CN105527718A - 裸眼3d显示方法、显示系统和显示系统的模拟分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种裸眼3D显示方法、显示系统和显示系统的模拟分析方法，所述显示系统包括图像显示层、透镜阵列膜层、背光源、人眼检测模块，所述透镜阵列模块设置在所述图像显示层与所述背光源之间，所述图像显示层包括至少一个显示单元，所述背光源包括至少一个发光模组，所述显示单元与所述发光模组一一对应，对于包含多显示单元的系统，发光模组间配置遮光层降低串扰率，所述人眼检测模块与所述发光模组连接，所述人眼检测模块用于检测观察者人眼的观察状态，并根据所述观察者的观察状态选择合适视区对应的发光模组进行投射。本发明提供的裸眼3D显示系统能通过检测观察者人眼相对图像显示层的空间位置及观察角度来选择合适的发光单元组合，使得人眼可以获得最优化的观看效果。

Description

裸眼3D显示方法、显示系统和显示系统的模拟分析方法

技术领域

本发明涉及一种裸眼3D显示方法、显示系统和显示系统的模拟分析方法，属于立体图像显示领域。

背景技术

裸眼3D显示技术是显示领域发展的一个重要方向，在科研、工业以及娱乐界有广阔应用前景。目前市场上的多数主流裸眼3D显示技术，包括视差屏障、柱透镜光栅、指向性光源等，均是基于双目视差原理(binocularparallax)的自由立体显示技术，通过各自技术手段分离左右眼图像，使观看者感受到具有纵深感的3D图像。

串扰率是评价裸眼3D显示效果及观看舒适度的核心指标之一，反映了显示器重影现象的明显程度。串扰率指左眼的图像受右眼图像的影响程度或右眼的图像受左眼的图像的影响程度，一般可由以下公式计算：

$C=\frac{L_{\min }-L_b}{L_{\max }+L_b}\×100\%$

式中C为串扰率，L_min为串扰光亮度，L_max为正常视区亮度，L_b为背景光亮度。降低裸眼3D显示器的串扰率，可有效提高3D图像的显示质量，并降低观看3D图像时的视疲劳程度，对裸眼3D显示系统的推广与应用拓展具有深刻意义。

目前市面上的裸眼3D显示器普遍存在串扰率高的问题。研究表明，串扰率高于5％，将对观看感受造成重大影响，一个有效的串扰率控制技术，可以将3D产品的显示质量获得巨大提升。

发明内容

基于以上不足，本发明第一方面要解决的技术问题是提供一种裸眼3D显示方法、显示系统和显示系统的模拟分析方法，其能降低串扰率，可有效提高3D图像的显示质量，并降低观看3D图像时的视疲劳程度，提供给观众更好的立体图像观看感受。

为了解决以上技术问题，本发明采用了以下技术方案：

一种裸眼3D显示方法，包括以下步骤：

1)：将图像显示层分割成若干显示单元，在所述图像显示层的一侧，根据预先计算得到的最佳背光位置弧线，对每一显示单元按一定的弧线配置发光模组；

2)：人眼检测模块检测观察者眼睛相对所述图像显示层的空间位置及观察角度得到所述观察者的观察状态；

3)：人眼检测模块根据所述观察状态选择对应的发光模组进行发光，调整发光强度，得到显示均匀，低串扰率的显示图像。

步骤1)中，还包括在不同的显示单元之间配置遮光层的步骤。

步骤3)中，不同的显示单元对应的发光模组相互独立进行调整。

一种裸眼3D显示系统，包括图像显示层、透镜阵列膜层、背光源、人眼检测模块，所述透镜阵列模块设置在所述图像显示层与所述背光源之间，所述图像显示层包括至少一个显示单元，所述背光源包括至少一个发光模组，所述显示单元与所述发光模组一一对应，所述人眼检测模块与所述发光模组连接，所述人眼检测模块用于检测观察者人眼的观察状态，并根据所述观察者的观察状态选择合适视区对应的发光模组进行投射。

