時(shí)空混合控制式自由立體顯示系統(tǒng)背光刷新方式優(yōu)化研究

蘇劍邦1,梁浩文1,陳海域1,周延桂1,范 杭1,林岱昆1,周建英1,2,王嘉輝1,2?

(1.中山大學(xué)光電材料與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東廣州510275; 2.中山大學(xué)物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院,廣東廣州510275)

時(shí)空混合控制式自由立體顯示系統(tǒng)背光刷新方式優(yōu)化研究

蘇劍邦1,梁浩文1,陳海域1,周延桂1,范 杭1,林岱昆1,周建英1,2,王嘉輝1,2?

(1.中山大學(xué)光電材料與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東廣州510275; 2.中山大學(xué)物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院,廣東廣州510275)

時(shí)空混合控制式自由立體顯示是一種新型的自由立體顯示技術(shù),具有全分辨率和低串?dāng)_率優(yōu)點(diǎn),消除了背光源刷新與屏幕圖像刷新不同步所導(dǎo)致的時(shí)域串?dāng)_率升高,這是時(shí)空混合控制式自由立體顯示的關(guān)鍵問(wèn)題之一。本文介紹了時(shí)空式立體顯示系統(tǒng)的原理和動(dòng)態(tài)背光的工作方式,提出了掃描式和垂直式兩種不同的背光源刷新方式,著重對(duì)比了兩種背光源刷新方式對(duì)屏幕亮度和串?dāng)_率的影響。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量給出了時(shí)空式自由立體顯示系統(tǒng)背光源刷新的最優(yōu)化參數(shù)設(shè)置。在優(yōu)化配置條件下,系統(tǒng)串?dāng)_率低至2.64%,證明動(dòng)態(tài)背光同步技術(shù)可以有效降低系統(tǒng)的時(shí)域串?dāng)_率。

自由立體顯示;動(dòng)態(tài)背光;時(shí)域串?dāng)_

1 引 言

自由立體顯示已被廣泛認(rèn)為是未來(lái)顯示技術(shù)的重要方向[1]。目前主流的自由立體顯示主要是基于雙目視差原理[2]工作。而根據(jù)具體實(shí)現(xiàn)的原理不同,自由立體顯示可分為空間復(fù)用技術(shù)和時(shí)間復(fù)用技術(shù)兩大類(lèi)[3-4]。常見(jiàn)的視障光柵和柱透鏡陣列式自由立體顯示技術(shù)[5]屬于空間復(fù)用技術(shù),此類(lèi)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是分光器件便于加工并且容易實(shí)現(xiàn)多視點(diǎn)系統(tǒng),缺點(diǎn)是會(huì)導(dǎo)致立體圖像分辨率降低。時(shí)間復(fù)用技術(shù)中比較有代表性的是指向光源式技術(shù)[6-7],其優(yōu)點(diǎn)是可以保持立體圖像的分辨率,但由于所需的特殊光學(xué)膜層設(shè)計(jì)加工困難,而且不容易應(yīng)用于多視點(diǎn)系統(tǒng),所以未被廣泛應(yīng)用。另外以上兩類(lèi)自由立體顯示技術(shù)的串?dāng)_率[8]均在5%以上,而研究顯示當(dāng)立體圖像的串?dāng)_率高于5%時(shí)會(huì)明顯影響觀看者的觀看舒適度[9]。

基于以上現(xiàn)狀,本文提出了一種基于時(shí)空混合控制式的自由立體顯示解決方案[10]。這種技術(shù)結(jié)合了時(shí)間復(fù)用技術(shù)和空間復(fù)用技術(shù)的特點(diǎn),在不降低立體圖像分辨率的基礎(chǔ)上提高顯示亮度和降低串?dāng)_率。實(shí)驗(yàn)證明此系統(tǒng)的串?dāng)_率在3%左右。本文對(duì)此技術(shù)的背光刷新方式進(jìn)行研究,對(duì)兩種不同的背光刷新方式進(jìn)行比較,得出背光刷新方式參數(shù)的最優(yōu)化設(shè)置,有效降低立體串?dāng)_率和提高顯示亮度。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

