CN102238409B - 一种裸眼3d电视墙 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种裸眼3D电视墙。这种裸眼3D电视墙由全彩色发光二极管（LED）阵列和狭缝光栅（或柱镜光栅）组成。光栅置于LED显示阵列前方，与阵列平面平行，并且光栅与LED的列方向成倾斜角度。当多视角图像交错混合显示在LED阵列上时，无需佩戴特殊眼镜即可在LED电视墙上观察到巨幅3D图像。已有的裸眼3D电视墙使用三个一组的单色LED做为基本显示单元，和液晶显示器面板上的红绿蓝子像素结构相似。与之不同，本发明使用全彩色LED管做为基本显示单元，从而在相同LED排列密度下提供了比单色LED高得多的显示分辨率。本发明文档将描述采用全彩色LED制作裸眼3D电视墙所需的多视角图像交错混合方式和光栅结构设计。

Description

一种裸眼3D电视墙

技术领域

本发明涉及立体显示领域，尤其涉及一种使用全彩色发光二极管阵列实现的裸眼3D立体电视墙。

技术背景

近年来，随着液晶显示技术的进步，裸眼3D显示技术，或称自由立体显示技术，取得很大发展。裸眼3D显示技术的原理是通过光的遮挡或光的折射等方式将显示面板上的具有细微视差的图像分别送到观看者的左右眼中，在大脑中进行融合从而产生立体感觉。目前主要的裸眼3D显示技术主要分为狭缝光栅式和柱镜光栅式两种。由于光栅的放置与像素的列方向成一定倾斜角度，显示分辨率的损失可以分散在水平和竖直两个方向。有关裸眼3D成像的具体原理，请参阅N.A.Dodgson发表的题为“Autostereoscopic 3D Display”的文章(Computer，Vol.38，Issue 8，2005，Pages 31-36)。

狭缝光栅和柱镜光栅技术同样可以应用到LED电视墙上来产生裸眼3D显示效果。我们知道，液晶面板上的一个像素是由红绿蓝三个子像素构成。类似地，当LED显示阵列上的一个基本显示单元是三个一组的单色红绿蓝LED时，多视角图像交错混合的方式和光栅结构设计与用于液晶面板时没有区别。然而，新技术可以将三个单色LED封装在一起，形成一个全彩色的LED。这样，在相同LED排列密度下，使用全彩色LED管的显示阵列就可以提供比单色LED管至少高三倍的显示分辨率。由此，我们需要新的多视角图像交错混合方式和新的光栅结构设计。

发明内容

本发明涉及一种使用全彩色LED阵列的裸眼3D电视墙。应用这种设计可以在无需佩戴特殊眼镜的情况下看到电视墙上显示的巨幅3D图像。

一种裸眼3D电视墙，由全彩色LED显示阵列和光栅组成；所述光栅放置于全彩色LED显示阵列前方，与全彩色LED显示阵列平面平行并保持距离，光栅方向与全彩色LED列方向成倾斜角度；当多视角图像交错混合并显示在全彩色LED阵列上时，使得显示分辨率损失同时分担在水平和竖直两个方向上，无需佩戴特殊眼镜即可以电视墙上观看到3D图像。

所述LED显示阵列前的光栅是狭缝光栅或是柱镜光栅。

所述多视角图像交错混合通过以下方式实现：

由于光栅方向与全彩色LED显示阵列的列方向成倾斜角度，显示分辨率的损失会同时分担在水平和竖直两个方向；

设使用K个视角的视图，K可分解成M×N，设M为整数，1＜M＜K，N＝K/M；则得出相应的多视角图像交错混合方式，以及相应的光栅参数，使得竖直方向立体显示分辨率降低至原来的1/M，水平方向分辨率降低至原来的1/N，总体分辨率下降为原来的1/(M×N)＝1/K；

则多视角图像交错混合按如下的方式进行：沿LED行方向，相邻LED管的像素来源于相差M个视角差的视图；沿LED列方向，相邻LED管的像素来源于相差1个视角差的视图。

