CN112243121A - 裸眼3d显示器的多模式显示方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种裸眼3D显示装置及多模式显示方法。裸眼3D显示装置由3D图像处理单元(1)、裸眼3D显示屏(2)、位置检测单元(3)三部分组成，位置检测单元(3)实时记录、分析显示器前方观众位置分布，根据位置分布情况，3D图像处理单元(1)从双视点、多视点、2D显示模式中自动选择，将裸眼3D显示屏(2)切换到合适的显示方式，解决了因串扰区域存在引起的眩晕问题，提高了观看舒适度和自由度。多模式显示方法不仅改善了裸眼3D显示公众展示面临的眩晕问题，还为裸眼3D显示进入家庭，社交电视进入3D、5G时代提供了有力的技术支撑。
Description
技术领域：
本发明涉及一种裸眼3D多模式显示方法，所述方法可用于裸眼3D电视、拼接屏、LED大屏等图像和视频的3D显示。
背景技术：
裸眼3D显示技术最大的优势便是摆脱了眼镜的束缚，已经开始小范围的商业运用。从技术上来看，裸眼式3D可分为光屏障式(Barrier)、柱状透镜(Lenticular Lens)技术、指向光源(DirectionalBacklight)以及直接成像四种，经过几年的发展，柱状透镜(简称柱镜)技术成为了实现裸眼3D显示的主要光学材料。裸眼3D在显示屏上的应用可分为两类：基于手机、Pad、笔记本电脑等个人终端的两视点技术，以及基于电视、拼接屏、LED大屏等公众展示的多视点技术。前者相对比较成熟，没有明显短板，后者技术上存在分辨率显著下降、3D图像串扰引起观看不适等缺陷。多视点裸眼3D显示器能够在观看空间中提供多个视点，观看者享有一定的自由度，但随着显示器视点数增多，图像分辨率下降严重，所以通常视点数不超过12个，后来发展了基于不完整视点图像的密集多视点技术，视点数可以达到更多，但其视角和视区跳变的角度都没有得到改善。多视点数带来的分辨率下降问题，随着4K、8K显示时代到来，得到了很大的改善。裸眼3D显示在空间中会形成多个重复的视区，当观看者相对于显示器水平移动时，在相邻视区处存在图像跳变的现象，各视区之间的跳变区域称为串扰区。在串扰区，观看者的左眼观看到右视差图像，右眼则观看到左视差图像，形成视差错乱，让观看者感觉头晕和不适，这是裸眼3D显示器最大的缺陷。目前已经商用的电视、广告机、拼接屏、LED大屏等裸眼3D设备，均存在这些不足，严重阻碍了裸眼3D市场推广应用的进程。针对观看视角和图像串扰的问题，在许多专利申请中提出了解决方案，但大多只是针对某单一问题进行部分改善，目前还没有看到实用有效的解决方案。
ZL201310152335提出一种消除多视点裸眼3D显示器视区跳变和增多视点的方法，该方法通过实时跟踪观看者的位置来对应渲染具有连续视差变化的视差图像，使得观看者在空间中的不同位置能看到不同视差的3D图像，从而实现消除视区跳变和不降低分辨率的同时能增多视点的目的。该发明提供的方法对单个观看者，或者数个间距合适、行动一致的观看者是有效的，而对于一群自由的观看者来说并不适用。
对于用户来说，社交电视这个概念还很陌生，但随着智能互联的发展，具备社交功能的电视将是未来大势，电视将成为社交媒体的一个重要端口，让身处不同地方的电视用户也可以随时讨论他们正在观看的电视视频，实现电视社交。简单来说，社交电视就是将社交媒体和电视进行结合，电视不再只是作为单纯的控制和显示设别，而是能够联动场景传递感情，用户可以在不同地点通过电视一起打游戏、一起K歌、互相分享视频内容。社交电视的出现，在一定程度上模糊了手机和电视的边界，电视的社交功能进一步得到扩大，这也将改变未来人们对电视的使用习惯，同时也为电视运营商、内容商制作更多的商机。社交电视拥有比传统电视更多的社交功能，在目前5G与AIOT领域大力发展和渐渐的普及之下，社交电视也是被许多业界人士看作是下一个行业的风口。本发明的另一个目的是为社交电视增加3D交互功能，双方或多方可以实现面对面的“窗口”社交，而不再是面对一个屏幕。
发明内容：
