基于雙面光柵的LED三維立體顯示系統(tǒng)的研制

楊 倩，林志賢，杜世遠(yuǎn)，郭太良

(福州大學(xué)物理與信息工程學(xué)院，福建 福州 350002)

責(zé)任編輯:許 盈

由于LED顯示屏具有亮度高、可視性好、壽命長(zhǎng)、環(huán)保節(jié)能、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，LED顯示屏在戶外大型顯示、街道廣告、公告板等需要大尺寸、高亮度的場(chǎng)合備受青睞［1］，LED顯示屏在教育科研、娛樂(lè)以及廣告宣傳等領(lǐng)域有著其他顯示技術(shù)無(wú)法取代的重要地位。同時(shí)，LED顯示屏也使得戶外觀看立體顯示成為可能，因此將3D(Three Dimensional)顯示技術(shù)應(yīng)用到LED顯示上已成為L(zhǎng)ED顯示的熱點(diǎn)和方向［2］。

現(xiàn)有的LED三維立體顯示器主要依賴一些助視設(shè)備，如快門式3D－LED，觀看者需要佩戴眼鏡或頭盔才能觀看到立體顯示效果，這樣不僅會(huì)對(duì)觀看者造成不便，而且也不適合戶外觀看。裸眼LED三維立體顯示不需要觀看者佩戴頭盔或者是眼鏡等助視設(shè)備就可以實(shí)現(xiàn)3D顯示，因而非常適合于戶外的LED三維立體顯示［3］。其中，光柵型3D顯示結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能好，造價(jià)低，用戶可以按照實(shí)際需要隨意設(shè)計(jì)擋光區(qū)和透光區(qū)的寬度，制作出各種規(guī)格的光柵，尤其是可利用拼接技術(shù)實(shí)現(xiàn)特大尺寸的3D LED 顯示［4］。

由于LED顯示屏上各個(gè)LED顯示單元之間上下左右存在傾斜、歪曲，表面凹凸不平等現(xiàn)象，傳統(tǒng)的狹縫光柵很難精確對(duì)齊，同時(shí)會(huì)導(dǎo)致3D串?dāng)_很大。因此，本文提出了一種新型的雙面光柵，通過(guò)雙面光柵對(duì)像素點(diǎn)的矯正，顯著減小了3D串?dāng)_，提高了3D視覺(jué)效果。

1 LED三維立體顯示光柵的設(shè)計(jì)

1.1 狹縫光柵基本結(jié)構(gòu)與工作原理

基于狹縫光柵的LED立體顯示的原理如圖1所示，狹縫陣列——光柵被置于LED顯示屏前方。由于光柵擋光條對(duì)光的遮擋作用和光柵透光條對(duì)光的透過(guò)作用，再結(jié)合LED顯示屏上與之對(duì)應(yīng)排列的左右視差圖像，實(shí)現(xiàn)了左右視差圖像光線的分離［5］。當(dāng)觀看者處于合適的觀看位置，并且LED顯示屏奇偶列像素分別顯示左右視差圖像時(shí)，觀看者的左眼通過(guò)狹縫只能看到左視差圖像，右眼通過(guò)狹縫只能看到右視差圖像，那么，觀看者就可以感知到立體圖像，實(shí)現(xiàn)3D顯示［6］。

圖1 狹縫光柵LED立體顯示原理圖

圖1中，ZB表示光柵與LED顯示屏之間的距離，PD和PB分別表示LED屏像素周期和光柵周期，兩視點(diǎn)的間距必須等于瞳孔間距［7］，一般認(rèn)為是65 mm，此處用PE表示。那么，觀看距離ZE可以表示為［8］

光柵的周期PB則可以由瞳孔間距PE和LED屏的像素間距 PD確定［9］，表示為

1.2 雙面光柵的設(shè)計(jì)

在LED顯示屏中，多個(gè)發(fā)光二極管排成陣列形成一個(gè)顯示平面，或多個(gè)LED顯示單元拼接形成大面積的顯示平面，導(dǎo)致顯示屏中各個(gè)LED之間或者各個(gè)LED顯示單元之間上下、左右、前后很難精確對(duì)齊，即上下左右出現(xiàn)傾斜、歪曲，表面出現(xiàn)凹凸不平等現(xiàn)象，影響用于分光的光柵的制作和對(duì)齊，妨礙了自由立體顯示技術(shù)在LED顯示屏上的應(yīng)用。

