CN102193200A

CN102193200A - 四视点高清立体显示器

Info

Publication number: CN102193200A
Application number: CN2010101267539A
Authority: CN
Inventors: 薄淑英
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-03-18
Filing date: 2010-03-18
Publication date: 2011-09-21

Abstract

本发明公开了一种四视点高清晰自动立体显示器，该立体显示器由图像存储与播放处理器、平面显示屏和格状光栅构成。格状光栅的基本作用与常规狭缝和柱镜光栅类似，能对平面显示屏上显示的视差图进行分光，从而实现自由立体显示。该发明突出的优点在于，播放处理器将“品”字型结构的子像素合成一个完整的RGB立体像素，具有较高的清晰度，无色彩混叠现象，与斜纹光栅立体显示器相比，清晰度提高了一倍以上。

Description

四视点高清立体显示器

技术领域：

本发明涉及一种自动立体显示器，更具体地讲，涉及一种四视点高清晰的自动立体显示器，所述自动立体显示器可用于立体电视、3D游戏机、3D广告及其他应用平板。

背景技术：

立体显示器具有信息量大、能将实际场景的三维信息全部再现出来的特点，使观看者可以从显示器上直接看出图像中各物体的远近、纵深，因此观看者能获得更加全面而直观的信息。传统的立体显示器需要观看者佩带偏振眼镜、互补色眼镜或者液晶开关眼镜之类辅助工具，尽管具有很好的立体效果，但在许多场合并不适用。

近几年以来，不使用眼镜的自动立体技术被积极地研究，其代表是光栅立体显示技术，它由2D平面矩阵显示器上加装光栅而成，分为光栅前置式和光栅后置式，即光栅可位于背光源与矩阵显示板之间或矩阵显示板面向观众的那面，光栅可为柱镜光栅或狭缝光栅。光栅自动立体显示又分为双眼视差式和多视点立体显示，其中多视点立体显示具有良好的观看自由度和舒适度，适合多人同时观看，成为发展及应用的重点。

在多视点立体显示中，为了提高横向分辨率，并避免色彩混叠现象，立体像素采取了如图1所示的两种排列方式，R、G、B子像素从右上向左下组合一个完整像素。多视点立体显示的图像分辨率较低，特别是纵向清晰度降低到2D图像的1/3，因此不适合显示精细的图像和文字，为无损失地显示高精度的2D图像和文字，相关技术人员开发出了可2D/3D转换的光栅，当播放立体节目时，光栅处于3D状态，播放平面节目时，光栅处于2D状态。

发明内容：

本发明公开了一种立体显示器的结构和原理，目的在于提供一种四视点高清晰立体显示器，可以以较高的清晰度显示立体图像，不用转换到平面显示方式，也可直接显示高精度的平面节目。

高清立体显示器由图像存储与播放处理器、平面显示屏和格状光栅构成。图像存储与播放处理器可完成立体图像存储，立体图像抽样合成，立体图像全高清实时显示的功能；平面显示屏是全高清的液晶屏或者等离子屏；格状光栅由格状菲林(1)和玻璃(2)粘接构成。格状光栅平行安装在平面显示屏(3)之外，光栅必须与显示屏匹配，格状光栅透光格的形状、大小和间距是关键的参数。立体图像的显示需解决视差图像的子像素如何合理地排列到显示屏的像素矩阵上，因此子像素的排列方法是立体显示最重要的依据。在本发明中，R、G、B子像素依次以正的和倒的“品”字形结构组成一个完整像素，在水平方向上，子像素与子像素之间间隔三个子像素的位置，可以用同样配置的格状光栅将视差图像分离开来。显示屏上的立体图像经过格状光栅分光，分离出的视差图像分别进入观众的左右眼，从而实现自由立体显示。

