CN104777621A - 一种时空混合控制的裸眼立体显示系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及自由立体显示技术或裸眼立体显示的技术领域，更具体地，涉及一种时空混合控制的裸眼立体显示系统及方法。一种时空混合控制的裸眼立体显示系统，背光驱动电路与背光模组连接并控制背光模组的开启与熄灭，LCD驱动电路与液晶LCD面板连接并控制液晶LCD面板的图像刷新；处理与决策模组用于接收立体图像信号并分别对背光驱动电路、LCD驱动电路产生背光控制信号和LCD刷新信号。本发明在空间上将立体子图像对进行分离准确地输送到各个视区，还通过对背光模组的时间平衡式驱动减少时间域的串扰，实现亮度适中、串扰低、全分辨率、立体效果强、成本低的自由立体显示。

Description

一种时空混合控制的裸眼立体显示系统及方法
技术领域
 本发明涉及自由立体显示技术（裸眼立体显示）的技术领域，更具体地，涉及一种时空混合控制的裸眼立体显示系统及方法。
背景技术
近年来，立体（3D）显示作为显示发展的重要方向，将成为显示的下一代平台性技术。业界普遍认为依靠无需辅助设备（3D眼镜或头盔）即可欣赏到3D影像的技术优势，裸眼3D显示将成为3D显示的最终发展方向。但现时的主流裸眼3D显示技术在画面清晰度、图像串扰率、拓展视区、制造对位精度控制等方面仍需提高。其中，3D状态下分辨率明显下降以及系统串扰率高已成为制约裸眼3D显示发展的主要瓶颈。
目前，在眼镜式3D中快门式立体使用时分式技术，能保证设备在2D和3D两种显示状态下都实现全分辨率的显示效果，在国外已有研究机构和院校将这一技术引入裸眼3D显示中，使得3D状态分辨率得以保全，其原理如图1所示。所显示的立体图像对所包含的左眼子图与右眼子图将被分为奇、偶列两张二级子图像。当系统处于A状态（即图1（a））时，液晶面板显示左眼奇数列子图像和右眼偶数列子图像，而承载这两张子图像的背光光线会被液晶制作的视障光阑分别定向传播到空间上两个视区。如果双眼恰好在视区时，就可以看到裸眼立体图像。当系统处于B状态（即图1（b））时，液晶面板显示左眼偶数列子图像和右眼奇数列子图像。同时，视障光阑相应地将阻隔和通光的位置对换，使得承载左、右眼图像的背光光线能正确送到双眼。由于A、B两种状态的切换速度足够快，即高于120Hz时，人觉得同时看到左右眼图像，并在大脑中形成立体感，其时序图如图2所示。该种方法虽然可以控制实现全分辨率的显示，但是因为采用时分式的工作方式会引入时间域串扰（即image crosstalk）。而另一方面，在系统串扰率抑制方面的研究，却进展不大。
发明内容
本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种时空混合控制的裸眼立体显示系统，其在保持3D状态全分辨率显示的同时，能大幅度抑制系统串扰产生。不仅在空间上将立体子图像对进行分离准确地输送到各个视区，还通过对背光模组的时间平衡式驱动减少时间域的串扰，实现亮度适中、串扰低、全分辨率、立体效果强、成本低的自由立体显示；进一步的，提供此系统的控制方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种时空混合控制的裸眼立体显示系统，其中，包括背光模组、液晶LCD面板、光学膜层，还包括处理与决策模组、与处理与决策模组连接的背光驱动电路、LCD驱动电路，背光驱动电路与背光模组连接并控制背光模组的开启与熄灭，LCD驱动电路与液晶LCD面板连接并控制液晶LCD面板的图像刷新；处理与决策模组用于接收立体图像信号并分别对背光驱动电路、LCD驱动电路产生背光控制信号和LCD刷新信号。
其中，光学膜层可处于液晶面板的前方或者后方，最好是贴在液晶LCD面板上。
本发明中，通过处理与决策模组实现对立体图像信号的接收，并对背光模组子单元和液晶LCD面板的刷新行为进行同步驱动，该驱动行为满足时间平衡式背光驱动的关系。观众只要透过光学膜层在合适的视距范围内即可凭借裸眼观察到舒适的立体图像。
因此，本发明在使用改良式的时分时显示技术，整合时间平衡式背光驱动，配合特制的光学膜层，实现了时空双分的自由立体显示，在实现全分辨率的裸眼立体显示效果的同时，将系统串扰率大幅度降低至眼镜式立体显示的水平，让观众获得优秀的立体视觉体验。
