CN103533336B - 高分辨率自由立体显示器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高分辨率自由立体显示器，该立体显示器由切换光栅和平板显示屏构成，平板显示屏可以是LCD、PDP、LED以及其它具有图像点对点显示功能的设备，具有较高的刷新频率，在倍频播放器控制下可以以基础频率的N倍刷新图像，同步器控制切换光栅与平板显示屏的刷新同步进行状态切换，倍频播放器输出的每一帧高分辨率的立体合成图象被分解成N幅全分辨率子图像，在一个基础刷新周期内依次点对点刷新显示，N幅子图像在切换光栅作用下可组合成N倍清晰度的图像。该发明突出的优点在于，可以实现大视角、高清晰的裸眼立体显示。

Description

高分辨率自由立体显示器

技术领域：

本发明涉及一种高分辨率自由立体显示器，更具体地讲，涉及一种高清晰的自由立体显示器，所述自由立体显示器可用于立体电视、3D游戏机、3D广告等。

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，但不适用于公共场所，特别是广告的展示。

近几年以来，不使用眼镜的自由立体技术被积极地研究，其代表是光栅立体显示器，它由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。光栅自由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。

目前已经开发成功的新型平板数字显示器共有十多种，已经商品化的大约有5、6种，其中LCD和PDP仍是目前新型数字显示器的主流。红、绿、蓝三原色的子像素在像素上的排列方式有四种：线条纹排列、三角形排列、正方形排列、马赛克排列。其中线条纹排列是最主要的形式，具体特征为，一个正方形的彩色像素点由3个横向排列的RGB子像素构成，子像素的宽高比为1∶3，尤其适合应用在自由立体显示器上。另外，以自主发光LED为显示像素的大型显示屏也开始应用在自由立体显示上，使自由立体显示开始向大屏幕方向发展。

自由立体显示需要多视点分割显示屏像素，必然带来图像清晰度的降低，即观看自由度与图像清晰度是冲突的，大多数立体显示器不适合显示精细的立体图像和文字。现有技术用4K显示屏来实现多视点立体图像的高清晰显示，在分辨率为3840×2160的显示屏上，9视点图像的立体分辨率可达1280×720，画质较细致。本发明将倍频刷新与高密度面板两种技术有机结合在一起，大幅增加显示面板的像素密度，会获得更清晰的自由立体显示。

发明内容：

本发明公开了一种立体显示器的结构和原理，目的在于提供一种可以高分辨率显示立体图像的裸眼显示器，不用转换到2D显示方式，就可直接播放高清的2D/3D节目。

立体显示器由高刷新率的切换光栅(1)、平板显示屏(2)、同步器(4)和倍频播放器(3)构成。

平板显示屏(2)可采用全高清或超高清的LCD、PDP或者高密度的LED全彩屏，以及其它具有图像点对点显示功能的设备，具有120HZ以上的图像刷新率。显示屏以基础频率的N倍交替刷新屏幕图像，基础频率一般为60Hz，也可以是其它合适的频率，也就是说，显示屏的刷新率等于基础频率的N倍。倍频播放器(3)输出的每一帧高分辨率的立体合成图象被分解成N幅全分辨率子图像，在一个基础刷新周期，即1/60秒内依次点对点刷新显示，N≥2，同步器(4)控制切换光栅(1)与平板显示屏(2)的刷新同步进行，被分解的N幅子图像同一视点的可视子像素被扫描组合成一帧N倍清晰度的立体图像。本发明即使采用较低的基础频率，也不会引起屏幕的闪烁，闪烁主要是由显示器总刷新率决定的。显示屏刷新率、基础频率与倍频数N的几种组合举例：

a.2倍频120Hz基础刷新率为60Hz；

b.3倍频120Hz基础刷新率为40Hz；

c.3倍频240Hz基础刷新率为80Hz；

d.4倍频240Hz基础刷新率为60Hz；

e.5倍频240Hz基础刷新率为48Hz。

通常自由立体显示器的面板清晰度为1920*1080像素，容纳5～9镜头，立体清晰度为360P～540P。面板清晰度达4K*2K以上的为高密度像素，9镜头立体视频的清晰度可达720P，而采用倍频技术的4K*2K面板可以容纳更多的镜头数，获得更高的清晰度。

