CN208257981U - 一种基于子像素的led裸眼3d显示装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种基于子像素的LED裸眼3D显示装置。所述装置中，LED显示屏像素均匀排布，且每个像素所包含的三个子像素纵向排列，每一行的子像素具有相同的颜色。通过将子像素纵向排列，使得观察者无论在正向观看还是大角度观看时，红、绿、蓝子像素发出的光均可被观察者有效接收，因此可以避免大角度观察画面颜色改变的弊端。另外当子像素纵向排列时，横向相邻的两个子像素一般会映射到不同的视差图像，纵向多个子像素会映射到同一个视差图像。当子像素纵向排列时，横向相邻的两个子像素距离较远，而纵向相邻的子像素距离较近。因此相对于子像素横向排列的裸眼3D显示装置，子像素竖直排列的裸眼3D显示装置其视点间串扰更小。

Description

一种基于子像素的LED裸眼3D显示装置

技术领域

本实用新型涉及裸眼3D显示技术领域，具体地说是一种基于子像素的LED裸眼3D显示装置。

背景技术

裸眼3D显示也称自由立体显示，是一种观察者不需要借助辅助设备(如偏光眼镜、头盔等)而可以获得空间立体感的显示技术。由于摆脱了辅助设备的限制，观察者不仅可以获得良好的立体体验，还能够实现彼此之间的无障碍交流。目前裸眼3D显示技术在航空航天、军事、医学、商业广告以及教育等领域均表现出广阔的市场前景。

目前，市场主流的裸眼3D显示技术包括狭缝光栅式裸眼3D显示技术和柱镜光栅式裸眼3D显示技术。具体的显示屏体一般是LCD液晶屏幕。受LCD屏幕发光亮度和屏幕尺寸的限制，基于LCD屏幕的裸眼3D显示系统一般画面尺寸较小，且多用于室内显示。虽然LCD屏幕的拼接技术可以解决LCD裸眼3D显示系统画面尺寸小的问题，但屏幕拼接处明显的痕迹会严重影响观众的立体体验。

随着LED显示技术的发展，LED屏幕像素间隔不断减小，满足了实现高分辨率显示的要求。再者LED屏幕具有发光亮度高、寿命长、环境耐候强的优势。LED屏幕的这些特点使得其成为裸眼3D自由立体显示系统的可靠屏幕载体，正逐渐应用到3D显示领域中。

基于LED的裸眼3D显示技术是在LCD液晶屏幕裸眼3D显示技术的基础上发展而来。因此现有的LED裸眼3D显示技术均要求在水平方向上子像素按红、绿、蓝或蓝、绿、红循环排列；在垂直方向上每一列子像素具有相同的颜色。上述这种子像素水平排列方式，能够保证LED裸眼3D显示装置在水平方向上具有高的显示分辨率。但同时也带来了其他问题。不同于LCD屏幕，LED屏幕尺寸较大。当LED子像素水平排列时，观察者在不同视角条件下观看时会感觉到不同的画面颜色。

实用新型内容

本实用新型的目的就是提供一种基于子像素的LED裸眼3D显示装置，以解决现有技术中观察者在不同视角条件下观看会感觉到不同画面颜色的问题。

本实用新型的目的是这样实现的：一种基于子像素的LED裸眼3D显示装置，包括LED显示屏和光栅；所述LED显示屏上的像素均匀排布，且水平方向和竖直方向上的点间距相等，每个像素所包含的1R1G1B三个子像素沿竖直方向排列；且每一行的子像素具有相同的颜色。

所述光栅可以为狭缝光栅，也可以为柱透镜光栅。用于计算光栅参数的子像素间距P等于LED显示屏像素间距P₀的1/3。对于光栅参数的设计具体可参见下文具体实施方式部分。

