CN102638690B - 宽视角智能3d显示器及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了宽视角智能3D显示器及其方法，它由机壳（8）及置于机壳（8）内的光学单元和控制系统组成，所述的光学系统包括LCD屏（1）、菲涅耳凸透镜片（2）、垂直扩散器（5）和光源阵列板（4）；所述的控制系统包括摄像头（13）、键盘（12）、微控制器、图像输入接口、光阀驱动电路、乒乓脉冲发生电路、人脸识别电路、光源数据匹配电路、光源驱动电路和3D识别电路。本发明使人们观看3D影像时不仅无需佩戴专用眼镜而且没有了视角的限制，同时兼容2D影像显示，克服了现有投影系统固有的图像几何失真和相邻像素干扰，大幅提高了成像质量，极大地简化了系统结构、降低了成本。

Description

宽视角智能3D显示器及其方法

技术领域

本发明涉及到宽视角智能3D显示器及其显示方法。

背景技术

3D显示器一直被公认为显示技术发展的终极梦想，多年来有许多企业和研究机构从事这方面的研究，3D显示最基本的原理就是利用人眼左右分别接收不同画面，然后大脑经过对图像信息进行叠加重生，构成一个具有前—后、上—下、左—右、远—近等立体方向效果的影像。

传统的3D电影在荧幕上有两组图像(来源于在拍摄时的互成角度的两台摄影机)，观众必须戴上偏光镜或液晶快门眼镜才能消除重影(让一只眼只接受一组图像)，形成视差，产生立体感。

利用自动立体显示技术，即“真3D技术”，你就不用戴上眼镜来观看立体影像了，这种技术利用“视差栅栏”，使两只眼睛分别接受不同的图像，来形成立体效果。但是目前已知的裸眼的3D显示装置均有固定的视角，它将屏幕前分成几个很小区域，人眼只有在这几个区域时才能观看到3D影像，当人眼不在这几个区域时，只能看到2D影像或重影，甚至于看不到影像，所以人们在观看3D影像时头部不能自由移动。而且在一些固定位置还有左右眼图像交叉现象，会使观看者产生头晕。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种宽视角智能3D显示器及其方法，使人们观看3D影像时没有视角的限制。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：本发明的理论基础为：光学系统的成像过程是将物分布f(x)的空间频谱经傅里叶逆变换合成为物的像。

傅里叶频谱：

$F\left(\mathrm{\ω}\right)={\∫}_{-\∞}^{\∞}f\left(x\right)e^{-\mathrm{i\ωx}}\mathrm{dx}$

像：

$f\left(x\right)=\frac{1}{2\mathrm{\π}}{\∫}_{-\∞}^{\∞}F\left(\mathrm{\ω}\right)e^{\mathrm{i\ωx}}\mathrm{d\ω}$

设在物体所在空间有一参考平面，在平面上根据一定的图像清晰度按抽样定理逐点进行微透镜傅里叶逆变换(成像)，则这些抽样完全描述了参考平面所在近域空间的物波分布：

$g(x,y)=\underset{n=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}f({\mathrm{nx}}_N,{\mathrm{ny}}_N)\·\frac{\sin 2\mathrm{\π}{W}_x(x-{\mathrm{nx}}_N)}{2\mathrm{\π}{W}_x(x-{\mathrm{nx}}_N)}\·\frac{\sin 2\mathrm{\π}{W}_y(y-{\mathrm{ny}}_N)}{2\mathrm{\π}{W}_y(y-{\mathrm{ny}}_N)}$

而实际上人眼在正常情况下是左右水平分布的，这可使我们舍去垂直方向上的立体信息，使信息量大幅下降，但并不影响观看时的立体影像效果，从而使系统大为简化。

由此则有：物体所在空间的光波场分布可以按抽样定理对物空间中一水平参考线段进行Nx次微透镜傅里叶变换来等效：

$g\left(x\right)=\underset{n=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}f\left({\mathrm{nx}}_0\right)\·\frac{\sin 2\mathrm{\πW}(x-{\mathrm{nx}}_0)}{2\mathrm{\πW}(x-{\mathrm{nx}}_0)}$

这里抽样间隔X0＝XN≥1/2W，W为最高空间频率。

时间抽样的连续性保证了实时传送，空间抽样的连续性和精密性保证了图像的立体感观质量。

设在成像端有一观察参考平面，先将所有抽样图像经水平阵列投影器成像(投影镜头的分组傅里叶逆变换)于由菲涅耳透镜和垂直扩散器组成的屏幕上，这些像经菲涅耳透镜的再次傅里叶变换和光的垂直扩散，在观察参考平面处合成(重建)原物波场：

$G\left(\mathrm{\ω}\right)={\∫}_{-\∞}^{\∞}g\left(x\right)e^{-\mathrm{i\ωx}}\mathrm{dx}$

