指向式背光裸眼3D顯示的時(shí)空同步精準(zhǔn)控制研究

鄭 民，范運(yùn)嘉，李焜陽(yáng)，劉興賓，陳學(xué)浩，鄧冬巖，王嘉輝*，周建英

（1.湛江幼兒師范專科學(xué)校（嶺南師范學(xué)院基礎(chǔ)教育學(xué)院），廣東 湛江 524084；2.中山大學(xué) 物理學(xué)院，廣東 廣州 510275； 3.廣州彌德科技有限公司，廣東 廣州 510275）

的顯示空間，傳播更多的信息，給人強(qiáng)烈的視覺(jué)沖擊和高度的臨場(chǎng)感，滿足人們的觀看需求[1-2]。1833年，英國(guó)的C.WHEATSTONE最早提出了雙眼視差

0 引 言

相比于2D平面顯示，3D顯示可以呈現(xiàn)虛擬所產(chǎn)生的視網(wǎng)膜像的不對(duì)應(yīng)性，通過(guò)神經(jīng)系統(tǒng)綜合后形成立體視覺(jué)的機(jī)制[3]。由于兩眼觀察物體的角度不同，兩眼所攝取的像在大小和形狀方面必然有所差異，這種差異是立體視覺(jué)的基礎(chǔ)[4-5]?；陔p目視差原理，眼鏡式3D顯示和自由立體（即裸眼3D）顯示技術(shù)先后完成了開(kāi)發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。自由立體顯示技術(shù)將光學(xué)元件和顯示屏集成，不需要借助輔助眼鏡即可將兩眼視差圖像對(duì)直接在空間分離，并向?qū)?yīng)眼睛成像，實(shí)現(xiàn)深度視覺(jué)的感知。自由立體顯示技術(shù)有三類，前兩類是分別采用狹縫光柵板和采用柱面透鏡陣列實(shí)現(xiàn)3D顯示的技術(shù)，而第三類指向背光裸眼3D顯示可在2D及3D模式下均保持1 920×1 080分辨率的全高清裸眼3D顯示，亮度處于視覺(jué)舒適水平，對(duì)白色有準(zhǔn)確的還原能力[6]，有望在醫(yī)療等高端場(chǎng)合獲得推廣。

與其他3D顯示一樣，指向背光裸眼3D顯示存在串?dāng)_，即眼睛接受到承載非目標(biāo)視圖光線所導(dǎo)致的視覺(jué)重影。串?dāng)_會(huì)造成視覺(jué)疲勞甚至生理不適，需控制在人眼不易察覺(jué)的程度以內(nèi)。指向背光技術(shù)的串?dāng)_分為兩類：一是空間串?dāng)_，與顯示器光學(xué)結(jié)構(gòu)相關(guān)；二是時(shí)間串?dāng)_，由屏幕刷新過(guò)程中保留了上一幀的部分殘留信息引起[7]。而時(shí)間串?dāng)_是可以通過(guò)屏幕和背光的同步刷新完全消除的。但文獻(xiàn)使用的二維透鏡陣列和二維背光陣列存在一定的工程難度。

1 實(shí)驗(yàn)原理

本文提出一種基于精準(zhǔn)時(shí)分直下背光控制（Time Multiplexing Local Dimming，TMLD）的指向背光裸眼3D顯示技術(shù)。該技術(shù)在使用一維透鏡陣列代替二維透鏡陣列，提高工程化可行性的前提下，將液晶顯示屏（LCD）順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°放置，在精準(zhǔn)時(shí)分直下背光時(shí)序的控制下，進(jìn)一步保證背光陣列工作與LCD刷新同步，有效地消除了時(shí)間串?dāng)_。

1.1 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

TMLD指向背光裸眼3D顯示技術(shù)的光學(xué)成像原理如圖1所示，由LCD、LED直下背光陣列和菲涅爾透鏡陣列及線性擴(kuò)散膜組成。其中，LCD的刷新率為120 Hz，長(zhǎng)邊豎直放置，自左往右刷新。將屏幕和背光陣列均橫向劃分為3個(gè)區(qū)域，分別為屏幕A區(qū)、屏幕B區(qū)、屏幕C區(qū)和背光陣列A、背光陣列B、背光陣列C，其中每個(gè)背光陣列包含兩路背光模塊，為同一個(gè)屏幕區(qū)域提供照明。因有3個(gè)背光區(qū)域，故合計(jì)6路背光模組。在屏幕和背光之間設(shè)置菲涅爾透鏡陣列，將兩組照明液晶屏幕的背光模塊分別成像至雙眼所在區(qū)域，從而形成左、右眼視區(qū)。

