CN103021295A - 高清自由立体显示器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高清晰自由立体显示器，该立体显示器由图像存储与播放处理器、显示屏和立体光栅构成。立体光栅由光栅膜和玻璃粘接构成，能将显示屏上显示的立体合成图像分解成多幅序列视差图像，分别进入观看者的左右眼，从而实现自由立体显示。该发明突出的优点在于，立体图像的任意一个子像素，与周围邻近的6个子像素，无论是横向、左上右下、右上左下均能构成完整的RGB像素，特别是邻近的子像素还可组成三角形RGB结构，其全像素尺度缩小到原来的2/3，改善了立体图像的颗粒感，提高了立体显示的清晰度。
Description
技术领域：
本发明涉及一种自动立体显示器，更具体地讲，涉及一种高清晰的自动立体显示器，所述自动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，不使用眼镜的自动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。光栅自动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。
平面矩阵显示器的一个特点是，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。在多视点立体显示中，为了提高横向分辨率，并避免色彩混叠现象，立体像素采取了如图1所示的两种排列方式，R、G、B子像素从右上向左下组合一个完整像素。多视点立体显示的图像分辨率较低，特别是纵向清晰度降低到2D图像的1/3，因此不适合显示精细的立体图像和文字。
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较高的清晰度显示立体图像，同时兼容播放平面节目的立体显示器。
立体显示器由图像存储与播放处理器、平面显示屏和立体光栅构成。图像存储与播放处理器可完成立体图像存储，立体图像抽样合成，立体图像全高清实时显示的功能；平面显示屏(3)是全高清的液晶屏或者等离子屏；立体光栅由光栅膜(1)和玻璃(2)粘接构成，平行安装在平面显示屏(3)之外，光栅必须与显示屏匹配，光栅的栅距、透光系数是关键的参数。立体图像的显示需解决视差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立体显示最重要的依据。在本发明中，立体图像是由5幅视差图像合成的，每幅视差图像的R、G、B子像素从上到下依次错开一个子像素的位置，与竖直方向呈18.43°角排成一列，与同一视差图像下一列子像素之间间隔四列子像素位置。这种结构的突出优点在于，与立体光栅组合后具有较高的显示清晰度，立体图像颗粒感不明显。
附图说明：
为了叙述的方便，在技术方案之前先对附图加以说明。
图1是现有技术立体显示屏像素结构示意图，每幅立体图像由8或9幅视察序列图合成。每个2D像素由RGB三个子像素左右排列构成，是正方形像素，将一个2D像素拆分成3个子像素后，从右上到左下重新组合成新的RGB立体像素，现有技术组合成立体像素的方式主要有两种，其中立体像素(7)的构成方式为：
R B G G R B B G R R B G G R B B G R……R B G G R B B G R
与竖直方向构成的角度为12.53°，与12.53°的斜纹光栅配合，具有较好的立体显示效果，可以消除颜色混叠现象。立体像素(8)的构成方式为：
R B G R B G R B G R B G R B G R B G……R B G R B G R B G
与竖直方向构成的角度为18.43°，与18.43°的斜纹光栅配合，具有较好的立体显示效果，可以消除颜色混叠现象。两种子像素从左上到右下的对称结构，与上述两种完全等效，不再单独说明。
