CN103984108A

CN103984108A - 基于振动光栅的裸眼立体显示方法与装置

Info

Publication number: CN103984108A
Application number: CN201410186590.1A
Authority: CN
Inventors: 侯春萍; 王晓燕
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2014-05-05
Filing date: 2014-05-05
Publication date: 2014-08-13
Anticipated expiration: 2034-05-05
Also published as: CN103984108B; WO2015168969A1

Abstract

本发明涉及裸眼三维立体显示技术领域，为满足大立体观看视区或无立体观看视区限的制与立体图像高分辨率显示的双重需求，本发明采取的技术方案是，采用基于振动光栅的裸眼立体显示方法，包括下列步骤：1)利用基于像素单元的立体图像合成方法制作双视点立体合成图像；2)制作光栅，并将其安置在2D显示屏幕的前面或后面；3)将步骤2)中得到的光栅结构按照一定的速度在水平方向、倾斜方向、垂直方向上振动，或者按照专门设计的振动曲线或以子像素，或以像素，或以多个像素，或以多个子像素为基本单位进行振动；4)双视点合成图像随振动光栅结构、振动方向和振动规律的变化而变化。本发明主要应用于裸眼三维立体显示。

Description

基于振动光栅的裸眼立体显示方法与装置

技术领域

本发明涉及裸眼三维立体显示技术领域，特别涉及在保持立体图像高分辨率的前提下，增大裸眼三维显示的立体观看视区的装置和原理。具体讲，涉及采用振动光栅的裸眼立体显示方法与装置。

技术背景

裸眼立体显示技术近些年有了迅猛的发展。立体显示由于具有信息量大、视觉效果好等特点受到人们的青睐，在3D电影、3D电视、工业探测、医学检查、航天技术、娱乐表演等方面均具有广泛的应用前景。

裸眼立体显示技术由于不需要观看者佩戴任何辅助视具，比那些传统的、需要佩戴辅助视具的立体显示技术，能够带给人们更多的自由和更好的视觉体验，尤其对幼儿以及患有近视眼的观众更是如此。

目前，光栅式裸眼立体显示技术是利用左、右眼之间的视差来实现立体成像。具体做法是：将特制的光栅贴装在二维平板显示器上，再利用光栅对左右眼图像的透过、遮挡特点以及人的立体视觉特性，将左眼视点图像投射到观看者的左眼，右眼视点图像投射到观看者的右眼，从而使观看者获得立体感觉。

光栅是指附着在画面或屏幕内或外面、能够使人利用双眼视差融像原理看到立体图像或立体视频的一种采用印刷或压制技术所制成的材料。用于自由立体显示的光栅可以分为三大类：狭缝光栅(俗称黑光栅)、棱柱镜光栅(俗称白光栅)、点阵式光栅。

由于双视点裸眼立体显示存在立体观看视区小的缺点，所以通常用在较小尺寸的屏幕上，如用在仅供一个人观看的手机屏幕上。为了在大尺寸的屏幕前获得较大的立体观看视区，通常的做法是将双视点立体显示变为多视点立体显示，比如采用5、8或9个视点等等。当采用双视点立体显示时，立体图像(这里的“图像”一词既包括静止图像，也包括视频图像，后面相同)由两幅图像，也就是两个视点图像构成，在习惯上将这两幅图像分别称为左眼图像和右眼图像。显示时，用显示器上的一半像素来显示左眼图像，用另一半像素来显示右眼图像。由于只有两个视点，观看的方向和位置都是固定的，能够使观看者形成立体感的区域(立体观看视区)非常狭小且不连续，一旦人的头部发生轻微移动，或改变了观看的位置，或改变了观看方向，立体感可能会立即消失，出现反视差的情况。

