LED自由立體顯示系統交錯階梯狹縫光柵的設計

李文華,張志文,孫亞波,趙曉輝,張連水,黨偉

(1.河北大學 物理科學與技術學院,河北 保定 071002;2.保定學院 信息技術系,河北 保定 071000)

LED自由立體顯示系統交錯階梯狹縫光柵的設計

李文華1,2,張志文1,孫亞波1,趙曉輝1,張連水1,黨偉1

(1.河北大學 物理科學與技術學院,河北 保定 071002;2.保定學院 信息技術系,河北 保定 071000)

光柵結構是狹縫光柵式LED自由立體顯示系統的核心部分.為了進一步提高狹縫光柵式LED自由立體顯示系統的性能,提出了一種交錯階梯狹縫光柵結構設計方法.Tracepro仿真實驗表明交錯階梯狹縫光柵能夠有效分離不同視點圖像,適用于構建狹縫光柵式LED自由立體顯示系統.實驗結果進一步證實:在莫爾條紋弱化方面,交錯階梯狹縫光柵優于階梯狹縫光柵;在視點圖像間串擾抑制方面,交錯階梯狹縫光柵優于傳統傾斜狹縫光柵.

自由立體顯示;交錯階梯狹縫光柵;莫爾條紋;串擾

傳統圖像只是一種二維信息的載體,其表現內容忽略了物體遠近等深度信息.立體顯示技術在深度信息呈現方面具有獨特的優勢[1-2].依據具體實現方式,立體顯示技術可分為3類,即體三維顯示技術[3-4],全息顯示技術[5-6]和視差立體顯示技術[7-8].由于系統構建復雜,體三維顯示技術和全息顯示技術目前仍處于實驗室研究階段,未獲得廣泛應用.相比之下,基于雙目視差的立體顯示技術發展非常迅速,并實現了相關產品的市場應用,如偏振式立體顯示系統、顏色式立體顯示系統以及VR(visual reality)眼鏡等,但這些立體顯示產品均需要觀察者佩戴輔助設備,以獲得空間立體感,這大大限制了觀看者之間的交流和分享感受,同時容易造成視覺疲勞、頭暈等身體不適[9].而自由立體顯示技術可以使人們獲得良好空間立體感,同時擺脫輔助設備的束縛,因此成為立體顯示技術領域現階段的研究和開發熱點[10-11]，其中柱透鏡光柵LCD液晶自由立體顯示技術已經處于市場推廣階段.

受限于LCD液晶顯示器加工尺寸和發光亮度2方面因素,LCD液晶顯示器主要應用于室內場所.LED顯示屏幕則可以實現超大尺寸畫面和更高亮度，因此LED顯示屏幕在戶外應用更加廣泛,如戶外廣告、賽事直播等.隨著視差光柵自由立體顯示技術的發展和LED屏幕制造工藝的提高,視差光柵式LED自由立體顯示技術逐漸成為學界與產業界的共識[12-13].由于LED顯示屏幕幅面大,對應的視差光柵一般采用制備技術成熟、成本低廉的狹縫光柵.LED屏幕與狹縫光柵兩者按照一定幾何關系組成自由立體顯示系統,即狹縫光柵式LED自由立體顯示系統.當狹縫光柵豎直排列時,容易與周期性排列的LED屏幕像素進行耦合,會產生明顯的黑白間變的條紋,即莫爾條紋.莫爾條紋會影響圖像立體顯示質量[14],因此是評價狹縫光柵式自由立體顯示系統的一個重要指標.將狹縫光柵相對LED屏幕傾斜放置(下稱傾斜狹縫光柵)可以減弱莫爾條紋的影響,但卻增加了不同視點圖像間的串擾,同樣會影響圖像的空間立體感[15].在傾斜狹縫光柵基礎上提出的階梯狹縫光柵,理論上則能兼顧莫爾條紋弱化與視點圖像間的串擾抑制兩方面需求.對于狹縫光柵式LCD液晶立體顯示系統,使用階梯狹縫光柵結構可以獲得明顯優于傾斜狹縫光柵的立體顯示效果[16].但對于LED屏幕而言,基于階梯狹縫光柵的立體顯示系統莫爾條紋現象嚴重,且不能通過改變光柵傾斜角度克服，這可能是LED屏幕像素發光面積填充比低,燈芯排布不均勻所致，因此需要發展與LED屏幕適合的狹縫光柵設計方案,以提高圖像的立體顯示效果.

