本發(fā)明屬于三維顯示技術(shù)重構(gòu)算法領(lǐng)域，具體涉及一種利用gpu并行計(jì)算實(shí)現(xiàn)多分辨率光場分解的方法。

背景技術(shù)：

gordon.etal提出了一種利用多層液晶重構(gòu)光場的近眼顯示技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)將大量的光場信息分解為可以用多層液晶屏顯示的模式。實(shí)現(xiàn)了用較小信息量的顯示器件實(shí)現(xiàn)較大信息量的光場顯示。設(shè)備的信息利用率非常高。這項(xiàng)技術(shù)的設(shè)備簡單，而且顯示的光場信息量非常大，光場的分辨率高，具有單眼連續(xù)聚焦的效果。然而這項(xiàng)技術(shù)的光場分解計(jì)算量很大，耗時(shí)長。

顯示系統(tǒng)包括一個(gè)背光源，多層液晶屏和一個(gè)透鏡。對(duì)于近眼顯示，放置了一個(gè)透鏡將場景成像在人眼聚焦的范圍內(nèi)。光學(xué)系統(tǒng)的正方向是z軸的正方向。lcd和透鏡的間距短于透鏡的焦距，根據(jù)高斯定理，虛擬lcd被成像在距離透鏡很遠(yuǎn)的位置。

傳統(tǒng)的多層液晶顯示設(shè)備包括背光源和多層液晶。背光源的光線經(jīng)過前后液晶屏的調(diào)制形成一個(gè)離散的光場l(k,l,i,j)。l(k,l,i,j)是由這些像素的索引來參數(shù)化的。矩陣pf(k,l)和矩陣pr(i,j)分別對(duì)應(yīng)于前后液晶屏的顯示圖案。這個(gè)離散光場l(k,l,i,j)可以表示為矩陣pf(k,l)和矩陣pr(i,j)的張量積。用公式(2)表示：

這個(gè)離散光場再被透鏡調(diào)制。這個(gè)調(diào)制的光場可以理解成由前后液晶屏的像調(diào)制產(chǎn)生的，用公式(3)表示為：

其中，lm(k,l,i,j)表示經(jīng)過透鏡后的被調(diào)制的離散光場，pmf(k,l)和pmr(i,j)分別對(duì)應(yīng)于前虛擬lcd和后虛擬lcd的顯示模式。

在一個(gè)兩平面的坐標(biāo)系中，原始光場可以表示為一個(gè)四維張量原始光場的重構(gòu)可以被看作最小化lm和的歐幾里得距離，它可以用公式(4)表示：

這個(gè)分解的更新規(guī)則如公式(5)～(6)所示：

w是一個(gè)權(quán)重張量，用于對(duì)設(shè)置每個(gè)像素的權(quán)重值，°表示的是哈達(dá)瑪積；現(xiàn)有的光場分解算法，僅適用于分辨率是固定值的光場重構(gòu)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了實(shí)現(xiàn)多分辨率光場重構(gòu)，本文發(fā)明提供了一種利用gpu并行計(jì)算實(shí)現(xiàn)多分辨率光場分解的方法，將光場分解，通過結(jié)合索引圖，實(shí)現(xiàn)多分辨率光場重構(gòu)。

本發(fā)明所采用的具體技術(shù)方案如下：

一種利用gpu并行計(jì)算實(shí)現(xiàn)多分辨率光場分解的方法，具體步驟如下：

1)根據(jù)人眼的視覺模型，決定光場的采樣頻率，采樣頻率的分布和人眼視覺角分辨率分布是一致的；

2)根據(jù)多層液晶的位置，和視點(diǎn)分布的位置，和光場的采樣率，計(jì)算得出所有光線與多層液晶交點(diǎn)的像素的索引；

3)將交點(diǎn)的索引按列優(yōu)先的方式從外到內(nèi)的規(guī)則排布形成一個(gè)新的矩陣，矩陣單元的值就是索引值，這個(gè)矩陣為索引圖1；