为了解决双视点自由立体显示技术对观看位置、观看角度以及观看人数的限制，在较大尺寸的裸眼立体显示设备上通常采用多视点自由立体显示技术。多视点裸眼立体显示兼顾了双目视差和运动视差，利用多个视点的拼接组合，可以使多个观看者同时从不同位置和角度，欣赏到具有立体感的图像；并可使一个观看者在有效可视区域中一定范围内移动时，仍能够欣赏到具有立体感的图像。然而，多视点裸眼立体显示技术会造成立体图像分辨率大幅下降，仍然存在立体观看视区不连续的问题。例如，采用8视点显示时，合成图像由8幅视差略有不同的图像合成，立体图像的分辨率为2D显示器分辨率的1/8。如果将光栅倾斜放置，可以将立体图像在水平方向的分辨率的损失分配到垂直方向，立体图像水平分辨率W_k为屏幕图像水平分辨率W的3/K，立体图像垂直分辨率H_k为屏幕图像垂直分辨率H的1/3。当K＝8时，立体图像的水平分辨率为垂直分辨率为也就是说屏幕图像中1/8的子像素显示8幅视点图像中的一幅，这使得立体图像的分辨率大幅度降低。相对于双视点裸眼立体显示，多视点裸眼立体显示是以牺牲立体图像的分辨率来换取更大的立体观看视区范围，也就是说目前的多视点裸眼立体显示技术无法兼顾高分辨率与大立体观看区域的需求。虽然多视点裸眼立体显示相对于双视点立体显示能给观看者提供了更大的观看自由度，但提供给观看者的立体观看区域仍然是不连续的，也就是说当观看者的位置移动时，会在某些区域看到伪立体图像。

发明内容

为克服现有多视点裸眼立体显示技术的不足，本发明的宗旨是：在保持立体图像分辨率与双视点裸眼立体图像分辨率相同的情况下，增大立体观看视区范围直至无观看视区的限制，满足大立体观看视区或无立体观看视区限的制与立体图像高分辨率显示的双重需求。为此，本发明采取的技术方案是，采用基于振动光栅的裸眼立体显示方法，包括下列步骤：

1)利用基于像素单元的立体图像合成方法制作双视点立体合成图像，双视点图像是由在水平方向上具有一定视差异的两个视点的图像构成，也就是由左、右眼图像组成；其中一个像素单元是一个子像素，或一个像素，或多个子像素，或多个像素；

2)制作光栅，并将其安置在2D显示屏幕的前面或后面，与合成的立体图像配套使用；

3)将步骤2)中得到的光栅结构按照一定的速度在水平方向、倾斜方向、垂直方向上振动，或者按照专门设计的振动曲线或以子像素，或以像素，或以多个像素，或以多个子像素为基本单位进行振动；

4)双视点合成图像随振动光栅结构、振动方向和振动规律的变化而变化，即2D显示器中交替显示与各个视点位置相对应的合成图像。

对于竖直光栅，双视点立体合成图像是将左、右眼图像的2D图像重新排列，方向为竖直方向，遵循交替排列的原则，交替周期与光栅交替周期相同；对于倾斜光栅，立体合成图像使用的源图像仍然是左、右眼图像，但排列的方向和角度与光栅的倾斜角度相同，图像重新排列遵循左、右视点交替排列的原则，交替周期与光栅交替周期相同。

将其安置在2D显示屏幕的前面或后面，与合成的立体图像配套使用具体是：

D = \frac{L_{p} L}{Q + L_{p}};

L_{w} = \frac{Q L_{p}}{Q + L_{p}};

L_{s} = \frac{2 Q L_{p}}{Q + L_{p}} .

其中，L表示裸眼立体显示的观看距离，Q为相邻观看视点之间的距离，L_p为2D显示屏幕上的像素或者子像素的宽度。

振动光栅中灌注的材料是快速液晶。

基于振动光栅的裸眼立体显示装置，包括：

二维显示器，用于显示双视点图像或双视点视频图像；

在二维显示器屏幕前、后贴装光栅，光栅垂直放置或者倾斜放置；

光栅结构按照一定的速度或在水平方向、或在倾斜方向、或在垂直方向上振动，或者按照专门设计的振动曲线以子像素、像素点或像素单元为单位进行振动，这里的光栅振动是指光栅结构发生的变化。

在二维显示器屏幕前、后贴装光栅满足：

D = \frac{L_{p} L}{Q + L_{p}};

L_{w} = \frac{Q L_{p}}{Q + L_{p}};

L_{s} = \frac{{2 QL}_{p}}{Q + L_{p}} .