当所述显示阵列的LED管水平间距与竖直间距比为r时，光栅与LED的列方向夹角应为α＝tan^-1(r/M)；以保证透过光栅观察到的像素来源于相同视角的视图；

则此时的放大系数为其中W为观察者双眼间距，p_h为LED管沿行方向的间距；所述光栅的一个单元宽度

所述狭缝光栅或柱镜光栅平行放置于LED显示阵列前方；设光栅与LED显示阵列距离为d，则裸眼立体效果的最优观察距离为：

D＝m×d

进一步的，所述观察者双眼间距取W＝65mm。

所述LED管在显示阵列中沿水平和竖直方向等距规则地排列。

所述全彩色LED显示阵列的基本单元是全彩色LED管。这种LED管实际上是将红绿蓝三个单色LED封装到一个管子当中构成。这种全彩色LED管可以发出各种颜色的光。使用全彩色LED的好处是，一个彩色像素可以仅由一个LED管显示，而不必使用三个LED管显示。在相同LED排列密度下，使用全彩色LED可以提供至少三倍于单色LED的显示分辨率。如同2D显示一样，裸眼3D电视墙的全彩色LED管也是等间距规则地排列在显示阵列上。

裸眼3D显示效果由狭缝光栅(或柱镜光栅)实现。光栅平行于LED阵列平面放置，并与阵列平面保持距离。当多视角图像交错混合并显示在LED阵列上，由于狭缝光栅的阻挡作用，或柱镜光栅的折射作用，观察者左右眼看到不同的视图从而在大脑中形成立体视觉。由于光栅与LED的列方向成倾斜角度，显示分辨率的损失会同时分担在水平和竖直两个方向。

本发明所产生的有益效果为：

(1)应用这种设计可以在无需佩戴特殊眼镜的情况下看到LED电视墙上显示的巨幅3D图像。

(2)本发明保持LED显示矩阵中LED管的规则排列，依靠与LED列方向成倾斜角度的狭缝光栅或柱镜光栅实现裸眼3D显示效果。

(3)本发明使用全彩色LED管做为基本显示单元，从而在相同LED排列密度下提供了比单色LED高得多的显示分辨率。

附图说明

图1是全彩色LED阵列实现的裸眼3D电视墙的具体实施示意图，图中：11为全彩色LED显示阵列，12为全彩色LED管，13狭缝光栅或柱镜光栅；

图2是5视角情况下，一种光栅结构设计和多视图像素交错混合方式的示意图；

图3是8视角情况下，一种光栅结构设计和多视图像素交错混合方式的示意图。

具体实施方式

图1是全彩色LED阵列实现的裸眼3D电视墙的具体实施示意图，图中：11为全彩色LED显示阵列，12为全彩色LED管，13狭缝光栅或柱镜光栅。如图1所示：一种裸眼3D电视墙，由全彩色LED显示阵列11和狭缝光栅或柱镜光栅13组成；所述狭缝光栅或柱镜光栅13放置于全彩色LED显示阵列11前方，与全彩色LED显示阵列11平面平行并保持距离，光栅方向与全彩色LED列方向成倾斜角度；当多视角图像交错混合并显示在全彩色LED阵列上时，使得显示分辨率损失同时分担在水平和竖直两个方向上，无需佩戴特殊眼镜即可以电视墙上观看到3D图像。

裸眼3D显示效果由狭缝光栅(或柱镜光栅)实现。光栅平行于LED阵列平面放置，并与阵列平面保持距离。当多视角图像交错混合并显示在LED阵列上，由于狭缝光栅的阻挡作用，或柱镜光栅的折射作用，观察者左右眼看到不同的视图从而在大脑中形成立体视觉。由于光栅与LED的列方向成倾斜角度，显示分辨率的损失会同时分担在水平和竖直两个方向。，多视角图像交错混合通过以下方式实现：

由于光栅方向与全彩色LED显示阵列的列方向成倾斜角度，显示分辨率的损失会同时分担在水平和竖直两个方向；设使用K个视角的视图，K可分解成M×N，设M为整数，1＜M＜K，N＝K/M；则得出相应的多视角图像交错混合方式，以及相应的光栅参数，使得竖直方向立体显示分辨率降低至原来的1/M，水平方向分辨率降低至原来的1/N，总体分辨率下降为原来的1/(M×N)＝1/K；

