CN102213836B - 一种用于地铁隧道的自由立体显示系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于地铁隧道的自由立体显示系统。这种系统使得旅客能够在列车高速通过隧道时看到车窗外的立体图像。该显示系统由等距竖直排列在隧道墙壁上的LED(发光二极管)光柱组成。每个LED光柱又由多列LED和狭缝光栅组成。当LED按照多视角图像像素阵列和列车运行即时速度变化时，旅客在不用戴眼镜的情况下就可以看到立体图像。由于旅客会对旅途中神奇的立体显示效果产生深刻印象，这种显示系统特别适合于地铁隧道里的商业广告、公益宣传等用途。

Description

一种用于地铁隧道的自由立体显示系统

技术领域

本发明涉及立体显示领域，尤其涉及一种用于地铁隧道的自由立体显示系统。

背景技术

近年来一些大城市里出现了地铁隧道广告系统。这是一种安装在隧道墙壁上的特殊显示装置。当列车在隧道里高速行驶时，旅客能够看到车窗外的静态或连续变化图像。然而这种系统仅能显示2D的平面图像。本发明将介绍地铁隧道环境下的自由立体显示设计方案，使得旅客在高速旅行时不戴特殊眼镜的情况下能够看到3D立体图像。 

这里提及的所有显示系统均使用LED光柱。使用LED光柱而不是LCD屏幕是因为LED成本低、亮度高，而且LED还具有对隧道显示系统很重要的一项特性——足够高的工作频率。下面将先介绍LED光柱实现的2D显示系统，再介绍能够产生自由立体效果的LED光柱设计。之后进一步介绍实际工程中需要考虑的一些重要问题。

发明内容

本发明为一种用于地铁隧道的自由立体显示系统, 该系统由等距竖直排列在隧道墙壁上的LED光柱组成；当LED按照多视角图像像素阵列和列车运行即时速度变化时，旅客在不用戴眼镜的情况下就可以看到立体图像。 

所述LED光柱由多列LED和狭缝光栅构成，LED的RGB颜色呈水平排列，上下垂直排列，垂直方向为等距对齐排列或错位排列，每一列LED显示来自不同视图的像素。

当一个狭缝光栅置于LED光柱前，使得头部移动时，每只眼睛透过狭缝只能看到一列LED，双眼看到相邻列LED。 观察者眼前的数字代表一个LED透过狭缝的照亮区域。这里假定观察者总是平行于隧道墙壁移动，所有观察距离保持恒定。狭缝光栅的放置可以使得一个LED照亮区域刚好等于观察者双眼间距离。由于狭缝光栅的存在，被照亮的可视区域总是取LED源视图的反序。 

    所述每个光柱里使用多列LED配合与其前方放置的狭缝光栅，狭缝光栅是单狭缝光栅或多狭缝光栅。

    为降低看到不正确立体匹配对的几率，不需要修改LED结构及排列方式，设原有K个视图数，则每增加一个视图数，可使得不正确立体匹配对的几率由理论上的1/K降为1/(K+1),即当增加n个视图数时, 可使得不正确立体匹配对的几率由理论上的1/K降为1/(K+n)。

    为减弱非同源视图里的拼接现象，将视图数增加一倍，且将光栅的栅距增加一倍，可使得双眼跨越2个视图，如果增加n倍，可以使双眼跨越n+1个视图； 

为消除扫描图像中的黑色条纹，可将多列LED排列由原来垂直方向上的相邻两行对齐排列，修改为相邻两行错位排列，即将LED规则排列分解为两个互补相嵌排列

对于自由立体成像的情况，LED应从不同的视图里取像素值。假定这里有K幅视图，表示为PICk, k = 1,…,K，每幅视图的分辨率都为M*N。光柱上排列M行L列LED，索引为LEDi,l, i= 1,…,M; 

l = 1,…,L。当列车以速度v行驶，LED在t时刻发光颜色应为 

LEDi,l(t) = PICk(i, j), 其中 k = ( int(v*t/D - l) mod K ) + 1       (3)

j = ( int(v*t/μ) mod N ) + 1.

