多視點(diǎn)裸眼立體顯示的實(shí)現(xiàn)方法

林 燁，張魯殷，劉維慧

(山東科技大學(xué)，山東青島 266590)

電視從誕生以來(lái)，一直是以平面的方式呈現(xiàn)在人們面前。隨著社會(huì)的發(fā)展，目前通常的二維平面顯示在某些方面已經(jīng)不能滿足人們的需求，人們希望顯示器能夠真實(shí)的還原顯示出空間的三維信息。立體顯示技術(shù)讓觀察者擺脫了平面的束縛，體驗(yàn)到身臨其境的感覺(jué)，成為時(shí)下顯示領(lǐng)域的熱門(mén)技術(shù)。立體顯示技術(shù)可分為助視立體顯示與裸眼立體顯示兩類(lèi)，當(dāng)前比較成熟的助視立體顯示主要借助于立體眼鏡等，采用偏振、濾光等原理呈現(xiàn)立體圖像。最大的缺點(diǎn)擺脫不了助視器的束縛，操作復(fù)雜、觀察者容易疲勞;裸眼立體顯示技術(shù)中觀察者不再受限于眼鏡。主流的裸眼立體顯示技術(shù)的基本原理是在液晶屏上顯示出具有視差的立體圖像，然后利用狹縫光柵、柱透鏡光柵等基本型光柵作為視差分割器件，觀看者的左右眼會(huì)接收到具有視差的立體圖像，并在人腦合成，產(chǎn)生立體感覺(jué)［1］。目前已知的這種顯示技術(shù)中，存在兩個(gè)問(wèn)題。首先，目前的技術(shù)方案多是基于常規(guī)的液晶屏像素排列方式和順序，即RGB像素排列順序進(jìn)行的，且生成的立體圖中從相同原始2D子圖中提取出的像素以豎直方向排列。這種排列方式簡(jiǎn)單易行但是容易使水平方向與豎直方向的分辨率變化失衡，當(dāng)前面加上光柵后產(chǎn)生嚴(yán)重的摩爾條紋［2］，從而影響圖像質(zhì)量。提出一種用于像素非常規(guī)排列的液晶屏的多視點(diǎn)高清立體顯示的實(shí)現(xiàn)方法。

1 多視點(diǎn)高清裸眼立體顯示的實(shí)現(xiàn)方法

多視點(diǎn)高清裸眼立體顯示的實(shí)現(xiàn)方法包括兩個(gè)關(guān)鍵步驟。第一步，由2D圖片生成3D圖片。設(shè)計(jì)一種由2D圖片生成3D圖片的像素提取及合成方法，適用于像素非常規(guī)排列條件下的多視點(diǎn)裸眼立體液晶顯示器;第二步，光柵分光。光柵采用格狀光柵和直紋狹縫光柵組合，克服了基本型光柵圖像串?dāng)_和亮度減弱等缺陷。

1．1 2D圖片生成3D圖片的原理與方法

為解決某些液晶屏像素的非常規(guī)排列引起的顏色異常問(wèn)題，本文提出了一種生成立體圖片的方法。

子像素以BGR方式排列的非常規(guī)液晶屏像素結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 子像素以BGR方式排列的非常規(guī)液晶屏圖

假設(shè)每幅2D子圖的分辨率為M×N，以紅、綠、藍(lán)子像素為基本單元進(jìn)行取點(diǎn)操作，如圖2所示。并將按一定視角順序生成的每幅2D子圖編號(hào)。

首先，從編號(hào)為1的第一幅2D子圖提取物理地址為(i－1)×3N+(i+1)%n+n×j+1(i=1、2…M 的整數(shù)，j=0、1、2…N/2-1 的整數(shù)，n 為視點(diǎn)數(shù)，%表示取余運(yùn)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子圖中;從編號(hào)為2的第二幅2D子圖提取物理地址為(i－1)×3N+i%n+n×j+1(i=1、2…M 的整數(shù)，j=0、1、2…N/2-1的整數(shù)，n為視點(diǎn)數(shù))個(gè)子像素的灰度值，放在物理地址相同的待生成的第二幅3D子圖中;從編號(hào)為3的第三幅2D子圖提取物理地址為(i－1)×3N+(i－1)%n+n×j+1(i=1、2…M 的整數(shù)，j=0、1、2…N/2 －1 的整數(shù)，n 為視點(diǎn)數(shù))個(gè)子像素的灰度值，放在物理地址相同的待生成的第三幅3D子圖中;從編號(hào)為4的第四幅2D子圖提取物理地址為(i－1)×3N+(i+4)%n+n ×j+1(i=1、2…M 的整數(shù)，j=0、1、2…N/2-1的整數(shù)，n為視點(diǎn)數(shù))個(gè)子像素的灰度值，放在物理地址相同的待生成的第四幅3D子圖中;從編號(hào)為5的第五幅2D子圖提取物理地址為(i－1)×3N+(i+3)%n+n×j+1(i=1、2…M 的整數(shù)，j=0、1、2…N/2-1的整數(shù)，n為視點(diǎn)數(shù))個(gè)子像素的灰度值，放在物理地址相同的待生成的第五幅3D子圖中;從編號(hào)為6的第六幅2D子圖提取物理地址為(i－1)×3N+(i+2)%n+n×j+1(i=1、2…M 的整數(shù)，j=0、1、2…N/2-1 的整數(shù)，n為視點(diǎn)數(shù))個(gè)子像素的灰度值，放在物理地址相同的待生成的第六幅3D子圖中;以此類(lèi)推，第k幅2D子圖所提取像素的物理地址應(yīng)該為(i－1)×3N+(i+8-k)%n+n×j+1(i=1、2…M的整數(shù)，j=0、1、2…N/2-1的整數(shù)，n為視點(diǎn)數(shù)，%表示取余運(yùn)算)。該過(guò)程流程如圖3所示。同時(shí)注意，所生成的3D子圖中未從2D子圖中讀取到的物理地址的灰度值為零。