则多视角图像交错混合按如下的方式进行：沿LED行方向，相邻LED管的像素来源于相差M个视角差的视图；沿LED列方向，相邻LED管的像素来源于相差1个视角差的视图。

当所述显示阵列的LED管水平间距与竖直间距比为r时，光栅与LED的列方向夹角应为α＝tan^-1(r/M)；以保证透过光栅观察到的像素来源于相同视角的视图；

则此时的放大系数为其中W为观察者双眼间距，p_h为LED管沿行方向的间距；所述光栅的一个单元宽度

所述狭缝光栅或柱镜光栅平行放置于LED显示阵列前方；设光栅与LED显示阵列距离为d，则裸眼立体效果的最优观察距离为：

D＝m×d

实施例1

图1是全彩色LED阵列实现的裸眼3D电视墙的具体实施示意图。裸眼3D电视墙由全彩色LED显示阵列(11)和狭缝光栅(13)或柱镜光栅组成。LED阵列的基本显示单元是全彩色LED管(12)。狭缝光栅或柱镜光栅放置于LED阵列前方，与LED阵列平面平行，且与LED的列方向成一定角度。如果要产生800×600像素的2D显示分辨率，则需要48万个全彩色LED管排列在显示阵列上。当LED管间距为4毫米时，整块LED阵列的面积大约为3.2×2.4平方米。

全彩色LED显示阵列11的基本单元是全彩色LED管12。这种LED管12实际上是将红绿蓝三个单色LED封装到一个管子当中构成。这种全彩色LED管可以发出各种颜色的光。使用全彩色LED的好处是，一个彩色像素可以仅由一个LED管显示，而不必使用三个LED管显示。在相同LED排列密度下，使用全彩色LED可以提供至少三倍于单色LED的显示分辨率。如同2D显示一样，裸眼3D电视墙的全彩色LED管也是等间距规则地排列在显示阵列上。

图2为5视图情况下，一种光栅结构设计和多视角图像交错混合方式的示意图。图中的圆圈表示全彩色LED管(12)，圆圈中的数字表示其所显示的像素来源于第几视图。由图所示，透过狭缝光栅或柱镜光栅，在单一观察位置只能看到属于同一个视图的像素。比如，图2中的虚线所示，所有被观察到的像素都来源于第2个视图。由于光栅倾斜放置，并且多视角图像以相应的方式交错混合，显示分辨率的损失同时分担在在水平和竖直两个方向。按“发明内容”中的符号定义和计算公式，可以得到以下数据。这里视角数K＝5，M＝2，N＝2.5。即水平方向分辨率降低到原来的1/2.5，竖直分辨率降低到原来的1/2。多视角视图交错混合方式为：沿LED行方向相邻像素来源于视角差为M＝2的视图，沿LED列方向相邻像素来源于视角差为1的视图。当LED管在水平和竖直方向等距排列时，光栅(13)与LED的列方向倾斜角为α＝tan^-1(1/2)。如果取LED管沿行方向的间距p_h＝4毫米，观察者双眼间距W＝65毫米，则放大系数m＝32.5。此时光栅每个单元的宽度为p_μ＝8.677毫米。如果光栅与LED显示阵列距离为d＝100毫米，则裸眼立体效果的最优观察距离为D＝3.25米。与图3所示的8视角设计相比，图2所示的5视角设计使得显示分辨率损失较低，最优观察距离稍近，然而观察者却会有1/5的机率因处于视角过渡区而看不到正确的立体图像匹配对。