二维平板显示器屏幕上显示的双视点图像或双视点视频随振动光栅结构、振动方向和振动规律的变化而变化，即2D显示器中交替显示与各个视点位置相对应的合成图像。

光栅可以是棱柱镜光栅，或者是狭缝光栅，或者是点阵式光栅。

与已有技术相比，本发明的技术特点与效果：

本发明可应用在任意尺寸的显示终端上，可以在保证双视点立体图像分辨率的前提下，扩大裸眼立体图像的观看范围，能非常好地解决多视点裸眼立体显示中立体显示分辨率与立体观看视区之间的矛盾。本发明所涉及的技术可替代目前市场上广为流行的、需要佩戴眼镜的各种立体显示终端，也可以替代各种多视点裸眼立体显示终端，包括立体监视器、立体显示器、立体电视机、立体手机等，可使观看者看到清晰度高的裸眼立体节目，并摆脱必须佩戴眼镜才能观看立体节目的窘境。同时，目前市场上已有的各种双(目)视点立体节目资源，包括立体电影、立体电视等各种立体影像资源等，都可以不经改动的用在本发明所提出的裸眼立体显示终端上。

附图说明

图1裸眼立体显示设备结构示意图(a)基于倾斜狭缝光栅的裸眼立体显示设备(b)基于垂直狭缝光栅的裸眼立体显示设备(c)基于倾斜棱柱镜光栅的裸眼立体显示设备(d)基于垂直棱柱镜光栅的裸眼立体显示设备

图2双视点立体合成图像示意图。

图3观看者在不同观看位置的情况。图中，(a)观看者位于位置1时的情况；(b)观看者位于位置2时观察的情况。

具体实施方式

本发明提出的振动光栅装置，是一种可以快速变换光栅结构的光栅，每个时隙振动显示的光栅结构可使观看者的左、右眼分别在显示屏幕上看到由双视点立体合成图像提供的左眼图像和右眼图像。当光栅结构振动速度足够快时，利用人眼视觉的暂留特性和人的心理立体视觉特性，使原本在空间上振动变化不连续的立体图像，给观看者提供真实且连续的立体图像，保证观看者在立体显示器屏幕前不受视区限制的感受到由双视点图像提供的立体感。

为了实现上述目的，本发明采用快速液晶来制作振动光栅，采用下述技术方案来实现：

一、采用的设备结构如图1所示。

二、显示的立体图像为双视点合成图像。利用基于像素单元(一个像素单元可以是多个像素或多个子像素，也可以是一个像素或一个子像素，后面相同)的立体图像合成方法制作双视点立体合成图像，双视点图像是由在水平方向上具有一定视差异的两个视点的图像构成，也就是由左、右眼图像组成，从而保证立体图像能以较高的分辨率呈现给观看者，如图2所示。同时，立体合成图像配合光栅的振动而发生改变，以给观看者提供最佳的立体图像。对于竖直光栅，双视点立体合成图像是将左、右眼图像的2D图像重新排列，方向为竖直方向，遵循交替排列的原则，交替周期与光栅交替周期相同，合成图像如图1所示。其中每个长方形表示一个像素单元，标注的数字表明该像素单元显示的亮度值属于哪个视点图像，1表示左眼图像，2表示右眼图像。对于倾斜光栅，立体合成图像使用的源图像仍然是左、右眼图像，但排列的方向和角度与光栅的倾斜角度相同，图像重新排列遵循左、右视点交替排列的原则，交替周期与光栅交替周期相同。