圖2 紅綠藍(lán)紫像素構(gòu)成的像素圖

讀取每幅3D子圖中灰度值不為零的像素，將其放到物理地址相同的待生成的立體圖片中，即將n幅3D子圖合并，生成一幅n視點(diǎn)的立體圖片。

第K幅2D子圖各像素點(diǎn)提取過(guò)程流程圖如圖3所示。

圖3 第K幅2D子圖各像素點(diǎn)提取過(guò)程流程圖

1．2 光柵分光

基本型格狀光柵由透光格和遮光格構(gòu)成，如圖4所示。

圖4 基本型格狀光柵示意圖

透光格的形狀、大小和位置與子像素大小和位置一一對(duì)應(yīng)。在2×2個(gè)完整2D像素的位置上，格狀光柵具有三個(gè)透光孔，其優(yōu)點(diǎn)是可直接顯示高2D圖像，甚至最細(xì)小的文字?；靖駹罟鈻庞袀€(gè)明顯的缺點(diǎn)，當(dāng)觀看者頭部從適合的高度上下移動(dòng)時(shí)，視察圖像出現(xiàn)串?dāng)_，易產(chǎn)生眼暈感。

將基本型格狀光柵進(jìn)行改進(jìn)，如圖5所示，由透光格和遮光格構(gòu)成。在基本型格狀光柵的基礎(chǔ)上，將透光格的高度減半。當(dāng)觀看者頭部從適當(dāng)?shù)母叨壬舷乱苿?dòng)時(shí)，串?dāng)_現(xiàn)象會(huì)明顯減輕。當(dāng)顯示屏像素的開(kāi)口率較低，即像素行與行之間有較大間距時(shí)，串?dāng)_將完全消失，立體圖像清晰度很高。這時(shí)，即使觀看者頭部隨意上下移動(dòng)，只是會(huì)感到圖像亮度的變化，容易調(diào)整最佳觀看位置，不會(huì)產(chǎn)生眼暈感。

圖5 改進(jìn)型格狀光柵示意圖

直紋狹縫光柵由透光條和遮光條構(gòu)成，如圖6所示，兩者寬度相等，其間距等于一行像素的高度，即顯示器像素的點(diǎn)距。將其貼在顯示屏上，等效于降低了像素的開(kāi)口率，與改進(jìn)型的格狀光柵組合可以消除上下視差串?dāng)_。

圖6 直紋狹縫光柵示意圖

將光柵與顯示屏精密組合，側(cè)視圖如圖7所示。液晶顯示屏像素驅(qū)動(dòng)單元讀取立體圖片相應(yīng)像素灰度值進(jìn)行顯示，經(jīng)精密組合的光柵分光作用，便可在空間產(chǎn)生具有n個(gè)視點(diǎn)的立體圖像觀看區(qū)，即實(shí)現(xiàn)了多視點(diǎn)高清裸眼立體顯示。

圖7 光柵與液晶顯示屏的組合圖

2 結(jié) 論

多視點(diǎn)高清裸眼立體顯示由于在平板顯示器上同時(shí)顯示多幅視差圖像，從而導(dǎo)致立體圖像分辨率相對(duì)于平面圖像有所降低。借助光柵分光實(shí)現(xiàn)立體顯示憑借其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、無(wú)需佩戴輔助觀看設(shè)備及立體顯示效果良好等優(yōu)勢(shì)得到了立體顯示領(lǐng)域的青睞。然而要多視點(diǎn)高清裸眼立體顯示技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，需要不斷提高其性能，改善其立體顯示效果。

［1］ 張超，王瓊?cè)A，李大海，等．從平面圖生成多視點(diǎn)自由立體顯示視差圖的研究［J］．液晶與顯示，2009，24(2):258-259．

［2］ 葉大梧，李龍林，王小勇．基于莫爾條紋的測(cè)距實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)［J］．大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2008，21(4):59-60．