区域III分别对应于右眼和左眼的观察区域。区域III是像素RL光线同时经过的串扰区域。与此相反,在区域IV中看不到任何图像。为了防止串扰,中间像素M被设置为黑色以充当第二视差光栅。当右眼位于区域I时,它将同时通过狭缝看到像素RM。像素“M”的存在不影响像素“R”的图像内容,只会降低一定亮度,因此右眼可以接收亮度较低的右眼图像。考虑到左眼具有类似的显示过程,只要眼睛停留在相应的区域,就可以实现自由立体视觉。此外,由于整个系统结构是中心对称的,观看者可以通过围绕中心O旋转来观看图像,从而获得沉浸式的自由立体效果。

1c)标识了显示单元的结构参数,具有狭缝宽度ws和黑色条带宽度wb的视差光栅被放置在宽度为wp的显示像素前面。中心O到狭缝、黑色条带和像素的距离分别用rsrbrp表示,θ为像素相对于中心O的夹角。re代表一只眼睛的最大水平移动距离,超过限定距离后,一只眼睛会看到错误的图像。考虑到瞳孔间距通常在65 mm左右,我们将re设为70 mm。根据图1c),我们可以很容易推导出各个参数之间的几何关系,进一步设计出一套沉浸式自由立体显示系统模型并模拟其显示特性。

3. 设计结果与分析

系统的结构参数如表1所示。考虑到人眼的角度分辨率约为1'0.017°),将像素角θ设置为0.016°,以满足观看要求。rp设置为1000 mm,根据关系式(1),wp计算为0.279 mm,进一步基于关系式(2 - 5),可得wswb0.278mm0.556mm,说明视差光栅的孔径比约为33.3%。由于θ很小,rsrb的值近似相同,为996.03mm

1 系统结构参数


    如图1b)所示,一个显示单元包含三个像素,因此显示单元相对于中心O的角度为0.048°。当眼睛聚焦于图像内容时,有效水平视场(FOV)约为50°,这意味着人眼可同时接收到上千个显示单元发出的光,如图2a)所示。为了防止串扰,与图1b)中所示的区域III相比,每个眼睛的观看区域被改变为特定形状,图2b)重新绘制了右眼和左眼的可视区域并附加了坐标系。

2 a)有效水平视场角下的可视区域;(b)附加坐标系的可视区域

    我们利用LightTools软件建立了系统的理论模型,并对其串扰特性进行了研究。理论模型的结构参数按表1设置,与有效水平视场相对应,水平方向上的光源数量为1042个,并采用130mm×10mm的表面接收器测量x轴上的光照分布。首先,将像素MR熄灭并且仅将像素L点亮,光线跟踪模拟结果如图3a)所示,可以看出,所有接收到的光都会聚在中心O左侧的区域,该区域为左眼的观察区域。图3b)显示了更准确直观的光照分布结果,可以清楚地看到在中心O右侧的区域,光照度始终为零,即没有来自像素L的光可以进入右眼的观察区域,这显示出了非串扰特性。此外,将像素ML熄灭并且仅点亮像素R,得到的结果刚好相反,如图3c - d)所示。图3的仿真结果证明,视差光栅和像素M的组合能够有效地防止两个观看区域之间的串扰,从而确保了良好的自由立体观看效果。

3 仅像素“L”点亮时:(a)光线追迹结果,(b)表面接收器照度分布;仅像素“R”点亮时:(c)光线追迹结果,(d)表面接收器照度分布

    为了进一步验证系统的可靠性,我们还利用像素膜、曲面玻璃、光栅膜并结合环境光搭建了一个系统的实验模型,其理论结构和实物装置如图4所示。

4 a)实验模型理论结构;(b)实验装置

我们通过实验模拟了当仅像素“L”点亮时,左右眼位置处相机拍摄到的实验结果,如图5所示。实验结果显示,仅像素“L”点亮时,像素“L”发出的光可以被左眼位置相机接收到;但右眼位置相机的图像为全黑图像,表明没有接收到任何光线。由于系统结构是左右对称的,所以当仅像素“R”点亮时,将获得相反的实验结果。图5的实验结果与图3的仿真结果相符,同时也证明了该系统结构的有效性。

5 a)左眼位置捕获图像;(b)右眼位置捕获图像

4. 结语

    综上所述,仿真和实验结果均表明该系统的两个视区之间不存在串扰,同时观看方向可以围绕圆柱中心自由旋转,以实现沉浸式的自由立体视觉。我们相信该系统结构将在虚拟现实技术领域有着广阔的应用前景。以上研究工作以《Immersive autostereoscopic display based on curved screen and parallax barrier》为题发表在《Chinese Optics Letters》上,DOI10.3788/COL202119.013301





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