本实用新型通过设置使LED显示屏上每个像素中的三个子像素1R1G1B沿竖直方向排列，且每一行的子像素具有相同的颜色。子像素纵向排列条件下，观察者无论在正向观看还是大角度观看时，红、绿、蓝子像素发出的光均可被观察者有效接收，因此可以避免大角度观察画面时颜色改变的弊端。另外当子像素纵向排列时，横向相邻的两个子像素一般会映射到不同的视差图像，纵向多个子像素会映射到同一个视差图像。当子像素纵向排列时，横向相邻的两个子像素距离较远，而纵向相邻的子像素距离较近。因此相对于子像素横向排列的LED裸眼3D显示装置，子像素竖直排列的LED裸眼3D显示装置其视点间串扰更小。

附图说明

图1是本实用新型中LED显示屏子像素竖直排列的结构示意图。

图2是本实用新型中子像素竖直排列LED裸眼3D显示装置的示意图。

图3是本实用新型根据反距离加权法生成的立体图像实例。

图4是在黑色背景视差图像对应的观察位置记录子像素竖直排列LED裸眼3D显示装置的显示屏亮度分布图。

图5是在黑色背景视差图像对应的观察位置记录子像素横向排列LED裸眼3D显示装置的显示屏亮度分布图。

具体实施方式

本实用新型提出了一种基于竖直排列子像素的LED裸眼3D显示装置及设计方法，并给出了光栅设计方案及相应的立体图像合成算法。本实用新型中涉及的LED显示屏应具有以下特征：像素均匀排布，且水平方向和竖直方向上的点间距相等，每个像素所包含的子像素1R1G1B沿竖直方向排列，且每一行的子像素具有相同的颜色。LED显示屏为2D显示屏，但本实用新型将该2D显示屏与光栅有机组合，形成了裸眼3D显示装置。

下面从光栅参数设计和立体图像合成两个角度来介绍本实用新型。

一、光栅参数设计

对于裸眼3D显示装置，基于子像素的光栅参数设计需要获得子像素间距P的数值。对于一般LED屏幕而言，像素间距在水平方向和竖直方向上均等于P₀，如图1所示。但由于子像素排布相对集中，子像素间距离并不完全相等。对于子像素竖直排列的LED显示屏，具体表现为水平方向子像素间距离均等于P₀，而竖直方向上子像素1与2、2与3、3与4之间的距离不完全相等。光栅设计用子像素间距离P这里是指竖直方向子像素间距离。鉴于子像素1与2、2与3、3与4之间不等距排布，光栅设计用子像素间距P一般取P₀/3。

在光栅设计用子像素间距P确定后，光栅(包括狭缝光栅和柱透镜光栅)几何参数进行如下设计。

1、狭缝光栅

1)光栅周期W的计算公式

式(1)中，K为裸眼3D显示装置的视点数。当视点数为K时，需要将K幅视差图像合成为一副立体图像并显示在2D显示屏上。由于2D显示屏的分辨率固定，相应单幅视差图像的分辨率只为2D显示屏分辨率的1/K，相应的3D显示分辨率也下降为2D显示屏分辨率的1/K。对于裸眼3D显示装置，增加视点数可以提高立体观看自由度，但同时使得3D显示的分辨率损失，因此3D显示装置视点数的选择要兼顾立体观看自由度与3D显示分辨率。另外在实际使用中为了消除莫尔条纹，狭缝光栅会相对于显示屏倾斜一定角度α。对于倾斜光栅，公式(1)中的周期W为光栅在水平方向上的周期长度。

公式(1)中Q为在观察平面上相邻两个视点图像间距离，其值由3D显示装置的视点组合方式决定。为了使人的左眼和右眼分别接收到具有视差的一对视点图像，这对视点图像在观察平面的分开距离应等于人双眼瞳距e(一般取65mm)，因此Q可以表示为