4)索引值的記錄是利用索引圖1的rgba四通道記錄的；

5)原始的三維場景的數(shù)據(jù)根據(jù)索引圖1被壓縮，得到一個(gè)壓縮的光場；

6)根據(jù)每個(gè)采樣點(diǎn)在索引圖1的位置(像素的索引)和采樣點(diǎn)在原來的lcd或者視圖中采樣單元的位置，將采樣點(diǎn)在索引圖1的像素索引復(fù)制給采樣點(diǎn)在lcd或者視圖中采樣單元中所有的像素形成索引圖2；

7)索引圖2記錄著采樣點(diǎn)在索引圖1中的位置，這個(gè)位置是利用索引圖2的像素的rgba的值來記錄的；

8)利用索引圖1和索引圖2，結(jié)合非負(fù)矩陣分解，將壓縮的光場分解，得到壓縮的分解圖案；

9)壓縮的分解圖案根據(jù)索引圖2解壓，成為可以最終顯示在液晶屏上的分解圖案。

優(yōu)選的，原始三維場景的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為四通道的圖片格式。

本發(fā)明將通過講需要處理的數(shù)據(jù)保存為圖片的格式，實(shí)現(xiàn)了光場的快速分解。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的原始光場采樣示意圖，解釋索引圖的生成和作用。

圖2是本發(fā)明中由壓縮的光場與lcd像素直接的對(duì)應(yīng)關(guān)系示意圖，其中，a圖為s1(p,q)，b圖表示光線和多層液晶屏的幾何對(duì)應(yīng)關(guān)系，c圖表示pmf(k,l)的s2(k,l)或者pmr(i,j)的s2(i,j)，d圖表示p′mf(pf,qf)或者p′mr(pr,qr)；

圖3是本發(fā)明中由得到的分解模式解壓為可顯示的圖像的過程，其中，圖(a)表示pmf(k,l)的s2(k,l)或者pmr(i,j)的s2(i,j)，圖(b)表示p′mf(pf,qf)或者p′mr(pr,qr)，圖(c)表示pmf(k,l)或者pmr(i,j)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖來詳細(xì)說明本發(fā)明，但本發(fā)明并不僅限于此。

采用傳統(tǒng)的重構(gòu)算法重構(gòu)一個(gè)大尺寸的光場，時(shí)間消耗量很大。為了減少計(jì)算時(shí)間，我們提出了一種基于人眼特性的重構(gòu)算法。

與單一采樣頻率構(gòu)建的光場圖像不同，采用非均勻采樣頻率時(shí)圖像的每一行像素的個(gè)數(shù)不相同，因此無法直接用一個(gè)矩陣表示。為了計(jì)算方便，將每個(gè)區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)以按列優(yōu)先的方式排列在一起，并以從外到內(nèi)的順序?qū)⒉煌瑓^(qū)域的數(shù)據(jù)集合重新構(gòu)建新的矩陣s(p,q),其中(p,q)是重新排列后圖像(或稱為壓縮視圖)的像素索引。首先，通過離散的角分辨率和lcd所在平面到人眼的距離得到lcd所在平面的離散空間分辨率。其次，根據(jù)離散空間分辨率的值和對(duì)應(yīng)的視角范圍將整個(gè)視場分成n個(gè)區(qū)域(如圖1)。壓縮視圖是一個(gè)行列數(shù)相等的圖片，它的行列數(shù)等于每個(gè)視圖采樣點(diǎn)總數(shù)開根號(hào)向上取整，壓縮視圖中多余的像素點(diǎn)的值設(shè)置為0.為了迅速的找到采樣點(diǎn)的位置實(shí)現(xiàn)快速采樣并且利用gpu加速并行運(yùn)算，構(gòu)建一個(gè)基準(zhǔn)面的索引圖s1(p,q)(索引圖1)來存放s(p,q)相應(yīng)元素的原始坐標(biāo)(mr,mc)。整個(gè)壓縮的光場為可以被分解為壓縮前液晶p′mf(pf,qf)和壓縮后液晶p′mr(pr,qr)，(pf,qf)和(pr,qr)對(duì)應(yīng)為壓縮前后液晶像素的索引。把轉(zhuǎn)化為的過程稱之為光場的壓縮。圖1解釋了光場的壓縮，為的壓縮示意圖，左圖為的一個(gè)視圖示意圖.右圖為s(p,q)的示意圖。按照同樣的方法構(gòu)建了前后液晶板的索引圖1。

