CN103888746B - 一种基于子像素的三合一led裸眼3d显示装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于子像素的三合一LED裸眼3D显示装置及方法涉及裸眼3D显示领域。所述装置是由三合一LED显示屏和光栅组成；三合一LED显示屏每个像素所包含的1R1G1B三个子像素应沿水平方向排布；子像素在竖直方向上为同一种颜色。光栅子像素间距p等于三合一LED显示屏像素点距p₀的1/3。本方法步骤：根据像素的点距p₀，单个像素中的子像素相邻间距，不同子像素所处的物理位置，计算得到了2D显示屏上所有子像素的对应视点数矩阵Q，矩阵Q中的数值保持非整性。加权求和过程仅在水平方向上进行。本发明解决三合一LED显示屏只能基于像素级别进行光栅设计的技术瓶颈，有效均衡立体显示分辨率在水平和竖直方向上的分辨率损失，提高立体显示图像的质量。

Description

一种基于子像素的三合一LED裸眼3D显示装置及方法

技术领域

本发明涉及裸眼3D显示领域，尤其涉及三合一LED的裸眼3D显示。

背景技术

裸眼3D显示是不需要辅助设备(如佩戴红蓝、偏振、快门眼镜或者液晶头盔等)的一种显示技术，它在航空航天、军事、医学、广告设计和娱乐互动等领域均有广泛的应用背景。

目前，裸眼3D显示的主流技术有两种：狭缝光栅和柱镜光栅。狭缝光栅是由透光和挡光的光栅条组成，通过对光线的遮挡作用，来实现不同视点图像的空间分离，而柱镜光栅是利用柱面透镜对光线的折射作用，使光线在空间发生偏转，从而实现与狭缝光栅相似的效果，这两种方式都属于空间复用的裸眼3D显示技术。

但是，目前主流的这两种光栅式裸眼3D显示技术基于依赖于LCD液晶显示屏，普遍存在着分辨率下降、亮度偏低等问题，而LED显示屏因其具有高亮度、低热量、环保、高效节能和性能稳定等优点，正逐渐应用到裸眼3D显示领域中。

发明内容

众所周知，裸眼3D显示装置对2D显示屏的子像素结构要求特别高，一个完整像素由1R1G1B三种子像素灯组成，子像素排布方式且应满足如下规则：在水平方向上按红、绿、蓝或蓝、绿、红循环排布；在垂直方向上为红、绿、蓝的同一色，每个子像素在水平和垂直方向上的间距均应保持相等。

但是，对于市面上常见的三合一LED显示屏种类来说，其子像素结构通常难以满足裸眼3D显示的上述要求。因此，若想采用LED屏作为2D显示装置以期提高立体显示亮度，只能采用特殊子像素结构排布的三拼一LED显示屏，或者采用三合一LED显示屏，但基于像素级别进行设计，也就是说将1R1G1B三个子像素作为一个整体，此时的像素间距即为LED显示屏的点距。因为三合一LED裸眼3D通常是基于像素级别进行光栅设计，那么这种技术相比于相同点距的三拼一LED屏来说，分辨率将受到严重损失，且立体图像细腻度也会降低，图像的颗粒感会加重。

本发明提出了一种基于子像素级别的三合一LED裸眼3D显示装置及设计方法，并给出了光栅的设计方案及相对应的立体图像合成算法。所述三合一LED裸眼3D显示装置是由三合一LED显示屏和光栅组成；这里值得说明的是，本发明中涉及的三合一LED显示屏应具有以下特征：像素均匀排布且水平和竖直方向上的点距相等，每个像素所包含的1R1G1B子像素应沿水平方向排布，通常来说，在水平方向上的两两子像素间距并不均匀。另外，子像素在竖直方向上应为同一种颜色。