其中ΔK为这对视点组合之间的视区数。

2)光栅与LED显示屏间距D的计算公式

式(3)中，L为观察者相对于LED显示屏的观察距离。

2、柱透镜光栅

1)光栅周期W的计算公式

式(4)中，K为裸眼3D显示装置的视点数，Q为观察平面上相邻两视点间距离。另外在实际使用中为了消除莫尔条纹，柱透镜光栅会相对于显示屏倾斜一定角度α。对于倾斜光栅，公式(4)中的周期W为光栅在水平方向上的周期长度。

2)柱透镜的焦距f的计算公式

式(5)中，L为观察者相对于LED显示屏的观察距离。

3)柱透镜光栅的厚度t计算公式

t＝n(f-D) (6)

式(6)中，n为柱透镜光栅的折射率，D为柱透镜光栅与LED显示屏的距离。

二、立体图像合成算法

对于LED裸眼3D显示装置，在配置适合的光栅基础上，还需要根据LED显示屏子像素的排布特点将多幅视差图像合成为立体图像并在2D LED显示屏上显示。本实用新型给出了基于子像素竖直排列的LED裸眼3D立体图像的合成算法，包括如下步骤：

1)根据LED显示屏的产品说明，得到像素间距P₀以及单个像素内子像素间距Δs，即图1中子像素1与2、子像素2与3之间的距离。

2)根据不同子像素所在的物理位置(k,l)，计算其对应的视点数。下面将对子像素竖直排列的2D显示屏的所有子像素分三种情况讨论。

[1]对于每个像素内最上方子像素，对应行坐标为k₁＝3×n+1(n＝0,1,2....)其对应的视点数Q计算公式为

式(7)中，k₁为子像素所处的行坐标，l为子像素所处的列坐标，l＝3×m+1(m＝0,1,2.....)，k_off表示2D显示屏左上边缘与光栅边缘点的水平偏移量，α为光栅相对于LED显示屏垂直轴的倾斜角，这里光栅取逆时针旋转倾斜。当光栅顺时针旋转倾斜时，上述倾斜角度α取负值。K为裸眼3D显示装置的视点数，X为一个光栅周期在水平方向上覆盖子像素的个数，mod为取余操作。

[2]对于每个像素内自上而下第二行子像素，对应行坐标为k₂＝3×n+2(n＝0,1,2....)，其对应的视点数M的计算公式为：

[3]对于每个像素内自上而下第三行子像素，对应行坐标为k₃＝3×n+3(n＝0,1,2....)，其对应的视点数M的计算公式为：

根据上述过程，就得到了2D LED显示屏上所有子像素对应的视点数矩阵M。需要特别注意，所得矩阵中M值可以四舍五入取整，也可以保持非整数，具体由子像素灰度值赋值方式决定。

当采用最近邻法确定第(k,l)个子像素的灰度值R(k,l)时，将所得视点数矩阵值M(k,l)按四舍五入法处理，得到

i＝round(M(k,l))+1 (10)

则i可能取值包括1,2....K。

R(k,l)＝I(k,l,i) (11)

其中I(k,l,i)为第i幅视差图像，在(k,l)处子像素的灰度值。

当采用反距离加权法确定第(k,l)个子像素的灰度值R(k,l)时，将所得视点数矩阵值M(k,l)保持非整性；

R(k,l)＝I(k,l,i)×w_i+I(k,l,i+1)×w_i+1 (12)

其中，

i＝floor(M) (13)

w_i＝i+1－M (14)

w_i+1＝M－i (15)

公式(13)中floor表示向下取整数，公式(14)中w_i和公式(15)中w_i+1分别表示第i幅视差图像和第i+1幅视差图像对给定子像素灰度值的贡献权重。

下面结合狭缝光栅对本实用新型做进一步的说明。

如图2所示，图2是本实用新型中子像素竖直排列LED裸眼3D显示装置的示意图，观看角度为俯视。LED显示屏上显示立体视图，控制狭缝光栅与LED显示屏间距离D，当观察者的观看距离L满足公式3给定关系时，其左眼和右眼则会观看到不同的视差图像。这里选择狭缝光栅仅为说明本实用新型中的装置，本实用新型同样适用于柱透镜光栅。