本发明公开一种裸眼3D显示装置及多模式显示方法。裸眼3D显示装置由3D图像处理单元(1)、裸眼3D显示屏(2)、位置检测单元(3)三部分组成，如图1所示。位置检测单元(3)实时记录、分析显示器前方观众位置分布，根据位置分布情况，3D图像处理单元(1)从双视点、多视点、2D显示模式中自动选择，将裸眼3D显示屏(2)切换到合适的显示方式，可以解决因串扰区域存在引起的眩晕问题，提高了观看舒适度和自由度。
位置检测单元(3)可以采用单摄像头、双摄像头、体感摄像头或者其它仪器设备，位于裸眼3D显示屏(2)的上方或下方，实时跟踪观众的头部或眼部位置。位置检测单元(3)可以识别观众为1人或多人两种情况；对于多人观看，可以识别观众人数，以及主要聚集观众与显示屏的平均距离L。本发明中位置检测单元(3)以单、双摄像头为例来描述跟踪方法，摄像头安装在显示屏中心的正上方或下方，镜头的光轴与显示屏的法线平行，这样设置的目的是便于描述起来更加简单，安装在其它位置和角度需要对拍摄对象的位置进行校准变换。
如图2所示，位置检测单元(3)可以单摄像头实时拍摄裸眼3D显示屏(2)前方空间2D图像，从图像上识别观众(7)人数，双眼(8)在图像上的位置分布，并且从图像中观众双眼的间距估测与裸眼3D显示屏(2)的间距，确定最佳观看距离L。
位置检测单元(3)还可以双摄像头实时拍摄裸眼3D显示屏(2)前方空间3D图像，识别观众(7)人数，双眼(8)位置分布，确定最佳观看距离L。实时摄录的3D图像除了用来识别观众距离和位置，还被3D图像处理单元(1)合成3D视频流，远程传输、显示。
裸眼3D显示屏(2)包括电视、拼接屏、LED等光栅结构的裸眼3D屏幕，光栅可以竖直配置，也可以根据需要倾斜θ角配置，如图5所示。在裸眼3D显示屏(2)前方空间，存在可视区域和串扰区域。多个被串扰区分割的可视区域分布在最佳观看距离L的有效范围w内，如图4所示，在此范围内，串扰区是最窄的，当交织图像在屏幕上偏移时，多个可视区同步产生左右偏移，利用这一特性，根据观众的分布实时调整偏移量，可以避开串扰区。在有效范围w之外，均属于串扰区。
3D可视区范围最大、串扰区最小的条件是，在观众位置的每一幅视点图像是收敛的，即观众的一只眼睛看到一幅完整的、没有与相邻视点串扰的图像。要满足这一条件，需要：
1)交织图像的栅距随最佳观看距离L实时调整；
2)光栅线条与显示屏像素相匹配。
两幅或多幅视差图像交织成的立体图像简称交织图像。与显示屏贴合时，由于光栅本身的制造误差、贴合工艺等原因，第二点很难得到保证，屏幕上出现明显弯曲的水波纹，增加了图像串扰程度。需要根据波纹形状对交织图像区域进行局部位移补偿，使每一个视点图像满足收敛条件。
3D图像处理单元(1)根据位置检测单元(3)发送的信息自动选择显示模式：
1)只有一个观众，选择双视点模式；
2)多个观众，通过调整交织图像可以避开串扰区的，选择多视点模式；
3)多个观众，通过调整交织图像无法全部避开串扰区的，选择2D模式。
3D图像处理单元(1)实时切换到合适的显示方式，可以解决家庭使用环境下因串扰引起的眩晕问题。但在公共展示环境下，上述的条件判断设置过于严苛，多数情况下只能2D显示，可以将2、3条件增加一个比例判断，比如多个观众，通过调整交织图像，超过20％无法避开串扰区(4)的，选择2D模式，这样大多数时间可处于3D显示模式。
处于双视点模式时，只需对一个观看者显示双视差图像，如图3所示，可以看到极好的立体感。位置检测单元(3)实时发送观看者眼睛的位置，以及与裸眼3D显示屏(2)的距离L，3D图像处理单元(1)实时调整交织图像在屏幕上的偏移量及栅距，使左右视差图像始终处于收敛状态，对准观看者的左右眼睛，观看者可以前后左右自由移动。调整交织图像更具体的算法可参考专利申请2019105342968。
处于多视点模式时，需要对一群观众显示多视点图像，可以看到较好的立体感。位置检测单元(3)实时发送观众(7)双眼(8)的位置分布，3D图像处理单元(1)按照一定的策略确定最佳观看距离L，以及交织图像在屏幕上的偏移量。
1)以聚集度高的观众、靠前的观众依次为优先级别，设定最佳观看距离L，调整交织图像的栅距，如图4所示；
