CN102385816A - Led屏裸眼立体显示的狭缝光栅制作方法 - Google Patents

Abstract

LED屏裸眼立体显示的狭缝光栅制作方法属立体显示技术领域，本发明包括：将与狭缝光栅配合的LED屏的像素进行排列，计算得到狭缝光栅的参数和LED屏的裸眼立体显示区域，狭缝光栅制作和定位；本发明所提出的像素排列和虚拟像素显示方式，在用做裸眼立体显示时，其显示像素为普通显示的3倍，减少了水平分辨率与垂直分辨率的失调现象，而所提出的裸眼立体显示的光学参数匹配关系更加适合于LED屏，且采用的狭缝光栅的倾斜角度避免了像素判别问题，同时制作方法使成本更低、精度更高。

Description

LED屏裸眼立体显示的狭缝光栅制作方法

技术领域

本发明属立体显示技术领域，涉及一种LED屏裸眼立体显示的狭缝光栅制作方法，属于立体显示技术。

背景技术

传统的立体图像显示需要佩带诸如偏振眼镜、互补色眼镜或者液晶眼镜之类的辅助工具，因此将人眼完全占有，人的眼睛除了观看屏幕之外，做其他与屏幕无关的工作都十分不便。佩带眼镜的立体显示技术(包括立体头盔)，尽管其立体显示效果特别优良，但在许多场合是不适用的。裸眼立体(Autostereo)图像显示技术则无需佩带眼镜，因为立体显示能与其他二维显示器相互兼容。由于用户在观看立体显示器的时候眼睛不受限制，是完全自由的，因此，可以同时进行除了观看显示器以外的其他工作，从而具有更大的灵活性和实用性。

裸眼立体显示技术主要有两类：柱状透镜技术、视差屏障技术。光屏障技术其原理是在液晶屏的前方或者后方放置一块栅栏式的挡板，这样由于挡板的遮挡，观察者的单眼通过挡板上的一条狭缝只能看到显示屏上的一列像素，如左眼只能看到奇像素列，而看不到偶像素列；同样，右眼只能看到偶像素列，而看不到奇像素列。这样一来，分别由奇偶像素列组成的两幅图像就成了具有水平视差的立体图像对，通过大脑的融合作用，最终形成一幅具有深度感的立体图像。

目前，国内外都在研究和开发各种立体显示器，针对于LCD的裸眼立体显示技术已经较为成熟，而国内针对LED大尺寸屏幕裸眼立体显示的研究还很少，国外在这方面的研究也处于刚刚起步阶段，文献报道很少。由于LED显示技术不同于LCD和PDP显示技术，特别是其像素的排列方式不适合于裸眼立体显示技术的应用，因此妨碍了裸眼立体显示技术在LED显示屏上的应用。而随着技术的发展，LED显示屏的像素点距越来越小，清晰度越来越高，利用LED进行大屏幕裸眼立体显示已经不再是梦想。本发明提出了一种针对LED显示屏的光学匹配关系，以及光栅的具体制作方法，令LED屏幕的像素采用特殊的排列方式，并将LED虚拟像素显示技术应用到裸眼立体显示中。相对于LCD显示器而言，LED显示屏由于其显示鲜明、醒目，已成为现代室外信息显示的重要媒体，在购物引导和广告宣传等方面发挥了积极作用。这种裸眼立体LED屏所显示的立体图样，可以突出与屏幕之外几十厘米甚至十几米以上，较之以往的广告显示手段，他更具有“吸引眼球”的特效。

发明内容

本发明的目的是提出一种适用于LED大屏裸眼立体显示的狭缝光栅制作方法，将LED屏的子像素进行重新排列，使得LED屏更加适合裸眼立体显示，在显示过程中可以采用普通显示和虚拟像素显示两种方式。

本发明包含下列步骤：

1.将与狭缝光栅配合的LED屏的像素进行排列：

将LED屏的像素中的红、绿、蓝子像素在垂直方向上从上至下等间距均匀排列，在水平方向上红、绿、蓝子像素分别构成水平行，且等间距均匀排列；同时在狭缝光栅的狭缝倾斜方向上为红、绿、蓝依次等间距均匀排列，且所构成的完整的像素之间的间距相等；在狭缝光栅的狭缝倾斜方向上，可采用虚拟像素的显示方式，也可采用普通的显示方式；