時(shí)空混合控制式自由立體顯示系統(tǒng)由LED背光模組、120 Hz液晶面板和菲涅爾透鏡陣列組成,結(jié)構(gòu)原理如圖1。系統(tǒng)工作原理如圖2所示,液晶面板以120 Hz刷新率交錯(cuò)播放左右眼立體圖像對(duì),當(dāng)屏幕顯示左眼圖像時(shí)(如圖2(a)所示),只打開(kāi)對(duì)應(yīng)左眼的LED背光源,經(jīng)過(guò)菲涅爾透鏡陣列的分光,使得觀看者只有左眼看到屏幕上的圖像;屏幕顯示右眼圖像時(shí)(如圖2(b)所示)只打開(kāi)對(duì)應(yīng)右眼的LED背光,仍然是通過(guò)菲涅爾透鏡的分光功能把圖像只投影到觀看者的右眼。這樣觀看者就能看到視差圖像對(duì),實(shí)現(xiàn)立體圖像的播放。圖3所示是時(shí)空混合控制式的自由立體顯示樣機(jī)。

圖1 時(shí)空混合控制式自由立體顯示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of auto-stereoscopic display with SSH

圖2 時(shí)空混合控制式自由立體顯示原理Fig.2 Principle of auto-stereoscopic display with SSHC

圖3 時(shí)空混合控制式自由立體顯示樣機(jī)Fig.3 Prototype of auto-stereoscopic display with SSHC

2.2 動(dòng)態(tài)背光原理

顯示系統(tǒng)所用的120 Hz液晶面板的圖像刷新方式是每一幀圖像從屏幕的頂部開(kāi)始從頂部向底部逐行刷新,未刷新的區(qū)域保留前一幀圖像的畫(huà)面,如圖4所示(圖中左、右眼圖像分別用紅色和綠色表示)。由圖4及圖2可知在時(shí)空混合控制式自由立體顯示中對(duì)應(yīng)左(右)眼的背光源不能在左(右)眼圖像剛開(kāi)始刷新就全部打開(kāi)從而照亮全部屏幕,否則觀看者的左(右)眼將會(huì)看到左眼圖像和右眼圖像的混合圖像,產(chǎn)生串?dāng)_。這種由于背光源和屏幕刷新不同步而造成的串?dāng)_稱(chēng)為時(shí)域串?dāng)_。因此LED背光模組需要使用如圖5所示的動(dòng)態(tài)背光刷新方式來(lái)與屏幕圖像刷新同步,達(dá)到消除時(shí)域串?dāng)_的效果。

圖4 120 Hz液晶面板刷新過(guò)程Fig.4 Refresh of 120 Hz LCD panel

圖5 動(dòng)態(tài)背光過(guò)程(左眼圖像)Fig.5 Principle of dynamic backlight control(left image)

時(shí)空混合控制式自由立體顯示系統(tǒng)的LED背光模組由如圖5所示分成3行的LED燈條陣列組成。當(dāng)屏幕刷新左眼圖像時(shí),對(duì)應(yīng)右眼的LED燈條始終保持關(guān)閉,當(dāng)左眼圖像(紅色)刷新到屏幕的1/3時(shí)打開(kāi)第1行的LED光燈條,刷新到屏幕的2/3時(shí)打開(kāi)第2行LED光燈條,最后左眼圖像占滿(mǎn)屏幕時(shí)打開(kāi)全部的對(duì)應(yīng)左眼的LED燈條。屏幕刷新右眼圖像(綠色)時(shí)的動(dòng)態(tài)背光過(guò)程與左眼圖像的相同。上述動(dòng)態(tài)背光使背光模組與屏幕圖像同步刷新,有效避免了左右眼圖像被傳送到錯(cuò)誤視區(qū)的情況,降低了系統(tǒng)的時(shí)域串?dāng)_。