$={\∫}_{-\∞}^{\∞}\underset{n=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}f\left({\mathrm{nx}}_0\right)\frac{\sin 2\mathrm{\πW}(x-{\mathrm{nx}}_0)}{2\mathrm{\πW}(x-{\mathrm{nx}}_0)}{e}^{-\mathrm{i\ωx}}\mathrm{dx}$

显然，当抽样足够精密时，合成波场反应了其物空间的光波场分布，在观察参考平面的近域空间可观察到原物体所在空间的立体像，完成了物空间的波场再现。实际系统中观察参考平面位于靠近观众的空间中，再现景物可以从观众眼前开始到无穷远处，符合人在自然界中的观察习惯。

本发明对上述方法进行了重要创新：(1)将波场合成改变为波面合成；(2)引入人眼智能识别系统使合成波面水平抽样点数由∞下降为2。由于人眼在观察空间的分布具有如下规律：①左右眼有固定间隔；②在任意位置处的相同时段，只有两幅图像分别被左右眼观察到；③对于个人和家庭的应用场合(比如立体电视)，如有多人同时处于观察空间中，极大多数情况下观看者在水平方向以一定间距错开排列，位置不重叠。于是可以用2个抽样取代水平方向的所有抽样，合成波面简化为：

$G\left(\mathrm{\ω}\right)={\∫}_{-\∞}^{\∞}g\left(x_L\right)e^{-i{\mathrm{\ω}}_{L}x}\mathrm{dx}+{\∫}_{-\∞}^{\∞}g\left(x_R\right)e^{-i{\mathrm{\ω}}_{R}x}\mathrm{dx}$

式中，g(X_L)为左眼对应图像，g(X_R)为右眼对应图像。上式说明，这种波面从最左端到最右端只有两种不同的物波，它以实际所需宽度交叉分布并在位置上分别对应每个观察者的左眼、右眼，这种非自然均匀分布的合成波面由基于人工智能的人脸识别系统来强制控制。

宽视角智能3D显示器，它由机壳及置于机壳内的光学系统和控制系统组成；所述的光学系统包括LCD屏、菲涅耳凸透镜片、垂直扩散器、光源阵列板和两个侧光板，LCD屏嵌在机壳的前端供人观看3D和2D影像，菲涅耳凸透镜片和垂直扩散器不分前后顺序地紧贴在LCD屏的背面，光源阵列板倾斜地置于LCD屏背后并为LCD屏提供显影光源，两个侧光板贴在机壳内部的左右两侧；所述的控制系统包括摄像头、键盘、微控制器、图像输入接口、光阀驱动电路、乒乓脉冲发生电路、人脸识别电路、光源数据匹配电路、光源驱动电路和3D识别电路，摄像头置于机壳的前端，其输出与人脸识别电路连接，人脸识别电路的输出与光源数据匹配电路连接，光源数据匹配电路的输出和乒乓脉冲发生电路的输出与光源驱动电路连接，光源驱动电路的输出与光源阵列板连接，图像输入接口的输入与外部视频信号连接，其RGB输出与光阀驱动电路连接，光阀驱动电路的输出与LCD屏连接，图像输入接口的页脉冲输出与3D识别电路连接，3D识别电路的输出分别与光阀驱动电路和乒乓脉冲发生电路连接，微控制器的输入连接键盘，其输出分别连接3D识别电路和光源数据匹配电路，键盘置于机壳外。

光源阵列板的组成结构是：取多个可控发光单元紧贴着组成一排连续的发光线段，再将多排发光线段并排即组成光源阵列，阵列中每一个发光单元都能被独立控制并且与相邻的发光单元任意组合成各种形状，当光源阵列中的发光线段紧密排列后，光源阵列等效为一张平面发光板。简易型的光源阵列板只用一排连续的发光线段来组成。

侧光板为短余辉可控发光板。

菲涅耳凸透镜和垂直扩散器的尺寸应略大于LCD屏有效像素窗口的尺寸，垂直扩散器安装时齿纹轴线成水平状态，且LCD屏、菲涅耳凸透镜片和垂直扩散器所构成的成像屏的光学中心以菲涅耳凸透镜为准。

