專利名稱：基于柱鏡光柵的隧道動畫實現方法
技術領域：
本發明涉及一種隧道動畫實現方法，具體是一種基于柱鏡光柵的隧道動畫實現方法。屬于光學顯示技術領域。
背景技術：
柱鏡光柵成像技術是一種成熟的光學顯示技術，主要由柱狀透鏡光柵和光柵后方的圖片組成。隧道動畫基本要素是一系列連續的單幀畫面和用于遮擋畫面切換的快門。現有的隧道動畫實現方法中，快門技術有以下幾類1.包含快門技術，但沒有快門同步裝置，難以形成穩定的動畫畫面；2.包含機械式快門技術和附加的電子式快門同步裝置，但技術可行性很低，相對成本很高；3.采用光源自控的頻閃燈技術，但仍然存在電子式快門同步裝置的缺點，且高速頻閃燈的使用壽命有限。4.采用狹縫板式快門技術，但對單幀畫面的大小有較大的限制，且畫面照明亮度和顯像質量成倍降低。在連續單幀畫面排列方面，大多采用將與最終形成的動畫畫面等大的單幀畫面、以首尾相接的方式進行排列；還有包含壓縮-放大還原處理過程方法的，即將與最終動畫畫面等大的單幀畫面信息預先壓縮，在回放時，通過附加裝置將壓縮后的單幀畫面放大還原，形成最終動畫畫面，能達到較高的幀切換速率和較大的動畫畫面寬度。
經文獻檢索發現，專利申請號99801448，專利名稱為向移動觀眾顯示圖像的設備，該設備包括多個安裝在表面上的圖象，和一塊安裝在該表面與觀眾之間的狹縫板，其中狹縫板猶如一個快門，用于產生動畫效果。圖象表面和狹縫板之間的距離決定伸展效果。該技術中包含典型的狹縫板式快門技術和預壓縮-放大還原技術，能夠形成具有同步快門和較高幀切換速率的隧道動畫畫面。但仍存在如下不足1.每個單幀畫面前方都安裝了狹縫板，觀眾通過狹縫板看到的每個單幀畫面上有縱向的黑色條紋，導致畫面亮度的成倍損失，動畫畫面亮度也因此成倍降低。若要增強光源，就會增加硬件成本，同時等距間隔的縱向黑色條紋，還使單幀畫面的信息量成倍降低。2.使用預先壓縮圖像增加畫面的可用幀速率，相對于壓縮前的單幀畫面，預壓縮圖像的壓縮比例越高，其信息損失就越大，單幀畫面的精度則大大降低。3.使用嵌在狹縫板空隙中的透明實心圓棒作為伸展放大預壓縮畫面的方法，隨著觀眾離畫面距離的變化，畫面的比例會產生失真。
發明內容
本發明針對現有各種技術的不足，提出一種基于柱鏡光柵的隧道動畫實現方法，使其結構簡單，成本很低，并且在工程上實際可行性很大的隧道動畫實現方法，該方法能夠在動畫畫面寬度一定的條件下使畫面切換速率成倍提高，并具有同步快門功能，能夠形成流暢的，適合人眼觀看的動畫畫面。而且，本發明形成的動畫畫面具有更高的亮度，單幀畫面的信息量不損失，更高的動態畫面精度，在任意位置都能看到比例不失真的動畫畫面，并且動畫畫面始終出現在觀眾視野的正中位置。
本發明是通過以下技術方案實現的，本發明基于柱鏡光柵成像技術，結合隧道動畫形成原理，在隧道內壁沿列車車窗行進軌跡，設定相互關聯的柱鏡光柵層和圖片層，圖片層上打印有經過以下編碼的單幀畫面序列對每一個單幀畫面進行編碼，均按圖片層單元寬度縱向分割并壓縮，形成壓縮后的單幀畫面片斷，將每個單幀畫面的壓縮后的片斷，以多幅單幀畫面的編碼與疊進穿插的方式分配并打印在圖片層單元中，并通過單幀畫面定義和設計成彼此間隔，設定內容單幀與快門單幀，實現頻率倍增的同步快門，產生帶有環境色光和背景動畫效果的動畫畫面。
