CN105158915A - 一种基于三合一led裸眼3d显示装置及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于三合一LED裸眼3D显示装置及制备方法。本发明提出虚拟子像素，虚拟子像素间距p等于三合一LED显示屏的像素点距p₀的1/3，按照虚拟子像素间距设置光栅参数，并按照虚拟子像素将视差图像生成合成图像，输出显示在三合一LED显示屏上；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和生成合成图像的技术难题；本发明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；提高了市面上常见的三合一LED显示屏可用于裸眼3D显示领域的可能性。

Description

一种基于三合一LED裸眼3D显示装置及制备方法

技术领域

本发明涉及裸眼3D显示技术，尤其涉及一种基于三合一LED裸眼3D显示装置及制备方法。

背景技术

人们在观看自然物体时，既可以感知物体的形状，同时也可以感知物体远离自己的距离及物体的相对位置关系，能够显示这种完整的物体空间信息的显示系统被称为3D显示系统。随着社会的发展和科技的进步，各种3D显示技术已经渐渐发展起来。

裸眼3D显示装置是不需要辅助设备(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。裸眼3D显示装置包括2D显示屏和光栅，光栅采用狭缝光栅或者柱透镜光栅；将同一场景所获得的多幅稍有差异的图像称为视差图像，将视差图像的子像素(2D显示屏中一个完整像素包括红R绿G蓝B色散子像素组成)按照光栅的光学结构，以一定规律排列生成合成图像，将合成图像显示在2D显示屏上，由于狭缝光栅的遮挡作用或柱透镜光栅的折射作用，观看者的左右眼看到的图像信息来自不同的视差图像，经过大脑融合产生具有立体效果的立体图像。

裸眼3D显示装置中，通常采用LCD液晶显示屏作为其2D显示屏。然而，LCD普遍存在着亮度偏低、显示尺寸受限等问题，而LED显示屏相比于LCD来说，具有高亮度、形状尺寸几乎可任意拼接等优势，正逐渐应用到裸眼3D显示装置中。

通常，裸眼3D显示装置对2D显示屏的子像素排布要求很高，一般需满足如下要求：一个完整像素中由1R1G1B三色子像素灯组成，并且子像素应在水平方向上按红R、绿G、蓝B的顺序循环排布，在垂直方向上为红、绿、蓝的同一色，且要求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LED显示屏来说，其子像素结构通常难以满足裸眼3D显示领域的特殊要求。目前，若仍希望采用LED屏作为裸眼3D系统中的2D显示屏，可以采用满足特殊结构要求的三拼一LED显示屏或者三合一LED显示屏；三拼一LED显示屏中，子像素的间距相等，为完整的像素间距的三分之一；而三合一LED显示屏中，子像素的间距不均匀。如果采用三拼一LED显示屏，成本较高，且分辨率不易降低；如果采用三合一LED显示屏，通常基于整像素级别进行光栅设计和图像合成，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，但这种方法会严重损失LED屏的分辨率，其立体图像的细腻度也会降低，图像的颗粒感会加重。

对于现有的三合一LED显示屏，具有以下特征：像素均匀周期性排布且水平和竖直方向上的点距相等，每个像素包含1R1G1B三个子像素，也就是每个像素包含红、绿、蓝三颗灯芯，其中两颗灯沿水平方向排布，第三颗灯位于前两颗灯的中下部，三颗灯组成一个正三角形。针对这种市面上常见的LED显示屏，每个子像素在水平和垂直方向上的间距不相等，现有的裸眼3D显示装置不能给出设计方案和立体图像合成算法。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种基于三合一LED裸眼3D显示装置及制备方法。

本发明的一个目的在于提供一种基于三合一LED裸眼3D显示装置的制备方法。

以三合一LED显示屏作为3D显示装置的2D显示屏，三合一LED显示屏包括：均匀周期性排布的像素，并且水平和竖直方向上的像素间距相等；每个像素包含第一至第三子像素，其中第一和第二子像素沿水平方向排布，第三子像素位于第一和第二子像素的中下部，第一至第三子像素组成一个正三角形；第一至第三子像素为红绿蓝子像素的排列。