三、光栅结构是利用裸眼自由立体显示技术中的光栅设计原理设计得到。由此确定出光栅的节距、占空比等指标，使其与步骤一中得到的合成图像配套使用，使观看者获得立体感。制作光栅，并将其安置在2D显示屏幕的前面或后面，与合成的立体图像配套使用。显示屏幕的结构如图2所示。光栅的开口宽度L_w，周期L_s以及光栅与2D显示器之间的距离D与典型的双视点立体显示中光栅的设计原理相同，满足：

D = \frac{L_{p} L}{Q + L_{p}};

L_{w} = \frac{{QL}_{p}}{Q + L_{p}};

L_{s} = \frac{{2 QL}_{p}}{Q + L_{p}} .

其中，L表示裸眼立体显示的观看距离，Q为相邻观看视点之间的距离，Lp为2D显示屏幕上的像素或者子像素的宽度。

四、将步骤三中得到的光栅按照一定的速度或在水平方向、或在倾斜方向、或在垂直方向上振动，或者按照专门设计的振动曲线以子像素、像素点或像素单元等为单位进行振动，从而使不同位置的观看者均可在不同的时隙获得立体感觉，如图3所示。例如当观看者左眼位于第1视点区，右眼位于第2视点区，通过第1个时隙的光栅结构可以由上述双视点合成图像获得立体感觉，如图3(a)所示；当观看者左眼位于第2视点区，右眼位于第1视点区，通过第2个时隙显示的光栅结构可以由上述双视点合成图像获得立体感觉，如图3(b)所示。五、控制光栅中的每个像素单元，或每个像素，或每个子像素，使其按照特定的规律进行开或关，从而实现光栅结构的透光或者遮光区域的变化和移动。通过改变光栅中像素单元，或像素，或子像素的透光和遮光的频率和变化方向，实现步骤(四)中光栅结构按照一定的速度或在水平方向、或在倾斜方向、或在垂直方向上振动，或者按照专门设计的振动曲线以子像素、像素点或像素单元为单位进行振动。

六、振动光栅中灌注的材料为快速液晶，从而使得光栅能够快速、交替显示变化的特定结构。只要光栅结构的变化速度足够快，并结合人的心理立体视觉特性，就可以保证观看者在屏幕前的任意位置都可以观看到立体图像，从而消除对观看者的观看位置、观看方向以及观看区域的限制，并且能保证观看者看不到伪立体图像。

七、振动光栅的振动频率大于50Hz时，也就是当光栅结构的变化速度达到每秒50次及以上时，人眼可以感受到较为稳定的立体图像。

八、2D显示器中显示的立体合成图像随光栅结构的变化而变化，以减少光栅的变化引起的闪烁感，从而使得观看者在每个位置均可获得到稳定的立体图像。基于当前显示的光栅结构，2D显示器中交替显示与各个视点位置相对应的合成图像，以保证观看者在屏幕前面任何位置都能看到立体图像，显著消除对自由立体显示中观看位置和观看区域的限制，且保证观看者不会看到伪立体图像。

九、将屏幕中显示的静止的双视点图片、图像用双视点的视频代替。调整光栅的振动速度，使光栅的振动速度与视频播放的参数相协调，使其满足显示立体视频的需求。

本发明适用于基于狭缝光栅(俗称黑光栅)、棱柱镜光栅(俗称白光栅)和点阵式光栅的自由立体显示技术。

一、根据采用的显示设备尺寸以及光栅的倾斜角度来制作双视点合成图像。其中该合成图像由双视点图像组成，也就是由左、右眼图像组成。

二、利用光栅设计原理设计一种光栅结构，确定出光栅的节距、占空比等指标，这里的光栅可以是棱柱镜光栅，也可以是狭缝光栅，还可以是点阵式光栅。光栅设计成功并贴装在显示终端上之后，使其与步骤一中得到的立体合成图像相配合，从而使观看者感受到最佳的立体图像。