本發明可以歸納為四個步驟(1)設定相互關聯的柱鏡光柵層和圖片層，(2)對每一個單幀畫面進行編碼，(3)多幅單幀畫面的編碼與疊進穿插，(4)設定內容單幀與快門單幀。
1.設定相互關聯的柱鏡光柵層和圖片層在隧道內壁，沿著與列車行進時車窗運動相平行的軌跡，將結構參數和性能完全相同的柱狀透鏡緊密排列，形成一個柱鏡光柵層，柱鏡光柵層后方是圖片層，即柱鏡光柵層位于觀眾視點和圖片層之間。圖片層上是緊密排列的圖片層單元，柱鏡光柵層的每一個柱狀透鏡寬度等于每一個圖片層單元的寬度，每一個柱狀透鏡和其后方的圖片層單元相對應。柱鏡光柵層的總長度等于圖片層的總長度，也等于所有圖片層單元寬度之和。經過編碼的單幀畫面被分配在圖片層單元中，打印在圖片層上。在圖片層的后方，或者在柱鏡光柵層與圖片層的上下兩側，設置必須的照明設備。柱鏡光柵層，圖片層和照明設備通過一定的構架固定在隧道內壁上。
2.對每一個單幀畫面進行編碼對每一個單幀畫面按相同的規則進行編碼，動畫畫面寬度與每張單幀畫面寬度相等為a，圖片層單元的寬度為b，將第n張單幀畫面縱向分割成a/b條(a能被b整除)單幀畫面片斷，此時每條單幀畫面片斷的寬度均為b，且和圖片層單元相對應。將每條單幀畫面片斷的寬度從b壓縮到c。壓縮比例k為b/c，k＞1。此時每個圖片層單元內各有一條壓縮后的單幀畫面片斷，且c＜b。將壓縮后的單幀畫面片斷編號為(n)(-m)，(n)(-m+1)，(n)(-m+2)，…，(n)(-3)，(n)(-2)，(n)(-1)，(n)(0)，(n)(1)，(n)(2)，(n)(3)，…，(n)(m-2)，(n)(m-1)，(n)(m)，其中(n)(0)在壓縮前是位于單幀畫面正中的那條單幀畫面片斷，(n)(-m)在壓縮前是位于單幀畫面最左邊的那條單幀畫面片斷，(n)(m)在壓縮前是位于單幀畫面最右邊的那條單幀畫面片斷。
按以下方法調整每條壓縮后的單幀畫面片斷在其所處圖片層單元中的相對位置(n)(0)的中軸線與其所在圖片層單元的中軸線重合，(n)(-1)和(n)(1)的中軸線與其所在圖片層單元的中軸線之間的垂直距離為r(1)，(n)(-2)和(n)(2)的中軸線與其所在圖片層單元的中軸線之間的垂直距離為r(2)，以此類推，(n)(-m)和(n)(m)的中軸線與其所在圖片層單元的中軸線之間的垂直距離為r(m)，滿足0＜r(1)＜r(2)＜…＜r(m)＜(b-c)/2。至此完成第n張單幀畫面的編碼。以上編碼規則確保當觀眾直視于圖片層上的(n)(0)位置時，通過柱鏡光柵層對圖片層上單幀畫面片斷的折射作用，觀眾能在柱鏡光柵層上看到完整的第n張單幀畫面的虛像。按上述規則將第n張單幀畫面經過編碼分配到相應的圖片層單元中后，每個圖片層單元中各有一條第n幀的單幀畫面片斷，并留有c/b的空間，為相鄰單幀畫面片斷的疊進穿插預留了位置。
3.多幅單幀畫面的編碼與疊進穿插按完全相同的編碼規則，將第(n+1)張單幀畫面處理成壓縮后的單幀畫面片斷(n+1)(-m)，(n+1)(-m+1)，…，(n+1)(0)，(n+1)(1)，…，(n+1)(m)，其中壓縮比例k相同，(r+1)(m)＝r(m)。將第(n+1)幀壓縮后的單幀畫面片斷，按疊進穿插的方式，分配到圖片層單元中①(n+1)(0)的中軸線與(n)(0)的中軸線之間距離為g，且g＜a/2，即疊進；②每個圖片層單元中，相鄰兩條壓縮后的單幀畫面片斷不發生重疊，即穿插。