机壳内还设有平面反射镜，且平面反射镜位于光源阵列板的上方。

LCD屏上所粘贴的偏振片表面光滑平整。

发光单元为高亮度、短余辉白光LED发光二极管。

光源阵列板倾斜安装，前端位置靠下、后端位置靠上或前端位置靠上、后端位置靠下，光源阵列板前端到菲涅耳凸透镜片的距离大于菲涅耳凸透镜片的焦距。

光源阵列板中的所有发光单元的光出射中心都强制指向成像屏的中心。

宽视角智能3D显示的方法，它包括以下步骤：

A、组建背面投影系统：所述的背面投影系统包括LCD屏、菲涅耳凸透镜片、垂直扩散器、光源阵列板和控制系统；

B、设置一个摄像头，摄像头摄入人脸信息并传输到人脸识别电路，人脸识别电路运算处理后标识出处于观看区域内每一位观看者左、右眼的水平位置以及与屏幕的距离的数据输出到光源数据匹配电路，光源数据匹配电路将输入数据转换为对应的光源位置数据并输出到光源驱动电路，光源驱动电路驱动光源阵列板上对应的发光单元；

C、显像：光源驱动电路关闭光源，光阀驱动电路向LCD屏输入供左眼观看的图像，待LCD屏内液晶分子排列结构形成了左眼图像后，点亮光源阵列中对应左眼共轭位置上的发光单元并保持一定时间，使左眼观察到LCD屏上的图像；光源驱动电路关闭光源，光阀驱动电路向LCD屏输入供右眼观看的图像，待LCD屏内液晶分子排列结构形成了右眼图像后，点亮光源阵列中对应右眼共轭位置上的发光单元并保持一定时间，使右眼观察到LCD屏上的图像，如此反复交替。

本发明的有益效果是使人们观看3D影像时不仅无需佩戴专用眼镜而且没有了视角的限制，同时兼容2D影像显示，克服了普通投影系统固有的图像几何失真和相邻像素干扰，大幅提高了成像质量，极大地简化了系统结构、降低了成本。

附图说明

图1本发明的结构示意图之一

图2本发明的结构示意图之二

图3本发明的端面示意图

图4光学系统侧视图

图5光学系统垂直光学特性图

图6光学系统水平光学特性图

图7控制单元的示意图

图8点光源工作原理图

图9侧光板安装示意图

图中，1-LCD屏，2-菲涅耳凸透镜片，3-发光单元，4-光源阵列板，5-垂直扩散器，6-侧光板，7-观看空间，8-机壳，9-平面反射镜，10-视频接口，11-PCB板，12-键盘，13-摄像头，14-黑色吸光材料，15-2D影像观看区，16-电源变换器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述：

如图1至图9所示，宽视角智能3D显示器，它由机壳8及置于机壳8内的光学系统和控制系统组成。

光学系统包括LCD屏1、菲涅耳凸透镜片2、垂直扩散器5、光源阵列板4和侧光板6，LCD屏1嵌在机壳8的前端供人观看3D影像，菲涅耳凸透镜片2和垂直扩散器5不分前后顺序地贴在LCD屏1的背面，光源阵列板4倾斜地置于LCD屏1背后适当距离并为LCD屏1提供显影光源，侧光板6用来增大观看2D影像的视角，平面反射镜9用来折叠光源阵列板4到菲涅耳凸透镜片2的投影光路，使机壳8的深度缩短，光源阵列板4发出的光线不能直接射向LCD屏1，而需经平面反射镜9反射后再射向LCD屏1，整个光学系统中的光路空间用黑色吸光材料14包裹起来，防止灰尘进入和杂散光的干扰。

光学系统是一种变形的背面投影系统：每个发光单元3等效为一个投影器，成像屏(屏幕)则由LCD屏1、垂直扩散器5、菲涅耳凸透镜2三者组合而成，成像屏面上具有光出射水平各向异性和垂直各向同性，在制造工艺允许的情况下LCD屏1、垂直扩散器5、菲涅耳凸透镜2三者可以集成为一体；因为影响光线传播方向的主要部件是菲涅耳凸透镜2，所以屏幕的光学中心以菲涅耳凸透镜2为准。

菲涅耳凸透镜2和垂直扩散器5的尺寸应略大于LCD屏1有效像素窗口的尺寸。选择适当的透镜焦距可以用较小面积的点光源阵列换取较大的观看空间7，焦距太长将使光学系统尺度变长而导致显示器厚度增加，焦距太短时观看空间7远轴位置波面失真变大导致影像产生重影、色散、3D效果下降。观看空间7的定义：由点光源阵列通过物像共轭关系所对应的屏幕前供观众观看3D影像的有效空间区域。在这个区域中可为观众提供良好的3D影像，当超出这个区域的左右两端时可部分或不能看到3D以及2D影像，而超出这个区域的远端时可看到2D影像或较差的3D影像，故这个区域做得大一些为好。