本文針對LED屏幕,設計了一種交錯階梯狹縫光柵用于LED自由立體顯示系統,并仿真和測量了交錯階梯狹縫光柵對不同視點圖像的分光效果.實驗結果表明,交錯階梯狹縫光柵可以很好地分離不同視點的圖像,并兼顧了莫爾條紋弱化與視點圖像間串擾抑制,具有非常強的實用價值.

1 交錯階梯狹縫光柵的設計與仿真

1.1 狹縫光柵式自由立體顯示原理

狹縫光柵式自由立體顯示系統是基于人類的雙目視差機制,即當外界物體在雙眼視網膜上成像,經過大腦視覺中樞把雙眼視覺信號分析并綜合成一個完整的具有立體感的視覺信息的生理現象[11].狹縫光柵式自由立體顯示系統使觀眾獲得空間立體感必須滿足2個條件：第一,左右雙眼觀察到的圖像必須具有微小差別,且這些差別必須符合人眼觀看外界事物時左右眼圖像之間自然的差別;第二,左右眼之間相互獨立的觀察兩路圖像,即左眼圖像只被左眼接收,而右眼圖像只被右眼接收.圖1為雙視點狹縫光柵式自由立體顯示系統結構示意圖，其中Wp為顯示屏像素寬度,Ww狹縫光柵透光條寬度,Wb狹縫光柵擋光條寬度,狹縫光柵周期為

Ws=Ww+Wb，

(1)

D為狹縫光柵與顯示屏之間距離,L觀察距離,Q人眼瞳孔距離65 mm.基于三角形相似性原理,得出

(2)

確定狹縫光柵的周期為

(3)

其中k為視點數.狹縫光柵透光條寬度占光柵周期的1/k或略小[17],具體數值由不同視點圖像間串擾決定.

1.2 交錯階梯狹縫光柵結構設計

圖2a為LED屏幕像素分布示意圖,其中左上角方框所圍區域代表一個全像素.每個全像素內包含紅色R、綠色G、藍色B 3個子像素自上而下排列.由圖中還可以看出,R、G、B 3個子像素占全像素面積較小且空間上集中于全像素的中心,因此每個全像素內存在較大比例的黑色區域.LED屏幕的像素分布特點使得屏幕黑色區域與豎直狹縫光柵耦合產生黑白色莫爾條紋.為了減弱莫爾條紋影響,可以將狹縫光柵相對于LED屏幕傾斜放置,如圖2b所示.圖2b中深色區域代表該狹縫光柵透光條,淺色區域代表狹縫光柵擋光條,光柵的傾斜角度為α.1～6表示觀察者透過狹縫看到的子像素.在狹縫光柵LED自由立體顯示系統中,LED屏幕須顯示由多幅視差圖像合成產生的立體合成圖像.以子像素1～6為例,根據它們距離最近光柵周期(一個透光條與一個擋光條)的左邊沿的距離判別其屬于哪一幅視差圖像[18].從圖2b中可以看出,子像素1～6距離光柵周期左邊沿距離不同,則它們將被判別為來自2幅不同的視差圖像.相應在立體合成圖像中,子像素1～6將顯示2幅視差圖像的信息.因此,觀察者將通過狹縫看到2幅不同的視差圖像信息,即增加了顯示系統不同視點圖像間的串擾,影響了立體顯示效果.

圖1 狹縫光柵式自由立體顯示系統結構Fig.1 Schematic setup of parallax barrier autostereoscopic display system

a.LED屏幕像素分布; b.傾斜狹縫光柵結構.圖2 LED屏幕像素與傾斜狹縫光柵的空間位置關系Fig.2 Spatial relationship between pixels of LED screen and slanted parallax barrier

階梯狹縫光柵的設計方案理論上則能夠同時兼顧莫爾條紋弱化以及視差圖像間串擾抑制,如圖3a所示.α為階梯狹縫光柵的傾斜角度,h為階梯狹縫光柵單元高度,s為階梯狹縫光柵偏移量.階梯狹縫光柵的透光條寬度、周期寬度與傳統傾斜狹縫光柵的設計方案相同.