对于裸眼3D显示装置的制备，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，本发明提出虚拟子像素，将一个像素沿水平方向，平均分三份，其中一份为一个虚拟子像素，则虚拟子像素间距p等于三合一LED显示屏的像素点距p₀的1/3，即p＝p₀/3。

本发明的基于三合一LED裸眼3D显示装置的制备方法，包括以下步骤：

一、设置光栅参数

按照虚拟子像素间距设置光栅参数，光栅既可以采用狭缝光栅，又可以采用柱镜光栅；

狭缝光栅的参数设置包括：

1)光栅常数即光栅周期d为：

$d=\frac{XSp}{S+p}---\left(1\right)$

其中，X为在水平方向上一个光栅周期内所包含的子像素个数，此处的子像素为虚拟子像素，子像素间距p等于三合一LED显示屏像素点距的1/3，S代表每个虚拟子像素在观看平面所占的水平宽度；

2)透光条宽度a为：

$a=\frac{Sp}{S+p}---\left(2\right)$

3)光栅与2D显示屏的间距即屏栅距l为：

$l=\frac{Hp}{S}---\left(3\right)$

其中，H为最佳观看距离，也就是观看者距离光栅的距离；

柱镜光栅的参数设置包括：

1)光栅常数即光栅周期d为：

$d=\frac{XSp}{S+p}---\left(4\right)$

2)柱透镜的焦距f为：

$f=\frac{pH}{S}---\left(5\right)$

3)柱镜光栅的厚度t为：

$t=n(\frac{pH}{S}-1)---\left(6\right)$

其中，n为柱透镜折射率；

二、视差图像生成合成图像

将视差图像，按照虚拟子像素以及三合一LED显示屏的子像素的物理结构生成合成图像，包括以下步骤：

1)根据不同子像素所处的物理位置，计算其对应的视点数，得到三合一LED显示屏上所有子像素的视点数映射矩阵Q：

计算视点数映射矩阵Q时，可将三合一LED显示屏上的所有子像素分为三种情况讨论：

a)对于所有像素中的第一子像素，其对应的视点数计算公式为：

$Q(k_1,l)=\frac{(k_1-1+k_{off}-3ltan\mathrm{\α})\mathrm{mod}X}{X}K---\left(7\right)$

其中，(k1,l)为第一子像素在图像坐标系下的坐标位置，k₁＝3×k+1(k代表水平方向上第k个像素，k＝0,1,2...)为第一子像素的列坐标，l为第一子像素的行坐标，k_off表示三合一LED显示屏左上边缘与光栅单元边缘点的水平位移量，α为光栅轴相对于三合一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的虚拟子像素的个数，mod为取余操作；

b)对于所有像素中的第二子像素，其对应的视点数计算公式为：

$Q(k_2,l)=\frac{(k_2-2+\frac{3\mathrm{\Δ}x}{2p}+k_{off}-(3l+\frac{3\sqrt{3}\mathrm{\Δ}x}{2p}\left)tan\mathrm{\α}\right)\mathrm{mod}X}{X}K---\left(8\right)$

其中，(k₂,l)为第二子像素在图像坐标系下的坐标位置，k₂＝3×k+2为第二子像素的列坐标，Δx为每个像素中第一至第三子像素的中心点组成的正三角形的边长；

c)对于所有像素中的第三子像素，其对应的视点数计算公式为：

$Q(k_3,l)=\frac{(k_3-3+\frac{3\mathrm{\Δ}x}{p}+k_{off}-3ltan\mathrm{\α})\mathrm{mod}X}{X}K---\left(9\right)$

其中，(k₃,l)为第三子像素在图像坐标系下的坐标位置，k₃＝3×k+3为第三子像素的列坐标；

从而得到了三合一LED显示屏上所有子像素的视点数映射矩阵Q，这里值得注意的是，Q为浮点型视点映射矩阵，即Q中的数值应保持非整性，不能对其进行四舍五入取整；

2)利用加权求和思想，结合得到的浮点型视点数映射矩阵Q，对合成图像上的所有子像素的灰度值进行赋值，这里取相邻两视差图像的线性加权求和值作为给定子像素的灰度值，公式如下：

R(k,l)＝I(k,l,i)×ξ_i+I(k,l,i+1)×ξ_i+1(10)

