時空混合控制式自由立體顯示系統背光刷新方式優化研究

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.中山大學光電材料與技術國家重點實驗室,廣東廣州510275; 2.中山大學物理科學與工程技術學院,廣東廣州510275)

時空混合控制式自由立體顯示系統背光刷新方式優化研究

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.中山大學光電材料與技術國家重點實驗室,廣東廣州510275; 2.中山大學物理科學與工程技術學院,廣東廣州510275)

時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,具有全分辨率和低串擾率優點,消除了背光源刷新與屏幕圖像刷新不同步所導致的時域串擾率升高,這是時空混合控制式自由立體顯示的關鍵問題之一。本文介紹了時空式立體顯示系統的原理和動態背光的工作方式,提出了掃描式和垂直式兩種不同的背光源刷新方式,著重對比了兩種背光源刷新方式對屏幕亮度和串擾率的影響。通過實驗測量給出了時空式自由立體顯示系統背光源刷新的最優化參數設置。在優化配置條件下,系統串擾率低至2.64%,證明動態背光同步技術可以有效降低系統的時域串擾率。

自由立體顯示;動態背光;時域串擾

1 引 言

自由立體顯示已被廣泛認為是未來顯示技術的重要方向[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。而根據具體實現的原理不同,自由立體顯示可分為空間復用技術和時間復用技術兩大類[3-4]。常見的視障光柵和柱透鏡陣列式自由立體顯示技術[5]屬于空間復用技術,此類技術的優點是分光器件便于加工并且容易實現多視點系統,缺點是會導致立體圖像分辨率降低。時間復用技術中比較有代表性的是指向光源式技術[6-7],其優點是可以保持立體圖像的分辨率,但由于所需的特殊光學膜層設計加工困難,而且不容易應用于多視點系統,所以未被廣泛應用。另外以上兩類自由立體顯示技術的串擾率[8]均在5%以上,而研究顯示當立體圖像的串擾率高于5%時會明顯影響觀看者的觀看舒適度[9]。

基于以上現狀,本文提出了一種基于時空混合控制式的自由立體顯示解決方案[10]。這種技術結合了時間復用技術和空間復用技術的特點,在不降低立體圖像分辨率的基礎上提高顯示亮度和降低串擾率。實驗證明此系統的串擾率在3%左右。本文對此技術的背光刷新方式進行研究,對兩種不同的背光刷新方式進行比較,得出背光刷新方式參數的最優化設置,有效降低立體串擾率和提高顯示亮度。

2 系統結構與原理

2.1 系統結構

時空混合控制式自由立體顯示系統由LED背光模組、120 Hz液晶面板和菲涅爾透鏡陣列組成,結構原理如圖1。系統工作原理如圖2所示,液晶面板以120 Hz刷新率交錯播放左右眼立體圖像對,當屏幕顯示左眼圖像時(如圖2(a)所示),只打開對應左眼的LED背光源,經過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(如圖2(b)所示)只打開對應右眼的LED背光,仍然是通過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,實現立體圖像的播放。圖3所示是時空混合控制式的自由立體顯示樣機。

圖1 時空混合控制式自由立體顯示系統結構Fig.1 Structure of auto-stereoscopic display with SSH

圖2 時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 時空混合控制式自由立體顯示樣機Fig.3 Prototype of auto-stereoscopic display with SSHC

2.2 動態背光原理

顯示系統所用的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始從頂部向底部逐行刷新,未刷新的區域保留前一幀圖像的畫面,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可知在時空混合控制式自由立體顯示中對應左(右)眼的背光源不能在左(右)眼圖像剛開始刷新就全部打開從而照亮全部屏幕,否則觀看者的左(右)眼將會看到左眼圖像和右眼圖像的混合圖像,產生串擾。這種由于背光源和屏幕刷新不同步而造成的串擾稱為時域串擾。因此LED背光模組需要使用如圖5所示的動態背光刷新方式來與屏幕圖像刷新同步,達到消除時域串擾的效果。

圖4 120 Hz液晶面板刷新過程Fig.4 Refresh of 120 Hz LCD panel

圖5 動態背光過程(左眼圖像)Fig.5 Principle of dynamic backlight control(left image)

時空混合控制式自由立體顯示系統的LED背光模組由如圖5所示分成3行的LED燈條陣列組成。當屏幕刷新左眼圖像時,對應右眼的LED燈條始終保持關閉,當左眼圖像(紅色)刷新到屏幕的1/3時打開第1行的LED光燈條,刷新到屏幕的2/3時打開第2行LED光燈條,最后左眼圖像占滿屏幕時打開全部的對應左眼的LED燈條。屏幕刷新右眼圖像(綠色)時的動態背光過程與左眼圖像的相同。上述動態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誤視區的情況,降低了系統的時域串擾。

2.3 動態背光的刷新時序

圖4所示的120 Hz液晶面板刷新過程是由幀率為1 000 fps的高速相機拍攝的。拍攝過程顯示:當屏幕完成刷新當前幀之后,大約有2 ms的維持階段,使得屏幕圖像維持在當前幀不變,然后再開始刷新下一幀。所以對應的LED燈條在每個幀刷新周期內刷新動作所占的總時長不應該大于6.33 ms,否則將會產生時域串擾。對如圖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燈條在一個幀刷新周期內的打開時刻都不一樣,相鄰兩條燈條打開時刻之間的時間是固定的。垂直式刷新是指背光模組中的燈條與屏幕對應分成3行,當屏幕圖像刷到1/3時才同時打開第1行的燈條,刷到2/3的時候同時打開第2行的燈條,占滿全屏的時候才全部打開背光源,相鄰兩行背光源打開時刻之間的延時也是固定的。兩種刷新方式對應的時序如圖6。圖7是兩種刷新方式的效果對比。