2.计算得到狭缝光栅的参数和LED屏的裸眼立体显示区域：

根据狭缝光栅与LED屏裸眼立体显示的光学参数匹配关系，其中所述的光学参数包括：LED屏像素宽度P_D、双目视距P_E、视点个数N、狭缝光栅栅距P_B、狭缝光栅与LED屏之间的距离Z_B、最佳观看距离Z_E、狭缝光栅栅距P_B，狭缝光栅与LED屏之间的距离Z_B，最佳观看距离Z_E，以及LED屏的裸眼立体显示区域，

其中LED屏像素宽度P_D、双目视距P_E、视点个数N为狭缝光栅和LED屏的已知参数；狭缝光栅栅距P_B、狭缝光栅与LED屏之间的距离Z_B、最佳观看距离Z_E、LED屏的裸眼立体显示区域为狭缝光栅的待定参数，需计算获得；

2.1确定狭缝光栅和LED屏的已知参数：LED屏像素宽度P_D，双目视距P_E.视点个数N，当采用N视点裸眼立体显示时，狭缝光栅与LED屏裸眼立体显示的光学参数匹配关系需满足以下两式：

Z_B＝P_DZ_E/(P_D+P_E)    (1)

P_B＝NP_DP_E/(P_E+P_D)   (2)

式中：P_D--LED屏像素宽度  P_E--双目视距  P_B--狭缝光栅栅距  Z_B--狭缝光栅与LED屏之间的距离  Z_E--最佳观看距离  N-视点个数

2.2由步骤2的2.1中公式(1)和(2)，计算出狭缝光栅的待定参数：狭缝光栅栅距P_B、狭缝光栅与LED屏之间的距离Z_B、最佳观看距离Z_E，其中每个狭缝光栅栅距P_B包括狭缝和暗条纹各一个；

2.3由步骤2的2.1中公式(1)确定狭缝光栅与LED屏之间的距离Z_B和最佳观看距离Z_E的比例系数，即

$\frac{Z_B}{Z_E}=\frac{P_D}{P_{D+}{P}_E}$

式中：P_D--LED屏像素宽度；P_E--双目视距；P_B--狭缝光栅栅距；Z_B--狭缝光栅与LED屏之间的距离；Z_E--最佳观看距离；

2.4分别测量出LED屏像素的有效发光宽度和狭缝光栅的狭缝宽度，并计算出LED单元的发光比率α，狭缝光栅的开口率β，其中：

则每个立体显示区域的宽度为：

M＝P_E(Nβ-α)    (3)

式中：α--LED单元的发光比率；β--狭缝光栅的开口率；P_E--双目视距；M--单个立体显示区域的宽度；N-视点个数；

各立体显示区在距离显示屏Z_E的一条直线上均匀间隔分布；

3.狭缝光栅制作和定位：

由步骤2所得狭缝光栅的参数，同时令光栅狭缝的倾斜角度为45°，狭缝光栅由聚碳酸酯透明板经高精度印刷制作；

将狭缝光栅固定于LED屏前的金属框架，与LED屏平行放置，且狭缝光栅的狭缝中心需位于LED屏两个像素中间，避免像素判别，金属框架与LED屏之间的距离可调，狭缝光栅与LED屏之间的介质为空气。

步骤1中所述的虚拟像素显示方式，具体为：将每幅图像分为三个时刻显示，第一时刻与普通显示方式相同，即在光栅狭缝倾斜方向上，从第1行到N行每3个子像素构成一个完整的像素；第二时刻第1、N-1、N行子像素熄灭，由第2行到N-2行每3个子像素构成一个完整的像素；第三时刻第1、2、N行子像素熄灭，由第3行到N-1行每3个子像素构成一个完整的像素；每三个时刻构成一个循环，每个时刻的间隔为微秒级，利用人眼的视觉暂留现象，将三个时刻的图像叠加为一幅图像，其中除边缘外每个子像素能够被重复利用3次，即虚拟像素为3N-2行，当N很大时，3N-2≈3N，像素提高为普通显示的3倍。