切换光栅(1)具有相同的刷新率，平行安装在平板显示屏(2)之外，光栅的栅距根据显示屏像素尺寸、立体图像视点数量以及光栅的倾斜角度确定，切换光栅(1)分为可切换狭缝光栅和可切换柱镜光栅两种。在固定的一个视点，显示屏上可以看到的白格子像素叫可视子像素(14)，不能看见的黑格子像素叫不可视子像素(13)，切换光栅(1)共有N个状态，在一个基础周期内依次切换，等效于切换光栅(1)从初始状态水平移动，可视子像素(14)(15)依次出现在显示屏不同位置且均匀分布，在保证大视角的前提下提高了立体图像的清晰度。

可切换狭缝光栅的栅距为P，如果立体图像的视点数为m，透光缝隙(9)的宽度一般设定成P/m，狭缝光栅N个状态各种参数均相同，仅仅透光缝隙(9)的位置在水平方向有移动，相邻两个状态透光缝隙(9)(10)的中心间距为P/N。显然，镜头视点数不宜太大，否则光栅的透光率太低会导致立体图像过暗，两种典型设置为：

a.2倍频、120Hz、10视点，基础刷新率为60Hz——清晰较高、大视角，图像较暗；

b.5倍频、240Hz、5视点，基础刷新率为48Hz——全分辨率，亮度稍差、视角较小。

后一种设置中，立体图像是由5视点图像合成的，分解成的5幅全分辨子图像的可视子像素(14)列之间间隔4个子像素位置，相邻两幅分解图像的可视子像素列之间错位1个子像素位置，可切换狭缝光栅的透光缝隙(9)依次扫描子图像的5个可视子像素，因此可显示全分辨率的立体图像。

可切换柱镜光栅由柱镜光栅(16)和可切换狭缝光栅构成，可切换狭缝光栅的栅距P是柱镜光栅栅距p的N倍，透光缝隙的宽度不大于柱镜光栅栅距p，正对着透光缝隙(21)的柱镜处于导通状态，正对着遮光条(20)的柱镜处于关闭状态，可切换狭缝光栅的N个状态依次切换时，N个相邻的柱镜顺序导通和关闭，等效于栅距为P的柱镜光栅水平移动扫描。可切换柱镜光栅的透光率约为1/N，而N值一般取2，3或4，亮度较好，可以容纳更多的视点数，观看舒适度非常好，几种典型设置为：

a.2倍频、120Hz、10视点，基础刷新率60Hz——清晰较高、大视角、图像明亮；

b.4倍频、120Hz、8视点，基础刷新率30Hz——高清晰、视角较大、图像较亮，尤其适合高清晰静态图像展示；

c.3倍频、240Hz、15视点，基础刷新率80Hz——清晰较高、超大视角、图像明亮；

d.4倍频、240Hz、8视点，基础刷新率60Hz——高清晰、视角较大、图像较亮；

e.4倍频、240Hz、20视点，基础刷新率60Hz——清晰较高、视角超大、图像较亮。

LCD的刷新率可达240Hz，PDP的刷新率可达480Hz，实现2倍频、3倍频、4倍频甚至5倍频都是容易的，在4K*2K的面板上，2倍频可显示10视点、3倍频可显示15视点HD1920*1080立体图像。

两种切换光栅(1)都用到了可切换狭缝光栅，可切换狭缝光栅可以采用字段型液晶屏实现，即偏光片(17)、IPO(18)玻璃、液晶层(19)、IPO(18)玻璃、偏光片(17)构成的字段型液晶屏，同步器(4)接收平板显示屏(2)刷新图像的触发信号后，控制可切换狭缝光栅透光缝隙(9)的位置快速切换。因LCD最外层有一层偏光片，字段型液晶屏的一层偏光片可以省略掉。

立体视频的存储一般采用分屏格式，所为分屏格式，就是将视点序列图像冗余的部分子像素去除，重新编辑图像块(18)，再拼合成高清图像。分屏格式便于压缩和传输，倍频播放器需要完成立体视频解压缩、立体合成、分解为N幅全分辨率子图像、点对点倍频播放等功能。本发明中，立体视频的数据流量增加到N倍，给存储、传输、播放带来较大的带宽负担，可以尝试采用两视点立体图像附加立体深度的图像存储格式，倍频播放器芯片模块实时转换两视点为多视点立体图像，然后完成立体合成、分解、倍频播放。