与等式(1)相同，μ为LED直径，int()为取整运算，mod为取模运算。可以看到，一秒钟之内，LED变换颜色v/μ次，变换源视图v/D次。观察者看到的视图帧率仍可由等式(2)计算得到。 

事实上，图2、3、4中有一个很强的假设，LED总是精确地在眼睛看到相邻列LED边界时变换源视图。如果不是这种情况，每只眼睛看到的扫描图像将不由单一的视图构成。

附图说明

图1a是使用LED光柱时,LED光柱等距分布在隧道墙壁上的2D显示系统;

图1 (b) 是使用LED光柱时,观察者经过一个LED光柱的2D显示系统;

图1 (c) 是在观察者眼里LED形成一条扫描线;

图2是利用LED光柱产生自由立体显示效果的示意说明。(a)-(c) LED随头部位置变换视图使得左眼总能看到第1视图，右眼总能看到第2视图。(d) 眼睛看到的图像依次被不同的LED照亮，每个LED扫描同一幅视图的不同区域。

图3：使用多列LED扩展立体成像的可视区域。这里使用8列LED，可视区域增加至7*D。而图2中使用4列LED，可视区域为3*D。(D为双眼间距。)

图4：使用多个狭缝扩展立体成像的可视范围。这里使用2个狭缝，可视距离增加至7*D。而图2中使用1个狭缝，可视区域为3*D。(D为双眼间距。)

图5：每只眼睛观察到非同源视图。这会发生在LED变换视图时眼睛没有处于LED照亮区域边界上。

图6：双眼跨越多个视图来降低非同源视图里的拼接现象。这里是一个8视图的例子，每个LED照亮区域减半。

图7： 将一个LED光柱分解为两个。(a) LED的间隙导致扫描图像存在未被照亮区域。(b) 一个LED规则排列分解为两个互补嵌套的排列。LED直径可以略大从而消除未被照亮区域。

具体实施方式

一种用于地铁隧道的自由立体显示系统由等距竖直排列在隧道墙壁上的LED光柱组成；当LED按照多视角图像像素阵列和列车运行即时速度变化时，旅客在不用戴眼镜的情况下就可以看到立体图像.图1a是使用LED光柱时,LED光柱等距分布在隧道墙壁上的2D显示系统;如图1(a)所示，LED光柱由一列LED组成，而一组LED光柱竖直等距排列在隧道墙壁上构成显示系统。不同光柱上的LED要水平对齐，如图中点划线所示。图1 (b) 是使用LED光柱时,观察者经过一个LED光柱的2D显示系统;图1 (c) 是在观察者眼里LED形成一条扫描线;图1(b)和(c)表述了旅客观察LED光柱时的顶视图。当列车行驶经过LED光柱时，光柱上每个LED将在旅客视野里形成一条扫描线。假定旅客视野里只有一个光柱，则一个LED光柱可以完成一帧图像的扫描过程。当LED按照一定的像素阵列闪动发光，并且扫描帧率足够高时，旅客就可以看到清晰稳定的静态图像或是动画序列。 

被显示图像可以表达为一个像素数组PIC(i, j), i= 1,…,M; j = 1,…,N。当列车以速度v行驶，光柱上第i个LED在t时刻的发光颜色应为 

LEDi(t) = PIC(i, j), 其中 j = ( int(v*t/μ) mod N ) + 1.         (1)

这里μ是LED的直径，int()为取整运算，mod为取模运算。注意没有必要用多个LED显示色彩不同分量，因为现在单管LED已经可以发出红绿蓝三基色的光。 

将LED光柱的间距取为扫描图像的宽度，即N*μ。这时，扫描帧率r可由下式计算得到： 

r = v / (N*μ).           (2)

这里给出一个显示分辨率为640*480像素的设计实例。取μ = 2毫米，M = 480，N = 640，则LED光柱的高度为H = M*μ = 0.960米，LED光柱间距为W = N*μ = 1.280米。当列车以每小时70公里的速度运行时，LED的工作频率为v/μ = 9722赫兹。图像的帧率可由等式(2)计算得到，即r为每秒15.2帧。若要进一步提高帧率，比如将帧率加倍，可以将LED光柱的间距减半，使得两个LED光柱同时扫描一帧图像。 

产生自由立体显示效果需要使用多视角图像，或简称多视图。LED光柱也要引入一种机制，使得左右眼分别看到不同的扫描视图。图2是利用LED光柱产生自由立体显示效果的示意说明。(a)-(c) LED随头部位置变换视图使得左眼总能看到第1视图，右眼总能看到第2视图。(d) 眼睛看到的图像依次被不同的LED照亮，每个LED扫描同一幅视图的不同区域。图2说明了一个使用4视图的例子。这里LED光柱由4列LED构成，每一列LED显示来自不同视图的像素。一个狭缝光栅置于LED光柱前，使得头部移动时，每只眼睛透过狭缝只能看到一列LED，双眼看到相邻列LED。关于狭缝光栅的具体设计和放置方法，请参考有关自由立体显示的文献。在某些场合，狭缝光栅也被称为视差障碍。类似的效果也可以由微柱镜光栅实现。本文将全部使用狭缝光栅进行原理性说明。 