本发明的有益效果在于：所提出的像素排列和虚拟像素显示方式，在用做裸眼立体显示时，其显示像素为普通显示的3倍，减少了水平分辨率与垂直分辨率的失调现象，而所提出的裸眼立体显示的光学参数匹配关系更加适合于LED屏，且采用的狭缝光栅的倾斜角度避免了像素判别问题，同时制作方法使成本更低、精度更高。

附图说明

图1是LED屏裸眼立体显示整体示意图

图2是LED屏像素排列方式示意图

图3是LED屏虚拟像素显示第一时刻虚拟像素合成示意图

图4是LED屏虚拟像素显示第二时刻虚拟像素合成示意图

图5是LED屏虚拟像素显示第三时刻虚拟像素合成示意图

图6是LED屏虚拟像素显示全时刻虚拟像素合成示意图

图7是LED屏普通显示方式的裸眼立体显示示意图

图8是LED屏虚拟像素显示方式的裸眼立体显示示意图

图9是LED屏与狭缝光栅的光学参数匹配关系图

图10是LED屏裸眼立体视区分布示意图

图11是狭缝光栅狭缝倾斜角度示意图

图12是利用LED屏裸眼立体显示的狭缝光栅制作方法实现的实例示意图

其中：1.LED屏  2.狭缝光栅  3.狭缝光栅的狭缝  4.暗条纹  5.计算机  6.LED屏的像素宽度P_D  7.狭缝光栅与LED屏之间的距离Z_B  8.狭缝光栅暗条纹宽度b  9.狭缝宽度a  10.双目视距P_E  11.最佳的观测距离Z_E  12.LED屏像素点有效发光宽度  13.狭缝宽度14.狭缝栅距P_B  15.最佳观测距离Z_E  16.单个显示区域的宽度M  17.45°倾斜角度的狭缝光栅  18.LED屏有效发光宽度  19.LED屏像素宽度  20.LED屏  21.狭缝光栅  22.狭缝宽度  23.暗条纹宽度  24.最佳观看距离  25.LED屏与狭缝光栅的间距。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细的说明。

图1是LED屏裸眼立体显示整体示意图

1为LED屏，该LED屏采用特殊的像素排列方式。2为平行置于LED屏前的狭缝光栅，其光栅参数与LED屏满足光学参数匹配关系，使得左右眼通过狭缝恰好能够分别看到不同视点的图像，从而在显示区域内达到立体显示。3为狭缝光栅的狭缝，4为暗条纹，3和4共同组成狭缝光栅的一个栅距，5是计算机，用来输出裸眼立体图像和立体视频。

图2是LED屏像素排列方式示意图

其中：R、G、B分别为红、绿、蓝子像素

该LED屏采用如下像素排列方式，其红、绿、蓝子像素在垂直方向上从上至下等间距均匀排列，在水平方向上红、绿、蓝子像素分别构成水平行且等间距均匀排列，同时在狭缝光栅的狭缝倾斜方向上为红、绿、蓝依次等间距均匀排列，且所构成的完整的像素之间的间距相等，在狭缝光栅的狭缝倾斜方向上，可采用虚拟像素的显示方式，也可采用普通的显示方式。

图3是LED屏虚拟像素显示第一时刻虚拟像素合成示意图

图4是LED屏虚拟像素显示第二时刻虚拟像素合成示意图

图5是LED屏虚拟像素显示第三时刻虚拟像素合成示意图

图6是LED屏虚拟像素显示全时刻虚拟像素合成示意图

图中R、G、B分别为红、绿、蓝子像素，M为合成的虚拟像素点

所采用的虚拟像素显示方法如下，将每幅图像分为三个时刻显示，第一时刻与普通显示方式相同，即在光栅狭缝倾斜方向上，从第1行到N行每3个子像素构成一个完整的像素(如图3)；第二时刻第1、N-1、N行子像素熄灭，由第2行到N-2行每3个子像素构成一个完整的像素(如图4)；第三时刻第1、2、N行子像素熄灭，由第3行到N-1行每3个子像素构成一个完整的像素(如图5)；每三个时刻构成一个循环，每个时刻的间隔为微秒级，利用人眼的视觉暂留现象，将三个时刻的图像叠加为一幅图像，从而完成虚拟像素显示(如图6)；其中除边缘外每个子像素能够被重复利用3次，即虚拟像素为3N-2行，当N很大时，3N-2≈3N，像素提高为普通显示的3倍。