其中，R为合成图像中图像坐标位置为(k,l)的子像素的灰度值，I为视差图像在相应位置的灰度值，i代表第i幅视差图像，ξ为相应视点的权重系数，且有以下关系式成立：

$\left\{\begin{array}{c}i=floor\left(Q\right)\\ {\mathrm{\ξ}}_i=i+1-Q\\ {\mathrm{\ξ}}_{i+1}=Q-i\end{array}\right.---\left(11\right)$

其中，floor()表示下取整操作，上式给出了第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)将利用虚拟子像素对立体图像按照三合一LED显示屏的子像素物理结构生成合成图像输出显示在三合一LED显示屏上。

本发明首先提出了虚拟子像素的概念，并定义虚拟子像素间距为像素间距的三分之一，按照虚拟子像素间距给出了光栅参数，然后利用虚拟子像素对立体图像按照三合一LED显示屏的子像素物理结构生成合成图像。

本发明的另一个目的在于提供一种基于三合一LED裸眼3D显示装置。

本发明的基于三合一LED裸眼3D显示装置包括：三合一LED显示屏和光栅；其中，三合一LED显示屏包括均匀周期性排布的像素，并且水平和竖直方向上的像素间距相等；每个像素包含第一至第三子像素，第一和第二子像素沿水平方向排布，第三子像素位于第一和第二子像素的中下部，第一至第三子像素组成一个正三角形；第一至第三子像素为红绿蓝子像素的排列；将一个像素沿水平方向，平均分三份，其中一份为一个虚拟子像素，虚拟子像素间距p等于三合一LED显示屏的像素点距p₀的1/3，即p＝p₀/3；按照虚拟子像素间距设置光栅参数，并按照虚拟子像素以及三合一LED显示屏的子像素的物理结构生成合成图像，输出显示在三合一LED显示屏上。

本发明的优点：

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和生成合成图像的技术难题；本发明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；提高了市面上常见的三合一LED显示屏可用于裸眼3D显示领域的可能性。

附图说明

图1为本发明所涉及的三合一LED显示屏的一个实施例的示意图；

图2为本发明的基于三合一LED裸眼3D显示装置的示意图。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明做进一步说明。

如图1所示，三合一LED显示屏包括：均匀周期性排布的像素，并且水平和竖直方向上的像素间距相等；每个像素包含第一至第三子像素1～3，其中第一和第二子像素沿水平方向排布，第三子像素位于第一和第二子像素的中下部，第一至第三子像素组成一个正三角形；第一至第三子像素为红绿蓝子像素的排列。虚拟子像素间距p等于三合一LED显示屏的像素点距p₀的1/3；Δx为每个像素中第一至第三子像素的中心点组成的正三角形的边长。本实施例中，第一子像素为红子像素，第二像素为绿子像素，第三像素为蓝子像素。

如图2所示，在三合一LED显示屏前放置光栅G，二者之间的距离为l，光栅常数为d，H为最佳观看距离。在本实施例中采用狭缝光栅，但本发明同样适用于柱镜光栅。

按照虚拟子像素间距设置光栅参数，包括光栅常数d、透光条宽度a和屏栅距l；根据不同子像素所处的物理位置，分别计算红绿蓝子像素所对应的视点数，得到三合一LED显示屏上所有子像素的视点数映射矩阵Q；然后利用加权求和思想，结合得到的浮点型视点数映射矩阵Q，对合成图像上的所有子像素的灰度值进行赋值。

例如，若计算某子像素所对应的视点数＝6.4，那么，根据公式(10)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。

最后需要注意的是，公布实施方式的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (9)

1.一种基于三合一LED裸眼3D显示装置的制备方法，所述裸眼3D显示装置包括2D显示屏和光栅，所述2D显示屏采用三合一LED显示屏，所述三合一LED显示屏包括：均匀周期性排布的像素，并且水平和竖直方向上的像素间距相等；每个像素包含第一至第三子像素，其中第一和第二子像素沿水平方向排布，第三子像素位于第一和第二子像素的中下部，第一至第三子像素组成一个正三角形；第一至第三子像素为红绿蓝子像素的排列；其特征在于，将一个像素沿水平方向，平均分三份，其中一份为一个虚拟子像素，所述虚拟子像素间距p等于三合一LED显示屏的像素点距p₀的1/3，即p=p₀/3，所述制备方法包括以下步骤：