图2(a)-(c)中，LED方框里的数字代表LED当前显示像素的源视图编号。观察者眼前的数字代表一个LED透过狭缝的照亮区域。这里假定观察者总是平行于隧道墙壁移动，所有观察距离保持恒定。狭缝光栅的放置可以使得一个LED照亮区域刚好等于观察者双眼间距离。由于狭缝光栅的存在，被照亮的可视区域总是取LED源视图的反序。考虑图2中的特定情况。当列车载客经过光柱时，LED变换所显示像素的源视图，使得左眼总是看到第1视图，右眼总是看到第2视图。这样，左眼看到的扫描图像依次由第2、3、4个LED照亮，如图2(d)所示。同样地，右眼看到的扫描图像依次由第1、2、3个LED照亮。这样，观察者看到了一个(视图1,视图2)构成的图像对。 

LED显示的多视图应该是对某个场景从左到右的一组观察。图2所示的4视图情况中，旅客可以由视图对(视图1,视图2)、(视图2,视图3)或(视图3,视图4)看到立体效果。但不能从(视图4,视图1)看到立体，因为这不是一个正确的立体匹配对。一般来讲，当使用K个视图时，旅客有1/K的几率得不到正确的立体匹配对。 

现在考虑一个LED光柱的照亮区域。这恰好用双眼间的距离来度量，用符号D表示。对于人群的平均值，D取65毫米。图2中，由于狭缝光栅的原因，一个LED光柱照亮的区域被限制在4*D。如果形成图像对，双眼被照亮的公共区域为3*D。换句话说，立体成像的可视区域被限制在为3*D，约为195毫米。如果要扩展可视范围，一种方案是保持视图数不变情况下在光柱上使用更多的LED列，图3是使用多列LED扩展立体成像的可视区域。这里使用8列LED，可视区域增加至7*D。而图2中使用4列LED，可视区域为3*D。(D为双眼间距。)如图3所示。另一种方案是保持LED列数等于视图数，但是在狭缝光栅上刻多个狭缝，如图4所示。图4是使用多个狭缝扩展立体成像的可视范围。这里使用2个狭缝，可视距离增加至7*D。而图2中使用1个狭缝，可视区域为3*D。(D为双眼间距。)在两张图里，立体成像的可视范围都被扩展到了7*D。 

对于自由立体成像的情况，LED应从不同的视图里取像素值。假定这里有K幅视图，表示为PICk, k = 1,…,K，每幅视图的分辨率都为M*N。光柱上排列M行L列LED，索引为LEDi,l, i= 1,…,M; 

l = 1,…,L。当列车以速度v行驶，LED在t时刻发光颜色应为 

LEDi,l(t) = PICk(i, j), 其中 k = ( int(v*t/D - l) mod K ) + 1       (3)

j = ( int(v*t/μ) mod N ) + 1.

与等式(1)相同，μ为LED直径，int()为取整运算，mod为取模运算。可以看到，一秒钟之内，LED变换颜色v/μ次，变换源视图v/D次。观察者看到的视图帧率仍可由等式(2)计算得到。 

事实上，图2、3、4中有一个很强的假设，LED总是精确地在眼睛看到相邻列LED边界时变换源视图。如果不是这种情况，每只眼睛看到的扫描图像将不由单一的视图构成。图5是每只眼睛观察到非同源视图。这会发生在LED变换视图时眼睛没有处于LED照亮区域边界上；图5(a)使用位置x和时间t组成的坐标系说明了LED照亮区域随时间移动和LED源视图的变化。由于LED变换源视图时，眼睛没有处在两个照亮区域的边界上，观察图像将不再由单一的视图构成。沿虚线顺时间前进方向，左眼先看到来源于第3视图的像素，然后看到来源于第2视图的像素。当LED变换源视图后，左眼再次看到来源于第3视图的像素，然后看到第2视图的像素。这个过程重复直到眼睛不被任何LED所照亮。这样，左眼看到的扫描图像是第2和第3视图的混合，而右眼看到的是第3和第4视图的混合，如图5(b)所示。两个视图的组成比例由观察者头部位置决定。可以看到，如果观察者向左移或向右移半个双眼间距，每只眼睛看到的将看到同源的视图。 

非同源的视图将影响观看质量，在视图变换处产生拼接的效果。由于观察者头部位置的任意性，非同源视图在整个设计中是无法避免的。图6是双眼跨越多个视图来降低非同源视图里的拼接现象。这里是一个8视图的例子，每个LED照亮区域减半。图6(a)给出了一个8视图情况，其中每个LED照亮区域被减半，即将视图数增加1倍，栅距增加1倍。这样，双眼就能跨越两个视图，比如左眼看到第2视图，右眼看到第4视图，或者，左眼看到第3视图右眼看到第5视图。由图6(b)可见，虽然每只眼睛仍看到非同源视图，但立体成像的质量要好于图5(b)的情况。这是因为当双眼跨越更多视图而保持深度感知不变时，相邻视图的视差就要减小。换句话说，当跨越多个视图时，单眼观察到的非同源图像内的视差，要小于双目间的视差。应当指出，当双眼跨越多个视图，在减轻拼接效果的同时，代价是增加了看到不匹配图像对的几率。如图5的情况，观察者有1/4的几率看到不匹配图像对，而不是1/8的几率。 