疊進與穿插同步實現，沒有穿插就無法疊進。當觀眾沿軌跡方向平移g時，會由直視(n)(0)位置變為直視(n+1)(0)位置，通過柱鏡光柵層對圖片層上單幀畫面片斷的折射作用，觀眾就會從看到第(n)張單幀畫面虛像變成第(n+1)張單幀畫面虛像，即實現第(n)幀與第(n+1)幀的切換。疊進穿插的方式能實現與車速同步的幀切換功能，并成倍提高幀切換頻率。將所有單幀畫面均按上述編碼規則處理，并連續地以疊進穿插方式分配到圖片層單元中，打印在圖片層上。當列車在軌跡方向車速為v時，單幀畫面的幀切換頻率為v/g。
4.設定內容單幀與快門單幀將同步幀切換改進為同步快門，內容單幀是指第(2n-1)張單幀畫面，快門單幀是指第(2n)張單幀畫面(將圖片層單元上沒有壓縮后單幀畫面片斷的部分也就近歸入快門單幀)。在本發明中所指的單幀畫面，與傳統意義上的單幀畫面定義有所不同傳統意義上的單幀畫面對應于本發明中的內容單幀。內容單幀和快門單幀彼此間隔。內容單幀攜帶著形成最終動畫畫面內容的信息，快門單幀上沒有信息或攜帶有少量與內容單幀無關的信息。通過兩種單幀畫面，觀眾所見的幀切換順序由…(2n-1)，(2n)，(2n+1)…，變為…內容單幀，快門單幀，內容單幀…，即相鄰兩幅內容單幀的切換被快門單幀遮擋。由于幀切換頻率與列車上觀眾運動的速度v同步，因此快門單幀的切換頻率，即快門開合頻率，也和車速v同步，從而實現同步快門功能。快門開合頻率即傳統意義上的幀切換頻率為v/2g，。由于快門單幀也是打印在圖片層上的單幀畫面，所以可進一步設計快門單幀所攜帶的少量信息可以設定快門單幀的色彩，若色彩明度與內容單幀的平均明度相近，就能使人眼在快門開合頻率較低時也難以察覺到閃爍，并為動畫畫面蒙上環境色光；可以將快門單幀作為一種信息簡單的內容單幀使用，為最終動畫畫面蒙上一層有效的背景動畫，如浮云、氣流、繁星、光帶等效果。
本發明的有益效果如下(1)a一定時，快門開合頻率成倍提高。在車速為55km/h，a為1m時，快門開合頻率至少達到每秒30次以上即傳統意義上的幀切換頻率。在車速下降或a更大以形成更寬廣的動畫畫面時，快門開合頻率仍能在每秒24次以上，形成流暢的動畫畫面，且快門開合頻率與車速完全同步，能形成單一，穩定的動畫畫面。(2)通過設定快門單幀，可減小快門與內容的明度差，使人眼在快門開合頻率較低時也難以察覺令人不適的閃爍感，同時，進一步設定后的快門單幀還能形成背景動畫，豐富動畫畫面內容，具有背景動畫的隧道電影畫面，能夠充滿車窗的全部面積，以形成包圍列車的虛擬環境。(3)柱鏡光柵層和圖片層都是透光材料，整個方法對于圖片層后方或是柱鏡光柵層上下兩側的光源照明，幾乎沒有任何遮擋，因此動畫畫面亮度很高，同時減少了燈管數量，能源消耗相對較低。(4)觀眾觀看動畫時，每個單幀畫面顯示瞬間，柱鏡光柵都通過光學作用屏蔽了該幀以外所有的信息，因此每個單幀畫面都未受任何遮擋。與現有技術相比，本方法的信息量損失幾乎為0。(5)動畫畫面的動態精度更高。在編碼過程中采用的壓縮比例k為b/c，當k為800％時，就能滿足疊進穿插的要求，使快門開合頻率足夠快，原圖像的壓縮程度、信息損失都大大降低，柱鏡光柵層還原后的單幀畫面虛像精度也相應大大提高，從而使動畫畫面的動態精度更高。(6)具有穩定的畫面長寬比例，無論觀眾位置如何變化，只要觀眾直視柱鏡光柵層，動畫畫面就出現在觀眾視野的正中位置，使觀眾始終能夠看到最完整的畫面。(7)所需的裝置結構十分簡潔，無需附加任何電子或機械控制設備，使用的部件如普通燈箱、柱鏡光柵層、打印圖片層等，都是已得到廣泛應用的普通材料。所有部件都容易獲取和加工，成本很低，且維護和更新都十分方便。本方法無需和列車進行數據聯網，只需將相關裝置安裝在隧道內壁即可使用，施工十分簡便，更便于實際的工程操作和運營推廣。