光源阵列板4是倾斜着放置在机壳8内的，其组成结构是：由多个可控发光单元3紧贴着组成一排连续的发光线段，再将多排发光线段并排即组成光源阵列，阵列中每一个发光单元3都能被独立控制并且可以与相邻的发光单元3任意组合点亮构成各种形状，当光源阵列中的发光线段紧密排列后，光源阵列等效为一张平面发光板。光源阵列板4中所有发光单元3的光出射中心都强制指向屏幕中心，光源阵列板4为倾斜安装，其可以前端位置靠下、后端位置靠上，也可以前端位置靠上、后端位置靠下，其前端到菲涅耳凸透镜片2的距离大于菲涅耳凸透镜片2的焦距，应掌握好倾斜的角度，在尽量加大其水平方向投影长度的同时保证每个发光单元3发出的光线都不被前面的发光装置所遮挡，见图4光学系统侧视图；当垂直扩散器5光扩散角度足够大时，光源阵列板4具有垂直安装位置无关性，这样，光源阵列板4等效为水平放置，前端离菲涅耳凸透镜2近、后端远，故可将3D显示器的光学系统垂直光学特性等效为图5所示，不管观察者在机器前方的高低位置如何均可看到屏上的影像。

实验发现，当光源阵列板4只用其中固定的一排连续的发光线段工作时，左右运动头部对影像立体感有很大影响，而前后运动头部对影像立体感影响较小，故简易型的光源阵列板4可以只用一排连续的发光线段来组成，如图2所示；垂直扩散器5的扩散角度也不要太大，够用就行，因为扩散角度越大光能越分散，视觉亮度就越低，为达到高的视觉亮度就需要消耗更多的能量。

光源阵列板4中的发光单元3由电驱动的发光小点即点光源构成，以方便对其发光强度和开关状态进行控制；发光单元3的几何尺寸不能太大，应保证观察者头部运动时光源跟踪的精度。设光源阵列板4中有一个发光单元3遵从余弦发射规律向外均匀发散辐射并照射到成像屏上，在没有LCD屏1的情况下，观察者用一只眼睛将在观看空间7的相应共轭位置看到菲涅耳凸透镜上均匀的光照，此时加入LCD屏1并施加驱动图像，由于LCD屏1对透过的光线只进行幅度调制而不会改变其传播方向，观察者的这只眼睛将在观看空间7的相应共轭位置看到LCD屏1上的图像，而另一只眼睛所在位置无光线照射将不能看到LCD屏1上的图像(黑屏)；此时，LCD屏1等效为光阀，光阀是一种空间光调制器；本3D显示器的光阀上光出射具有水平各向异性，垂直各向同性则由垂直扩散器产生。需要指出的是，在理想的情况下LCD屏1被看作光阀，实际应用中，由于LCD屏1上像素栅格约束入射光造成穿过屏的光线产生衍射，同时液晶分子的双折射现象使入射光束通过后引起出射光束扩大和散射，散射的直观感觉是3D影像产生重影，但这个散射作用不太大，对立体图像的影响在可控范围内；当发光单元3幅射的光线通过垂直扩散器5、菲涅耳凸透镜2、LCD屏1后，散射光以较小的角度和能量比例在水平和垂直两个方向展开，其能量随着散射角的增大而快速衰减，若使用较小屏幕的LCD时，因观看距离近，散射光并未对相邻观看位置的眼睛形成干扰，但当使用大屏幕的LCD远距离观看时，散射光将到达相邻观看位置的眼睛处形成干扰而造成重影；对屏幕尺寸的限制可通过改进制造工艺来降低，选用合适类型的LCD面板可以尽量地减少散射，一般使用TN扭曲向列相型或STN超扭曲向列相型液晶屏，要求屏上所粘贴的偏振片表面光滑平整，不能使用有凸凹的雾面偏振片；一些LCD面板为扩大可视角度在内部设置有光折射元件，不能使用。

发光单元3为高亮度、短余辉白光LED发光二极管，其发光表面形状可以为圆形、方形、蜂窝形、三角形或其他。LED发光二极管的发光表面位于器件封装中心，其外围较宽的地方并不发光，将多只LED排列起来后，它们的发光表面不能形成连续的线段，这时，可将LED在垂直方向错开排列使它们的发光表面等效为均匀发光的水平线段。由于LED的光发散和成像屏的垂直光出射都被控制在一定的夹角内，而且观看3D影像时没有专用眼镜造成的光衰减，光能利用效率得以提高，同时，LED属于冷光源，效率高，能耗大幅降低。

由于LCD屏1的液晶黑白响应时间的影响，屏上液晶分子的响应要滞后于所施加的驱动电压，且屏上的信号是从上至下顺序驱动的，屏上的液晶分子就会从上至下逐渐变化，从时间上来看是顺序的，而发光单元3施加到LCD屏1上的光照从时间上来看是并行的，那么发光单元3就需要仔细安排点亮和关闭的时间周期和相位，同时液晶屏的驱动时序也需要作相应调整。