圖6所示的兩種刷新方式的時序中,高電平表示LED燈條被打開,低電平表示被關閉。T表示每條燈條在一個幀刷新周期(8.33 ms)內的打開時長。對掃描式刷新,Δt表示相鄰兩條燈條打開時刻之間的延時;對垂直式刷新,Δt′表示相鄰兩行背光源打開時刻之間的延時。上文已提及背光源打開總時長不應超過6.33 ms,所以對掃描式刷新,有:

圖6 兩種刷新方式時序對比Fig.6 Timing sequences comparison of two refresh strategies

其中n代表背光模組中LED燈條的數量。對垂直式刷新,有:

2.4實驗測量

為了研究兩種背光源刷新方式對系統顯示效果的影響,需要測量這兩種方式下系統的串擾率。測量內容如下:

(1)對掃描式刷新,改變T,取值范圍是0.8～5.4 ms,每一個T的值均取一個Δt使其滿足(1)式,測量屏幕上的亮度分布曲線以計算其串擾率。

(2)對垂直式刷新,T同樣在0.8～5.4 ms范圍內取值,改變Δt′使得對每一個T的值均滿足(2)式,同樣測量屏幕上的亮度分布曲線以計算其串擾率。

測得屏幕的亮度分布后,串擾率可用以下公式計算[11]: Ileakage和Iright分別表示錯誤串擾到該視區的光強(串擾光強)和本應進入該視區的光強。Ibackground是指背景光強,測量背景光強的方法是同時把左右眼圖像設為全黑圖像后測量此時屏幕的亮度。

圖7 兩種刷新方式效果對比Fig.7 Visual effect comparison of two refresh strategies

3 結果與討論

3.1 實驗測量結果

圖8所示是當T設定為2.0 ms時兩種刷新方式的屏幕亮度分布和串擾率分布對比。其中橫向距離X是指最佳視距上的橫向觀看位置,坐標0的點就是屏幕的中心法線方向。可以看到兩種刷新方式下的光強分布都能集中在視區內,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,而串擾率對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內兩種刷新方式的最大屏幕亮度對比如圖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。但對于同一個打開時長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比Fig.9 Luminance comparison of two refresh strategies

根據式(3)及測得的屏幕亮度數據可以計算出兩種刷新方式下串擾率與打開時長T的關系曲線如圖10。可以明顯看到掃描式刷新下的串擾率比垂直式刷新的低。T在0.8～4.0 ms范圍內時,掃描式刷新的串擾率在2.6%～3%范圍內波動,垂直式刷新的串擾率在3.5%上下波動。當T超過4.0 ms后,兩種刷新方式下的串擾率都急劇上升。在掃描式刷新下,T在2.0～3.0 ms且與Δt符合式(1)時系統的串擾率始終小于3%,在T為2.0 ms時的串擾率達到最小,為2.64%。

圖10 兩種刷新方式下串擾率對比Fig.10 Crosstalk ratio comparison of two refresh strategies

3.2 實驗數據分析

結合圖9和圖10的數據分析可以知道雖然掃描式刷新的屏幕亮度較低,但同時降低了串擾率。按照動態背光的理論,當背光源與屏幕圖像刷新之間的同步程度越高,對時域串擾的壓制就越有效,理論上系統的串擾率更低。所以根據圖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。造成這個現象的原因是雖然垂直式刷新可以提高視區的亮度,但同時也提高了串擾到錯誤視區的光強,使得串擾率升高。圖11所示是兩種刷新方式下的串擾光強Ileakage比較。

圖11 兩種刷新方式下串擾光強對比Fig.11 Crosstalk luminance comparison of two refresh strategies

由圖11看到垂直式刷新的串擾光強比掃描式刷新的高,平均高約60%。而由圖10數據可以計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%,結合(3)式就可以解釋垂直式刷新的串擾率比掃描式刷新的高這個現象。

因此,垂直式刷新對串擾光強的影響比屏幕亮度的大,造成串擾率比較高。結合圖9和圖10分析可知,T在2.0～3.0 ms時兩種刷新方式下的屏幕亮度都在200～300 cd/m2范圍內,差距極小,而且達到一般二維平面顯示器的平均水平,但在這個時序范圍內掃描式刷新的串擾率明顯比垂直式刷新的低,并始終低于3%。

綜上所述,綜合實驗測量結果并權衡亮度和串擾率這兩個影響立體顯示的關鍵因素后,可以得出時空混合控制式自由立體顯示系統背光刷新方式的最優化設置:采用掃描式刷新方式,背光打開時長T設定在2.0～3.0 ms之間并與打開延時Δt滿足(1)式,此時顯示系統的屏幕亮度可達到一般平面顯示器的水平,而串擾率始終保持在3%以下,立體圖像顯示效果較好。

4 結 論

本文提出了兩種基于時空混合控制式自由立體顯示技術的背光源刷新方式并對比測試了兩種刷新方式對系統顯示效果的影響,研究得出背光源的最優化時序設置并降低系統的時域串擾。實驗測得使用此最優化設置的動態背光模組的顯示系統的串擾率低于3%,其中掃描式背光的串擾率更低至2.64%。實驗證明,這種動態背光技術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、光學測量方面的研究,E-mail:sujbang＠mail2.sysu.edu.cn

2014-10-16;

:2014-11-13.

國家“973”計劃項目(No.2012CB921904);2014年廣州市科技計劃項目科學研究專項(No.2014J4100115)

?通信聯系人,E-mail:wangjh＠mail.sysu.edu.cn