进一步的，所述的处理与决策模组包括主控芯片、与主控芯片连接的信号接收单元、可编程逻辑单元、LED亮灭信号产生单元、LCD刷新信号单元，信号接收单元用于接收立体图像信号，LED亮灭信号产生单元与背光驱动电路连接并对驱动电路产生背光控制信号，驱动电路对背光模组产生背光亮灭信号，LCD刷新信号单元与LCD驱动电路连接并对液晶LCD面板产生LCD刷新信号。其中主控芯片所使用的器件可以为单片机（Microcontroller）、数字信号处理器（Digital Signal Processor，DSP）、可编程逻辑器件FPGA、PLD、CPLD等或者由以上器件组成的处理器。所述处理与决策模组可根据用户要求调节背光亮灭信号的时序，从而改变LED亮灭占空比，数字式调节背光显示亮度。只要保证左（右）眼背光子单元在左（右）眼子图像帧刷新出现后才打开，在右（左）眼子图像帧开始刷新出现前关闭。
进一步的，所述的背光模组由背光子单元组成的m×n个单元的阵列，每个子单元由背光源和散射光学元件组成。其中，背光源可由白光LED子元构成，LED子元可以是单独的LED个体，也可以是LED照明模块。根据背光的要求，也可使用OLED（有机发光二极管）、CCFL（冷阴极荧光灯管）、氙灯子元或其阵列等元件制成。背光子单元分为左眼子单元和右眼子单元两组。当所述背光驱动电路接收到从处理与决策模组发送的背光控制信号时，会根据信号分别打开或熄灭左眼子单元或者右眼子单元。左（右）眼子单元发出的背光被特制光学膜层偏折，然后在屏幕前形成视区，当观看者的双眼位于对应视区时，就能仅靠肉眼观看到立体影像。只要时序恰当，图像被照明光加载后，经过光学膜层就能无串扰地送入观看者的双眼，实现时分式自由立体显示。
进一步的，所述的光学膜层是一个由M×N个子单元组成阵列，主要承担背光的定向分光工作，将左、右眼背光子单元所发出的背光光线准确地送到设计好的各个左、右眼视区。它可以放置在图像加载液晶屏幕的前方或后方。它与图像加载液晶屏幕之间可以采取紧贴或非紧贴的固定方式。其由液晶屏幕、液体透镜或其阵列、光学透镜或其阵列、二元光学器件或其阵列制成。
立体图像信号与现有的时分式立体显示系统所用的信号兼容。当处理与决策模组接收到立体图像信号时，会对立体图像信号进行处理和分析，并向背光驱动电路和LCD驱动电路分别发送背光控制信号及LCD刷新信号，再由这两个电路发出相应的信号给背光子单元和液晶LCD面板，从而控制背光和LCD刷新行为。因为背光控制信号与LCD刷新信号是经过综合处理器的处理后发出的信号，具有极高的同步性，可使背光子单元的亮灭与LCD显示屏的刷新在时间上得到时间平衡式的配合，从而极大地降低系统串扰率，达至舒适的立体视觉体验。
进一步的，所述的LCD刷新信号为经过处理的PWM信号，用于指示LCD进行刷新。当LCD驱动电路接收到LCD刷新信号后，便会指示LCD屏幕进行刷新。LCD刷新信号由左眼图像刷新信号T1与右眼图像刷新信号T2组成。当LCD驱动电路接收到LCD刷新信号时，驱动液晶LCD面板刷新出左、右眼图像；左眼子图像帧时间为TL，右眼子图像帧时间为TR。并存在以下关系：T1<<TL、T2<<TR和TL=TR。
进一步的，所述的背光亮灭信号为经过处理与决策模组处理和发出的PWM信号，用于控制背光源对应的子单元的亮灭，每个周期的背光亮灭信号由一组左眼子单元亮灭信号和右眼子单元亮灭信号组成；当背光驱动电路接收到处理与决策模组发出的背光控制信号后，编译为输送到各个背光子单元的亮灭信号，并控制各个背光子单元的开启与熄灭。
时间平衡式背光驱动方式是让各个左、右眼背光子单元的开启时间t与子单元间延时τ之和达到时间上的某个最优化值，实现时间域上亮度和串扰率的平衡，其中，最优化值是指左、右眼子图像帧时间TL、TR和首行背光开启延时TW的差值，其中，首行背光开启延时TW的长短由每款液晶LCD面板的具体刷新行为决定，并存在以下关系：t、τ<<TL、TR。
一种时空混合控制的裸眼立体显示系统的控制方法，包括以下步骤：
S1. 处理与决策模组接收立体图像信号；
S2. 处理与决策模组一方面发送LCD刷新信号到LCD驱动电路，让其发送相应的左、右眼子图像帧驱动信号给液晶LCD面板，驱动其按照一定的时序交替显示立体图像的左、右眼立体子图像；另一方面，发送背光控制信号至背光驱动电路，让背光驱动电路将这个信号编译为一组具有时序的背光亮灭信号，并输送到背光模组的各个背光子单元，控制背光子单元随着液晶LCD面板的刷新同步进行亮灭。各背光子单元打开时间t和所有子单元间延时（m×n-1）τ之和等于左、右眼子图像帧时间TL、TR和首行背光开启延时TW的差值。