圖1是本發明方法具體實現流程2是單幀畫面切換效果的坐標說明中A.柱鏡光柵層 B.圖片層 C.圖片層單元 F.壓縮后的單幀畫面片斷R.壓縮后單幀畫面片短的中軸線 M.圖片層單元的中軸線具體實施方式
在圖1中，假設所要形成的動畫畫面，由傳統意義上的單幀畫面…，(2n-1)，(2n+1)，…連續依次切換而形成。其中…，(2n-1)，(2n+1)，…為傳統意義上單幀畫面序列中每個單幀畫面的編號，每個單幀畫面寬度為b，約等于列車車窗的寬度。假設柱鏡光柵層(A)中每個柱狀透鏡寬度為a。
①在傳統意義上的單幀畫面序列基礎上，形成以下新的單幀畫面序列…，內容單幀，快門單幀，內容單幀，快門單幀，…，對應的單幀畫面編號為…，(2n-1)，(2n)，(2n+1)，(2n+2)，…，其中(2n-1)，(2n+1)…為內容單幀，即傳統意義上的單幀畫面，(2n)，(2n+2)…為快門單幀，每個單幀畫面寬度為b。
②圖片層(B)中，每個圖片層單元(C)寬度等于每個柱狀透鏡寬度等于a。
③在新的單幀畫面序列中，將每個單幀畫面縱向分割成b/a條，每個單幀畫面都有b/a條單幀畫面片斷。每條片斷的寬度為b。
④將每個單幀畫面的b/a條單幀畫面片斷的寬度從b壓縮至c，c＜b，形成壓縮后的單幀畫面片斷(F)。將壓縮后的單幀畫面片斷(F)編號如下第(2n-1)張單幀畫面的壓縮片斷(F)編號為(2n-1)(-4)，(2n-1)(-3)，(2n-1)(-2)，(2n-1)(-1)，(2n-1)(0)，(2n-1)(1)，(2n-1)(2)，(2n-1)(3)，(2n-1)(4)，所有單幀畫面的壓縮片斷(F)編號方式與其相同。
⑤調整每個單幀畫面的壓縮后的片斷(F)在其對應圖片層單元(C)中的位置如下將第(2n-1)張單幀畫面的壓縮后片斷的中軸線(R)與其所在圖片層單元的中軸線(M)間距相應編號為r(4)，r(3)，r(2)，r(1)，r(0)，r(1)，r(2)，r(3)，r(4)，其中0＝r(0)＜r(1)＜r(2)＜r(3)＜r(4)，[r(4)-r(3)]＝[r(3)-r(2)]＝[r(2)-r(1)]＝[r(1)-r(0)]。對每個單幀畫面的壓縮后片斷(F)做上述調整。
⑥將每個單幀畫面的壓縮后片斷(F)，以疊進穿插的方式排列在圖片層(B)上的圖片層單元(C)內。相鄰兩個單幀畫面中軸線的間距為g，由于疊進穿插使g＜b，如本實施例中b＝3g，使幀切換頻率提高了3倍。若將一個內容單幀切換到下一個內容單幀作為一次塊門開合，則快門開合頻率即傳統意義上的幀切換頻率提高了1.5倍。
⑦將全部單幀畫面的壓縮后片斷(F)按⑥所示的疊進穿插方式依次排列在圖片層(B)上的圖片層單元(C)內。
⑧將圖片層單元(C)內沒有壓縮后單幀畫面片斷(F)的部分，也就近歸入快門單幀的壓縮后片斷(F)中。至此完成圖片層(B)的編碼制作打印。