所述人眼检测模组含可实时采集深度图像及彩色图像的检测设备，及根据图像处理技术及机器识别技术编写所得，从所述图像中寻得人眼的软件包，所述观察状态包括相对图像显示层的空间位置及观察角度。所述观察状态包括相对图像显示层的空间位置及观察角度。

在所述显示单元之间设置有遮光层，所述遮光层与所述图像显示层之间留有间隙；遮光层为弱反射，不透光，不易变形材料制成的薄膜层。

将各显示单元边缘与对应发光模组边缘进行连接，可得出显示光通过区域，遮光层与所述显示光通过区域之间的距离≧遮光层厚度，遮光层材料的最大变形≤遮光层厚度的一半。

所述发光模组包括若干列可独立进行控制的发光单元，所述发光单元共同形成朝向所述透镜单元的发光凹面；所述图像显示层为透射式的显示面板；所述透镜阵列膜层包括齿形非等高非等宽线性菲涅尔透镜阵列，每块菲涅尔透镜单独形成一个透镜单元。

一种裸眼3D显示系统的模拟分析方法，包括以下步骤：

1)：在模拟分析系统中输入预设的发光模组的排布方式和尺寸参数，并输入透镜阵列膜层的表面结构、尺寸参数，观看位置参数；

2)：根据所述发光模组的配光曲线，按所述配光曲线所描述的光能分布情况发射光束，光束经过透镜阵列膜层发生汇聚，在预设的观看距离计算光束抵达的位置及角度；

3)：根据光束抵达的位置及角度，统计进入到人眼的光束，计算人眼所见的亮度分布图，再据所述亮度分布图计算图像亮度均匀性及串扰率分布；

4)：据不同位置所见图像亮度均匀性及串扰率分布，对视区进行划分。

步骤4)中，对比不同发光模组组合的显示效果，在图像亮度均匀性低于85％的情况下，选择图像亮度均匀性高的发光模组组合，在图像亮度均匀性高于85％的情况下，选择串扰率较低的发光模组组合。

采用以上技术方案，取得了以下技术效果：

1)本发明提供的裸眼3D显示方法、显示系统和显示系统的模拟分析方法，其能通过检测观察者人眼相对图像显示层的空间位置及观察角度来选择合适的发光单元组合，并在观察者移动的过程中可以实时进行跟踪，并配合模拟所得视区划分条件自动调整发光模组，在观看过程中始终能够保持较佳的观看体验，提高观察者的观看自由度，使得人眼可以获得最优化的观看效果。

附图说明

图1为本发明裸眼3D显示方法的步骤图；

图2为本发明裸眼3D显示系统的结构图；

图3为本发明裸眼3D显示系统的其中一个单元的结构图；

图4为本发明裸眼3D显示系统的模拟设计方法的步骤图。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，实施例1提供了一种裸眼3D显示方法，主要包括以下步骤：

(1)：将图像显示层分割成若干显示单元，在所述图像显示层的一侧，根据预先计算得到的最佳背光位置弧线，对每一显示单元按所述弧线配置发光模组；

在一些优选的实施方式中，在显示单元之间，还可以配置遮光层以减少杂散光，从而降低串扰率；

(2)：人眼检测模块实时检测观察者眼睛相对所述图像显示层的空间位置及观察角度得到所述观察者的观察状态；

(3)：人眼检测模块根据所述观察状态选择对应的发光模组进行发光，并调整发光强度，得到显示均匀，低串扰率的显示图像。

在一些优选实施方式中，通过对发光模组进行实测，并考虑各结构散射、像差等实际影响，对视区范围与发光强度进行进一步调整。所述实测在模拟的视区边缘进行，视区的模拟方法在实施例4中进一步介绍，测试内容包括图像亮度均匀性及串扰率分布。最佳背光位置弧线的计算方法为，根据所预设的透镜膜层结构及观看位置，利用逆蒙特卡洛方法，推导出透镜物点与像点的对应关系，从而决定所述弧线位置。