与现有技术相比，有益效果是：本发明在保持3D状态全分辨率显示的同时，能大幅度抑制系统串扰产生。不仅在空间上将立体子图像对进行分离准确地输送到各个视区，还通过对背光模组的时间平衡式驱动减少时间域的串扰，实现亮度适中、串扰低、全分辨率、立体效果强、成本低的自由立体显示；该控制方法步骤简洁，通过处理与决策模组实现对立体图像信号的接收，并对背光模组子单元和液晶LCD面板的刷新行为进行同步驱动，该驱动行为满足时间平衡式背光驱动的关系。观众只要在视区内即可凭借裸眼观察到舒适的立体图像。
附图说明
图1是现有的时分式视障光栅自由立体显示原理图。
图2是现有的时分式视障光栅自由立体显示时序图。
图3是本发明时空混合控制的裸眼立体显示技术原理图。
图4是本发明分行式时间平衡式背光驱动时序图。
图5是本发明行列式时间平衡式背光驱动时序图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
如图3所示，一种时空混合控制的裸眼立体显示系统，其中，包括背光模组1、液晶LCD面板2、光学膜层3，还包括处理与决策模组4、与处理与决策模组4连接的背光驱动电路5、LCD驱动电路6，背光驱动电路5与背光模组1连接并控制背光模组1的开启与熄灭，LCD驱动电路6与液晶LCD面板2连接并控制液晶LCD面板2的图像刷新；处理与决策模组4用于接收立体图像信号并分别对背光驱动电路5、LCD驱动电路6产生背光控制信号和LCD刷新信号。
光学膜层可处于液晶LCD面板的前方或者后方，最好是贴在液晶LCD面板上。
本实施例中，利用背光模组（阵列）、液晶LCD面板和光学膜层组成分光光路，将承载立体子图像对信息的左、右眼两路背光光线在空间上进行分离，并定向传输到各个视区。当观众的双眼处于对应的视区时，无需辅助眼镜都可以看到立体视觉效果，且空间域串扰率得到优化。
时空混合控制的裸眼立体显示技术采用时分式方式工作，左、右眼立体子图像在屏幕上按一定时序交替播放，所以任意时刻均能显示液晶LCD面板全分辨率的立体图像对。基于现在主流的液晶LCD面板全高清（1080P）或以上分辨率的现状，时空混合控制的裸眼立体显示技术能实现单通道的全高清甚至超高清分辨率的立体显示效果。
本发明的时空混合控制的裸眼立体显示技术与传统时分式显示的不同在于使用了时间平衡的驱动方式。时空混合控制的裸眼立体显示终端由背光模组（由m×n个单元组成的阵列）、液晶LCD面板、特制光学膜层（由m×n个单元组成的阵列）、LCD驱动电路、背光驱动电路和处理与决策终端组成。一种时空混合控制的裸眼立体显示系统的控制方法，在工作时如图5所示，包括以下步骤，处理与决策终端接收到立体图像信号后，一方面发送LCD刷新信号到LCD驱动电路，让其发送相应的左、右眼子图像帧驱动信号给液晶LCD面板，驱动其按照一定的时序交替显示立体图像的左、右眼立体子图像；另一方面，发送背光控制信号至背光控制电路，让背光驱动电路将这个信号编译为一组具有严格时序的背光亮灭信号，并输送到各个背光子单元，控制背光子单元随着液晶LCD面板的刷新同步进行亮灭，实现背光光线的有效利用和时间域串扰的有效控制。因为背光的时序达至时间平衡关系，即各背光子单元打开时间t和所有子单元间延时（m×n-1）τ之和等于左（右）眼子图像帧时间TL（TR）和首行背光开启延时TW的差值。经过实验验证t和（m×n-1）τ不需要严格等于TL（TR）和TW的差值，约等于也可以明显地减少时间域串扰的产生。
基于本发明所述的背光模组和光学膜层是一种矩阵型的结构，所有具体的两种背光时间平衡驱动方式。一种如图4所示为分行工作方式，背光模组与光学膜层均为m×1的矩阵，即分为m行子单元的结构。此时处于同一行内所有左（右）眼背光子单元均同时打开和熄灭，熄灭后再按照背光亮灭信号打开右（左）眼背光子单元。另一种如图5所示为行列工作方式，同一行内的左（右）眼背光子单元将在细分为n个子单元，使得背光模组与光学膜层均为m×n的矩阵，此时背光亮灭信号也作出调整，让原来子单元（每行）间延时τ在细分为行内子单元间延时τ’，且τ=nτ’。背光模组个子单元间按照此时序工作。经实验验证，分行式和行列式的背光时间平衡驱动对于时间域的串扰抑制效果接近。
