一种基于光线跟踪算法的光场显示设备仿真方法技术

本发明专利技术提供一种基于光线跟踪的光场显示设备仿真方法，包括：S1、建立光场三维显示模型；S2、获取渲染得到光场显示仿真图像中每个像素的光线起点和光线方向；S3、根据光线起点和光线方向，利用光线跟踪技术渲染得到光场显示仿真图像。通过建立三维显示模型，使得在没有进行实验操作的前提下，可以实时得到光场显示的结果，采用逆向光线跟踪技术，并且采用多种包围盒加速结构，为了提高渲染效率，达到实时可交互的目的；对光场显示中所有的光学设备建立严格的数学模型；并采用蒙特卡洛方法，对渲染的每个像素进行多次采样，保证了仿真结果的准确性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于光线跟踪算法的光场显示设备仿真方法
本专利技术涉及三维显示
，更具体地，涉及一种基于光线跟踪的光场显示设备仿真方法。
技术介绍
人类视觉的一项重要功能是认知三维(3D)自然界中物体的3D空间布局，直观地分析和判断目标和场景状况。目前现代信息科技视觉表达主要利用二维方式进行采集、存储、编码、传输及显示，只能使人们了解到场景或物体的某个空间侧面，从而限制了人们的全面认识。符合人类认知习惯的3D光显示能够更真实地重现或模拟与客观世界相同的场景，增强表达图像的深度感、层次感和真实性。在医学成像、科学研究、外太空探索、重要远程会议和军事等应用领域中，3D信息的重构有助于直观精确地捕捉到有关信息，从而得到更精准的现场判断。在智能制造领域中，保持稳健的优化设计，实现3D结构的柔性智能加工、3D装配的模拟与控制、3D数据的高效处理和3D光显示，对于完善制造过程、提高先进智能制造的设计效率、加快生产过程并提高成品率、实现高效可靠的智能装配至关重要。在3D游戏行业、3D广告视频显示、3D影视等方面，高性能裸眼动态光显示技术的突破和发展会推动整个3D产业链的飞速发展，从而带动我国战略性新兴产业和现代服务业的发展，产生巨大的经济效益。光场三维显示方法是近似模拟3D场景真正光场的重建方式，具有较好的发展前景。光场三维显示系统是一种自由立体式三维显示设备，具有视场角大、视点密集、可同时提供水平视差和竖直视差的优势。光场显示系统主要由液晶显示器、透镜阵列、全息功能屏三部分构成，结构的复杂。传统的自由立体式显示系统的设计中，通常无法准确估计显示系统的显示效果，需要反复实验才能得到合适的参数，设计和加工耗时耗力。传统的成像、照明光学设计软件(Zemax，Lighttools，CodeV等)擅长数值仿真，对成像系统的进行数值分析，但对成像效果模拟支持并不好，所得数值结果抽象难以理解，无法提供直观的仿真结果，并且无法做到实时计算；其次，传统方法擅长对单一透镜或者透镜组的参数进行局部优化，而遇到复杂结构光学系统时，很容易会掉进局部最优的“陷阱”难以寻找到真正的最优结构。
技术实现思路
本专利技术提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种基于光线跟踪的光场显示设备仿真方法，解决了现有技术中无法提供直观仿真结果、无法实时计算，且对复杂结构光学系统不适用的问题。根据本专利技术的一个方面，提供一种光场显示设备仿真方法，包括：S1、建立光场的三维显示模型；S2、获取光场显示仿真图像中每个像素的光线起点和光线方向；S3、根据光线起点和光线方向，利用光线跟踪渲染技术渲染得到光场显示仿真图像。作为优选的，所述步骤S1具体包括：分别建立LCD面板、透镜阵列、全息功能屏的数学模型；将LCD面板、透镜阵列、全息功能屏组合建立光场的三维显示模型。作为优选的，所述三维显示模型中，LCD面板、透镜阵列、全息功能屏依次排列，且满足：1/f＝1/L+1/K，其中，f为透镜阵列中透镜的焦距，L为透镜阵列与全息功能屏的间距，K为透镜阵列与LCD面板的间距。作为优选的，所述步骤S2中，选取三维空间内任一点O作为针孔相机模型顶点，并设置针孔相机模型的图像分辨率、相机坐标矢量基，建立针孔相机模型，并确定光场显示仿真图像中每个像素的光线起点和光线方向，利用逆向光线跟踪的方法对光场显示效果的仿真图像进行渲染。作为优选的，所述步骤S2具体包括：在三维显示模型靠近HFS一侧设置顶点O的位置，并设置针孔线机模型的图像分辨率2a×2bpixels、相机坐标系单位矢量基u、v、w，渲染图像平面与顶点O之间的距离distance，图像像素在虚拟空间中的长度l；获取渲染图像平面中某一像素点，并获取该像素点的像素索引序号[x,y]，并根据预设公式获取该像素点三维空间中的坐标及视角方向。作为优选的，所述像素点坐标的预设公式为：P＝O+distance·w+(x+0.5-a)·l·u+(y+0.5-b)·l·v像素点的视角方向预设公式为：D＝P-O＝distance·w+(x+0.5-a)·l·u+(y+0.5-b)·l·v上式中，P为像素点坐标，D为P点的视线方向，像素序号索引范围为为[0,0]～[2a,2b]。作为优选的，所述步骤S3中，通过调用光线跟踪函数，对每个像素点的颜色值分别独立计算，将光线的起点和方向作为光线跟踪的输入参数，获得每个像素点的颜色值。