為了克服各個(gè)LED之間或者各個(gè)LED顯示單元之間上下、左右、前后很難精確對(duì)齊的缺點(diǎn)，本文提出一種基于LED的雙面光柵立體顯示裝置。雙光柵基板包括前光柵和后光柵，其中，后光柵是靠近LED顯示屏表面，用于保證組成LED顯示屏的每個(gè)LED子像素的發(fā)光中心點(diǎn)在水平和垂直方向保持一致，前光柵是靠近觀看者的光柵，即傳統(tǒng)的狹縫光柵，用于立體分光。雙面光柵的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 雙面光柵結(jié)構(gòu)示意圖

后光柵和前光柵直接加工在一透明基板上的兩側(cè)表面形成雙光柵基板，該透明基板可以是玻璃、ITO透明玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)。在后光柵中，每個(gè)透光區(qū)域的中心點(diǎn)與所述LED顯示屏上的每個(gè)LED子像素的中心點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)，且透光區(qū)域小于LED子像素發(fā)光面積，相鄰微孔中的透光區(qū)的中心距離等于LED顯示屏中相鄰LED子像素的中心距離。后光柵有效地規(guī)范了LED點(diǎn)之間的像素間距，使得LED點(diǎn)間距為后光柵相鄰?fù)腹鈭A孔之間的點(diǎn)間距，避免了由于LED顯示屏上像素點(diǎn)間距的誤差造成的立體顯示時(shí)的串?dāng)_。前光柵的設(shè)計(jì)則類似傳統(tǒng)狹縫光柵的設(shè)計(jì)，狹縫光柵的周期可以由式(2)得出，其中LED屏的像素間距PD為后光柵相鄰?fù)腹鈭A孔之間的點(diǎn)間距。

實(shí)驗(yàn)中，采用48×32的LED顯示屏，LED像素點(diǎn)間距為2.54 mm，LED 像素發(fā)光點(diǎn)直徑為1.98 mm，因此狹縫光柵周期為4.88 mm(可由式(2)得出);雙面光柵后光柵圓孔直徑設(shè)為1 mm，圓孔間距為2.54 mm，雙面光柵前光柵周期為4.88 mm，同時(shí)，讓LED顯示屏顯示左視差圖像為全亮，右視差圖像為全暗。圖3a和3b分別是通過(guò)傳統(tǒng)的狹縫光柵看到的左右視差圖像，從圖中可以看到，由于LED顯示屏上各個(gè)LED之間或者各個(gè)LED顯示單元之間上下、左右、前后很難精確對(duì)齊，左右視差圖像形成嚴(yán)重串?dāng)_，看到的左視差圖像并不為全亮，右視差圖像也并不為全暗;圖4a和4b分別是通過(guò)雙面光柵看到的左右視差圖像，從圖中可以看到，由于有了后光柵對(duì)LED屏像素點(diǎn)的校正，雖然亮度有所減小，但是串?dāng)_也明顯減少，提高了3D視覺(jué)效果。

圖3 通過(guò)狹縫光柵看到的左右視差圖像

圖4 通過(guò)雙面光柵看到的左右視差圖像

雙面光柵后光柵圓孔直徑應(yīng)該選擇在一定的范圍內(nèi)，實(shí)驗(yàn)采用像素間距2.54 mm，像素直徑1.98 mm的LED顯示屏，圖5是分別采用后光柵圓孔直徑為0.5 mm，1.0 mm，1.5 mm時(shí)所看到的左右視差圖像。從圖中可以看到，若后光柵圓孔直徑太大，那么對(duì)LED屏像素點(diǎn)校正能力下降，顯示效果類似傳統(tǒng)狹縫光柵;若后光柵圓孔直徑太小，雖然左右視差圖像的串?dāng)_減少到最小，但是會(huì)導(dǎo)致LED屏亮度顯著下降，同樣不利于3D效果的實(shí)現(xiàn)。因此圓孔直徑的長(zhǎng)度以像素直徑的約1/2較合適。