2)以最佳观看距离L有效范围w内的观众(7)双眼(8)位置，最大化避开串扰区(4)来设定交织图像的偏移量，如图6所示。
处于2D模式时，2D、3D节目均为2D显示，不存在3D的串扰和晕眩。作为家庭使用的裸眼3D显示屏(2)，因观看成员较少，配置较细的光栅，显示较精细的2D、3D图像；作为公众展示使用的裸眼3D显示屏(2)，需要配置栅距较大的光栅，以获取较舒适的观看体验为主要目的。
附图说明：
图1是多模式裸眼3D显示器结构示意图。
图2是位置检测单元摄取的观众分布示意图。
图3是双视点显示模式示意图。
图4是多视点显示模式示意图。
图5是倾斜配置的柱镜光栅示意图。
图6是可视区与串扰区分布示意图。
上述各附图中的图示标号为：
1 3D图像处理单元，2裸眼3D显示屏，3位置检测单元，4串扰区，5左眼，6右眼，7观众，8双眼，9左出射光线，10右出射光线，11左右视图交界线，12柱镜光栅，13像素平面，14右视图样条，15左视图样条，16柱镜光栅线，17显示屏短边，18显示屏长边，19图像中位水平线，20串扰点，21中心对称点，P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7、P8、P9为多视点图像样条。
本发明公开的裸眼3D显示装置及多模式显示方法，通过实时分析观众位置分布，自动切换到合适的显示模式，解决了因串扰区域存在引起的眩晕问题，提高了观看舒适度和自由度。多模式显示方法不仅改善了裸眼3D显示公众展示面临的眩晕问题，还为裸眼3D显示进入家庭，社交电视进入3D、5G时代提供了一定的技术保障。
具体实施方式：
实施案例一。
裸眼3D电视机由3D图像处理单元(1)、裸眼3D显示屏(2)、位置检测单元(3)组成。本例中裸眼3D显示屏(2)为一65英寸4K液晶电视，配备40LPI焦距4mm的柱镜光栅，光栅倾斜角度θ约20°。位置检测单元(3)位于裸眼3D显示屏(2)的正上方，采用单摄像头，可摄取观众位置图像，从图像上识别观众(7)人数，双眼(8)的位置分布，并且从图像中估测出观众的最佳观看距离L。3D图像处理单元(1)是一台集成度较高的图像处理主机，根据位置检测单元(3)发送的信息自动选择显示模式，并根据当前的最佳观看距离L和串扰区(4)的最优分割线位置实时计算交织图像并显示出来。最佳观看距离L与交织图像栅距p的对应关系，可以预先设定成对照表直接查找。交织图像在屏幕上偏移量的最大值为一个栅距p。当偏移量为0时，图像中位水平线(19)上，与串扰区(4)相交的串扰点(20)呈中心(21)对称分布；偏移量从0逐渐增加到p，串扰点(20)相应横向线性移动一个周期到达下一个串扰点位置，串扰区(4)分割线的倾斜角度θ在移动过程中保持不变。由此可以根据观众(7)双眼(8)避开串扰区(4)的最优分割线位置，来确定交织图像的偏移量。在图像上，两个相邻串扰点(20)的中间点，与中心对称点(21)的距离为x，两个相邻串扰点之间的间距为x0，p*x/x0就是交织图像的偏移量。
当只有一个观众，自动选择双视点模式，交织图像由两幅视差较大的3D图像合成，位置检测单元(3)实时发送观看者眼睛的位置，以及最佳观看距离L，3D图像处理单元(1)实时调整交织图像在屏幕上的偏移量及栅距，观看者可以自由移动观看。多个观众，可以通过左右移动3D可视区，避开串扰区的，选择多视点模式，交织图像由多视点3D图像合成，位置检测单元(3)实时发送观众眼睛的位置，判断观众群最佳观看距离L以及合适的偏移量，3D图像处理单元(1)实时调整交织图像以达到观众舒适、自由移动观看的目的。多个观众，通过调整交织图像无法避开串扰区的，选择2D模式。
实施案例二。