時(shí)分多路復(fù)用技術(shù)的具體原理為：當(dāng)屏幕刷新右眼（或左眼）視差圖像時(shí)，待屏幕A區(qū)刷新完成，背光陣列A右眼路模組（或左眼路模組）由熄滅轉(zhuǎn)為打開(kāi)，光源發(fā)出的光線經(jīng)菲涅爾透鏡折射，透過(guò)屏幕后攜帶右眼（或左眼）視差圖像信息，投射到右眼（或左眼）視區(qū)。接下來(lái)，分別在屏幕B區(qū)和C區(qū)完成刷新時(shí)，依次打開(kāi)背光陣列B和C的右眼（或左眼）路模組，并同步關(guān)閉背光陣列A和B的右眼（或左眼）路模組。在視覺(jué)暫留的作用下，觀看者看到完整的右眼（或左眼）視差圖像。時(shí)分多路復(fù)用技術(shù)的光學(xué)系統(tǒng)成像原理如圖1所示。

圖1 時(shí)分多路復(fù)用技術(shù)的光學(xué)系統(tǒng)成像原理

1.2 液晶響應(yīng)特性

在TMLD指向背光裸眼3D顯示技術(shù)中，LCD的每一幀圖像從右至左逐列刷新，刷新頻率為 120 Hz。當(dāng)前幀未刷新的區(qū)域保留前一幀的圖像信息。當(dāng)LCD的某像素列接收到刷新信號(hào)時(shí)，該列晶體管將驅(qū)動(dòng)像素點(diǎn)陣中的液晶分子進(jìn)行翻轉(zhuǎn)。由于電容效應(yīng)，場(chǎng)效應(yīng)管能夠保持電位狀態(tài)，故完成翻轉(zhuǎn)的液晶分子會(huì)保持這種狀態(tài)，直到再次接收到刷新信號(hào)[8]。LCD各列像素接收到刷新信號(hào)的時(shí)間不同，存在掃描延時(shí)時(shí)間τsite，即某列距離第一列接收到刷新信號(hào)的時(shí)間。

同時(shí)，LCD的響應(yīng)存在延時(shí)。為更好地展示液晶響應(yīng)特性，圖2利用LCD交替顯示黑白圖。在外加電場(chǎng)的作用下，液晶分子從初始狀態(tài)發(fā)生偏轉(zhuǎn)所用時(shí)間稱為絕對(duì)下降時(shí)間τdecay。出于消除時(shí)間串?dāng)_的考慮，本文將其定義為L(zhǎng)CD透過(guò)率由90%下降到0%所需的時(shí)間；撤去外加電場(chǎng)后液晶分子翻轉(zhuǎn)回到初始狀態(tài)所用時(shí)間稱為絕對(duì)上升時(shí)間τdelay，本文將其定義為透過(guò)率由0%上升到90%所需的時(shí)間。

如圖2所示，由于存在掃描延時(shí)時(shí)間τsite，某一時(shí)刻下不同像素列的液晶分子翻轉(zhuǎn)狀態(tài)可能會(huì)不相同。一般來(lái)說(shuō)，掃描延時(shí)時(shí)間τsite越大的像素列，液晶分子開(kāi)始翻轉(zhuǎn)的時(shí)間越遲。當(dāng)像素列中的液晶分子開(kāi)始翻轉(zhuǎn)時(shí)，由于液晶響應(yīng)存在延時(shí)，則液晶分子從初始狀態(tài)翻轉(zhuǎn)或翻轉(zhuǎn)回初始狀態(tài)有一定的過(guò)渡時(shí)間。因此，掃描延時(shí)時(shí)間τsite過(guò)大的像素列將會(huì)存在液晶分子未翻轉(zhuǎn)完成的情況。例如，當(dāng)LCD第1列像素的液晶分子翻轉(zhuǎn)完成時(shí)，第n列像素的液晶分子未翻轉(zhuǎn)完成。因此，LCD在一幀時(shí)間內(nèi)將會(huì)難以完成屏幕一側(cè)邊緣圖像信息的顯示，例如，掃描延時(shí)時(shí)間τsite大的屏幕，在屏幕C區(qū)的圖像將會(huì)保留上一幀的部分圖像。在指向背光裸眼3D顯示中，這部分圖像將導(dǎo)致在左（或右）眼視區(qū)能夠看到右（或左）眼視差圖像的部分信息，造成了時(shí) 間串?dāng)_。