一、设置光栅参数：

按照虚拟子像素间距设置光栅参数，光栅采用狭缝光栅，或者采用柱镜光栅；

二、视差图像生成合成图像：

将视差图像，按照虚拟子像素以及三合一LED显示屏的子像素的物理结构生成合成图像：

1）根据不同子像素所处的物理位置，计算其对应的视点数，得到三合一LED显示屏上所有子像素的视点数映射矩阵Q，Q为浮点型视点映射矩阵，即Q中的数值应保持非整性，不能对其进行四舍五入取整；

2）利用加权求和思想，结合得到的浮点型视点数映射矩阵Q，对合成图像上的所有子像素的灰度值进行赋值，这里取相邻两视差图像的线性加权求和值作为给定子像素的灰度值；

3）将利用虚拟子像素对立体图像按照三合一LED显示屏的子像素物理结构生成合成图像输出显示在三合一LED显示屏上。

2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤一中，所述光栅采用狭缝光栅，狭缝光栅的参数设置包括：

1）光栅常数即光栅周期d为：

$d=\frac{XSp}{S+p}---\left(1\right)$

其中，X为在水平方向上一个光栅周期内所包含的虚拟子像素的个数，S代表每个虚拟子像素在观看平面所占的水平宽度；

2）透光条宽度a为：

$a=\frac{Sp}{S+p}---\left(2\right)$

3）光栅与三合一LED显示屏的间距即屏栅距l为：

$l=\frac{Hp}{S}---\left(3\right)$

其中，H为最佳观看距离。

3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤一中，所述光栅采用柱镜光栅，柱镜光栅的参数设置包括：

1）光栅常数即光栅周期d为：

$d=\frac{XSp}{S+p}---\left(4\right)$

其中，X为在水平方向上一个光栅周期内所包含的虚拟子像素的个数，S代表每个虚拟子像素在观看平面所占的水平宽度；

2）柱透镜的焦距f为：

$f=\frac{pH}{S}---\left(5\right)$

其中，H为最佳观看距离；

3）柱镜光栅的厚度t为：

$t=n(\frac{pH}{S}-1)---\left(6\right)$

其中，n为柱透镜折射率。

4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤二的1）中，根据不同子像素所处的物理位置，计算其对应的视点数，得到三合一LED显示屏上所有子像素的视点数映射矩阵Q，分为三种情况：

a)对于所有像素中的第一子像素，其对应的视点数计算公式为：

$Q(k_1,l)=\frac{(k_1-1+k_{off}-3ltan\mathrm{\α})\mathrm{mod}X}{X}K---\left(7\right)$

其中，（k₁,l）为第一子像素在图像坐标系下的坐标位置，k₁=3×k+1为第一子像素的列坐标，k代表水平方向上第k个像素，k=0,1,2..，l为第一子像素的行坐标，k_off表示三合一LED显示屏左上边缘与光栅单元边缘点的水平位移量，α为光栅轴相对于三合一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的虚拟子像素的个数，mod为取余操作；

b)对于所有像素中的第二子像素，其对应的视点数计算公式为：

$Q(k_2,l)=\frac{(k_2-2+\frac{3\mathrm{\Δ}x}{2p}+k_{off}-(3l+\frac{3\sqrt{3}\mathrm{\Δ}x}{2p}\left)tan\mathrm{\α}\right)\mathrm{mod}X}{X}K---\left(8\right)$

其中，（k₂,l）为第二子像素在图像坐标系下的坐标位置，k₂=3×k+2为第二子像素的列坐标，Δx为每个像素中第一至第三子像素的中心点组成的正三角形的边长；

c)对于所有像素中的第三子像素，其对应的视点数计算公式为：

$Q(k_3,l)=\frac{\left(k_3-3+\frac{3\mathrm{\Δ}x}{p}+k_{off}-3ltan\mathrm{\α}\right)\mathrm{mod}X}{X}K---\left(9\right)$