附图说明：

为了叙述的方便，在技术方案之前先对附图加以说明。

图1是现有技术立体显示屏像素结构示意图。每个2D像素由RGB三个子像素左右排列构成，是正方形像素，将一个2D像素拆分成3个子像素后，从右上到左下重新组合成新的RGB立体像素，现有技术组合成立体像素的方式有两种，其中立体像素(7)的构成方式为：

R B G G R B B G R R B G G R B B G R……R B G G R B B G R

与竖直方向构成的角度为12.53°，与12.53°的斜纹光栅配合，具有较好的立体显示效果，可以消除颜色混叠现象。立体像素(8)的构成方式为：

R B G R B G R B G R B G R B G R B G……R B G R B G R B G

与竖直方向构成的角度为18.43°，与18.43°的斜纹光栅配合，具有较好的立体显示效果，可以消除颜色混叠现象。还存在两种子像素从左上到右下的对称结构，与上述两种完全等效，不再单独说明。现有技术的不足之处在于，纵向像素的分辨率只有原来的1/3，全高清屏的立体显示清晰度只有360P。

图2A是立体显示屏结构的侧视图，由格状光栅和平面显示屏(3)构成，格状光栅由格状菲林(1)和玻璃(2)粘合而成；图2B是主视图，平面显示屏(3)与格状光栅相互平行，并保持合适的间距固定安装在一起。

图3是显示屏立体像素组合示意图。一个完整2D像素由三个左右排列的子像素(4)构成，呈正方形；一个完整的立体像素由正“品”字形排列的三个子像素(5)或呈倒“品”字形排列的三个子像素(6)构成；子像素与子像素之间间隔3个子像素宽度，相邻两行子像素与子像素左右错开两个子像素的位置。显然，这种立体图像是四镜头拍摄的，分辨率在横纵向均降为全高清2D显示的1/2，即(1920/2)*(1080/2)，对于立体显示来说，其清晰度还是相当高的。

图4是基本型格状光栅示意图，由透光格(9)和遮光格(10)构成。透光格的形状、大小和位置与图3中一个视差图像的子像素大小和位置一一对应，由于投射关系，透光格的间距比子像素间距略小，约为99.7％。在2*2个完整2D像素的位置上，格状光栅具有3个透光孔，其优点是可以直接显示高清2D图像，甚至最细小的文字。基本型格状光栅有个明显的缺点，当观看者头部从适合的高度上下移动时，视差图像出现串扰，易产生眼晕感。

图5是改进型格状光栅示意图，由透光格(9)和遮光格(10)构成。在基本型格状光栅基础上，将透光格的高度减半。当观看者头部从适合的高度上下移动时，串扰现象将会明显减轻。如果图3中显示屏像素的开口率较低，即像素行与行之间有较大的间距时，串扰将完全消失，立体图像具有很高的清晰度。这时，即使观看者头部随意上下移动，只是会感到图像亮度的变化，容易调整最佳观看位置，不会产生眼晕。

图6是直纹狭缝光栅示意图，由横向透光条(11)和遮光条(12)构成，二者宽度大致相等，其栅距正好是一行像素的高度，即显示器像素的点距。将其贴在显示屏(3)上，等效于降低了像素的开口率，与改进型格状光栅配合可以消除上下视差串扰。

图7是直纹狭缝光栅与显示屏贴合图，遮光条(12)遮住了子像素(4)上下两端，相当于减低了显示屏开口率，可以消除上下视差串扰。缺点是降低了图像的亮度。

图8是改进型立体显示屏结构的侧视图，由格状光栅、直纹狭缝光栅(13)和平面显示屏(3)构成，格状光栅由格状菲林(1)和玻璃(2)粘合而成。

图9是凹柱镜板与显示屏贴合侧视图，凹柱镜板(14)紧密贴合在显示屏(3)上，每条凹柱镜正好覆盖一行像素，经过成像作用，像素行的高度被压缩，可以消除上下视差串扰而不降低图像亮度。