表1给出了针对P₀＝1.6666、△s＝0.333的LED显示屏，按照视点数K＝4、X＝4设计的狭缝光栅条件下，由本实用新型设计的方法生成的子像素视点数映射矩阵的一部分数值。其中黑线线框包围的数值(即左上角竖直三个数据)对应于LED显示屏一个像素中的三个子像素。根据表1给出的子像素视点数映射矩阵，按照反距离加权法，将四幅视差图像合成为立体视图，如图3所示。

表1

为了进一步比较子像素竖向排列LED裸眼3D显示装置与子像素横向排列LED裸眼3D显示装置的串扰程度。利用P₀＝1.6666的LED显示屏分别搭建了子像素横向排列和子像素纵向排列的两套LED裸眼3D显示装置。两套显示装置的光栅倾斜角度均为13°，视点数为4，X为4。以三幅白色背景一幅黑色背景作为四幅视差图像，根据本实用新型提供的方法生成立体视图。在黑色背景视差图像对应的观察位置，利用定焦CCD相机记录显示屏的亮度分布，从而定性比较两种立体显示装置的串扰特性。图4为子像素竖直排列LED裸眼3D显示装置的显示屏亮度分布。图5是子像素横向排列LED裸眼3D显示装置的显示屏亮度分布。通过对比图4和图5可知，子像素竖直排列时，画面呈现较均匀的暗灰色。而子像素横向排列时，画面呈现为浅灰色，且发白区域更大。这说明对比两套显示装置，在子像素横向排列时，白色背景视差图像对黑色背景视差图像的串扰更大，而当子像素竖直排列时串扰较小。这说明相对于子像素横向排列，子像素竖直排列能更好地抑制LED裸眼3D显示装置的视点间串扰。

Claims (7)

1.一种基于子像素的LED裸眼3D显示装置，包括LED显示屏和光栅；其特征是，所述LED显示屏上的像素均匀排布，且水平方向和竖直方向上的点间距相等，每个像素所包含的1R1G1B三个子像素沿竖直方向排列；且每一行的子像素具有相同的颜色。

2.根据权利要求1所述的基于子像素的LED裸眼3D显示装置，其特征是，所述光栅为狭缝光栅或柱透镜光栅。

3.根据权利要求1所述的基于子像素的LED裸眼3D显示装置，其特征是，光栅参数设计用的子像素间距P等于LED显示屏像素间距P₀的1/3。

4.根据权利要求1所述的基于子像素的LED裸眼3D显示装置，其特征是，所述光栅的光栅周期如下：

式(1)中，W为光栅周期，K为视点数，P为光栅参数设计用子像素间距，Q为在观察平面上相邻两个视点图像间距离；

Q的计算公式如下：

式(2)中，ΔK为每一对视点组合之间的视区数，e为双眼瞳距。

5.根据权利要求1所述的基于子像素的LED裸眼3D显示装置，其特征是，所述光栅为狭缝光栅；

狭缝光栅与LED显示屏的间距D的计算公式为：

式(3)中，L为观察者相对于LED显示屏的观察距离，P为光栅参数设计用子像素间距，Q为观察平面上相邻两个视点图像间距。

6.根据权利要求1所述的基于子像素的LED裸眼3D显示装置，其特征是，所述光栅为柱透镜光栅；

所述柱透镜光栅的焦距f的计算公式为：

式(5)中，L为观察者相对于LED显示屏的观察距离，P为光栅参数设计用子像素间距，Q为观察平面上相邻两个视点图像间距。

7.根据权利要求6所述的基于子像素的LED裸眼3D显示装置，其特征是，所述柱透镜光栅的厚度t的计算公式为：

t＝n(f-D) (6)

式(6)中，n为柱透镜光栅的折射率，D为柱透镜光栅与LED显示屏的距离，f为柱透镜光栅的焦距。