为了实现3D社交和远程视频通话功能，位置检测单元(3)的功能由双摄像头提供，双摄像头可以升降隐藏，实时摄录的视频除了用来识别观众距离和位置，还被3D图像处理单元(1)合成3D视频流通过高速网络发送给通话对象，在对方裸眼3D显示屏(2)上显示出来，在5G网络环境下实现3D视频通话。具有视频通话和社交功能的裸眼3D电视机，除了满足公众展示功能外，更适合进入家庭使用。在公众场合使用的裸眼3D显示屏(2)配备栅距较大的光栅，功能上更偏重多视点显示、多人观看，一个人观看时切换到两视点显示模式，在无法绕开串扰区的极端情况下自动切换到2D显示。在家庭使用的裸眼3D显示屏(2)配备栅距较小的光栅，功能上更偏重2D显示的高清晰度、两视点显示，一个人观影或社交时切换到两视点显示模式，一家人观看3D视频时，通过3D图像处理单元(1)提供的两视点转多视点功能，切换到多视点显示模式，供全家人一起观看。除了自动适应全家人观看3D节目之外，还可以通过摄像头拍摄的实时影像，在裸眼3D显示屏(2)上提示、引导家人坐在(沙发等)3D可视区的舒适范围内。
Claims (10)
1.一种裸眼3D显示装置及多模式显示方法，其特征在于，裸眼3D显示装置由3D图像处理单元(1)、裸眼3D显示屏(2)、位置检测单元(3)三部分组成，位置检测单元(3)实时记录、识别观众位置分布，3D图像处理单元(1)从双视点、多视点、2D显示模式中自动选择，将裸眼3D显示屏(2)切换到合适的显示方式，解决裸眼3D显示因串扰区域存在引起的眩晕问题。
2.如权利要求1所述的装置及显示方法，其特征还在于，3D图像处理单元(1)根据位置检测单元(3)发送的位置分布自动选择显示模式：
1)只有一个观众，选择双视点模式；
2)多个观众，通过调整交织图像可以避开串扰区的，选择多视点模式；
3)多个观众，通过调整交织图像无法避开串扰区的，选择2D模式。
3.如权利要求2所述的装置及显示方法，其特征还在于，位置检测单元(3)采用单摄像头实时拍摄观众分布图像，识别图像中观众(7)人数，双眼(8)的位置分布，估测观众与裸眼3D显示屏(2)的最佳观看距离L，实时调整交织图像的栅距及偏移量。
4.如权利要求2所述的装置及显示方法，其特征还在于，位置检测单元(3)采用双摄像头实时拍摄裸眼3D显示屏(2)前方空间3D图像，识别观众(7)人数，双眼(8)位置分布，确定最佳观看距离L，调整交织图像的栅距及偏移量，实时摄录的3D图像除了用来调整交织图像，还被3D图像处理单元(1)合成3D视频流，远程传输、显示。
5.如权利要求2所述的装置及显示方法，其特征还在于，多个被串扰区分割的可视区域分布在最佳观看距离L的有效范围w内，当交织图像在屏幕上偏移时，多个可视区同步产生左右偏移，根据观众的分布实时调整偏移量，避开串扰区。
6.如权利要求2所述的装置及显示方法，其特征还在于，在观众位置的每一幅视点图像是收敛的，即观众的一只眼睛看到一幅完整的、没有与相邻视点串扰的图像，需要：
1)交织图像的栅距随最佳观看距离L实时调整；
2)光栅线条与显示屏像素经过局部位移补偿，使每一个视点图像满足收敛条件。
7.如权利要求6所述的装置及显示方法，其特征还在于，处于双视点模式时，交织图像由两幅视差较大的图像合成，位置检测单元(3)实时发送观看者眼睛的位置，以及最佳观看距离L，3D图像处理单元(1)实时调整交织图像的偏移量及栅距，使左右视差图像对于观看者的眼睛始终处于收敛状态，观看者可以自由移动。
8.如权利要求6所述的装置及显示方法，其特征还在于，处于多视点模式时，3D图像处理单元(1)按照下面的策略确定交织图像的栅距及偏移量：
1)以聚集度高的观众、靠前的观众依次为优先级别，设定最佳观看距离L；
2)以最佳观看距离L有效范围w内的观众最大化避开串扰区(4)来设定交织图像的偏移量；
3)通过摄像头拍摄的实时影像，在裸眼3D显示屏(2)上提示、引导观众进入3D可视区的舒适范围内。
9.如权利要求6所述的装置及显示方法，其特征还在于，最佳观看距离L与交织图像栅距p的对应关系，预先设定成对照表直接查找；两个相邻串扰点(20)的中间点，与中心对称点(21)的距离为x，两个相邻串扰点之间的间距为x0，p*x/x0就是交织图像的偏移量。
10.如权利要求6所述的装置及显示方法，其特征还在于，位置检测单元(3)的功能由双摄像头提供，双摄像头可以升降隐藏，实时摄录的视频除了用来识别观众距离和位置，还被3D图像处理单元(1)合成3D视频流通过高速网络发送给通话对象，在对方裸眼3D显示屏(2)上显示出来，在5G网络环境下实现3D视频通话。
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