下面详细说明四视点高清立体显示器的结构和实现过程。

图像存储与播放处理器其实就是一台可播放高清视频的电脑主机，或者硬盘播放器，只要能完成立体图像存储、立体图像合成、立体图像实时显示的功能就行。首先，立体图像需要用分屏格式存储，所为分屏格式，就是将四幅视差图像按“左上”“右上”“左下”“右下”的顺序拼接成一个“田”字型大图，称为分屏图像，分辨率为1920*1080，然后将分屏图像直接编辑成全高清视频，便于压缩和管理；播放之前，先需要将全高清视频解压成序列分屏图，再将分屏图还原成四幅视差图像，按一定的规则抽样合成立体图像，实时播放出来。可见，抽样合成规则是实现立体显示的关键。

平面显示屏由液晶屏或者等离子屏构成，可以点对点的播放全高清1080P视频。子像素组合成立体像素的方式如图3所示，分为正“品”形(5)和倒“品”形(6)，依次交替而成，立体图像子像素排列规则为：

R1 G2 B3 R4 G1 B2 R3 G4 B1 R2 G3 B4 R1 G2 B3 R4 G1 B2 R3 G4 B1 R2 G3 B4……

R3 G4 B1 R2 G3 B4 R1 G2 B3 R4 G1 B2 R3 G4 B1 R2 G3 B4 R1 G2 B3 R4 G1 B2……

R1 G2 B3 R4 G1 B2 R3 G4 B1 R2 G3 B4 R1 G2 B3 R4 G1 B2 R3 G4 B1 R2 G3 B4……

R3 G4 B1 R2 G3 B4 R1 G2 B3 R4 G1 B2 R3 G4 B1 R2 G3 B4 R1 G2 B3 R4 G1 B2……

……

R1 G2 B3 R4 G1 B2 R3 G4 B1 R2 G3 B4 R1 G2 B3 R4 G1 B2 R3 G4 B1 R2 G3 B4……

R3 G4 B1 R2 G3 B4 R1 G2 B3 R4 G1 B2 R3 G4 B1 R2 G3 B4 R1 G2 B3 R4 G1 B2……

本发明采用1080P的全高清显示屏，可显示清晰度为(1920/2)*(1080/2)的立体图像，即立体图像的清晰度为960*540，获取4镜头立体图像源时，视差图像的宽高比按16∶9进行裁切，然后等比缩放成960*540像素，按2*2块拼接成1920*1080的分屏图像。如果是静态图像，直接存储；如果是动态影像，编辑成1080P全高清视频格式再存储。

格状光栅如图4所示，如果显示屏像素的点距为d，格状光栅水平栅距为

D＝4d*δ/3

透光格大小为(d*δ/3)*(d*δ)，遮光格大小为(d*δ)*(d*δ)，其中δ为修正系数，与光栅材料折射率、光栅到显示屏之间的距离以及观看距离均有关系，其值在0.995～0.999之间，需要依靠试验修正，最多三次试验就能获得精确的结果。格状光栅的透光格大小和形状可适当调整，但栅距必须严格固定，光栅菲林与显示屏的间距一般在2～10mm之间，与显示屏的大小有关。用高清立体显示器直接播放平面节目也是可行的，相比平面显示器而言，其清晰度基本相当。

抽样合成的规则是，将1080P全高清视频的每一帧分屏图像还原出来的4幅视差图像全部放大成1920*1080的RGB图像，用图4中白色透光格对应的所有子像素区域作为一个选区，提取第一幅视差图像相应的子像素；将选区右移一个子像素位置，从第二幅视差图像中提取相应的子像素；再将选区右移一个子像素位置，从第三幅视差图像中提取相应的子像素；选区再右移一个子像素位置，从第四幅视差图像中提取相应的子像素。最后，将全部4幅视差图像中提取的子像素合并成一幅完整的立体图像，在显示屏上以点对点的方式显示出来。有两个问题需要注意，其一，上述抽样合成方法只是一种容易理解的规则，并不是高效率的，需要在此基础上归纳出一种高效算法，直接快速将4幅视差图像抽样合成为立体图像；其二，图3是像素的微观放大图，是显示屏像素的物理排列方式，选区对应的是物理子像素，而在数字图像中，子像素是按RGB通道分别存储的，抽样合成时需要作相应的变换。