自由立体显示器的光栅配置可以有很多种方案，每种方案中立体图像合成的方式是不尽相同的，具体涉及到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自由立体显示重要的依据。典型的光栅配置方案有：

a.竖直光栅，用于RGB子像素竖向排列，或者RGB子像素封装成一体的全像素显示屏，横向分辨率较低，且存在闪烁现象；

b.倾斜光栅，可视子像素(7)R、B、G从上到下依次错开一个子像素的位置，与竖直方向呈arctg(1/3)＝18.43°排成倾斜列，切换光栅(1)的光栅线条与纵向同样呈18.43°夹角，子像素具有更高的横向分辨率，可以避免色彩分离，串扰小，闪烁较轻，可视子像素横纵双向分辨率较均衡，颗粒感轻；

c.倾斜光栅，可视子像素(6)R、B、G与竖直方向呈arctg(2/9)＝12.53°排成倾斜列，切换光栅(1)的光栅线条与纵向同样呈12.53°夹角，可以避免色彩分离，串扰较小，无闪烁现象，可视子像素颗粒感较重；

d.倾斜光栅，可视子像素与竖直方向呈任意角度，切换光栅(1)的光栅线条与纵向为同样的夹角，可以避免色彩分离，串扰大，无闪烁现象，可以降低对立体光栅栅距的苛刻要求，但那是以降低显示效果为代价的。

附图说明：

图1A是立体显示器侧视图，图1B是立体显示器正视图，由切换光栅(1)、平板显示屏(2)、同步器(4)和倍频播放器(3)构成。

图2是平板显示屏(2)可视子像素示意图，可视子像素(7)列与竖直方向夹角为18.43°，可视子像素(6)列与竖直方向夹角为12.53°。

图3A是2倍频可切换狭缝光栅初始状态示意图，光栅线条与竖直方向呈18.43°，由透光缝隙(9)和遮光条(8)构成；图3B是2倍频可切换狭缝光栅第二状态示意图，由透光缝隙(10)和遮光条(8)构成；图3C是2倍频切换组合后狭缝光栅示意图，由透光缝隙(9)、透光缝隙(10)和遮光条(8)组成，透光缝隙的密度增加了一倍。

图4A是2倍频可切换柱镜光栅初始状态示意图，柱镜(11)导通，柱镜(12)关闭；图4B是2倍频可切换柱镜光栅第二状态示意图，柱镜(11)关闭，柱镜(12)导通；图4C是2倍频切换组合后柱镜光栅示意图，柱镜密度增加了一倍。

图5A是10视点立体合成图像2倍频分解后初始状态子图像，可视子像素列(14)与竖直方向夹角为18.43°，黑格为不可视子像素(13)；图5B是10视点立体合成图像2倍频分解后第二状态子图像，可视子像素列(15)的位置平移了5个格；图5C是2倍频切换组合后立体图像，可视子像素密度增加了一倍。

图6A是可切换柱镜光栅截面示意图，由柱镜光栅(16)和字段型液晶屏构成。偏光片(17)、IPO(18)玻璃、液晶层(19)、IPO(18)玻璃、偏光片(17)构成字段型液晶屏；图6B是可切换柱镜光栅初始状态截面示意图，图6C是可切换柱镜光栅第二状态截面示意图，透光缝隙(21)与遮光条(20)控制柱镜的导通与关闭。柱镜光栅(16)的凸面既可以朝内面对平板显示屏(2)，也可以朝外面对观众，但必须保证平板显示屏(2)的像素面处于聚焦位置。

图7是5倍频可切换狭缝光栅时序状态截面示意图，狭缝光栅由透光缝隙(9)和遮光条(8)周期性排列而成。

下面详细说明自由立体显示器的实现过程。

倍频播放器将以分屏格式存储的立体视频帧图像解压缩，预处理成全分辨率的视点序列图像，立体合成高分辨率图像，分解成N幅全分辨率子图像，同步器控制切换光栅同步转换状态，点对点倍频播放立体图像。全分辨率是指平板显示屏(2)的物理分辨率，是可显示的最高清晰度，而高分辨率图像可能具有更大的图像数据，但无法一次显示出来。全分辨率的视点序列图像直接合成N幅全分辨率子图像将更加方便和直观，合成方法如图5所示，可以减少立体合成高分辨率图像及分解两个过程。