垂直扩散器5由柱状光栅片构成，安装时齿纹轴线成水平状态。市售产品有75线、100线、161线、240线之分，线数是指一英寸内包含多少条柱状透镜，厚度为0.3mm到1.3mm，光发散角一般为65°；选用线数多的效果好，厚薄均可。

光学系统水平光学特性等效为图6所示，图中，观看空间7和光源阵列板4分别位于菲涅耳凸透镜2的两端，由几何光学可知：光源阵列板4中任一点与菲涅耳凸透镜2另一端的观看空间7中的相应点具有一一对应的物像共轭关系，即光源阵列板4中任一点所发出的照射光阀的均匀光线将被凸透镜会聚于观看空间7中相对应的共轭点，亦即位于观看空间7中的观众的任一只眼睛所在位置接收到的光线均由点光源阵列中共轭位置的光源发出，说明控制发光点的位置即可控制成像屏传送给眼睛的光线。

实验表明：若光源阵列中有一个发光单元3被点亮而发出均匀照射光线，经过垂直扩散器5、菲涅耳凸透镜2、LCD屏1后，将在观看空间7对应共扼位置形成一条垂直的光波带，在这个位置放置一张普通白色屏幕即可见到一条亮带，亮带的宽度与发光单元3的水平尺寸成正比，高度与垂直扩散器5的光扩散角成正比，亮度和颜色与LCD屏1上像的内容有关。在日常的应用中，显示器许多时间都工作在2D状态，良好地兼容2D影像就非常重要，为此，在机壳8内靠近两个侧面的平行位置放置了两张短余辉的侧光板6，侧光板6由可控发光单元3排列成多排而成，侧光板6的形状、大小、安装位置高低无严格要求；一张侧光板6内的所有发光单元3是被同时点亮或关闭的，机壳8内左侧的侧光板6和右侧的侧光板6分别受乒乓脉冲的右脉冲和左脉冲控制点亮和关闭；由于侧光板6的前端距菲涅耳凸透镜2左右两侧近，其发出的光线与菲涅耳凸透镜2轴线的角度增大，使LCD屏1上出射光的水平角度增大，这样可以大幅度地增加2D影像的观看角度，如图9所示。

本发明采用的LCD屏1为普通镜面(偏振片为光滑表面)TN型B154EW02V.7液晶面板，屏幕尺寸15.4英寸，物理像素为1280x800x3，高宽比16∶10，黑白响应时间8ms，接口为LVDS低电压差分信号，由于控制电路板装在机壳8内下方，需要将液晶面板接口倒转向下安装，故必需在光阀驱动电路内将图像上下和左右都进行翻转；采用的菲涅耳凸透镜片2的尺寸为355mm×220mm，焦距为400mm；采用的垂直扩散器5使用市售161线柱状光栅片，尺寸为355mm×220mm，厚度为0.3mm，光发散角65°；采用的光源阵列板4为简易型方案：使用107只贴片5050型高亮度白光LED在垂直方向错开排列，使其在水平方向等效为一排连续的发光线段，由可编程逻辑集成电路EPM570T144C5控制107只开关三极管分别驱动107只LED点亮或关闭，发光线段总宽度为350mm，与菲涅耳凸透镜片2光程距离(使用反射镜时，光路折叠)650mm，对应观看空间7波面宽度为560mm；采用的平面反射镜9尺寸为355mm×220mm，垂直方向倾斜着放置，其反光面法线与发光线段中点到菲涅耳凸透镜片2中心连线的中点相交。

控制单元包括摄像头13、键盘12、微控制器、图像输入接口、光阀驱动电路、乒乓脉冲发生电路、人脸识别电路、光源数据匹配电路、光源驱动电路和3D识别电路，如图7所示。

摄像头13为广角摄像头，黑白、彩色、红外均可，安置在机壳8前端的上中方或下中方并对准观看空间7中心，其输出与人脸识别电路连接，人脸识别电路的输出与光源数据匹配电路连接，光源数据匹配电路的输出和乒乓脉冲发生电路的输出以及微控制器输出的PWM脉冲与光源驱动电路连接，光源驱动电路的输出与光源阵列板4连接，图像输入接口的输入与外部视频信号连接，其RGB(红绿蓝)输出与光阀驱动电路连接，光阀驱动电路的输出与LCD屏1连接，图像输入接口的页脉冲输出与3D识别电路连接，3D识别电路的输出分别与光阀驱动电路和乒乓脉冲发生电路连接；微控制器的输入连接键盘12，其输出分别连接3D识别电路和光源数据匹配电路，键盘12置于机壳8外。