实施例2

图3是8视角情况下，一种光栅结构设计和多视图像素交错混合方式的示意图；图3与图2类似，但示意了8视角情况下，一种光栅结构设计和多视角图像交错混合方式。从LED管(12)圆圈编号可以看出，这里用了一种新的像素交错混合格式。这种情况下，视角数K＝8，M＝3，N＝8/3。即水平方向分辨率降低到原来的3/8，竖直分辨率降低到原来的1/3。多视角视图交错混合方式为：沿LED行方向相邻像素来源于视角差为M＝3的视图，沿LED列方向相邻像素来源于视角差为1的视图。当LED管在水平和竖直方向等距排列时，光栅(13)与LED的列方向倾斜角为α＝tan^-1(1/3)。如果取LED管沿行方向的间距p_h＝4毫米，观察者双眼间距W＝65毫米，则放大系数m＝48.75。此时光栅每个单元的宽度为p_μ＝9.916毫米。如果光栅与LED显示阵列距离为d＝100毫米，则裸眼立体效果的最优观察距离为D＝4.875米。图3所示的8视角设计仅有1/8的机率因处于视角过渡区而看不到正确的立体图像匹配对，最优观察距离稍远，然而这时的显示分辨率损失却较高。在实际中采用5视角还是8视角，或是类似地其它视角数，要在显示分辨率损失和视角过渡区出现几率之间选择一个利弊权衡。

Claims (8)

1.一种裸眼3D电视墙,其特征在于：所述裸眼3D电视墙由全彩色LED显示阵列和光栅组成；所述光栅放置于全彩色LED显示阵列前方，与全彩色LED显示阵列平面平行并保持距离，光栅方向与全彩色LED显示阵列的列方向成倾斜角度；当多视角图像交错混合并显示在全彩色LED显示阵列上时，使得显示分辨率损失同时分担在水平和竖直两个方向上,无需佩戴特殊眼镜即可以电视墙上观看到3D图像；所述多视角图像交错混合通过以下方式实现：

由于光栅方向与全彩色LED显示阵列的列方向成倾斜角度，显示分辨率的损失会同时分担在水平和竖直两个方向；

设使用K个视角的视图，K可分解成M×N，设M为整数，1＜M＜K，N=K/M；则得出相应的多视角图像交错混合方式以及相应的光栅参数，使得竖直方向立体显示分辨率降低至原来的1/M，水平方向分辨率降低至原来的1/N，总体分辨率下降为原来的1/(M×N)=1/K；

则多视角图像交错混合按如下的方式进行：沿全彩色LED显示阵列的行方向，相邻全彩色LED管的像素来源于相差M个视角差的视图；沿全彩色LED显示阵列的列方向，相邻全彩色LED管的像素来源于相差1个视角差的视图。

2.根据权利要求1所述的一种裸眼3D电视墙，其特征在于，当所述全彩色LED显示阵列的全彩色LED管水平间距与竖直间距比为r时，光栅与全彩色LED显示阵列的列方向夹角应为α=tan^-1(r/M)；以保证透过光栅观察到的像素来源于相同视角的视图；

则此时的放大系数为

其中W为观察者双眼间距，p_h为全彩色LED管沿行方向的间距。

3.根据权利要求2所述的一种裸眼3D电视墙，其特征在于，所述光栅的一个单元宽度 $p_{\mathrm{\μ}}=\frac{m}{m+1}\frac{p_h}{M}K\cos \mathrm{\α}.$

4.根据权利要求2所述的一种裸眼3D电视墙，其特征在于，所述观察者双眼间距取W=65mm。

5.根据权利要求1所述的一种裸眼3D电视墙，其特征在于，全彩色LED显示阵列的基本单元为全彩色LED管，所述全彩色LED管是由红绿蓝三个单色LED管封装到一个管子当中构成，可发出全彩色的光。

6.根据权利要求1所述的一种裸眼3D电视墙，其特征在于，所述全彩色LED管在显示阵列中沿水平和竖直方向等距规则地排列。

7.根据权利要求1所述的一种裸眼3D电视墙，其特征在于，所述全彩色LED显示阵列前的光栅是狭缝光栅或是柱镜光栅。

8.根据权利要求7所述的一种裸眼3D电视墙，其特征在于，所述狭缝光栅或柱镜光栅平行放置于全彩色LED显示阵列前方；当光栅与全彩色LED显示阵列距离为d，则裸眼立体效果的最优观察距离为D=m×d，其中m为放大系数。

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