2.3 動(dòng)態(tài)背光的刷新時(shí)序

圖4所示的120 Hz液晶面板刷新過(guò)程是由幀率為1 000 fps的高速相機(jī)拍攝的。拍攝過(guò)程顯示:當(dāng)屏幕完成刷新當(dāng)前幀之后,大約有2 ms的維持階段,使得屏幕圖像維持在當(dāng)前幀不變,然后再開(kāi)始刷新下一幀。所以對(duì)應(yīng)的LED燈條在每個(gè)幀刷新周期內(nèi)刷新動(dòng)作所占的總時(shí)長(zhǎng)不應(yīng)該大于6.33 ms,否則將會(huì)產(chǎn)生時(shí)域串?dāng)_。對(duì)如圖5所示的LED燈條陣列,其刷新方式有兩種,分別是掃描式刷新和垂直式刷新。掃描式刷新方式是指LED背光模組中所有LED燈條在一個(gè)幀刷新周期內(nèi)的打開(kāi)時(shí)刻都不一樣,相鄰兩條燈條打開(kāi)時(shí)刻之間的時(shí)間是固定的。垂直式刷新是指背光模組中的燈條與屏幕對(duì)應(yīng)分成3行,當(dāng)屏幕圖像刷到1/3時(shí)才同時(shí)打開(kāi)第1行的燈條,刷到2/3的時(shí)候同時(shí)打開(kāi)第2行的燈條,占滿(mǎn)全屏的時(shí)候才全部打開(kāi)背光源,相鄰兩行背光源打開(kāi)時(shí)刻之間的延時(shí)也是固定的。兩種刷新方式對(duì)應(yīng)的時(shí)序如圖6。圖7是兩種刷新方式的效果對(duì)比。

圖6所示的兩種刷新方式的時(shí)序中,高電平表示LED燈條被打開(kāi),低電平表示被關(guān)閉。T表示每條燈條在一個(gè)幀刷新周期(8.33 ms)內(nèi)的打開(kāi)時(shí)長(zhǎng)。對(duì)掃描式刷新,Δt表示相鄰兩條燈條打開(kāi)時(shí)刻之間的延時(shí);對(duì)垂直式刷新,Δt′表示相鄰兩行背光源打開(kāi)時(shí)刻之間的延時(shí)。上文已提及背光源打開(kāi)總時(shí)長(zhǎng)不應(yīng)超過(guò)6.33 ms,所以對(duì)掃描式刷新,有:

圖6 兩種刷新方式時(shí)序?qū)Ρ菷ig.6 Timing sequences comparison of two refresh strategies

其中n代表背光模組中LED燈條的數(shù)量。對(duì)垂直式刷新,有:

2.4實(shí)驗(yàn)測(cè)量

為了研究?jī)煞N背光源刷新方式對(duì)系統(tǒng)顯示效果的影響,需要測(cè)量這兩種方式下系統(tǒng)的串?dāng)_率。測(cè)量?jī)?nèi)容如下:

(1)對(duì)掃描式刷新,改變T,取值范圍是0.8～5.4 ms,每一個(gè)T的值均取一個(gè)Δt使其滿(mǎn)足(1)式,測(cè)量屏幕上的亮度分布曲線(xiàn)以計(jì)算其串?dāng)_率。

(2)對(duì)垂直式刷新,T同樣在0.8～5.4 ms范圍內(nèi)取值,改變?chǔ)′使得對(duì)每一個(gè)T的值均滿(mǎn)足(2)式,同樣測(cè)量屏幕上的亮度分布曲線(xiàn)以計(jì)算其串?dāng)_率。

測(cè)得屏幕的亮度分布后,串?dāng)_率可用以下公式計(jì)算[11]: Ileakage和Iright分別表示錯(cuò)誤串?dāng)_到該視區(qū)的光強(qiáng)(串?dāng)_光強(qiáng))和本應(yīng)進(jìn)入該視區(qū)的光強(qiáng)。Ibackground是指背景光強(qiáng),測(cè)量背景光強(qiáng)的方法是同時(shí)把左右眼圖像設(shè)為全黑圖像后測(cè)量此時(shí)屏幕的亮度。