还存在一种任意角度的配置方案，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设计出来的。现有技术的不足之处在于，纵向像素的分辨率只有原来的1/3，全高清屏的立体显示清晰度只有360P；另外，平面显示器上的像素点与立体光栅组合后形成的网纹使立体图像看起来具有显著的颗粒感。较低的清晰度和略显粗糙的画面部分抵消了立体图像的优势。
图2A是立体显示屏结构的侧视图，由立体光栅和平面显示屏(3)构成，立体光栅由光栅膜(1)和玻璃(2)粘合而成；图2B是主视图，平面显示屏(3)与立体光栅相互平行，并保持合适的间距固定安装在一起。可用的光栅膜有三种：柱镜光栅膜、狭缝光栅膜和波纹狭缝光栅膜。光栅膜(1)也可以粘合在玻璃(2)的内表面，即在玻璃(2)与平面显示屏(3)之间，如果采用柱镜光栅膜，其凸面朝内并且平面显示屏(3)的像素面需处于聚焦状态。
图3是柱镜光栅膜示意图，由与竖直方向呈18.43°的柱面透镜排列而成，每个柱面透镜覆盖平面显示屏的5列子像素。由于投射关系，透镜的宽度比5列子像素宽度略小，约为99.8％。因此，柱镜光栅膜的栅距P＝D/3*5*cos18.43°*a。其中，D为显示屏像素点距，a≈0.998，为修正系数，与光栅材料折射率、光栅到显示屏之间的距离以及最佳观看距离均有关系，其值在0.995～0.999之间，需要依靠试验修正，最多三次试验就能获得精确的结果。
图4是狭缝光栅膜示意图，由与竖直方向呈18.43°的透光缝隙(5)与遮光条(6)排列而成，每个透光缝隙(5)与遮光条(6)构成一个光栅周期，其宽度比例约1∶4，覆盖平面显示屏的5列子像素。狭缝光栅膜的栅距P＝D/3*5*cos18.43°*a。其中，D为显示屏像素点距，a≈0.998。
图5是波纹狭缝光栅膜示意图，是一种改进的狭缝光栅，由波纹状透光缝隙(9)和波纹状遮光条(10)构成。将图7中全部白格对应部分设置成透光部分，全部黑格对应部分设置成遮光部分，这就是立体光栅的原型。为了改善闪烁效应，将透光区域扩大使白格之间完全连通，然后平滑选区，再缩小至原来的宽度，成为波纹状透光缝隙(9)。其优点是，可以针对人群的视点高度作优化调整，具有更小的视差串扰。
图6是立体图像子像素排列示意图，是立体显示的核心依据，其中每个子像素(12)作为独立的显示单元来显示立体图像。图示中小方框覆盖的全部子像素(11)组成一幅视差图像，随着观察点的横向移动，小方框平移到下一列子像素，组成第二幅视差图像，依此类推，一幅完整的立体图像是由5幅视差序列图像按照这种抽样规则排列而成的。
图7是视差序列图像子像素排列示意图。视差序列图像就是在某一个视点看到的图像，双眼在两个视点看到有差异的图像正是形成立体感的主要原因。白格子像素(13)对于一个视点是可见的，黑格子像素(14)对于该视点是不可见的，所有白格子像素构成一幅视差图像，其分辨率、全像素的纹理决定了立体图像的显示质量。任意一个白格子像素，与周围最邻近的6个白格子像素，无论是横向、左上右下、右上左下均能构成完整的RGB全像素；任意邻近的三个子像素(15)(16)(17)均可组成三角形RGB全像素结构，其尺度小于3倍点距；任意一个子像素(19)，与最邻近的四个同色子像素中心等距，且交叉连线相互垂直，形成一个理想的图像点阵结构。因此立体图像具有高清晰、无网纹、颗粒感轻的优点。
图8是分屏格式示意图。由于合成后的视频立体图像不便于压缩、存储和传输，需要将每幅视差图像按要求处理，压缩成图像块(18)，然后按视差编号顺序在水平方向上拼合成一幅全高清的分屏图像，进一步形成帧系列视频图像。在立体播放之前实时完成解压缩、立体合成和显示整个过程。
下面详细说明立体显示器的结构和实现过程。