当每幅图像只采用其中一个时刻显示，而不分成三个时刻循环显示时则为普通显示方式，这时LED屏的垂直分辨率会降低为原来的三分之一。

图7是LED屏普通显示方式的裸眼立体显示示意图

图8是LED屏虚拟像素显示方式的裸眼立体显示示意图

其中：R、G、B分别为红、绿、蓝子像素，M为合成的虚拟像素点。

LED屏采用普通显示方式时，LED屏的垂直分辨率会降低为原来的三分之一(如图7)；当LED屏进行虚拟像素显示时，垂直分辨率不会下降；LED屏前的狭缝光栅倾斜角度为45°，通过立体狭缝光栅观看时，水平分辨率和垂直分辨率降低的倍数相同，不会造成分辨率失调，并且能够降低摩尔干涉(如图8)。

图9是LED屏与狭缝光栅的光学参数匹配关系示意图

该图为二视点光学匹配关系图，即N＝2，图中6为LED屏的像素宽度P_D，7为狭缝光栅与LED屏之间的距离Z_B；8为狭缝光栅暗条纹宽度b；9为狭缝宽度a；其中8与9共同组成一个狭缝光栅栅距P_B；10为人的双目视距P_E，一般为65mm；11为双眼到LED屏的距离，也是裸眼立体显示最佳的观测距离Z_E。由几何光学可以得到以下的光学匹配关系式：

Z_B＝P_DZ_E/(P_D+P_E)   (1)

P_B＝2P_DP_E/(P_E+P_D)  (2)

式中：P_D--LED屏像素宽度  P_E--双目视距  P_B--狭缝光栅栅距  Z_B--狭缝光栅与LED屏之间的距离  Z_E--最佳观看距离。

图10是LED屏裸眼立体视区分布图

该图为2视点显示的LED裸眼立体视区分布图，即N＝2，图中12为一个LED像素点有效发光宽度，其中LED像素宽度为P_D，发光比率为α，则有效发光宽度为αP_D；13为一个狭缝宽度，其中14为狭缝栅距P_B，狭缝光栅的开口率为β，则狭缝宽度为βP_B。15为最佳观测距离Z_E，16为单个显示区域的宽度M。由此可以得到以下关系式：

M＝P_E(2β-α)    (3)

式中：α--LED单元的发光比率；β--狭缝光栅的开口率；P_E--双目视距；M--单个立体显示区域的宽度；

各立体显示区在距离显示屏Z_E的一条直线上均匀间隔分布；

其中M为单个显示区域的宽度，若干显示区在距离显示屏Z_E的一条直线上均匀分布。

图11是狭缝光栅狭缝倾斜角度示意图

如图中所示，17为采用45°倾斜角度的狭缝光栅，18为LED屏有效发光宽度，19为LED屏像素宽度。当狭缝以45°倾斜时，狭缝中心恰好位于两个像素中间，而不遮挡其他像素，从而避免像素判别问题，同时可以配合本发明提出的虚拟像素显示方法进行裸眼立体显示。

图12是利用LED屏裸眼立体显示的狭缝光栅制作方法实现的实例示意图

其中：20为LED屏，21为狭缝光栅，22为狭缝宽度，23为暗条纹宽度，24为最佳观看距离，25为LED屏幕与狭缝光栅的间距。所采用的LED屏的像素宽度为3mm，有效发光宽度为1mm。由(1)式可得狭缝光栅节距为11.73mm，为保证其亮度，令狭缝宽度为2.5mm，暗条纹宽度23为9.23mm。由(2)式可得狭缝光栅与LED屏距离为132mm，最佳观看距离为3m，每个显示区域宽度为58.3mm。其中狭缝光栅狭缝角度为45°，每个狭缝节距内包含4个像素点，该狭缝光栅由透明的聚碳酸酯板进行高精度印刷而成。

Claims (2)

1.一种LED屏裸眼立体显示的狭缝光栅制作方法，其特征在于包含下列步骤：

1)将与狭缝光栅配合的LED屏的像素进行排列：

将LED屏的像素中的红、绿、蓝子像素在垂直方向上从上至下等间距均匀排列，在水平方向上红、绿、蓝子像素分别构成水平行，且等间距均匀排列；同时在狭缝光栅的狭缝倾斜方向上为红、绿、蓝依次等间距均匀排列，且所构成的完整的像素之间的间距相等；在狭缝光栅的狭缝倾斜方向上，可采用虚拟像素的显示方式，也可采用普通的显示方式；