其中，（k₃,l）为第三子像素在图像坐标系下的坐标位置，k₃=3×k+3为第三子像素的列坐标。

5.一种基于三合一LED裸眼3D显示装置，其特征在于，所述裸眼3D显示装置包括：三合一LED显示屏和光栅；其中，三合一LED显示屏包括均匀周期性排布的像素，并且水平和竖直方向上的像素间距相等；每个像素包含第一至第三子像素，所述第一和第二子像素沿水平方向排布，所述第三子像素位于第一和第二子像素的中下部，所述第一至第三子像素组成一个正三角形；所述第一至第三子像素为红绿蓝子像素的排列；将一个像素沿水平方向，平均分三份，其中一份为一个虚拟子像素，所述虚拟子像素间距p等于三合一LED显示屏的像素点距p₀的1/3，即p=p₀/3；按照虚拟子像素间距设置光栅参数，并按照虚拟子像素以及三合一LED显示屏的子像素的物理结构生成合成图像，输出显示在三合一LED显示屏上。

6.如权利要求5所述的裸眼3D显示装置，其特征在于，所述光栅采用狭缝光栅，或者采用柱镜光栅。

7.如权利要求6所述的裸眼3D显示装置，其特征在于，所述狭缝光栅的参数设置包括：

1）光栅常数即光栅周期d为：

$d=\frac{XSp}{S+p}---\left(1\right)$

其中，X为在水平方向上一个光栅周期内所包含的子像素个数，此处的子像素为虚拟子像素，子像素间距p等于三合一LED显示屏像素点距的1/3，S代表每个虚拟子像素在观看平面所占的水平宽度；

2）透光条宽度a为：

$a=\frac{Sp}{S+p}---\left(2\right)$

3）光栅与2D显示屏的间距即屏栅距l为：

$l=\frac{Hp}{S}---\left(3\right)$

其中，H为最佳观看距离，也就是观看者距离光栅的距离。

8.如权利要求6所述的裸眼3D显示装置，其特征在于，所述柱镜光栅的参数设置包括：

1）光栅常数即光栅周期d为：

$d=\frac{XSp}{S+p}---\left(4\right)$

2）柱透镜的焦距f为：

$f=\frac{pH}{S}---\left(5\right)$

3）柱镜光栅的厚度t为：

$t=n(\frac{pH}{S}-1)---\left(6\right)$

其中，n为柱透镜折射率。

9.如权利要求5所述的裸眼3D显示装置，其特征在于，所述三合一LED显示屏上的所有子像素的视点计算公式满足：

a)所有像素中的第一子像素，其对应的视点数计算公式为：

$Q(k_1,l)=\frac{(k_1-1+k_{off}-3ltan\mathrm{\α})\mathrm{mod}X}{X}K---\left(7\right)$

其中，（k₁,l）为第一子像素在图像坐标系下的坐标位置，k₁=3×k+1（k代表水平方向上第k个像素，k=0,1,2...）为第一子像素的列坐标，l为第一子像素的行坐标，k_off表示三合一LED显示屏左上边缘与光栅单元边缘点的水平位移量，α为光栅轴相对于三合一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的虚拟子像素的个数，mod为取余操作；

b)所有像素中的第二子像素，其对应的视点数计算公式为：

$Q(k_2,l)=\frac{(k_2-2+\frac{3\mathrm{\Δ}x}{2p}+k_{off}-(3l+\frac{3\sqrt{3}\mathrm{\Δ}x}{2p}\left)tan\mathrm{\α}\right)\mathrm{mod}X}{X}K---\left(8\right)$

其中，（k₂,l）为第二子像素在图像坐标系下的坐标位置，k₂=3×k+2为第二子像素的列坐标，Δx为每个像素中第一至第三子像素的中心点组成的正三角形的边长；

c)所有像素中的第三子像素，其对应的视点数计算公式为：

$Q(k_3,l)=\frac{(k_3-3+\frac{3\mathrm{\Δ}x}{p}+k_{off}-3l\tan \mathrm{\α})\mathrm{mod}X}{X}K---\left(9\right)$

其中，（k₃,l）为第三子像素在图像坐标系下的坐标位置，k₃=3×k+3为第三子像素的列坐标。