在实际工程中，LED管是圆形的，两个LED之间的间隙也需要考虑到。这些会引起扫描图像中存在没有被照亮的区域。图7是将一个LED光柱分解为两个。(a) LED的间隙导致扫描图像存在未被照亮区域。(b) 一个LED规则排列分解为两个互补嵌套的排列。LED直径可以略大从而消除未被照亮区域。图7(a)中，左部示意狭缝光栅后面LED阵列的规则排列，右部示意相应LED在扫描图像中照亮的区域。同样地，照亮区域取LED的反序。可以看到，在观察者眼里，未被照亮区域呈现出纵横黑色条纹。横条纹的高度为LED垂直间隙，纵条纹的宽度为LED水平间隙乘以一个放大因子D/μ，这里的符号定义参考等式(3)。即使LED为方形并且紧密排列，LED的边界仍会引起扫描图像的断续，在观察者眼中形成黑色条纹。一个有效的解决办法是将LED光柱上规则的排列分解成两个嵌套排列，并分别置于两个光柱上，如图7(b)所示。这时每个LED光柱扫描图像的一半区域(类似于棋盘格子的模式)，两个互补嵌套的扫描形成一个完整的观察图像。这样，LED的直径可以略大一些来消除纵横黑色条纹。 

到这里，以上给出的平面图像显示设计可以扩展到自由立体显示了。当使用16个视图时，可以在每个光柱上放置16列LED，并按图4的方法增加LED照亮区域。当两眼跨越2个视图时，观察者有1/8的几率得不到正确的立体匹配对。LED光柱可以采取图7所示的方式构造，两个相邻的光柱间距为半个图像宽，并且协同完成互补嵌套的扫描。由于每个LED光柱以原有速度扫描半宽图像，整帧刷新频率将加倍。这样，分辨率为640*480像素的立体图像会以30帧每秒的刷新率显示在隧道墙壁上。

Claims (5)

1.一种用于地铁隧道的自由立体显示系统，其特征在于；所述用于地铁隧道的自由立体显示系统由等距竖直排列在隧道墙壁上的LED光柱组成；当LED按照多视角图像像素阵列和列车运行即时速度变化时，旅客在不用戴眼镜的情况下即看到立体图像；

被显示图像表达为一个像素数组PIC(i,j),i=1,…,M;j=1,…,N；当列车以速度v行驶，光柱上第i个LED在t时刻的发光颜色应为

LED_i(t)=PIC(i,j),其中j=(int(v*t/μ)mod N)+1.   (1)

其中，μ是LED的直径，int()为取整运算，mod为取模运算；

将LED光柱的间距取为扫描图像的宽度，即N*μ；这时，扫描帧率r由下式计算得到：

r=v/(N*μ).   (2)

对于自由立体成像的情况，LED应从不同的视图里取像素值；假定有K幅视图，表示为PICk,k=1,…,K，每幅视图的分辨率都为M*N；光柱上排列M行L列LED，索引为LEDi,l,i=1,…,M;l=1,…,L；当列车以速度v行驶，LED在t时刻发光颜色应为

LED_i,l(t)=PIC_k(i,j),其中k=(int(v*t/D‐l)mod K)+1   (3)

j=(int(v*t/μ)mod N)+1；

与等式(1)相同，μ为LED直径，int()为取整运算，mod为取模运算；观察者看到的视图帧率仍由等式(2)计算得到。

2.根据权利要求1所述的一种用于地铁隧道的自由立体显示系统，其特征在于，每个LED光柱由多列LED和狭缝光栅组成，LED的RGB颜色呈水平排列，上下呈垂直排列，垂直方向等距对齐排列或错位排列。

3.根据权利要求2所述的一种用于地铁隧道的自由立体显示系统，其特征在于，每个光柱里使用多列LED配合与其前方放置的狭缝光栅，所述狭缝光栅是单狭缝光栅或多狭缝光栅。

4.根据权利要求2所述的一种用于地铁隧道的自由立体显示系统，其特征在于，为减弱非同源视图里的拼接现象，将视图数增加一倍，且将光栅的栅距增加一倍，则使得双眼跨越2个视图，增加n倍，则使双眼跨越n+1个视图。

5.根据权利要求2所述的一种用于地铁隧道的自由立体显示系统，其特征在于，为消除扫描图像中的黑色条纹，将多列LED排列设置为相邻两行错位排列，即将LED规则排列分解为两个互补相嵌排列。

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