⑨將圖片層(B)置于柱鏡光柵層(A)后方，柱鏡光柵層(A)位于觀眾視點和圖片層(B)之間。每一個柱狀透鏡和其后方的圖片層單元(C)相對應。柱鏡光柵層(A)的總長度等于圖片層(B)的總長度。在隧道內壁，沿著與列車行進時車窗運動相平行的軌跡，將柱鏡光柵層(A)和對應圖片層(B)，以及必要的照明設備，通過一定的構架固定安裝在隧道內壁。當列車在隧道內駛過裝置，乘客就能在車窗外看到顯示在柱鏡光柵層(A)上的動畫畫面。
在圖2中，假定列車車速為v，坐標橫軸x為列車行駛距離，坐標縱軸y為列車行駛時間，橫軸刻度與縱軸刻度相對應y＝x/v。橫軸上的刻度間距為g，縱軸上的刻度間距為g/v。
在(x1，y1)，乘客看見第(2n-1)張單幀畫面，在(x2，y2)看見第(2n)張，在(x3，y3)看見第(2n+1)張，在(x4，y4)看見第(2n+2)張，…，以此類推。即乘客能看見與車速同步的單幀畫面切換效果，幀切換頻率為v/g。
因為第(2n-1)，(2n+1)…張單幀畫面為內容單幀，第(2n)，(2n+2)…張單幀畫面為快門單幀，所以乘客能看見內容單幀與快門單幀的交替切換，即帶有同步快門的動畫畫面，快門開合頻率即傳統意義上的幀切換頻率為v/2g。
權利要求
1.一種基于柱鏡光柵的隧道動畫實現方法，其特征在于，基于柱鏡光柵成像技術，結合隧道動畫形成原理，在隧道內壁沿列車車窗行進軌跡，設定相互關聯的柱鏡光柵層和圖片層，圖片層上打印有經過以下編碼的單幀畫面序列對每一個單幀畫面進行編碼，均按圖片層單元寬度縱向分割并壓縮，形成壓縮后的單幀畫面片斷，將每個單幀畫面的壓縮后的片斷，以多幅單幀畫面的編碼與疊進穿插的方式分配并打印在圖片層單元中，并通過單幀畫面定義和設計成彼此間隔，設定內容單幀與快門單幀，實現頻率倍增的同步快門，產生帶有環境色光和背景動畫效果的動畫畫面。
2.根據權利要求1所述的基于柱鏡光柵的隧道動畫實現方法，其特征是，所述的設定相互關聯的柱鏡光柵層和圖片層，具體如下在隧道內壁，沿著與列車行進時車窗運動相平行的軌跡，將結構參數和性能完全相同的柱狀透鏡緊密排列，形成一個柱鏡光柵層，柱鏡光柵層后方是圖片層，圖片層上是緊密排列的圖片層單元，柱鏡光柵層的每一個柱狀透鏡寬度等于每一個圖片層單元的寬度，每一個柱狀透鏡和其后方的圖片層單元相對應，柱鏡光柵層的總長度等于圖片層的總長度，也等于所有圖片層單元寬度之和，經過編碼的單幀畫面被分配在圖片層單元中，打印在圖片層上，在圖片層的后方，或者在柱鏡光柵層與圖片層的上下兩側，設置必須的照明設備，柱鏡光柵層，圖片層和照明設備固定在隧道內壁上。
3.根據權利要求1所述的基于柱鏡光柵的隧道動畫實現方法，其特征是，所述的對每一個單幀畫面進行編碼，具體如下對每一個單幀畫面按相同的規則進行編碼，動畫畫面寬度與每張單幀畫面寬度相等為a，圖片層單元的寬度為b，將第n張單幀畫面縱向分割成a/b條單幀畫面片斷，a能被b整除，此時每條單幀畫面片斷的寬度均為b，且和圖片層單元相對應，將每條單幀畫面片斷的寬度從b壓縮到c，壓縮比例k為b/c，k＞1，此時每個圖片層單元內各有一條壓縮后的單幀畫面片斷，且c＜b，將壓縮后的單幀畫面片斷編號為(n)(-m)，(n)(-m+1)，(n)(-m+2)，…，(n)(-3)，(n)(-2)，(n)(-1)，(n)(0)，(n)(1)，(n)(2)，(n)(3)，…，(n)(m-2)，(n)(m-1)，(n)(m)，其中(n)(0)在壓縮前是位于單幀畫面正中的那條單幀畫面片斷，(n)(-m)在壓縮前是位于單幀畫面最左邊的那條單幀畫面片斷，(n)(m)在壓縮前是位于單幀畫面最右邊的那條單幀畫面片斷。