作为优选的，所述步骤S3具体包括：S31、获取光线分别与全息功能屏、透镜阵列、LCD面板模型的交点，并得到最近交点；S32、判断该交点是否为光源，若是则返回光源颜色值，若否则判断光线与模型相交时是否发生反射、折射，并递归调用新的光线跟踪函数，得到光线最终返回的颜色值；S33、根据返回颜色值及反射率、折射率得到像素点的颜色值。作为优选的，所述步骤S32具体包括：若交点为光源，则返回光源颜色值C，光线跟踪结束；若交点不为光源，则判断光线与模型是否发生反射，若否则返回颜色值C1＝0，若是则生成反射光线，递归调用型的光线跟踪函数，反射光线返回颜色值C1；进一步判断光线与模型是否折射，若否则返回颜色值C2＝0，若是则生成折射光线，递归调用型的光线跟踪函数，折射光线返回颜色值C2。作为优选的，所述步骤S33中，若交点不为光源时，返回颜色值C＝C1*反射率+C2*(1-折射率)。本申请提出一种基于光线跟踪的光场显示设备仿真方法，通过建立三维显示模型，使得在没有进行实验操作的前提下，可以实时得到光场显示的结果，可以让设计者对所设计的系统有直观的认识。依照现实中光场系统每个组件的大小尺寸、几何形状和光学特性建立数学模型，构建虚拟场景，利用逆向光线跟踪，渲染得到光场成像的结果。通过调整虚拟针孔相机模型的位置、更换光场显示的内容等方法，可以对光场成像系统的视角范围和景深等指标进行预测。采用逆向光线跟踪技术，并且采用多种包围盒加速结构,为了提高渲染效率，达到实时可交互的目的；对光场显示中所有的光学设备建立严格的数学模型；并采用蒙特卡洛方法，对渲染的每个像素进行多次采样，保证了仿真结果的准确性。附图说明图1为根据本专利技术实施例的光场显示设备仿真方法流程框图；图2为根据本专利技术实施例的朗伯体辐射模型示意图；图3为根据本专利技术实施例的透镜模型及透镜阵列示意图；图4为根据本专利技术实施例的光线遇到HFS后发生散射现象示意图；图5为根据本专利技术实施例的针孔相机模型示意图；图6是根据本专利技术实施例的光线跟踪的基本原理示意图；图7是根据本专利技术实施例的光线跟踪技术中计算像素颜色值流程图；图8是根据本专利技术实施例的逆向光线跟踪的计算过程示意图。具体实施方式下面结合附图和实施例，对本专利技术的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本专利技术，但不用来限制本专利技术的范围。如图1所示，图中示出了一种基于光线跟踪的光场显示设备仿真方法，包括：S1、建立光场三维显示模型；S2、获取光场显示仿真图像中每个像素的光线起点和光线方向；S3、根据光线起点和光线方向，利用光线跟踪渲染技术渲染得到光场显示仿真图像。在本实施例中，所述步骤S1包括：分别建立LCD面板、透镜阵列、全息功能屏的数学模型；将LCD面板、透镜阵列、全息功能屏组合建立光场的三维显示模型。在建立光场的三维显示模型时，需要对各模型的参数进本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光场显示设备仿真方法，其特征在于，包括：S1、建立光场的三维显示模型；S2、获取光场显示仿真图像中每个像素的光线起点和光线方向；S3、根据光线起点和光线方向，利用光线跟踪渲染技术渲染得到光场显示仿真图像。

【技术特征摘要】
1.一种光场显示设备仿真方法，其特征在于，包括：S1、建立光场的三维显示模型；S2、获取光场显示仿真图像中每个像素的光线起点和光线方向；S3、根据光线起点和光线方向，利用光线跟踪渲染技术渲染得到光场显示仿真图像。2.根据权利要求1所述的光场显示设备仿真方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：分别建立LCD面板、透镜阵列、全息功能屏的数学模型；将LCD面板、透镜阵列、全息功能屏组合建立光场的三维显示模型。3.根据权利要求2所述的光场显示设备仿真方法，其特征在于，所述三维显示模型中，LCD面板、透镜阵列、全息功能屏依次排列，且满足：1/f＝1/L+1/K，其中，f为透镜阵列中透镜的焦距，L为透镜阵列与全息功能屏的间距，K为透镜阵列与LCD面板的间距。4.根据权利要求2所述的光场显示设备仿真方法，其特征在于，所述步骤S2中，选取三维空间内任一点O作为针孔相机模型顶点，并设置针孔相机模型的图像分辨率、相机坐标矢量基，建立针孔相机模型，并确定光场显示仿真图像中每个像素的光线起点和光线方向，利用逆向光线跟踪的方法对光场显示效果的仿真图像进行渲染。5.根据权利要求4所述的光场显示设备仿真方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：在三维显示模型模型靠近HFS一侧设置顶点O的位置，并设置针孔线机模型的图像分辨率2a×2bpixels、相机坐标系单位矢量基u、v、w，渲染图像平面与顶点O之间的距离distance，图像像素在虚拟空间中的长度l；获取光场显示仿真图像所在平面中某一像素点，并获取该像素点的像素索引序号[x,y]，并根据预设公式获取该像素点三维空间中的坐标及视角方向。6.根据权利要求5所述的光场显示设备仿真方法，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：桑新柱，管延鑫，邢树军，于迅博，陈铎，颜玢玢，王葵如，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：北京,11