圖7 兩種刷新方式效果對(duì)比Fig.7 Visual effect comparison of two refresh strategies

3 結(jié)果與討論

3.1 實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果

圖8所示是當(dāng)T設(shè)定為2.0 ms時(shí)兩種刷新方式的屏幕亮度分布和串?dāng)_率分布對(duì)比。其中橫向距離X是指最佳視距上的橫向觀看位置,坐標(biāo)0的點(diǎn)就是屏幕的中心法線(xiàn)方向。可以看到兩種刷新方式下的光強(qiáng)分布都能集中在視區(qū)內(nèi),但垂直式刷新下的屏幕亮度比掃描式刷新下的要稍微高一點(diǎn),而串?dāng)_率對(duì)比則是垂直式刷新方式比掃描式稍高0.1%。

T在0.8～5.4 ms內(nèi)兩種刷新方式的最大屏幕亮度對(duì)比如圖9。

從圖9可以看到,兩種刷新方式下的屏幕亮度都隨著T的增大而升高。但對(duì)于同一個(gè)打開(kāi)時(shí)長(zhǎng)T,垂直式刷新下的屏幕亮度比掃描式刷新下的高。

圖8 T＝2.0 ms下兩種刷新方式對(duì)比Fig.8 Comparisons of two refresh strategies when T＝2.0 ms

圖9 兩種刷新方式下屏幕亮度對(duì)比Fig.9 Luminance comparison of two refresh strategies

根據(jù)式(3)及測(cè)得的屏幕亮度數(shù)據(jù)可以計(jì)算出兩種刷新方式下串?dāng)_率與打開(kāi)時(shí)長(zhǎng)T的關(guān)系曲線(xiàn)如圖10?？梢悦黠@看到掃描式刷新下的串?dāng)_率比垂直式刷新的低。T在0.8～4.0 ms范圍內(nèi)時(shí),掃描式刷新的串?dāng)_率在2.6%～3%范圍內(nèi)波動(dòng),垂直式刷新的串?dāng)_率在3.5%上下波動(dòng)。當(dāng)T超過(guò)4.0 ms后,兩種刷新方式下的串?dāng)_率都急劇上升。在掃描式刷新下,T在2.0～3.0 ms且與Δt符合式(1)時(shí)系統(tǒng)的串?dāng)_率始終小于3%,在T為2.0 ms時(shí)的串?dāng)_率達(dá)到最小,為2.64%。

圖10 兩種刷新方式下串?dāng)_率對(duì)比Fig.10 Crosstalk ratio comparison of two refresh strategies

3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

結(jié)合圖9和圖10的數(shù)據(jù)分析可以知道雖然掃描式刷新的屏幕亮度較低,但同時(shí)降低了串?dāng)_率。按照動(dòng)態(tài)背光的理論,當(dāng)背光源與屏幕圖像刷新之間的同步程度越高,對(duì)時(shí)域串?dāng)_的壓制就越有效,理論上系統(tǒng)的串?dāng)_率更低。所以根據(jù)圖9,掃描式刷新與屏幕圖像刷新的同步程度比垂直式刷新的高。

由圖4和圖7(b)可以看到垂直式刷新與屏幕刷新具有更相似的形式,但同步程度卻低于掃描式刷新。造成這個(gè)現(xiàn)象的原因是雖然垂直式刷新可以提高視區(qū)的亮度,但同時(shí)也提高了串?dāng)_到錯(cuò)誤視區(qū)的光強(qiáng),使得串?dāng)_率升高。圖11所示是兩種刷新方式下的串?dāng)_光強(qiáng)Ileakage比較。

圖11 兩種刷新方式下串?dāng)_光強(qiáng)對(duì)比Fig.11 Crosstalk luminance comparison of two refresh strategies

由圖11看到垂直式刷新的串?dāng)_光強(qiáng)比掃描式刷新的高,平均高約60%。而由圖10數(shù)據(jù)可以計(jì)算得到垂直式刷新下的屏幕亮度只比掃描式刷新下的高約20%,結(jié)合(3)式就可以解釋垂直式刷新的串?dāng)_率比掃描式刷新的高這個(gè)現(xiàn)象。