作为一种优选的技术方案，还可以综合串扰率及图像亮度均匀性及条纹现象进行模拟分析，调整发光单元的曲面形貌，修改菲涅尔透镜齿形，并对观看视区进行最优化划分，使观看效果调整至最佳，具体为：考虑加工误差，测量出各发光单元、膜层的实物参数及制出的真实结构，根据实际结构调整模拟显示图像，综合图像串扰率分布、亮度均匀性以及摩尔条纹、亮暗条纹现象，提供不同观看范围对应的最佳发光部分组合，在避免各条纹现象，亮度均匀性保证在85％以上的条件下尽可能降低串扰率，在实现低串扰裸眼3D显示的同时保证其他性能要求。考虑到模拟结果的有效性，在对观看视区进行最优化划分前，还包括对在若干特定位置，对每一显示单元进行拍摄，根据拍摄所得亮度值计算图像亮度均匀性及串扰率分布，将测试结果与模拟结果进行对比，以测量亮度值与模拟亮度值的差值再除以模拟亮度值，评估两者的偏差程度，并对偏差超过1％的区域进行排查，若由于程序编译漏洞引起的差异，应予以修正；若由于实际材料结构偏差引起的差异，在模拟系统中引入此区域的亮度补偿值或由材料真实结构进行修正，保证模拟所得图像与实际拍摄结果相符。所述图像的亮度均匀性，首先由电荷耦合器件于不同位置拍摄所得RGB图像，转换到HSV颜色空间，提取屏幕亮度值分布图像并进行亮度矫正，由屏幕亮度均方差与平均亮度的比值作为亮度均匀性的评价标准。

在上述屏幕亮度值分布图像的基础上，对每一像素点的串扰率按以下公式计算：

$C=\frac{L_{\min }-L_b}{L_{\max }+L_b}\×100\%$

式中C为任一像素点的串扰率，L_min为串扰光亮度，L_max为正常视区亮度，L_b为背景光亮度。综合屏幕整图所有像素的串扰率值，描绘串扰率分布图像。其中串扰率超过5％的区域会对观看造成明显影响，串扰率2％-5％的区域会在播放高对比度片源时会对观看造成影响，串扰率低于2％的区域被认为可以提供优质3D显示的区域。

本实施例的显示方法可以通过检测双眼与图像显示层22之间的相对位置关系来选择合适的发光模组，并能调整发光强度，使得发光模组对应的视区处于双眼所在的位置，在双眼移动的过程中实时自动独立调整任一显示单元对应的发光模组，使得观察者始终处于3D显示的视区之内且无法感受到图像出现明显跳变，在观看过程中始终能够获取最优质的立体图像，提高观察者的观看自由度。

实施例2

参见图2，图2是本发明所述一种裸眼3D显示系统的其中一个显示单元的结构示意图，其包括图像显示层22、透镜阵列膜层21、背光源10、人眼检测模块，人眼检测模块用于检测观察者人眼相对图像显示层的空间位置及观察角度，图中观察者位于图像显示层22的中心的正前方，图像显示层22靠近背光源10的一侧设有透镜阵列膜层21，透镜阵列膜层21包括多个透镜单元形成的阵列，按照透镜单元将图像显示层22分割为若干个显示单元，背光源单元10包括若干发光模组，所述发光模组对应显示单元进行排布，每一发光模组包括若干列可独立进行控制的发光单元，所述发光单元共同形成朝向所述透镜单元的弧形的发光凹面，通过模拟人眼在不同位置、不同观察角度的实际观看效果对发光曲面进行最优化设计，将理论串扰率降至最低。根据各发光区域具体光学参数，模拟整图显示效果，得出整图串扰率分布状况及亮度均匀性情况，根据图像显示效果变化规律，调整发光单元整体凹面形貌至最佳。发光模组与人眼检测模块连接，人眼检测模块可以对双眼进行跟踪，用于检测人眼与图像显示层22之间的空间位置及观看角度，可直接控制发光模组。为了便于说明，图2的背光源单元仅显示了第一发光模组111和第二发光模组112。在实际应用中，发光模组的发光单元的数量及组合方式可据模拟及实际测量结果决定。