图像存储与播放处理器其实就是一台可播放高清视频的电脑主机，或者硬盘播放器，只要能完成立体图像存储、立体图像合成、点对点实时显示的功能就行。首先，立体图像需要用分屏格式存储，所为分屏格式，就是将原视差序列图冗余的部分子像素去除，重新编辑图像块(18)，再拼合成全高清图像，分辨率为1920*1080。
分三步完成分屏格式图像(以下简称分屏图)：
本发明采用1080P的全高清显示屏，可显示清晰度约为(1920/2)*(1080/2)的立体图像，即立体图像的清晰度接近960*540，因此要求5镜头立体图像源的解析度不低于960*540，视差图像的宽高比按16∶9进行裁切，然后等比缩放成1920*1080像素。
如图7所示的白格子像素(13)，视差图像中1/5的子像素被抽出来组合成384*1080大小的图像块(18)，图像块(18)每行包含384*3个子像素，其余的子像素作为冗余被舍弃。
第一幅视差序列图抽样组合成图像块的公式为：
R(i，j)＝r(5i+[3j/5]，j)
G(i，j)＝g(5i+[(3j+3)/5]，j)
B(i，j)＝b(5i+[(3j+1)/5]，j)
其中，R、G、B代表图像块(18)第i列第j行像素点的颜色值，i＝0，1，2，……，383；j＝0，1，2，……，1079；r、g、b代表视差序列图中像素点的颜色值，括号()内为像素点的位置；符号[]代表取余数算法。
第二幅视差序列图抽样组合成图像块的公式为：
R(i，j)＝r(5i+[(3j+2)/5]，j)
G(i，j)＝g(5i+[3j/5]，j)
B(i，j)＝b(5i+[(3j+3)/5]，j)
第三幅视差序列图抽样组合成图像块的公式为：
R(i，j)＝r(5i+[(3j+4)/5]，j)
G(i，j)＝g(5i+[(3j+2)/5]，j)
B(i，j)＝b(5i+[3j/5]，j)
第四幅视差序列图抽样组合成图像块的公式为：
R(i，j)＝r(5i+[(3j+1)/5]，j)
G(i，j)＝g(5i+[(3j+4)/5]，j)
B(i，j)＝b(5i+[(3j+2)/5]，j)
第五幅视差序列图抽样组合成图像块的公式为：
R(i，j)＝r(5i+[(3j+3)/5]，j)
G(i，j)＝g(5i+[(3j+1)/5]，j)
B(i，j)＝b(5i+[(3j+4)/5]，j)
将图像块(18)按视差编号顺序在水平方向上拼合成一幅分辨率为1920*1080的全高清分屏图像，如图8所示。
每幅分屏图就是一帧静态立体图像，将众多分屏图编辑成帧序列形成立体视频节目，便于压缩、存储和传输。播放之前，先需要将全高清视频解压成序列分屏图，再将分屏图转换成立体合成图像，实时播放出来。转换过程可由一个变换表格来完成，变换表格是一个二维数组，每个数组元素存储着子像素在立体合成图像中的新位置。按顺序读取分屏图子像素，根据数组元素的值将子像素填充到立体合成图像中对应的位置，形成一幅完整的立体图像，在显示屏上以点对点的方式显示出来。
平面显示屏由液晶屏或者等离子屏构成，可以点对点的播放全高清1080P视频。子像素组合成立体像素的方式如图6所示，由5幅视差序列图的子像素依次交替而成，立体合成图像子像素排列规则为：
R1G2B3R4G5B1R2G3B4R5G1B2R3G4B5R1G2B3R4G5B1R2G3B4……
R2G3B4R5G1B2R3G4B5R1G2B3R4G5B1R2G3B4R5G1B2R3G4B5……
R3G4B5R1G2B3R4G5B1R2G3B4R5G1B2R3G4B5R1G2B3R4G5B1……
R4G5B1R2G3B4R5G1B2R3G4B5R1G2B3R4G5B1R2G3B4R5G1B2……
R5G1B2R3G4B5R1G2B3R4G5B1R2G3B4R5G1B2R3G4B5R1G2B3……
R1G2B3R4G5B1R2G3B4R5G1B2R3G4B5R1G2B3R4G5B1R2G3B4……
......