下面具体分两大部分来介绍本发明内容：

一、光栅参数设计

因为光栅设计之前必须要知道2D显示屏的相关参数，尤其是子像素的间距，而对于三合一LED显示屏来讲，其子像素间距并不均匀。针对这种情况，本发明提出子像素间距p可取三合一LED显示屏像素点距p₀的1/3，这样就可以根据现有的光栅设计方法对狭缝光栅或者柱镜光栅进行参数设计。

下面给出光栅主要参数的具体设计公式：

1.首先，光栅常数d，即光栅周期的计算公式如下：

$d=\frac{Ksp}{p+s}---\left(1\right)$

其中，K为视点数，对于拥有K视点的裸眼3D显示器，需将K个视点的视差图像信息合成为一幅合成图像并显示在2D显示屏上。2D显示屏的分辨率是固定的，那么，单幅视差图像的分辨率只能占到2D显示屏分辨率的1/K，相应的3D分辨率也下降为2D显示屏分辨率的1/K。因此需要注意的是，采用多视点技术可提高立体观看自由度，视点数越多，则立体观看自由度越大，但同时使3D分辨率损失越严重，因此，需合理选择视点数，在立体观看自由度与立体分辨率两者间取得平衡。通常，裸眼3D显示器的视点数为8。

这里值得说明的是，根据本发明设计的光栅，相较于基于像素的三合一LED光栅设计方法，可以提高立体显示的水平分辨率，从而均衡水平和竖直方向上的分辨率损失，提高立体图像质量。假设三合一LED显示屏的分辨率为M×N(这里以横纵方向的像素点数来表示分辨率)，那么，若按照基于像素的光栅设计方法，则立体显示的水平方向分辨率为M/K，竖直方向为N，也就是立体显示的总分辨率降为2D显示屏的1/K。而利用本发明涉及的基于子像素的设计方法，立体显示的水平分辨率仅降为3×M/K，竖直方向分辨率降为N/3，总的立体显示分辨率也为2D显示屏的1/K。因此可以得出，本发明设计的光栅可有效均衡立体分辨率在水平和竖直方向的损失，从而提高立体显示质量。

公式(1)中的s为相邻视点间距，是由视点组合方式决定的，这里以8视点为例，组合方式可以为1-4,2-5,3-6,4-7,5-8或者1-2,2-3,3-4...等其他组合。为了让左右眼分别接收到每一对视点组合的两个视差图像信息，须使每一对视点组合在观看平面的间距与人眼的瞳距e相等，则相邻视点间距为

$s=\frac{e}{\mathrm{\Δ}K}---\left(2\right)$

其中，ΔK为每一对视点组合之间所包含的视区数，双眼瞳距通常取e＝65mm。

2.光栅与2D显示屏的间距，即屏栅距l的计算公式为：

$l=\frac{Hp}{p+s}---\left(3\right)$

其中，H为观看距离，也就是观看者距离2D显示屏的距离。

二、视差图像合成算法

在三合一LED裸眼3D显示装置中，除了需合理设计光栅外，另外尤其重要的是对立体图像按照2D显示屏的子像素物理结构进行视差图像合成，本发明给出了三合一LED裸眼3D的立体图像合成方法，包括如下步骤：

1.根据三合一LED显示屏的产品规格书，得到像素的点距p₀，也就是像素与像素之间的间距，LED显示屏的点距在水平方向和竖直方向上是相等的。另外，通过查阅产品规格书得到在单个像素中的子像素相邻间距，设为Δx。

2.根据不同子像素所处的物理位置，计算其对应的视点数。下面将2D显示屏上的所有子像素分为三种情况进行讨论：

1)对于从左边数第k₁列子像素，其中k₁＝3×n+1，(n＝0,1,2...)，其对应的视点数Q的计算公式为：

$Q(k_1,l)=\frac{(k_1+k_{off}-ltan\mathrm{\α})\mathrm{mod}X}{X}K---\left(4\right)$

其中，l为子像素所处的行坐标，k_off表示2D显示屏左上边缘与光栅单元边缘点的水平位移量，α为光栅轴相对于2D显示屏垂直轴的倾斜夹角，X为一个光栅周期在水平方向上覆盖RGB子像素的个数，mod为取余操作。