圖2 液晶屏幕的響應(yīng)特性

1.3 精準(zhǔn)時(shí)分直下背光

為克服時(shí)間串?dāng)_，本文提出了精準(zhǔn)時(shí)分直下背光技術(shù)，原理如圖3所示。

圖3 精準(zhǔn)時(shí)分直下背光原理圖

定義topen和tclose分別為區(qū)域背光維持時(shí)間和區(qū)域間背光開(kāi)啟間隔時(shí)間，Δτ為屏幕開(kāi)始刷新到背光陣列A開(kāi)啟的間隔時(shí)間。該技術(shù)按下述步驟 工作。

（1）假設(shè)第一幀圖像為左眼視差圖像，當(dāng)t=Δτ時(shí)，背光陣列A只開(kāi)啟左眼路模組，背光陣列B和C關(guān)閉，此時(shí)觀看者左眼可以看到屏幕A區(qū)無(wú)時(shí)間串?dāng)_的左眼視差圖像。在開(kāi)啟背光陣列A的左眼路模組時(shí)長(zhǎng)t=topen后，關(guān)閉該模組背光。

（2）經(jīng)過(guò)t=tclose的時(shí)間間隔后，開(kāi)啟背光陣列B左眼路模組并持續(xù)同樣時(shí)長(zhǎng)t=topen，保持背光陣列A和C關(guān)閉，此時(shí)觀看者左眼可以看到屏幕B區(qū)無(wú)時(shí)間串?dāng)_的左眼視差圖像。

（3）在間隔t=tclose的時(shí)長(zhǎng)后，在topen的時(shí)間內(nèi)開(kāi)啟背光陣列C的左眼路模組，此時(shí)觀看者左眼則看到屏幕C區(qū)無(wú)時(shí)間串?dāng)_的左眼視差圖像。由于屏幕刷新頻率為120 Hz，基于視覺(jué)暫留效應(yīng)，觀看者感知到的是完整的左眼視差圖像，而非具有閃爍感、無(wú)法融合的三區(qū)域左眼圖像。

（4）背光陣列C關(guān)閉的時(shí)刻必須小于Ts+τdecay（即小于液晶刷新周期Ts與絕對(duì)下降時(shí)間τdecay之和），保證開(kāi)啟背光陣列右眼路模組時(shí)，不會(huì)串入左眼視差圖像。下一幀刷新右眼視差圖像時(shí)，使用背光陣列右眼路模組重復(fù)相似時(shí)序的工作，使觀看者在視覺(jué)暫留作用下，觀看到無(wú)時(shí)間串?dāng)_的右眼視差圖像。

綜上，液晶刷新周期Ts、背光開(kāi)啟延時(shí)時(shí)間Δτ、絕對(duì)下降時(shí)間τdecay、區(qū)域背光開(kāi)啟時(shí)長(zhǎng)topen以及區(qū)域間背光開(kāi)啟間隔時(shí)長(zhǎng)tclose的關(guān)系如式（1） 所示：

2 系統(tǒng)搭建

TMLD指向背光裸眼3D顯示系統(tǒng)采用FPGA芯片作為控制模塊進(jìn)行硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主要負(fù)責(zé)獲取屏幕刷新信號(hào)，實(shí)時(shí)、同步地刷新背光陣列。結(jié)合光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，整個(gè)系統(tǒng)的搭建如圖4所示。

圖4 TMLD指向背光裸眼3D顯示系統(tǒng)

TMLD指向背光裸眼3D顯示系統(tǒng)配置如表1所示。每個(gè)背光單元中包括68列LED，可形成連續(xù)、均勻的視區(qū)，實(shí)現(xiàn)效果良好的人眼跟蹤。

表1 系統(tǒng)配置參數(shù)表

系統(tǒng)使用陣列式背光結(jié)構(gòu)，為匹配LCD的刷新，各背光模組需要能夠被單獨(dú)尋址和精準(zhǔn)控制工作時(shí)序。背光陣列的尋址和時(shí)序控制由Altera公司的EP4CE75F23C8N型FPGA芯片配合通信、放大輸出等外圍功能電路實(shí)現(xiàn)，控制模塊實(shí)物如圖5 所示。