图5A所示的初始状态子图像，其可视子像素列(14)全部来源于全分辨率视点序列图像中的第一视点图像对应位置子像素，随着观察点的横向移动，可视子像素平移到下一列子像素，形成第二视点图像，依此类推。可视子像素列(14)右移一个子像素位置的全部子像素，来源于全分辨率视点序列图像中的第二视点图像对应位置子像素；可视子像素列(14)右移两个子像素位置的全部子像素，来源于全分辨率视点序列图像中的第三视点图像对应位置子像素；……；可视子像素列(14)右移九个子像素位置的全部子像素，来源于全分辨率视点序列图像中的第十视点图像对应位置子像素。

图5B所示的第二状态子图像，其可视子像素列(15)全部来源于全分辨率视点序列图像中的第一视点图像对应位置子像素；可视子像素列(15)右移一个子像素位置的全部子像素，来源于全分辨率视点序列图像中的第二视点图像对应位置子像素；可视子像素列(15)右移两个子像素位置的全部子像素，来源于全分辨率视点序列图像中的第三视点图像对应位置子像素；……；可视子像素列(15)右移九个子像素位置的全部子像素，来源于全分辨率视点序列图像中的第十视点图像对应位置子像素。可视子像素列(15)的位置相对于可视子像素列(14)右移了5个子像素，在立体合成时要注意到这一点，其它立体显示器配置方案的立体合成方法可参照此实现，对本领域技术人员来说不是难事。

本发明公开的高分辨率自由立体显示器，应用倍频刷新和光栅切换技术，清晰度提高了数倍，不需作2D/3D转换可直接显示高清晰平面图像和文字，应用在裸眼立体电视上，具有宽视角、大景深、高清晰的优势。

具体实施方式：

实施案例一，高亮度、大视角自由立体显示器。

准备一台分辨率1920*1080、刷新率120Hz的47英寸液晶电视，液晶电视的像素点距为0.5415mm。可切换柱镜光栅的有效面积为1040*585mm，光栅线条与竖直方向倾斜角度为18.43度，由柱镜光栅(16)和字段型液晶屏构成，IPO(18)玻璃上印制线条形电极，由电压控制透光缝隙(21)与遮光条(20)的转换，形成柱镜的导通与关闭。柱镜光栅(16)的凸面朝内面对液晶电视屏幕，像素面处于聚焦位置，通过共用液晶电视的外层偏光片，靠近柱镜光栅(16)的偏光片(17)可以省略。柱镜光栅(16)的栅距p＝0.8548mm，液晶狭缝光栅的栅距P＝1.7107mm，透光缝隙(21)的宽度为0.8553mm。为了减少串扰，可以适当减少透光缝隙的宽度，使任意两个柱镜的交界处始终被遮挡。立体视频节目以分屏格式存放在硬盘上，倍频播放器实时完成解压缩、预处理、子图像合成，同步器控制光栅进行状态切换，播放器输出子图像在液晶电视上点对点显示。

上述可切换柱镜光栅和液晶电视组成一台2倍频10视点立体显示器，立体图像是由10视点序列图像合成的，分解成的全分辨子图像的可视子像素列(14)之间间隔9个子像素位置，立体图像清晰度可达540P。

将本实施案例的可切换柱镜光栅加以改动，可以组成一台3倍频15视点立体显示器，立体图像是由15视点序列图像合成的，分解成的全分辨子图像的可视子像素列之间间隔14个子像素位置，基础频率为40Hz，立体图像清晰度540P。

实施案例二，全分辨率自由立体显示器。

准备一台分辨率1920*1080、刷新率240Hz的47英寸液晶电视，液晶电视的像素点距为0.5415mm。可切换狭缝光栅的有效面积为1040*585mm，光栅线条与竖直方向倾斜角度为18.43度，栅距p＝0.8548mm，透光缝隙(9)的宽度为0.1710mm。可切换狭缝光栅由字段型液晶屏构成，每个栅距被等分成5个线条，IPO(18)玻璃上印制对应的线条形电极，由电压控制该线条在透光与遮光两种状态间转换，任意时刻一个栅距内只有一个线条透光，形成狭缝光栅的透光缝隙(9)，其它线条遮光，形成狭缝光栅的遮光条(8)，面对液晶电视屏幕的偏光片可以省略。如图7所示，从t1时刻初始状态开始，透光缝隙(9)的位置在水平方向向右移动，经过t2、t3、t4、t5时刻，透光缝隙(9)移动一个完整栅距，可显示全分辨率立体图像。立体视频节目以分屏格式存放在硬盘上，倍频播放器实时完成解压缩、预处理、子图像合成，同步器控制光栅进行状态切换，播放器输出子图像在液晶电视上点对点显示。