2)对于从左边数第k₂列子像素，其中k₂＝3×n+2，(n＝0,1,2...)，其对应的视点数Q的计算公式为：

$Q(k_2,l)=\frac{\[k_2-\frac{(p-\mathrm{\Δ}x)}{p}+k_{off}-ltan\mathrm{\α}\]\mathrm{mod}X}{X}K---\left(5\right)$

其中，p＝p₀/3。

3)对于从左边数第k₃列子像素，其中k₃＝3×n+3，(n＝0,1,2...)，其对应的视点数Q的计算公式为：

$Q(k_2,l)=\frac{\[k_3-\frac{2(p-\mathrm{\Δ}x)}{p}+k_{off}-ltan\mathrm{\α}\]\mathrm{mod}X}{X}K---\left(6\right)$

这样，就得到了2D显示屏上所有子像素的对应视点数矩阵Q。值得注意的是，这里的矩阵Q中的数值应保持非整性，不能对其进行四省五入取整。

3.根据加权求和思想，对合成图像上的所有子像素的灰度值进行赋值，取相邻两视点的线性加权求和值。根据上一步得到的非整型视点数Q矩阵，利用加权求和思想，对感兴趣的RGB子像素的灰度值进行计算。在裸眼3D显示中主要关心水平方向上的视差变化，因此本发明中涉及的加权求和过程仅在水平方向上进行。那么，2D显示屏上的子像素的灰度值有如下公式：

R(k,l)＝I(k,l,i)×ξ_i+I(k,l,i+1)×ξ_i+1(7)

其中，R为合成图像中坐标位置为(k,l)的子像素灰度值，I为某幅视差图像在相应位置的灰度值，ξ为相应视点的权重系数，且有以下关系成立：

$\left\{\begin{array}{c}i=floor\left(Q\right)\\ {\mathrm{\ξ}}_i=i+1-Q\\ {\mathrm{\ξ}}_{i+1}=Q-i\end{array}\right.---\left(8\right)$

其中，floor表示下取整。为了便于理解，下面举例说明，若计算某子像素所对应的视点数Q＝6.4，那么，根据公式(8)可得该子像素的灰度值应为：

灰度值＝第6个视点的灰度值×0.6+第7个视点的灰度值×0.4(9)

本发明的有益效果：

本发明解决了三合一LED显示屏用于裸眼3D显示时，只能基于像素级别进行光栅设计的技术瓶颈。通过本发明提供的装置和方法可有效均衡立体显示分辨率在水平和竖直方向上的分辨率损失，提高立体显示图像的质量，增加图像细腻度和立体观看舒适度，另外主要的贡献是提高了市面上常见的三合一LED显示屏用于裸眼3D显示领域的可能性。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步说明。

图1是本发明涉及的三合一LED显示系统结构示意图。

图2是本发明涉及的裸眼3D显示装置示意图。

图3是本发明计算的视点子像素映射矩阵具体实施例。

图4是本发明合成的视差图像具体实施例。

具体实施方式

图1为三合一LED显示屏的结构示意图，其中，1为点距p₀，2为单个像素内的相邻子像素间距Δx，3为整个像素，4为子像素。

图2为本发明涉及的基于子像素级别的三合一LED裸眼3D显示装置示意图，这里给出的是装置俯视图。其中，5为三合一LED的子像素间距p，6为三合一LED显示屏，7为狭缝光栅，8为狭缝光栅7的光栅常数，9为狭缝光栅7距离LED显示屏6的距离，10为观看距离。值得说明的是，本发明中涉及的光栅不仅局限于狭缝光栅，同样适用于柱镜光栅，这里仅是以狭缝光栅为例进行装置说明。