其中MCU(微控制器)用于接收用户指令或信号，对电源待机、图像对比度、图像亮度、光源亮度、摩尔纹、字符发生和故障保护进行管理，并协调系统中各部分的工作；因为2D状态时需要点亮的发光单元3常亮不灭，而3D状态时需要点亮的发光单元3的亮暗占空比＜50％，为防止影像在两种不同的状态下平均亮度相差太大，所以MPU需发生一个远大于乒乓脉冲频率的PWM(脉冲宽度调制)脉冲到光源驱动电路去控制发光单元3的亮度，PWM脉冲受键盘12输入的亮度调节信号控制。

来自播放设备(个人电脑主机、视频播放机或接收机)的图像信息有模拟信号和数字信号之分并有D-SUB、HDMI、TMDS等多种格式，图像输入接口将其转变为统一的RGB数字信号便于后级电路处理。图像信号经图像输入接口，由A/D转换器转换为RBG数字信号格式通过光阀驱动电路输入LCD屏1中，图像输入接口还送入了一个单独的页脉冲，页脉冲被输入到3D识别电路中，识别后一路控制存储器的切换，另一路控制乒乓脉冲发生器的开关从而打开或关闭显示器的3D工作状态。乒乓脉冲的周期、相位是单独发生的，与LCD面板性能有关，比如频分制红青立体模式并不需要识别信号。

光阀驱动电路和乒乓脉冲发生器的作用：由于LCD屏1具由固定的水平和垂直分辨率以及刷新频率，但从播放设备输入的图像信号分辨率大小不等、刷新频率可调，不能直接用于驱动LCD屏1，需对图像窗口进行缩放变换后，分别将左眼和右眼对应的图像存入存储器的两个区域，再以一个固定的帧频读出，然后转换为LVDS低电压差分信号输出去驱动LCD屏1，其输出的LCD刷新频率和分辨率不受输入信号刷新频率和分辨率的影响，以便发光单元3用固定的频率和相位被驱动，使系统在3D模式时工作于最佳状态。3D模式时，播放设备在分时传送左、右眼图像的同时，还送出了一个3D页模式切换脉冲，这个脉冲为高电平时，对应传送左眼图像信号，而脉冲为低电平时对应传送右眼图像信号，识别这个信号并根据这个信号分别将输入图像存储到存储器的两个不同区域；2D平面模式时，图像只存放到存储器一个区域；在分时读出存储器两个区域数据去驱动LCD屏1的同时，还需产生左、右两个交错变化的脉冲即乒乓脉冲送到光源驱动器，去控制点光源阵列中的左灯和右灯的开关。乒乓脉冲由左脉冲和右脉冲构成，乒乓脉冲的频率等于LCD屏1刷新频率的一半，占空比≤50％。由于LCD屏1上液晶分子的响应滞后于驱动LCD屏1的电信号，故乒乓脉冲的相位应滞后于LCD屏1图像驱动信号一定时间；若此时只是不断地读取存储器中一个区域的图像去驱动LCD屏1，并将乒乓脉冲的左脉冲和右脉冲同时驱动于高电平，观看到的将是2D画面。

要使大脑产生立体影像，必须使左、右眼分别看到有一定像差的两幅图像。在控制系统中大量地使用页模式传输立体影像，页模式实质上是用时分制(时间分割)来传送图像信息，即先向显示屏上输入一帧图像并使对应的一只眼睛观察到它，紧接着再向显示屏上输入另一帧图像并使另一只眼睛观察到它，如此快速交替向显示屏输入这种像差图像，当交替的频率大于25Hz，观察者可看到无闪烁的立体影像。为克服闪烁感应选用时黑白响应时间短、刷新频率快的LCD屏1。

人脸识别电路：将一个广角摄像头13安装在显示器上方中部或下方中部并对准观看空间7的中心，其所输出的视频图像中就包括了所有观众在观看空间7内的位置信息，把这个视频图像输入到芯片中，由片上人脸识别系统进行检测运算后，标识出处于观看区域内每一位观看者左、右眼的水平位置、与屏幕的距离的数据，以备下一步使用；由于观看者可能在不断地移动位置，人脸识别系统必须有较高的检测精度和足够快的检测速度，保证光源能高速、精密地跟踪观看者的运动；必需考虑发光单元3的切换对摄像视频的影响。如果关闭人脸识别，将只能在屏幕前的固定视角内观看到3D影像。