圖5 后光柵不同圓孔直徑下的左右視差圖像

2 雙面光柵LED立體顯示系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

在完成雙面光柵設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，還設(shè)計(jì)了基于雙面光柵的LED三維立體顯示系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)由ARM視頻源模塊、3D像素預(yù)處理模塊和FPGA顯示控制模塊3部分組成，如圖6所示。考慮到視頻系統(tǒng)數(shù)據(jù)量大、要求控制速度快、數(shù)據(jù)處理復(fù)雜等特點(diǎn)［10］，系統(tǒng)的主控部分采用ARM+FPGA的硬件構(gòu)架，并使用ARM系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)LED視頻系統(tǒng)中的PC機(jī)作為視頻源。

圖6 LED三維立體顯示系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框圖

嵌入式系統(tǒng)為整個(gè)視頻LED顯示系統(tǒng)提供一個(gè)穩(wěn)定可靠的視頻源，以Linux作為操作系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)操作界面、視頻播放和通信接口，3D視頻源則存儲(chǔ)在系統(tǒng)中的SD存儲(chǔ)卡中，同時(shí)，此模塊為后級(jí)提供了視頻顯示的數(shù)據(jù)以及 HSYNC(行同步)、VSYNC(幀同步)、VDE(數(shù)據(jù)使能)和VCLK(時(shí)鐘)等必要的控制信號(hào)［11］。

為了能夠在一幅圖像中顯示出左右視差圖像，需要在接收到3D視頻源中單獨(dú)的左右視差圖像后將其像素進(jìn)行重組，合成為一幅適合于雙面光柵顯示的3D圖像。因此加入3D像素預(yù)處理模塊是必要的，從而使得在LED顯示屏上奇(偶)列像素顯示左視差圖像，偶(奇)列像素顯示右視差圖像，也即顯示屏的奇偶列像素分別顯示一對(duì)立體圖像對(duì)中的左右視差圖像。

驅(qū)動(dòng)電路模塊作為整個(gè)系統(tǒng)的核心，采用FPGA負(fù)責(zé)對(duì)顯示數(shù)據(jù)進(jìn)一步地轉(zhuǎn)換、處理［12］，產(chǎn)生符合LED三維立體顯示系統(tǒng)顯示屏灰度級(jí)顯示的數(shù)據(jù)，送入驅(qū)動(dòng)電路。

本設(shè)計(jì)采用Samsung S3C2440開(kāi)發(fā)板作為3D視頻源，ALTERA公司的EP1C6Q240C8實(shí)現(xiàn)3D像素預(yù)處理、視頻數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和灰度數(shù)據(jù)的處理，雙面光柵基板厚9 mm，后光柵圓孔直徑取為1.0 mm，前光柵周期為4.88 mm，前光柵透光狹縫2.54 mm，LED 屏為48×32的雙色LED屏，圖7為設(shè)計(jì)完成的雙面光柵型LED三維立體顯示系統(tǒng)，顯示屏播放具有兩視點(diǎn)的3D視頻，系統(tǒng)最終可以實(shí)現(xiàn)較好的3D顯示效果。

圖7 雙面光柵型LED三維立體顯示系統(tǒng)

3 結(jié)論

本文針對(duì)LED顯示屏上各個(gè)LED之間或者各個(gè)LED顯示單元之間上下左右出現(xiàn)傾斜、歪曲，表面出現(xiàn)凹凸不平整等現(xiàn)象，導(dǎo)致傳統(tǒng)的光柵很難精確對(duì)齊、3D串?dāng)_很大的問(wèn)題，提出了一種新型的雙面光柵，通過(guò)雙面光柵后光柵對(duì)像素點(diǎn)的矯正，使得雙面光柵前光柵能夠精確對(duì)齊LED上的像素點(diǎn)，顯著減小了3D串?dāng)_，提高了3D視覺(jué)效果。同時(shí)，還設(shè)計(jì)了LED三維立體顯示的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案，整個(gè)系統(tǒng)包括ARM視頻源模塊、3D像素預(yù)處理模塊和FPGA顯示控制模塊，通過(guò)在LED屏前放置雙面光柵，系統(tǒng)最終可以實(shí)現(xiàn)較好的3D顯示效果。

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