因此,垂直式刷新對(duì)串?dāng)_光強(qiáng)的影響比屏幕亮度的大,造成串?dāng)_率比較高。結(jié)合圖9和圖10分析可知,T在2.0～3.0 ms時(shí)兩種刷新方式下的屏幕亮度都在200～300 cd/m2范圍內(nèi),差距極小,而且達(dá)到一般二維平面顯示器的平均水平,但在這個(gè)時(shí)序范圍內(nèi)掃描式刷新的串?dāng)_率明顯比垂直式刷新的低,并始終低于3%。

綜上所述,綜合實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果并權(quán)衡亮度和串?dāng)_率這兩個(gè)影響立體顯示的關(guān)鍵因素后,可以得出時(shí)空混合控制式自由立體顯示系統(tǒng)背光刷新方式的最優(yōu)化設(shè)置:采用掃描式刷新方式,背光打開(kāi)時(shí)長(zhǎng)T設(shè)定在2.0～3.0 ms之間并與打開(kāi)延時(shí)Δt滿(mǎn)足(1)式,此時(shí)顯示系統(tǒng)的屏幕亮度可達(dá)到一般平面顯示器的水平,而串?dāng)_率始終保持在3%以下,立體圖像顯示效果較好。

4 結(jié) 論

本文提出了兩種基于時(shí)空混合控制式自由立體顯示技術(shù)的背光源刷新方式并對(duì)比測(cè)試了兩種刷新方式對(duì)系統(tǒng)顯示效果的影響,研究得出背光源的最優(yōu)化時(shí)序設(shè)置并降低系統(tǒng)的時(shí)域串?dāng)_。實(shí)驗(yàn)測(cè)得使用此最優(yōu)化設(shè)置的動(dòng)態(tài)背光模組的顯示系統(tǒng)的串?dāng)_率低于3%,其中掃描式背光的串?dāng)_率更低至2.64%。實(shí)驗(yàn)證明,這種動(dòng)態(tài)背光技術(shù)可有效提高立體顯示效果。

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Optimization of backlight scanning on auto-stereoscopic display with spatial and sequential hybrid control

SU Jian-bang1,LIANG Hao-wen1,CHEN Hai-yu1,ZHOU Yan-gui1, FAN Hang1,LIN Dai-kun1,ZHOU Jian-ying1,2,WANG Jia-hui1,2?

(1.State Key Laboratory of Optoelectronics Materials and Technologies, Sun Yat-sen University,Guangzhou 510275,China; 2.School of Physics and Engineering,Sun Yat-sen University,Guangzhou 510275,China)

Auto-Stereoscopic with improved spatial and sequential hybrid control(SSHC)is a new type of auto-stereoscopic display technology which retains full resolution and low crosstalk ratio.It eliminates the temporal crosstalk caused by the non-synchronization between the screen and the backlight module,which is one of the key issues of auto-stereoscopic display with SSHC.The paper explains principles of auto-stereoscopic display with SSHC and dynamic backlight system.Two different refreshing strategies of backlight module are introduced,which are the scanning type and the vertical type.Comparison on the influences on the luminance and crosstalk ratio of the display system for both strategies is mainly discussed.The optimal settings for backlight module are achieved through experimental results.Experimental results show that the crosstalk ratio of the display system can be suppressed as low as 2.64%with the optimal settings,which proves that the dynamic backlight control technique can effectively lowers temporal crosstalk.

auto-stereoscopic display;dynamic backlight;temporal crosstalk

TN141.9 O436.3

:A

10.3788/YJYXS20153005.0877

1007-2780(2015)05-0877-06

蘇劍邦(1989－),男,廣東廣州人,碩士研究生,主要從事3D顯示背光控制、光學(xué)測(cè)量方面的研究,E-mail:sujbang＠m(xù)ail2.sysu.edu.cn

2014-10-16;

:2014-11-13.

國(guó)家“973”計(jì)劃項(xiàng)目(No.2012CB921904);2014年廣州市科技計(jì)劃項(xiàng)目科學(xué)研究專(zhuān)項(xiàng)(No.2014J4100115)

?通信聯(lián)系人,E-mail:wangjh＠m(xù)ail.sysu.edu.cn