光源数据匹配程序：它是将人脸识别系统检测到的数据根据发光单元3与观看空间7的物像共轭关系变换成对应的光源位置数据，设有三个人脸a、b和c，如图8所示，标识为右灯的发光单元3如实心圆，标识为左灯的发光单元3如空心圆，对应右眼的波面如黑体的块，对应左眼的波面如空心的块，单个人脸或更多人脸的标识方法原理相同。第一步，首先由人脸位置数据中的距离数据，选择由点光源阵列中哪一排发光单元3被驱动。第二步，在被驱动的这一排发光单元3中，先由图中发光单元3最上端开始连接到人脸a的右眼与左眼的中线，标识连线中的发光单元3为右灯；再从这个中线开始连接到人脸a与人脸b的中线，标识连线中的发光单元3为左灯；再连接到人脸b的右眼与左眼的中线，标识连线中的发光单元3为右灯；连接到人脸b与人脸c的中线，标识连线中的发光单元3为左灯；连接到人脸b的右眼与左眼的中线，标识连线中的发光单元3为右灯；连接到这一排发光单元3的最下端，标识连线中的发光单元3为左灯。可将这些线段前后相邻的几排发光单元3并入各段以增加光源的功率，从而提高影像的视觉亮度，具体多少排由所使用的LED功率决定。实际应用中，多个观众在观看空间7中不可能只位于一条直线上，但只要他们的位置不出现前后重叠，就可以驱动点光源阵列中的发光单元3组成各种形状的“曲线”，而“曲线”在光源阵列板4中的形状和位置正好与观众的眼睛在观看空间7中分布的形状和位置形成共扼关系。

光源驱动电路：将光源位置数据和左、右两个乒乓脉冲一同送入LED点光源阵列驱动电路，当左脉冲为高电平时点亮所有标识为左灯的各段光源，同时关闭所有标识为右灯的各段光源，此时所有观察者的左眼将被左灯照明；而当右脉冲为高电平时点亮所有标识为右灯的各段光源，同时关闭所有标识为左灯的各段光源，此时所有观察者的右眼被右灯照明；伴随LCD上图像的不断同步切换，观众看到了3D影像。如需显示2D图像，只要将左、右两个脉冲同时驱动到高电平即可；左脉冲和右脉冲还分别控制右侧的侧光板6和左侧的侧光板6点亮和关闭。由MCU送到光源驱动电路的PWM脉冲快速调制LED点亮时的占空比使LED的亮度可调。

本发明的控制发光单元3的光源驱动电路安装在光源阵列板4上，主控制电路安装在一张110mm×100mm双面PCB板11上，主控制电路将光源数据、乒乓脉冲、PWM脉冲经连接导线传输给光源阵列板4，其中光源驱动电路控制107个三极管的导通和关断；图像信号处理、光阀驱动和人工智能使用一片FPGA(现场可编程逻辑阵列)芯片，微控制器使用AT89S52单片机，以及外加一片24C04存储器用于存储开关机状态、图像对比度、亮度信息以及人工智能检测到的眼睛位置数据与实际眼睛对应的发光单元3位置数据之间的误差信息(由摄像头安装角度误差引起)；图像存储器使用三片HY57V561620的SDRAM芯片，位宽为48bit；A/D转换器的型号为AD9883；机壳8内设置有电源变换器16将市电变换后为各电路板提供电能。

宽视角智能3D显示器的成像方法，它包括了以下步骤：

A、组建一个背面投影系统：所述的背面投影系统包括LCD屏1、菲涅耳凸透镜片2、垂直扩散器5、光源阵列板4和控制系统；

B、设置摄像头13，摄像头13摄入人脸信息并传输到人脸识别电路，人脸识别电路进行检测运算后，标识出处于观看区域内每一位观看者左、右眼的水平位置与屏幕的距离等数据发送到光源数据匹配电路，最后到光源驱动电路，从而和脉冲发生器同步控制光源阵列板4中发光单元3点亮时的数量、排列形状、位置和点亮的时间顺序，这样就可以通过成像屏中菲涅耳凸透镜2两端的物像共轭关系间接控制观看空间7中合成波面的尺度、排列形状、位置和产生的时间顺序；

C、显像：开始光源驱动电路关闭光源，外部的视频信号经图像输入接口、存储器和光阀驱动电路向LCD屏1输入供左眼观看的图像，待LCD屏1内液晶分子排列结构形成了左眼图像后，点亮光源阵列中对应左眼共轭位置上的发光单元3并保持一定时间，使左眼观察到LCD屏1上的图像；再由光源驱动电路关闭光源，外部的视频信号经图像输入接口、存储器和光阀驱动电路向LCD屏1输入供右眼观看的图像，待LCD屏1内液晶分子排列结构形成了右眼图像后，点亮光源阵列中对应右眼共轭位置上的发光单元3并保持一定时间，使右眼观察到LCD屏上1的图像，如此反复交替。这样进入眼睛的图像经过大脑的整合就形成了3D影像。

Claims (10)