(4)

(5)

以視點數k=4,子像素間距Wp=0.555 mm,光柵傾斜角度α=13°為例，Q=65/3 mm,s=0.542 mm,h=2.348 mm.根據圖3a所示,子像素1～4距離光柵周期左邊沿距離均相等,因此它們將被判別為顯示同一視差圖像,從而減弱自由立體顯示系統視差圖像間串擾，但實際運用中發現階梯狹縫光柵LED自由立體顯示系統莫爾條紋現象嚴重,詳見下文.

莫爾條紋是光柵周期與LED屏幕子像素周期耦合形成的.由圖2a可以看出LED屏幕子像素分布不均勻,填充比小，因此本文將通過細化階梯狹縫光柵來削弱莫爾條紋，具體方案為,保持階梯狹縫光柵的傾斜角度、透光條寬度、光柵周期不變,將每個階梯狹縫光柵單元在豎直方向上分為N個次單元,且使相鄰2個次單元在水平方向上相互交錯.相應每個次單元的高度h′為

(6)

相鄰2個單元的偏移量s′為

(7)

并且光柵傾斜角度α滿足

(8)

本文將上述新型光柵稱為交錯階梯狹縫光柵.根據設計方案可知,交錯階梯狹縫光柵介于傳統傾斜狹縫光柵和階梯狹縫光柵之間.當N=1時,交錯階梯狹縫光柵過渡為階梯狹縫光柵;當N趨向于∞時,交錯階梯狹縫光柵過渡為傳統傾斜狹縫光柵.隨著N值的增加,不同視點圖像間串擾會相應增加.綜合考慮莫爾條紋和視點圖像間串擾2方面的因素,本文選取N=2設計方案,如圖3b所示.

a.階梯狹縫光柵；b.交錯階梯狹縫光柵.圖3 階梯狹縫光柵和交錯階梯狹縫光柵結構對比.Fig.3 Comparisons of step parallax barrier structure with staggered step parallax barrier structure

為了直觀上驗證上述交錯階梯狹縫光柵對不同視點圖像的分光效果,本文利用Tracepro軟件對交錯階梯狹縫光柵LED自由立體顯示系統進行了仿真實驗.仿真模型設定LED子像素豎直排列,豎直方向2燈芯距離0.555 mm,水平方向2燈芯距離1.667 mm,燈芯發光面積0.333 mm×0.333 mm.選取4幅視差圖像,分辨率均為640×360,其中視圖1、3、4為全白視圖,視圖2為全黑視圖.根據4幅視差圖像,以及通用的圖像處理方法[18-19],產生立體合成視圖.選取其中的5行12列全像素作為仿真圖像,并根據仿真圖像的每個子像素灰度值構建5行12列光源陣列.利用公式(3)～(8)，確定N=2、k=4條件下交錯階梯狹縫光柵幾何參數Ww=0.542 mm,Ws=2.167 mm,α=13°，h′=1.174 mm,s′=0.271 mm.在光源模型前130 mm處構建光柵模型.根據公式(2)可知,在距離屏幕5 200 mm處為最佳觀看平面.由于Tracepro軟件采用非序列追光,因此代表子像素的每顆燈芯光線數均設置為20 000條,以保證仿真結果的可靠性.圖4為在觀察平面上600 mm×30 mm區域內光強分布.仿真模型中設置視圖1、3、4為全白視圖,視圖2為全黑視圖.在觀察平面水平方向上視點分布為‘4’、‘3’、‘2’、‘1’、‘4’ ‘3’、‘2’、‘1’,則對應的光強分布為亮、亮、暗、亮、亮、亮、暗、亮分布.因此理論上在觀察平面,亮區域寬度為暗區域寬度的3倍,相鄰2個暗區間距離為86.7 mm.圖4能夠很好地展示這些特點,說明本文提出的交錯階梯狹縫光柵可以用于構建LED屏幕自由立體顯示系統.