本发明公开的四视点高清晰自动立体显示器，具有观看自由度好，清晰度高的优点，与斜纹光栅立体显示器相比，清晰度提高了一倍以上，不用作2D/3D转换直接显示高清晰平面图像和文字。可广泛应用于手机屏、笔记本电脑、MP4等小型屏及大幅面LCD、PDP的立体显示。

具体实施方式：

用47英寸的全高清液晶屏组建一台四视点高清立体显示器。

准备一个47英寸的液晶屏，液晶屏的像素点距为0.5415mm。用激光照排机输出一张如图5所示的改进型格状光栅菲林，光栅图案有效面积为1060*600mm，格状光栅水平栅距为0.7196mm，透光格大小为0.1799mm*0.2699mm；用激光照排机输出一张如图6所示的直纹狭缝光栅菲林，透光条(11)和遮光条(12)的宽度大致相等，其栅距正好是显示器像素的点距，将格状光栅菲林贴合在玻璃前表面，将直纹狭缝光栅菲林贴合在玻璃后表面，紧贴安装在显示屏(3)上，相当于降低了显示屏像素的开口率，可以消除上下视差串扰带来的眼晕感。4视点的视频节目以分屏格式存放在硬盘上，立体视频播放器以每秒24帧以上的速度完成以下功能：全高清视频解码成单帧分屏图像，再拆分成4幅视差图像，按抽样合成规则将4幅视差图合成一幅立体图像，以点对点方式显示在屏幕上。

利用显示屏的倍频刷新技术，与专利申请200610110635.2相结合，可在保持立体显示清晰度的前提下将视点数提高到8个，进一步提高立体显示器的观看自由度和舒适性。

Claims

1.一种立体显示器，由图像存储与播放处理器、平面显示屏和格状光栅构成，可显示四镜头拍摄的立体图像和视频，其特征在于，图像存储与播放处理器可完成立体图像存储，抽样合成，全高清实时显示等功能，显示屏上R、G、B子像素依次以正的和倒的“品”字形结构组成立体像素，在水平方向上，立体像素的子像素与子像素之间间隔三个子像素的位置，立体图像相邻两行上子像素与子像素左右错开两个子像素的位置，格状光栅平行安装在平面显示屏(3)之外。

2.如权利要求1所述的立体显示器，其特征还在于，格状光栅由透光格(9)和遮光格(10)构成，透光格的大小和位置与立体图像的一个视差图子像素的大小和位置一一对应。

3.如权利要求2所述的立体显示器，其特征还在于，将透光格的高度减小一半，减轻上下视差串扰现象。

4.如权利要求3所述的立体显示器，其特征还在于，采用像素开口率较低的显示屏，当像素行与行之间有较大的间距时，可以消除上下视差串扰现象。

5.如权利要求3所述的立体显示器，其特征还在于，直纹狭缝光栅由横向透光条(11)和遮光条(12)构成，其栅距正好是显示器像素的点距，将其贴在显示屏(3)上降低像素的开口率。

6.如权利要求1或3所述的立体显示器，其特征还在于，凹柱镜板(14)紧密贴合在显示屏(3)上，每条凹柱镜正好覆盖显示屏的一行像素，经过成像作用，像素行的高度被压缩，可以消除上下视差串扰而不降低图像亮度。

7.如权利要求1所述的立体显示器，其特征还在于，立体图像采用分屏格式存储，即将四幅视差图像按“左上”“右上”“左下”“右下”的顺序拼接成一个“田”字型大图，图像的分辨率为1920*1080。