圖2介紹了壓縮光場的分解過程。對(duì)于每個(gè)視點(diǎn)，首先由光場的索引圖s1(p,q)得到采樣點(diǎn)s在原始光場的位置b(m0,n0)(圖2-a)，s與視點(diǎn)相連得到光線。光線與前后lcd的交點(diǎn)為a(i1,j1)，c(i2,j2)，(圖2-b)。構(gòu)建lcd1的索引圖s2(k,l)(索引圖2)，其分辨率大小和液晶屏分辨率相同，只是每個(gè)像素存放的信息是p′mf(pf,qf)的像素序號(hào)(pf,qf)。采用索引圖s2(k,l)，得到a點(diǎn)的采樣單元在p′mf(pf,qf)上的位置(m1,n1)。同理通過lcd2的索引圖s2(i,j),得到lcd2上交點(diǎn)p在p′mr(pr,qr)上的位置(m2,n2)。以此類推得到中所有光線和p′mf(pf,qf)，p′mr(pr,qr)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。利用迭代公式(8,9)，得到壓縮光場的分解圖案p′mf(pf,qf)，p′mr(pr,qr)。

為了顯示重構(gòu)的光場，需要將p′mf(pf,qf)和p′mr(pr,qr)轉(zhuǎn)化為多分辨顯示圖像pmf(k,l)和pmr(i,j)，轉(zhuǎn)換的過程如圖3表示的p′mf(pf,qf)或者p′mr(pr,qr)的解壓過程，圖3(a)表示pmf(k,l)的s2(k,l)或者pmr(i,j)的s2(i,j)，圖3(b)表示p′mf(pf,qf)或者p′mr(pr,qr)，圖3(c)表示pmf(k,l)或者pmr(i,j)。通過s2(k,l)可以查詢到每個(gè)像元存放在p′mf(pf,qf)中的數(shù)據(jù)，從而快速還原出液晶板上的圖像pmf(k,l)。同理通過s2(i,j)，將p′mr(pr,qr)轉(zhuǎn)化為pmr(i,j)。把p′mf(pf,qf)轉(zhuǎn)化pmf(k,l)稱為解壓過程。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施舉例，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。

為了能夠利用索引圖的像素值記錄超大范圍的地址，我們將索引圖的格式設(shè)置為圖像文件存儲(chǔ)格式(png)，利用索引圖像素的rgba值來存儲(chǔ)像素的坐標(biāo)。它們的關(guān)系式如公式(7)-(10)表述；

r＝col-255*floor(col/255.00001)；(7)

g＝row-255*floor(row/255.00001)；(8)

b＝floor(col/255.00001)；(9)

a＝255-floor(row/255.00001)；(10)

總結(jié)來說，基于人眼視覺特性的近眼光場顯示的算法流程如下。首先，將原始光場按照人眼的視覺特性快速的壓縮為只包含采樣點(diǎn)信息的壓縮的光場，并同樣地得到兩個(gè)lcd的壓縮模式。其次，再根據(jù)公式(4)-(6)介紹的分解規(guī)則將壓縮的光場分解得到前后lcd的壓縮分解模式。最后，快速的將lcd的壓縮分解模式解壓得到多分辨率模式。