2 實驗結果

為更加詳細表征交錯階梯狹縫光柵的性能,本文分別搭建了基于傳統傾斜狹縫光柵、交錯階梯狹縫光柵、階梯狹縫光柵的3種LED自由立體顯示系統.3種光柵結構分別通過激光打印技術在菲林片基上制備,面積1 100 mm×800 mm.LED屏幕采用小間距LED模組(北京神州科鷹技術有限公司King-N1.66型,像素間距1.667 mm,分辨率240×180)構成.將傾斜狹縫光柵、交錯階梯狹縫光柵、階梯狹縫光柵分別裱貼在鋼化超白玻璃(10 mm厚)表面,然后安裝在LED屏幕前130 mm處.在理論最佳觀察距離5 200 mm處分別檢測上述3種系統對應的莫爾條紋分布,并比較傾斜狹縫光柵與交錯階梯狹縫光柵的分光效果.

2.1 莫爾條紋分布分析

將LED屏幕設為莫爾條紋最為敏感的全白背景,利用CCD相機(Canon EOS 5D Mark II,光圈f/4.5 曝光時間1/100 s,ISO-100,分辨率5 616×3 744)分別拍攝使用3種光柵結構的LED自由立體顯示系統的莫爾條紋分布,其局部截取如圖5所示.

圖4 四視點交錯階梯狹縫光柵LED自由立體顯示系統性能仿真Fig.4 Simulation for staggered step parallax barrier LED autostereoscopic display system of four viewpoints

a.傾斜狹縫光柵莫爾條紋； b.交錯階梯狹縫光柵莫爾條紋；c.階梯狹縫光柵莫爾條紋.圖5 3種光柵結構對應的莫爾條紋Fig.5 Moire fringes for three parallax barrier structures

由圖5可以看出,傾斜狹縫光柵的莫爾條紋分布最均勻，交錯階梯狹縫光柵的莫爾條紋表現為水平方向窄的色帶,且色帶分布較緊密，而階梯狹縫光柵的莫爾條紋表現水平方向相間分布的寬彩色條紋.需要特別說明,這里莫爾條紋是通過高性能相機拍攝,因此莫爾條紋的細節部分非常清楚.受人眼分辨能力的限制,在距離屏幕5 200 mm處觀察者并不能明顯感知交錯階梯狹縫光柵的莫爾條紋分布，而階梯狹縫光柵的莫爾條紋可以被觀察平面處人眼感知,會損害圖像的空間立體感.由此可知,在莫爾條紋弱化方面,交錯階梯狹縫光柵略遜色于傾斜狹縫光柵,但遠遠優于階梯狹縫光柵.

2.2 交錯階梯狹縫光柵抑制視點圖像間串擾分析

本節將對交錯階梯狹縫光柵抑制視點圖像間串擾能力作進一步分析.選擇3白1黑4幅視差圖像生成立體合成視圖作為LED屏幕顯示背景,傾斜狹縫光柵LED自由立體顯示系統與交錯階梯狹縫光柵自由立體顯示系統在最佳觀察平面均表現出亮、亮、暗、亮、亮、亮、暗、亮光強分布特點.在光強暗區利用CCD相機模擬人眼對2種LED自由立體顯示系統進行拍照,所得畫面如圖6所示.對于交錯階梯狹縫光柵,其畫面為較均勻的暗灰色(圖6a),說明全黑視圖視區受周圍全白視圖的干擾小，而傾斜狹縫光柵對應的畫面暗區較小(圖6b),且畫面上有明顯彩色區域，這說明當采用傾斜狹縫光柵時,全黑視圖的視區明顯受到了周圍全白視圖的干擾.為了進一步對交錯階梯狹縫光柵抑制視點圖像間串擾能力進行說明，本文利用Si光電二極管(Thorlabs PDA-36A)、數字源表(Keithley2 400)以及電動平移臺組成了光強測量裝置，利用該光強測量裝置,表征交錯階梯狹縫光柵LED自由立體顯示系統與傾斜狹縫光柵LED自由立體顯示系統在觀察平面上的光強分布,如圖7所示.圖7縱坐標為光電二極管輸出的電壓幅度,能夠反映光強度.由圖7可以看出,對于2種自由立體顯示系統,觀察位置處水平方向上高光強區域明顯較低光強區域寬,且相鄰2個暗區相距約86.7 mm與理論值相符.對比2種系統的光強分布可知,當采用交錯階梯狹縫光柵時,高光強區域光強值更大,低光強區域光強值更小.這表明交錯階梯狹縫光柵能夠更好地抑制全黑視圖與周圍全白視圖之間的串擾.定義觀察平面上光強的最大值與最小值之比為自由立體顯示系統的對比度.當采用傾斜狹縫光柵時,自由立體顯示系統的對比度為1.63.采用交錯階梯狹縫光柵時,自由立體顯示系統的對比度為1.84.交錯階梯狹縫光柵LED自由立體顯示系統的對比度較傳統傾斜狹縫光柵LED自由立體顯示系統提高約12.9%.