4.根據權利要求3所述的基于柱鏡光柵的隧道動畫實現方法，其特征是，按以下方法調整每條壓縮后的單幀畫面片斷在其所處圖片層單元中的相對位置(n)(0)的中軸線與其所在圖片層單元的中軸線重合，(n)(-1)和(n)(1)的中軸線與其所在圖片層單元的中軸線之間的垂直距離為r(1)，(n)(-2)和(n)(2)的中軸線與其所在圖片層單元的中軸線之間的垂直距離為r(2)，以此類推，(n)(-m)和(n)(m)的中軸線與其所在圖片層單元的中軸線之間的垂直距離為r(m)，滿足0＜r(1)＜r(2)＜…＜r(m)＜(b-c)/2，至此完成第n張單幀畫面的編碼，按上述規則將第n張單幀畫面經過編碼分配到相應的圖片層單元中后，每個圖片層單元中各有一條第n幀的單幀畫面片斷，并留有c/b的空間，為相鄰單幀畫面片斷的疊進穿插預留了位置。
5.根據權利要求1所述的基于柱鏡光柵的隧道動畫實現方法，其特征是，所述的多幅單幀畫面的編碼與疊進穿插，具體如下按完全相同的編碼規則，將第n+1張單幀畫面處理成壓縮后的單幀畫面片斷，其中壓縮比例k相同，(r+1)(m)＝r(m)，將第n+1幀壓縮后的單幀畫面片斷按疊進穿插的方式分配到圖片層單元中①(n+1)(0)的中軸線與(n)(0)的中軸線之間距離為g，且g＜a/2，即疊進；②每個圖片層單元中，相鄰兩條壓縮后的單幀畫面片斷不發生重疊，即穿插，疊進與穿插同步實現，將所有單幀畫面均按上述編碼規則處理，并連續地以疊進穿插方式分配到圖片層單元中，打印在圖片層上，當列車在軌跡方向車速為v時，單幀畫面的幀切換頻率為v/g。
6.根據權利要求1所述的基于柱鏡光柵的隧道動畫實現方法，其特征是，所述的設定內容單幀與快門單幀，具體如下將同步幀切換改進為同步快門，內容單幀是指第2n-1張單幀畫面，快門單幀是指第2n張單幀畫面，內容單幀和快門單幀彼此間隔，內容單幀攜帶著形成最終動畫畫面內容的信息，快門單幀上或攜帶有少量與內容單幀無關的信息，通過兩種單幀畫面，觀眾觀看時，相鄰兩幅內容單幀的切換被快門單幀遮擋。
全文摘要
一種基于柱鏡光柵的隧道動畫實現方法。屬于光學顯示技術領域。本發明基于柱鏡光柵成像技術，結合隧道動畫形成原理，在隧道內壁沿列車車窗行進軌跡設定柱鏡光柵層和其后方的圖片層，圖片層上打印有經過以下編碼的單幀畫面序列將每個單幀畫面均按圖片層單元寬度縱向分割并壓縮，形成壓縮后的單幀畫面片斷，將每個單幀畫面的壓縮后的片斷，以疊進穿插的方式分配并打印在圖片層單元中，并通過將單幀畫面定義和設計成彼此間隔的內容單幀與快門單幀，實現頻率倍增的同步快門，產生動畫畫面。該方法提高了畫面切換速率高，具有同步快門功能，而且，形成的動畫畫面具有更高的亮度，單幀畫面的信息量不損失，更高的動態畫面精度，且不失真。
文檔編號G09F19/12GK1560827SQ200410016420
公開日2005年1月5日 申請日期2004年2月19日 優先權日2004年2月19日
發明者李繼龍, 張帆 申請人:張帆, 李繼龍, 張 帆