图像显示层22是一个透射式的显示面板，在本实施例中是液晶面板。透镜阵列膜层21包括由单个或多个透镜单元形成的阵列，本实施例中，透镜阵列膜层包括由所述模拟方法计算得出的齿形非等高非等宽线性菲涅尔透镜阵列，每块菲涅尔透镜单独形成一个透镜单元。

在图2示出的实施方式中，第一发光模组111发出的光线经遮光层30限束和透镜阵列膜层21导向后，配合图像显示层22加载成图像，使图像主光束传到左眼52所在视区；同理，第二发光模组112发出的光线经遮光层30限束和透镜阵列膜层21导向后，配合图像显示层22加载成图像，使图像主光束传到右眼51所在视区，形成裸眼3D视区单元40。同一个发光模组的发光单元组合通过透镜阵列膜层形成的视区连续不间断。

当图像显示层22刷新出现左眼图像时，开启第一发光模组111，关闭第二发光模组112，使得第一发光模组111发出的光束加载左眼图像传入左眼52所在视区；当图像显示层22刷新出现右眼图像时，关闭第一发光模组111，开启第二发光模组112，使得第二发光模组112发出的光束加载右眼图像传入右眼51所在视区。

图2示出的实施方式中示出的仅仅是一个显示单元、一个背光源单元等组成的结构。实际应用中，如图3所示，显示单元和背光源单元均可以为多个，使用遮光层进行光学上的隔离，并通过人眼检测模块独立进行控制，形成立体显示结构。显示单元间插入遮光层30分隔，以隔离显示单元之间由于材质散射等原因产生的串扰光，降低显示单元之间的串扰影响。考虑遮光层的厚度及可能的装配误差，遮光层与图像显示层之间保留一定的间隙，保证遮光层不会影响图像显示层的正常播放。遮光层30为弱反射，不透光，不易变形材料制成的薄膜层。所述遮光层的位置设计如下：将各显示单元边缘与对应发光模组边缘进行连接，可得出显示光通过区域，考虑到遮光层用材的厚度，遮光层的安装避开发光模组的有效发光区域，且遮光层与图像显示层间保留间隙，避免遮光层对有效显示区域的遮挡，使显示模块间连续无间断。并且遮光层与显示光通过区域之间的距离需不小于遮光层厚度，遮光层材料的装配最大变形需不大于遮光层厚度的一半。

实施例3

本实施例提供了一种裸眼3D显示装置，包括：

配置模块，用于沿垂直于图像显示层的方向，按模拟计算所得的发光单元排布方式，独立对每一显示单元配置若干发光单元，发光单元组合发光，控制一视区，并在显示模块之间放置不透光隔板，隔挡串扰光；

检测模块，用于检测观察者人眼相对所述图像显示层的空间位置及观察角度，得到所述观察者所处的观察状态；

调整模块，用于根据所述观察状态结合模拟结果对于视区的划分，选择合适视区对应的发光单元组合进行投射。

本实施例提供的裸眼3D显示装置，其能按照模拟计算所得的发光单元排布方式，独立对每一显示单元配置若干发光单元，并能通过检测观察者人眼相对图像显示层的空间位置及观察角度来选择合适的发光单元组合，使得人眼可以获得最优化的观看效果。

实施例4

如图4所示，本实施例提供了一种裸眼3D显示系统模拟分析方法的流程示意图。该方法包括以下步骤：

(1)：在模拟分析系统中输入预设的发光模组的排布方式和尺寸参数，并输入透镜阵列膜层的表面结构、尺寸参数，观看位置参数；

(2)：根据所述发光模组的配光曲线，按分布概率发射光束，光束经过透镜阵列膜层发生汇聚，在预设的观看距离计算光束抵达的位置及角度；

(3)：根据光束抵达的位置及角度，统计进入到人眼的光束，得出人眼所见的亮度分布图，再据所述亮度分布图计算图像亮度均匀性及串扰率分布；

(4)：据不同位置所见图像亮度均匀性及串扰率分布，对不同视区的边沿进行界定，确定发光模组的选择情况。可提供所述人眼检测模块所需的视区界定条件，及各发光模组的发光强度要求。具体为，对比不同发光模组组合的显示效果，在图像亮度均匀性低于85％的情况下，选择图像亮度均匀性高的发光模组组合，在图像亮度均匀性高于85％的情况下，选择串扰率较低的发光模组组合。