a.交錯階梯狹縫光柵；b.傾斜狹縫光柵.圖6 LED自由立體顯示系統暗視區畫面Fig.6 Images of dark-region LED autostereoscopic display system

圖7 交錯階梯狹縫光柵(staggered step)與傾斜狹縫光柵(slant)對應的光強分布Fig.7 Luminous-intensity distributions for staggered step parallax barrier and slanted parallax barrier

3 結論

本文對狹縫光柵式LED自由立體顯示系統的光柵結構進行了設計.在傳統傾斜狹縫光柵、階梯狹縫光柵的基礎上設計了交錯階梯狹縫光柵,同時比較分析了基于傾斜狹縫光柵、交錯階梯狹縫光柵、階梯狹縫光柵結構的3種LED自由立體顯示系統的莫爾條紋分布和視點圖像間串擾.在莫爾條紋方面,相對于階梯狹縫光柵LED自由立體顯示系統,交錯階梯狹縫光柵LED自由立體顯示系統能夠明顯弱化莫爾條紋.在抑制視點圖像間串擾方面,交錯階梯狹縫光柵LED自由立體顯示系統明顯優于傾斜狹縫光柵LED自由立體顯示系統.交錯階梯狹縫光柵結構兼顧了莫爾條紋弱化和視點圖像間串擾抑制2方面的要求,具有非常強的實用性.

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DesignofstaggeredstepparallaxbarrierforLEDautostereoscopicdisplaysystem

LIWenhua1,2，ZHANGZhiwen1，SUNYabo1，ZHAOXiaohui1，ZHANGLianshui1，DANGWei1

(1.College of Physics Science and Technology，Hebei University，Baoding 071002，China; 2.Department of Information Technology，Baoding University，Baoding 071000，China )

The structure of parallax barrier is the key part of parallax barrier LED autostereoscopic display system.A new staggered step parallax barrier was designed to improve the performance of parallax barrier LED autostereoscopic display system.Simulation results by Tracepro software show staggered step parallax barrier can effectively separate images from different viewpoints，and fit to the setup of parallax barrier LED autostereoscopic display system.Experimental results also verify that staggered step parallax barrier can balance the Moire fringe minimization and suppression of the crosstalk of images from different viewpoints.With respect to Moire fringe，the performance of staggered step parallax barrier is better than that of traditional step parallax barrier.With respect to crosstalk suppression，the performance of staggered step parallax barrier is better than that of slanted parallax barrier.

autostereoscopic display system; staggered step parallax barrier; Moire fringe; crosstalk

10.3969/j.issn.1000-1565.2017.06.004

2017-08-02

河北省高等學校科學技術研究項目(ZD2017102)；河北大學自然科學研究計劃項目(799207217047)；保定市科技支撐計劃項目(17ZG011)

李文華 (1980—),男,河北保定人,河北大學在讀碩士研究生,保定學院實驗師. E-mail:taimangli@126.com

黨偉(1981—),男,河北唐山人,河北大學副教授,博士,主要從事LED自由立體顯示技術研究與應用.

E-mail:dangwei@hbu.edu.cn

TN27

A

1000-1565(2017)06-0577-07

孟素蘭)