2)计算得到狭缝光栅的参数和LED屏的裸眼立体显示区域：

根据狭缝光栅与LED屏裸眼立体显示的光学参数匹配关系，其中所述的光学参数包括：LED屏像素宽度P_D、双目视距P_E、视点个数N、狭缝光栅栅距P_B、狭缝光栅与LED屏之间的距离Z_B、最佳观看距离Z_E、狭缝光栅栅距P_B，狭缝光栅与LED屏之间的距离Z_B，最佳观看距离Z_E，以及LED屏的裸眼立体显示区域，

其中LED屏像素宽度P_D、双目视距P_E、视点个数N为狭缝光栅和LED屏的已知参数；狭缝光栅栅距P_B、狭缝光栅与LED屏之间的距离Z_B、最佳观看距离Z_E、LED屏的裸眼立体显示区域为狭缝光栅的待定参数，需计算获得；

2.1确定狭缝光栅和LED屏的已知参数：LED屏像素宽度P_D，双目视距P_E，视点个数N，当采用N视点裸眼立体显示时，狭缝光栅与LED屏裸眼立体显示的光学参数匹配关系需满足以下两式：

Z_B＝P_DZ_E/(P_D+P_E)    (1)

P_B＝NP_DP_E/(P_E+P_D)   (2)

式中：P_D--LED屏像素宽度  P_E--双目视距  P_B--狭缝光栅栅距  Z_B--狭缝光栅与LED屏之间的距离  Z_E--最佳观看距离  N-视点个数

2.2由步骤2)的2.1中公式(1)和(2)，计算出狭缝光栅的待定参数：狭缝光栅栅距P_B、狭缝光栅与LED屏之间的距离Z_B、最佳观看距离Z_E，其中每个狭缝光栅栅距P_B包括狭缝和暗条纹各一个；

2.3由步骤2)的2.1中公式(1)确定狭缝光栅与LED屏之间的距离Z_B和最佳观看距离Z_E的比例系数，即

$\frac{Z_B}{Z_E}=\frac{P_D}{P_{D+}{P}_E}$

式中：P_D--LED屏像素宽度；P_E--双目视距；P_B--狭缝光栅栅距；Z_B--狭缝光栅与LED屏之间的距离；Z_E--最佳观看距离；

2.4分别测量出LED屏像素的有效发光宽度和狭缝光栅的狭缝宽度，并计算出LED单元的发光比率α，狭缝光栅的开口率β，其中：

则每个立体显示区域的宽度为：

M＝P_E(Nβ-α)    (3)

式中：α--LED单元的发光比率；β--狭缝光栅的开口率；P_E--双目视距；M--单个立体显示区域的宽度；N-视点个数；

各立体显示区在距离显示屏Z_E的一条直线上均匀间隔分布；

3)狭缝光栅制作和定位：

由步骤2)所得狭缝光栅的参数，同时令光栅狭缝的倾斜角度为45°，狭缝光栅由聚碳酸酯透明板经高精度印刷制作；

将狭缝光栅固定于LED屏前的金属框架，与LED屏平行放置，且狭缝光栅的狭缝中心需位于LED屏两个像素中间，避免像素判别，金属框架与LED屏之间的距离可调，狭缝光栅与LED屏之间的介质为空气。

2.按权利要求1所述的LED屏裸眼立体显示的狭缝光栅制作方法，其特征在于步骤1)所述的虚拟像素显示方式，具体为：将每幅图像分为三个时刻显示，第一时刻与普通显示方式相同，即在光栅狭缝倾斜方向上，从第1行到N行每3个子像素构成一个完整的像素；第二时刻第1、N-1、N行子像素熄灭，由第2行到N-2行每3个子像素构成一个完整的像素；第三时刻第1、2、N行子像素熄灭，由第3行到N-1行每3个子像素构成一个完整的像素；每三个时刻构成一个循环，每个时刻的间隔为微秒级，利用人眼的视觉暂留现象，将三个时刻的图像叠加为一幅图像。

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