多视点裸眼立体显示的实现方法

林 烨，张鲁殷，刘维慧

(山东科技大学，山东青岛 266590)

电视从诞生以来，一直是以平面的方式呈现在人们面前。随着社会的发展，目前通常的二维平面显示在某些方面已经不能满足人们的需求，人们希望显示器能够真实的还原显示出空间的三维信息。立体显示技术让观察者摆脱了平面的束缚，体验到身临其境的感觉，成为时下显示领域的热门技术。立体显示技术可分为助视立体显示与裸眼立体显示两类，当前比较成熟的助视立体显示主要借助于立体眼镜等，采用偏振、滤光等原理呈现立体图像。最大的缺点摆脱不了助视器的束缚，操作复杂、观察者容易疲劳;裸眼立体显示技术中观察者不再受限于眼镜。主流的裸眼立体显示技术的基本原理是在液晶屏上显示出具有视差的立体图像，然后利用狭缝光栅、柱透镜光栅等基本型光栅作为视差分割器件，观看者的左右眼会接收到具有视差的立体图像，并在人脑合成，产生立体感觉［1］。目前已知的这种显示技术中，存在两个问题。首先，目前的技术方案多是基于常规的液晶屏像素排列方式和顺序，即RGB像素排列顺序进行的，且生成的立体图中从相同原始2D子图中提取出的像素以竖直方向排列。这种排列方式简单易行但是容易使水平方向与竖直方向的分辨率变化失衡，当前面加上光栅后产生严重的摩尔条纹［2］，从而影响图像质量。提出一种用于像素非常规排列的液晶屏的多视点高清立体显示的实现方法。

1 多视点高清裸眼立体显示的实现方法

多视点高清裸眼立体显示的实现方法包括两个关键步骤。第一步，由2D图片生成3D图片。设计一种由2D图片生成3D图片的像素提取及合成方法，适用于像素非常规排列条件下的多视点裸眼立体液晶显示器;第二步，光栅分光。光栅采用格状光栅和直纹狭缝光栅组合，克服了基本型光栅图像串扰和亮度减弱等缺陷。

1．1 2D图片生成3D图片的原理与方法

为解决某些液晶屏像素的非常规排列引起的颜色异常问题，本文提出了一种生成立体图片的方法。

子像素以BGR方式排列的非常规液晶屏像素结构如图1所示。

图1 子像素以BGR方式排列的非常规液晶屏图

假设每幅2D子图的分辨率为M×N，以红、绿、蓝子像素为基本单元进行取点操作，如图2所示。并将按一定视角顺序生成的每幅2D子图编号。

首先，从编号为1的第一幅2D子图提取物理地址为(i－1)×3N+(i+1)%n+n×j+1(i=1、2…M 的整数，j=0、1、2…N/2-1 的整数，n 为视点数，%表示取余运算)子像素的灰度值，放在物理地址相同的待生成的第一幅3D子图中;从编号为2的第二幅2D子图提取物理地址为(i－1)×3N+i%n+n×j+1(i=1、2…M 的整数，j=0、1、2…N/2-1的整数，n为视点数)个子像素的灰度值，放在物理地址相同的待生成的第二幅3D子图中;从编号为3的第三幅2D子图提取物理地址为(i－1)×3N+(i－1)%n+n×j+1(i=1、2…M 的整数，j=0、1、2…N/2 －1 的整数，n 为视点数)个子像素的灰度值，放在物理地址相同的待生成的第三幅3D子图中;从编号为4的第四幅2D子图提取物理地址为(i－1)×3N+(i+4)%n+n ×j+1(i=1、2…M 的整数，j=0、1、2…N/2-1的整数，n为视点数)个子像素的灰度值，放在物理地址相同的待生成的第四幅3D子图中;从编号为5的第五幅2D子图提取物理地址为(i－1)×3N+(i+3)%n+n×j+1(i=1、2…M 的整数，j=0、1、2…N/2-1的整数，n为视点数)个子像素的灰度值，放在物理地址相同的待生成的第五幅3D子图中;从编号为6的第六幅2D子图提取物理地址为(i－1)×3N+(i+2)%n+n×j+1(i=1、2…M 的整数，j=0、1、2…N/2-1 的整数，n为视点数)个子像素的灰度值，放在物理地址相同的待生成的第六幅3D子图中;以此类推，第k幅2D子图所提取像素的物理地址应该为(i－1)×3N+(i+8-k)%n+n×j+1(i=1、2…M的整数，j=0、1、2…N/2-1的整数，n为视点数，%表示取余运算)。该过程流程如图3所示。同时注意，所生成的3D子图中未从2D子图中读取到的物理地址的灰度值为零。

图2 红绿蓝紫像素构成的像素图

读取每幅3D子图中灰度值不为零的像素，将其放到物理地址相同的待生成的立体图片中，即将n幅3D子图合并，生成一幅n视点的立体图片。

第K幅2D子图各像素点提取过程流程图如图3所示。

图3 第K幅2D子图各像素点提取过程流程图

1．2 光栅分光

基本型格状光栅由透光格和遮光格构成，如图4所示。

图4 基本型格状光栅示意图

透光格的形状、大小和位置与子像素大小和位置一一对应。在2×2个完整2D像素的位置上，格状光栅具有三个透光孔，其优点是可直接显示高2D图像，甚至最细小的文字。基本格状光栅有个明显的缺点，当观看者头部从适合的高度上下移动时，视察图像出现串扰，易产生眼晕感。

将基本型格状光栅进行改进，如图5所示，由透光格和遮光格构成。在基本型格状光栅的基础上，将透光格的高度减半。当观看者头部从适当的高度上下移动时，串扰现象会明显减轻。当显示屏像素的开口率较低，即像素行与行之间有较大间距时，串扰将完全消失，立体图像清晰度很高。这时，即使观看者头部随意上下移动，只是会感到图像亮度的变化，容易调整最佳观看位置，不会产生眼晕感。

图5 改进型格状光栅示意图

直纹狭缝光栅由透光条和遮光条构成，如图6所示，两者宽度相等，其间距等于一行像素的高度，即显示器像素的点距。将其贴在显示屏上，等效于降低了像素的开口率，与改进型的格状光栅组合可以消除上下视差串扰。

图6 直纹狭缝光栅示意图

将光栅与显示屏精密组合，侧视图如图7所示。液晶显示屏像素驱动单元读取立体图片相应像素灰度值进行显示，经精密组合的光栅分光作用，便可在空间产生具有n个视点的立体图像观看区，即实现了多视点高清裸眼立体显示。

图7 光栅与液晶显示屏的组合图

2 结 论

多视点高清裸眼立体显示由于在平板显示器上同时显示多幅视差图像，从而导致立体图像分辨率相对于平面图像有所降低。借助光栅分光实现立体显示凭借其结构简单、易于实现、无需佩戴辅助观看设备及立体显示效果良好等优势得到了立体显示领域的青睐。然而要多视点高清裸眼立体显示技术得到广泛应用，需要不断提高其性能，改善其立体显示效果。

［1］ 张超，王琼华，李大海，等．从平面图生成多视点自由立体显示视差图的研究［J］．液晶与显示，2009，24(2):258-259．

［2］ 叶大梧，李龙林，王小勇．基于莫尔条纹的测距实验装置设计［J］．大学物理实验，2008，21(4):59-60．