图3给出了当α＝arctan(0.215)，K＝8，X＝8，点距p₀＝1.98mm，单个像素中的子像素间距Δx＝0.3mm时，按照本发明中涉及的方法获得的视点子像素映射矩阵，图3仅给出了一小部分子像素的值。

按照图3中求得的视点子像素映射矩阵Q，结合对相邻视点灰度值的加权求和方法，计算出8幅视差图像的合成图像，如图4所示。最后，只要把图4中获得的合成图像输入到图2中的三合一LED显示系统中，观看者就可以在合理的观看距离处看到立体图像。

以上所述仅为本发明创造的较佳实施例，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于子像素级别的三合一LED裸眼3D显示装置，所述三合一LED裸眼3D显示装置是由三合一LED显示屏和光栅组成，三合一LED显示屏的像素均匀排布且水平和竖直方向上的点距相等，每个像素所包含的1R1G1B三个子像素应沿水平方向排布，子像素在竖直方向上为同一种颜色；光栅为狭缝光栅，或者为柱镜光栅，光栅常数为d＝Ksp/(p+s)，K为视点数，s为相邻视点间距，p为子像素间距，其特征在于：子像素间距p等于三合一LED显示屏像素点距p₀的1/3。

2.如应用权利要求1中所述的基于子像素级别的三合一LED裸眼3D显示装置的方法，其特征在于包括如下步骤：

1)根据三合一LED显示屏的产品规格书，得到像素的点距p₀和单个像素中的子像素相邻间距Δx；

2)计算所有子像素所对应的视点数，得到LED显示屏上所有子像素的对应视点数矩阵Q；

3)根据得到的非整型视点数矩阵Q，在水平方向上进行加权求和，LED显示屏上的子像素的灰度值有如下公式：

R(k,l)＝I(k,l,i)×ξ_i+I(k,l,i+1)×ξ_i+1(1)

其中，R为合成图像中坐标位置为(k,l)的子像素灰度值，I为某幅视差图像在相应位置的灰度值，ξ为相应视点的权重系数，且有以下关系成立：

$\left\{\begin{array}{c}i=floor\left(Q\right)\\ {\mathrm{\ξ}}_i=i+1-Q\\ {\mathrm{\ξ}}_{i+1}=Q-i\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，floor表示下取整；公式(2)给出了第i幅视点图像和第i+1幅视点图像分别贡献给子像素灰度值的权重系数。

3.如权利要求2中所述的方法，其特征在于：将LED显示屏上的所有子像素分为三种情况，以便分别计算视点数矩阵Q，这三种情况为：

1)对于从左边数的第k₁列子像素，其中k₁＝3×n+1，n＝0,1,2...，其对应的视点数Q的计算公式为：

$Q\left(k_1,l\right)=\frac{(k_1+k_{off}-ltan\mathrm{\α})\mathrm{mod}X}{X}K---\left(3\right)$

其中，l为子像素所处的行坐标，k_off表示LED显示屏左上边缘与光栅单元边缘点的水平位移量，α为光栅轴相对于LED显示屏垂直轴的倾斜夹角，X为一个光栅周期在水平方向上覆盖RGB子像素的个数，mod为取余操作；

2)对于从左边数的第k₂列子像素，其中k₂＝3×n+2，n＝0,1,2...，其对应的视点数Q的计算公式为：

$Q(k_2,l)=\frac{\[k_2-\frac{(p-\mathrm{\Δ}x)}{p}+k_{off}-ltan\mathrm{\α}\]\mathrm{mod}X}{X}K---\left(4\right)$

3)对于从左边数的第k₃列子像素，其中k₃＝3×n+3，n＝0,1,2...，其对应的视点数Q的计算公式为：

$Q(k_3,l)=\frac{\[k_3-\frac{2(p-\mathrm{\Δ}x)}{p}+k_{off}-ltan\mathrm{\α}\]\mathrm{mod}X}{X}K---\left(5\right)$

这样，就得到了LED显示屏上所有子像素的对应视点数矩阵Q，矩阵Q中的数值应保持非整性。