所述可提供所述裸眼3D显示系统模拟分析方法，可提供给所述裸眼3D显示装置中，所述人眼检测模块所需的视区界定条件，及各发光模组的发光强度要求。

最后应说明的是：以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但是凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种裸眼3D显示方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将图像显示层分割成若干显示单元，在所述图像显示层的一侧，根据预先计算得到的最佳背光位置弧线，对每一显示单元按所述弧线配置发光模组；

2)人眼检测模块检测观察者眼睛相对所述图像显示层的空间位置及观察角度得到所述观察者的观察状态；

3)人眼检测模块根据所述观察状态选择合适的发光模组进行发光，调整发光强度，得到显示均匀，低串扰率的显示图像。

2.根据权利要求1所述的裸眼3D显示方法，其特征在于：步骤1)中，还包括在不同的显示单元之间配置遮光层的步骤。

3.根据权利要求1所述的裸眼3D显示方法，其特征在于：步骤3)中，不同的显示单元对应的发光模组相互独立进行调整。

4.一种裸眼3D显示系统，其特征在于：包括图像显示层、透镜阵列膜层、背光源和人眼检测模块，所述透镜阵列模块设置在所述图像显示层与所述背光源之间，所述图像显示层包括至少一个显示单元，所述背光源包括至少一个发光模组，所述显示单元与所述发光模组一一对应，所述人眼检测模块与所述发光模组连接，所述人眼检测模块用于检测观察者人眼的观察状态并根据所述观察者的观察状态选择合适视区对应的发光模组进行投射。

5.根据权利要求4所述的裸眼3D显示系统，其特征在于：所述人眼检测模组含可实时采集深度图像及彩色图像的检测设备，及根据图像处理技术及机器识别技术编写所得，从所述图像中寻得人眼的软件包，所述观察状态包括相对图像显示层的空间位置及观察角度。

6.根据权利要求4所述的裸眼3D显示系统，其特征在于：在所述显示单元之间设置有遮光层，所述遮光层与所述图像显示层之间留有间隙；遮光层为弱反射，不透光，不易变形材料制成的薄膜层。

7.根据权利要求4所述的裸眼3D显示系统，其特征在于：将各显示单元边缘与对应发光模组边缘进行连接，可得出显示光通过区域，遮光层与所述显示光通过区域之间的距离≧遮光层厚度，遮光层材料的最大变形≤遮光层厚度的一半。

8.根据权利要求4所述的裸眼3D显示系统，其特征在于：所述发光模组包括若干列可独立进行控制的发光单元，所述发光单元共同形成朝向所述透镜单元的发光凹面；所述图像显示层为透射式的显示面板；所述透镜阵列膜层包括齿形非等高非等宽线性菲涅尔透镜阵列，每块菲涅尔透镜单独形成一个透镜单元。

9.一种裸眼3D显示系统的模拟分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在模拟分析系统中输入预设的发光模组的排布方式和尺寸参数，并输入透镜阵列膜层的表面结构、尺寸参数，观看位置参数；

2)根据所述发光模组的配光曲线，按所述配光曲线所描述的光能分布情况发射光束，光束经过透镜阵列膜层发生汇聚，在预设的观看距离计算光束抵达的位置及角度；

3)根据光束抵达的位置及角度，统计进入到人眼的光束，计算人眼所见的亮度分布图，再据所述亮度分布图计算图像亮度均匀性及串扰率分布；

4)根据不同位置所见图像亮度均匀性及串扰率分布，对不同视区的边沿进行界定，确定发光模组的选择情况。

10.根据权利要求9所述的裸眼3D显示系统的模拟分析方法，其特征在于：步骤4)中，对比不同发光模组组合的显示效果，在图像亮度均匀性低于85％的情况下，选择图像亮度均匀性高的发光模组组合，在图像亮度均匀性高于85％的情况下，选择串扰率较低的发光模组组合。