1.宽视角智能3D显示器，其特征是：它由机壳（8）及置于机壳（8）内的光学系统和控制系统组成；所述的光学系统包括LCD屏（1）、菲涅耳凸透镜片（2）、垂直扩散器（5）、光源阵列板（4）和两个侧光板（6），LCD屏（1）嵌在机壳（8）的前端供人观看3D和2D影像，菲涅耳凸透镜片（2）和垂直扩散器（5）不分前后顺序地紧贴在LCD屏（1）的背面，光源阵列板（4）倾斜地置于LCD屏（1）背后并为LCD屏（1）提供显影光源，两个侧光板（6）贴在机壳（8）内部的左右两侧；所述的控制系统包括摄像头（13）、键盘（12）、微控制器、图像输入接口、光阀驱动电路、乒乓脉冲发生电路、人脸识别电路、光源数据匹配电路、光源驱动电路和3D识别电路，摄像头（13）置于机壳（8）的前端，其输出与人脸识别电路连接，人脸识别电路的输出与光源数据匹配电路连接，光源数据匹配电路的输出和乒乓脉冲发生电路的输出与光源驱动电路连接，光源驱动电路的输出与光源阵列板（4）连接，图像输入接口的输入与外部视频信号连接，其RGB输出与光阀驱动电路连接，光阀驱动电路的输出与LCD屏（1）连接，图像输入接口的页脉冲输出与3D识别电路连接，3D识别电路的输出分别与光阀驱动电路和乒乓脉冲发生电路连接，微控制器的输入连接键盘（12），其输出分别连接3D识别电路和光源数据匹配电路，键盘（12）置于机壳（8）外。

2.根据权利要求1所述的宽视角智能3D显示器，其特征在于：所述的光源阵列板（4）的组成结构是：取多个可控发光单元（3）紧贴着组成一排连续的发光线段，再将多排发光线段并排即组成光源阵列，阵列中每一个发光单元（3）都能被独立控制并且与相邻的发光单元（3）任意组合成各种形状，当光源阵列中的发光线段紧密排列后，光源阵列等效为一张平面发光板；简易型的光源阵列板（4）只用一排连续的发光线段来组成。

3.根据权利要求1所述的宽视角智能3D显示器，其特征在于：所述的侧光板（6）为短余辉可控发光板。

4.根据权利要求1所述的宽视角智能3D显示器，其特征在于：所述的菲涅耳凸透镜（2）和垂直扩散器（5）的尺寸应略大于LCD屏（1）有效像素窗口的尺寸，垂直扩散器（5）安装时齿纹轴线成水平状态，且LCD屏（1）、菲涅耳凸透镜片（2）和垂直扩散器（5）所构成的成像屏的光学中心以菲涅耳凸透镜（2）为准。

5.根据权利要求1所述的宽视角智能3D显示器，其特征在于：所述的机壳（8）内还设有平面反射镜（9），且平面反射镜（9）位于光源阵列板（4）的上方。

6.根据权利要求1所述的宽视角智能3D显示器，其特征在于：所述的LCD屏（1）上所粘贴的偏振片表面光滑平整。

7.根据权利要求2所述的宽视角智能3D显示器，其特征在于：所述的发光单元（3）为高亮度、短余辉白光LED发光二极管。

8.根据权利要求1或2所述的宽视角智能3D显示器，其特征在于：所述的光源阵列板（4）倾斜安装，前端位置靠下、后端位置靠上或前端位置靠上、后端位置靠下，光源阵列板（4）前端到菲涅耳凸透镜片（2）的距离大于菲涅耳凸透镜片（2）的焦距。

9.根据权利要求1或2所述的宽视角智能3D显示器，其特征在于：所述的光源阵列板（4）中的所有发光单元（3）的光出射中心都强制指向成像屏的中心。

10.如权利要求1所述的宽视角智能3D显示器用于宽视角智能3D显示的方法，其特征是：它包括以下步骤：

A、组建背面投影系统：所述的背面投影系统包括LCD屏（1）、菲涅耳凸透镜片（2）、垂直扩散器（5）、光源阵列板（4）和控制系统；

B、设置一个摄像头（13），摄像头（13）摄入人脸信息并传输到人脸识别电路，人脸识别电路运算处理后标识出处于观看区域内每一位观看者左、右眼的水平位置以及与屏幕的距离的数据输出到光源数据匹配电路，光源数据匹配电路将输入数据转换为对应的光源位置数据并输出到光源驱动电路，光源驱动电路驱动光源阵列板（4）上对应的发光单元；

C、显像：光源驱动电路关闭光源，光阀驱动电路向LCD屏（1）输入供左眼观看的图像，待LCD屏（1）内液晶分子排列结构形成了左眼图像后，点亮光源阵列中对应左眼共轭位置上的发光单元并保持一定时间，使左眼观察到LCD屏（1）上的图像；光源驱动电路关闭光源，光阀驱动电路向LCD屏（1）输入供右眼观看的图像，待LCD屏（1）内液晶分子排列结构形成了右眼图像后，点亮光源阵列中对应右眼共轭位置上的发光单元并保持一定时间，使右眼观察到LCD屏上（1）的图像，如此反复交替。