上述可切换狭缝光栅和液晶电视组成一台5倍频5视点立体显示器，立体图像是由5视点序列图像合成的，分解成的全分辨子图像的可视子像素列之间间隔4个子像素位置，基础刷新率为48Hz，立体图像清晰度可达全分辨率1080P，显示器亮度稍差，视角偏小。

本发明是基于光栅方向与竖直方向呈18.43°的图例结构加以描述的，但显然，其它倾斜角度包括竖直光栅的配置结构，只要采用了图像倍频刷新与切换光栅同步刷新技术，也符合本发明的描述；部分显示器子像素的排列顺序不是RGB，而是BGR，按本发明的描述作适当调整后也能实现高清立体显示。

Claims (8)

1.一种自由立体显示器，由切换光栅(1)和平板显示屏(2)构成，平板显示屏(2)包括LCD、PDP、LED以及其它具有图像点对点显示功能的设备，其特征在于，平板显示屏(2)具有较高的刷新频率，在倍频播放器(3)控制下可以以基础频率的N倍刷新图像，切换光栅(1)的状态切换在同步器(4)控制下与平板显示屏(2)的刷新同步进行，倍频播放器(3)输出的每一帧高分辨率的立体合成图象被分解成N幅全分辨率子图像，在一个基础刷新周期内依次点对点刷新显示，N≥2，N幅子图像同一视点的可视子像素被扫描组合成一帧N倍清晰度的立体图像；其中，

切换光栅(1)共有N个状态，在一个基础周期内依次切换，等效于切换光栅(1)从初始状态水平移动，可视子像素分N次扫描，依次出现在显示屏不同位置且均匀分布，在保证大视角的前提下提高了立体图像的清晰度。

2.如权利要求1所述的立体显示器，其特征还在于，切换光栅(1)为可切换狭缝光栅，N个状态透光狭缝的中心间距为狭缝光栅栅距的N分之一。

3.如权利要求1所述的立体显示器，其特征还在于，切换光栅(1)为可切换柱镜光栅，由柱镜光栅(16)和可切换狭缝光栅构成，可切换狭缝光栅的栅距P是柱镜光栅栅距p的N倍，透光狭缝的宽度不大于柱镜光栅栅距p，正对着透光缝隙(21)的柱镜处于导通状态，正对着遮光条(20)的柱镜处于关闭状态，可切换狭缝光栅的N个状态依次切换时，N个相邻的柱镜顺序导通和关闭，等效于栅距为P的柱镜光栅水平移动扫描。

4.如权利要求2或3所述的立体显示器，其特征还在于，可切换狭缝光栅采用字段型液晶屏实现，即偏光片(17)、IPO(18)玻璃、液晶层(19)、IPO(18)玻璃、偏光片(17)构成的字段型液晶屏，同步器(4)接收触发信号后，控制可切换狭缝光栅透光缝隙(9)的位置快速切换。

5.如权利要求4所述的立体显示器，其特征还在于，平板显示屏(2)上可视子像素(7)从上到下依次错开一个子像素的位置，与竖直方向呈arctg(1/3)＝18.43°排成倾斜列，切换光栅(1)的光栅线条与纵向同样呈18.43°夹角。

6.如权利要求5所述的立体显示器，其特征还在于，立体图像是由10视点序列图像合成的，分解成的全分辨子图像的可视子像素列(14)之间间隔9个子像素位置，切换光栅(1)为2倍频可切换柱镜光栅。

7.如权利要求5所述的立体显示器，其特征还在于，立体图像是由15视点序列图像合成的，分解成的全分辨子图像的可视子像素列之间间隔14个子像素位置，切换光栅(1)为3倍频可切换柱镜光栅。

8.如权利要求2或5所述的立体显示器，其特征还在于，立体图像是由5视点序列图像合成的，分解成的全分辨子图像的可视子像素列之间间隔4个子像素位置，切换光栅(1)为5倍频可切换狭缝光栅，可显示全分辨率的立体图像。