三、将步骤二中得到的光栅按照一定的速度或在水平、或在垂直、或在倾斜方向上振动，或者按照专门设计的振动曲线以子像素、像素点或像素单元等进行振动，从而使不同位置的观看者均可透过光栅在不同时隙看到立体图像。例如当观看者左眼位于第1视点区，右眼位于第2视点区，通过第1个时隙的光栅结构可以由上述双视点合成图像感受到立体视觉，如图3(a)所示；当观看者左眼位于第2视点区，右眼位于第1视点区，通过第2个时隙显示的光栅结构可以由上述双视点合成图像感受到立体视觉，如图3(b)所示。随着振动光栅的移动，在各个位置上观看者均能在与其位置对应的时隙，透过光栅观看相应的双视点合成图像，清晰地感受到立体图像。

四、在发明中，振动光栅中灌注的液晶材料是快速液晶，从而使光栅可以快速、交替地变换光栅结构。只要光栅振动变化的速度足够快，就可以保证观看者在规定区域的任何位置都能观看到立体图像或立体视频，显著消除对自由立体显示中观看位置和观看区域的限制，且保证观看者不会看到伪立体图像。

五、将屏幕中显示的静止的双视点图片、图像用双视点的视频代替。调整光栅的振动速度，使光栅的振动速度与视频播放的参数相协调，使其满足显示立体视频的需求。振动光栅的振动频率大于或等于50Hz时，也就是当光栅结构的变化速度达到每秒50次及以上时，观看者可以看到较为稳定的立体图像。

六、根据光栅变化的频率，合理地调整立体合成图像，使光栅振动引起的闪烁感降到最小。

Claims

1.一种基于振动光栅的裸眼立体显示方法，其特征是，包括下列步骤：

2.如权利要求1所述的基于振动光栅的裸眼立体显示方法，其特征是，对于竖直光栅，双视点立体合成图像是将左、右眼图像的2D图像重新排列，方向为竖直方向，遵循交替排列的原则，交替周期与光栅交替周期相同；对于倾斜光栅，立体合成图像使用的源图像仍然是左、右眼图像，但排列的方向和角度与光栅的倾斜角度相同，图像重新排列遵循左、右视点交替排列的原则，交替周期与光栅交替周期相同。

3.如权利要求1所述的基于振动光栅的裸眼立体显示方法，其特征是，将其安置在2D显示屏幕的前面或后面，与合成的立体图像配套使用具体是：

D = \frac{L_{p} L}{Q + L_{p}};

L_{w} = \frac{Q L_{p}}{Q + L_{p}};

L_{s} = \frac{2 Q L_{p}}{Q + L_{p}} .

4.一种基于振动光栅的裸眼立体显示装置，其特征是，包括：。

二维显示器，用于显示双视点图像或双视点视频图像；

在二维显示器屏幕前、后贴装光栅，光栅垂直放置或者倾斜放置；光栅结构按照一定的速度或在水平方向、或在倾斜方向、或在垂直方向上振动，或者按照专门设计的振动曲线以子像素、像素点或像素单元为单位进行振动，这里的光栅振动是指光栅结构发生的变化。

5.如权利要求4所述的基于振动光栅的裸眼立体显示装置，其特征是，在二维显示器屏幕前、后贴装光栅满足：

D = \frac{L_{p} L}{Q + L_{p}};

L_{w} = \frac{Q L_{p}}{Q + L_{p}};

L_{s} = \frac{2 Q L_{p}}{Q + L_{p}} .

6.如权利要求4所述的基于振动光栅的裸眼立体显示装置，其特征是，二维平板显示器屏幕上显示的双视点图像或双视点视频随振动光栅结构、振动方向和振动规律的变化而变化，即2D显示器中交替显示与各个视点位置相对应的合成图像。

7.如权利要求4所述的基于振动光栅的裸眼立体显示装置，其特征是，光栅是棱柱镜光栅，或者是狭缝光栅，或者是点阵式光栅。