R1G2B3R4G5B1R2G3B4R5G1B2R3G4B5R1G2B3R4G5B1R2G3B4……
R2G3B4R5G1B2R3G4B5R1G2B3R4G5B1R2G3B4R5G1B2R3G4B5……
R3G4B5R1G2B3R4G5B1R2G3B4R5G1B2R3G4B5R1G2B3R4G5B1……
R4G5B1R2G3B4R5G1B2R3G4B5R1G2B3R4G5B1R2G3B4R5G1B2……
R5G1B2R3G4B5R1G2B3R4G5B1R2G3B4R5G1B2R3G4B5R1G2B3……
每行共(1920*3)个子像素，共1080行。为了表述方便，这里不以变换表格的方式将分屏图直接生成立体合成图像，尽管变换表格具有较高的效率。先将分屏图拆分成5个图像块，再按照前述视差序列图抽样组合成图像块的公式，逆过程运算，依次将5个图像块的所有子像素填充到一幅全高清图像中，完成立体合成。
本发明公开的高清晰自动立体显示器，具有图像细腻，清晰度高的优点，与8视点、9视点的立体显示器相比，清晰度提高了一倍，与3视点、4视点、6视点的立体显示器相比，图像更加细腻。不用作2D/3D转换可直接显示高清晰平面图像和文字。可广泛应用于手机屏、笔记本电脑、MP4等小型屏及大幅面LCD、PDP的立体显示。
具体实施方式：
用47英寸的全高清液晶屏组建一台高清立体显示器。
准备一个47英寸的液晶屏，液晶屏的像素点距为0.5415mm。用激光照排机输出一张如图4所示的狭缝光栅菲林，光栅图案有效面积为1040*585mm，光栅的栅距为0.8548mm，透光缝隙(5)与遮光条(6)宽度比例为1∶4，与竖直方向倾斜角度为18.43度，将光栅菲林贴合在4mm厚玻璃前表面，紧贴安装在显示屏(3)上。视频节目以分屏格式存放在硬盘上，立体视频播放器以每秒24帧以上的速度完成以下功能：全高清视频解码成单帧分屏图像，再按照变换表格将分屏图转换成立体合成图像，实时播放出来，以点对点方式显示在屏幕上。
本发明是基于光栅方向从右上至左下且与竖直方向呈18.43°的图例结构加以描述的，但显然，其对称结构，光栅方向从左上至右下，也符合本发明的描述；本文主要以全高清屏(1920*1080)为例，对于其它分辨率的显示屏，参照本发明描述的过程很容易实现立体显示；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 (5)
1.一种立体显示器，由图像存储与播放处理器、显示屏和立体光栅构成，可显示立体图像和视频，其特征在于，图像存储与播放处理器可完成立体图像存储，抽样合成，全高清实时显示等功能，立体光栅由光栅膜(1)和玻璃(2)粘合而成，平行安装在显示屏(3)之外，光栅线条与纵向夹角呈18.43°。
2.如权利要求1所述的立体显示器，其特征还在于，立体合成图像点对点显示在显示器(3)上，在同一幅视差图像中，R、G、B子像素从上到下依次错开一个子像素的位置，与竖直方向呈18.43°排成列，任意一个子像素，与周围最邻近的6个子像素，无论是横向、左上右下、右上左下均能构成完整的RGB全像素，任意邻近的三个子像素(15)(16)(17)均可组成三角形RGB全像素结构，其尺度小于3倍点距，任意一个子像素(19)，与最邻近的四个同色子像素中心等距，且交叉连线相互垂直，形成一个理想的图像点阵结构。
3.如权利要求2所述的立体显示器，其特征还在于，立体图像是由5幅视差图像合成的，同一视差图像的子像素列之间间隔四个子像素位置。
4.如权利要求1所述的立体显示器，其特征还在于，光栅膜(1)由波纹状透光缝隙(9)和波纹状遮光条(10)构成。
5.如权利要求3所述的立体显示器，其特征还在于，5镜头视差图像的宽高比按16∶9进行裁切，然后等比缩放成1920*1080像素，抽样压缩成384*1080的图像块(18)，按视差编号顺序在水平方向上拼合成一幅全高清的分屏格式图像，通过分屏格式实现立体视频的编辑、存储、传输和播放。
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