本发明所述时空混合控制的裸眼立体显示技术可在时分式液晶屏幕上播放与现有模式兼容的3D片源。利用控制背光时间平衡驱动的方法，配合特制光学屏幕，实现亮度可调、串扰低、分辨率高、立体效果强、成本低的自由立体显示。实现了比辅助式显示方便，比主流自由立体显示限制小、效果好、成本低的自由立体显示。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种时空混合控制的裸眼立体显示系统，其特征在于，包括背光模组（1）、液晶LCD面板（2）、光学膜层（3）, 光学膜层（3）设于液晶LCD面板（2）的前方或后方，还包括处理与决策模组（4）、与处理与决策模组（4）连接的背光驱动电路（5）、LCD驱动电路（6），背光驱动电路（5）与背光模组（1）连接并控制背光模组（1）的开启与熄灭，LCD驱动电路（6）与液晶LCD面板（2）连接并控制液晶LCD面板（2）的图像刷新；处理与决策模组（4）用于接收立体图像信号并分别对背光驱动电路（5）、LCD驱动电路（6）产生背光控制信号和LCD刷新信号。
2.根据权利要求1所述的一种时空混合控制的裸眼立体显示系统，其特征在于：所述的处理与决策模组（4）包括主控芯片、与主控芯片连接的信号接收单元、可编程逻辑单元、LED亮灭信号产生单元、LCD刷新信号单元，信号接收单元用于接收立体图像信号，LED亮灭信号产生单元与背光驱动电路（5）连接并对驱动电路（5）产生背光控制信号，驱动电路（5）对背光模组（1）产生背光亮灭信号，LCD刷新信号单元与LCD驱动电路（6）连接并对液晶LCD面板（2）产生LCD刷新信号。
3.根据权利要求2所述的一种时空混合控制的裸眼立体显示系统，其特征在于：所述的主控芯片为单片机、数字信号处理器、可编程逻辑器件中的一种或由上述器件的组合。
4.根据权利要求1所述的一种时空混合控制的裸眼立体显示系统，其特征在于：所述的背光模组（1）由背光子单元组成的m×n个单元的阵列，每个子单元由背光源和散射光学元件组成。
5.根据权利要求4所述的一种时空混合控制的裸眼立体显示系统，其特征在于：所述的背光子单元分为左眼子单元和右眼子单元两组。
6.根据权利要求1所述的一种时空混合控制的裸眼立体显示系统，其特征在于：所述的光学膜层（3）是一个由M×N个子单元组成阵列，其由液晶屏幕、液体透镜或其阵列、光学透镜或其阵列、二元光学器件或其阵列制成。
7.根据权利要求2所述的一种时空混合控制的裸眼立体显示系统，其特征在于：所述的LCD刷新信号为经过处理的PWM信号，当LCD驱动电路（6）接收到LCD刷新信号时，驱动液晶LCD面板（2）刷新出左、右眼图像；左眼子图像帧时间为TL，右眼子图像帧时间为TR；并存在以下关系：T1<<TL、T2<<TR和TL=TR。
8.根据权利要求2或4或5或7所述的一种时空混合控制的裸眼立体显示系统，其特征在于：所述的背光亮灭信号为经过处理与决策模组（4）处理和发出的PWM信号，用于控制背光源对应的子单元的亮灭，每个周期的背光亮灭信号由一组左眼子单元亮灭信号和右眼子单元亮灭信号组成；
时间平衡式背光驱动方式是让各个左、右眼背光子单元的开启时间t与子单元间延时τ之和达到时间上的某个最优化值，实现时间域上亮度和串扰率的平衡，其中，最优化值是指左、右眼子图像帧时间TL、TR和首行背光开启延时TW的差值，其中，首行背光开启延时TW的长短由每款液晶LCD面板（2）的具体刷新行为决定，并存在以下关系：t、τ<<TL、TR。
9.根据权利要求8所述的一种时空混合控制的裸眼立体显示系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1. 处理与决策模组（4）接收立体图像信号；
S2. 处理与决策模组（4）一方面发送LCD刷新信号到LCD驱动电路（6），让其发送相应的左、右眼子图像帧驱动信号给液晶LCD面板（2），驱动其按照一定的时序交替显示立体图像的左、右眼立体子图像；另一方面，发送背光控制信号至背光驱动电路（5），让背光驱动电路（5）将这个信号编译为一组具有时序的背光亮灭信号，并输送到背光模组（1）的各个背光子单元，控制背光子单元随着液晶LCD面板（2）的刷新同步进行亮灭。
10.根据权利要求9所述的控制方法，其特征在于，所述的各背光子单元打开时间t和所有子单元间延时（m×n-1）τ之和等于左、右眼子图像帧时间TL、TR和首行背光开启延时TW的差值。
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