圖5 控制模塊實(shí)物圖

由于背光陣列的工作時(shí)序需要與屏幕刷新的時(shí)序同步，以避免左右眼視差圖像錯(cuò)送到逆視區(qū)，因此使用DVI解碼模塊來(lái)獲取屏幕刷新的同步信息。把顯卡輸出的DVI信息通過(guò)DVI接口接入到TFP403解碼電路中，在指定引腳獲得指示每一幀圖像刷新開(kāi)始時(shí)刻的場(chǎng)同步信號(hào)和指示每一行像素刷新開(kāi)始時(shí)刻的行同步信號(hào)。獲取上述兩種同步信號(hào)后，各路背光模組在特定的延時(shí)便可得出左右眼精準(zhǔn)時(shí)分直下背光的工作窗口。

3 結(jié)果與分析

3.1 液晶時(shí)間響應(yīng)特性測(cè)量

實(shí)驗(yàn)中，保持TMLD指向背光裸眼3D顯示系統(tǒng)的背光常亮，以120 Hz的刷新率交替在屏幕顯示黑白圖像，使用OPT101光電傳感器測(cè)試屏幕亮度隨時(shí)間的變化規(guī)律，即液晶響應(yīng)特性。結(jié)果如圖6所示。

圖6 LCD液晶響應(yīng)特性

定義LCD透過(guò)的光強(qiáng)最大時(shí)對(duì)應(yīng)的透過(guò)率為100%，LCD穿透光強(qiáng)最小時(shí)的透過(guò)率為0%。透過(guò)率的計(jì)算公式為：

式中：U為某時(shí)刻的光電傳感器輸出電壓，U0為透過(guò)率為100%時(shí)的光電傳感器輸出電壓。

在液晶響應(yīng)特性曲線中，透過(guò)率從0%上升到100%的時(shí)間是液晶刷新周期Ts，透過(guò)率從90%下降到0%的時(shí)間則是絕對(duì)下降時(shí)間τdecay。在圖6中，液晶刷新周期Ts=8.26 ms，絕對(duì)下降時(shí)間τdecay= 1.95 ms。

同樣，在背光常亮及LCD刷新黑白圖時(shí)，使用光電傳感器在屏幕上A區(qū)右邊沿、A區(qū)左邊沿（即B區(qū)右邊沿）、B區(qū)左邊沿（即C區(qū)右邊沿）、C區(qū)左邊沿等4個(gè)位置同時(shí)測(cè)試液晶響應(yīng)特性，結(jié)果如圖7所示。

圖7 屏幕A、B、C各區(qū)邊沿的液晶響應(yīng)特性

在屏幕A區(qū)開(kāi)始刷新ΔτA的時(shí)間后，即t=ΔτA=ΔτA時(shí)，A區(qū)的背光開(kāi)啟。在屏幕B區(qū)開(kāi)始刷新ΔτB的時(shí)間后，即t=τB時(shí)，B區(qū)背光開(kāi)啟。在屏幕C區(qū)開(kāi)始刷新ΔτC的時(shí)間后，即t=τC時(shí)，C區(qū)背光開(kāi)啟。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得，當(dāng)ΔτN(N=A,B,C)=τdelay時(shí)，屏幕各區(qū)域內(nèi)透過(guò)率達(dá)到70%到90%，此時(shí)屏幕各區(qū)顯示效果較好。根據(jù)背光開(kāi)啟時(shí)刻可確定各區(qū)背光開(kāi)啟時(shí)間及區(qū)域之間背光間隔時(shí)間。A、B、C區(qū)的液晶響應(yīng)特性參數(shù)和TMLD時(shí)序參數(shù)如表2所示。

表2 A、B、C區(qū)的液晶響應(yīng)特性參數(shù)與TMLD時(shí)序參數(shù)

3.2 背光時(shí)序設(shè)計(jì)

由LCD液晶響應(yīng)測(cè)量結(jié)果可知，液晶刷新周期Ts=8.26 ms，絕對(duì)下降時(shí)間τdecay=1.95 ms，在屏幕A區(qū)，使背光開(kāi)啟延時(shí)時(shí)間ΔτA=τdelay=4.70 ms，背光開(kāi)啟時(shí)長(zhǎng)topen=1.50 ms，背光間隔時(shí)長(zhǎng)tclose=0.50 ms，其中Ts+τdecay=10.21 ms，ΔτA+3topen+2tclose=10.20 m，滿足式（1）所述關(guān)系。

精準(zhǔn)時(shí)分直下背光時(shí)序圖如圖8所示。該時(shí)序下測(cè)試屏幕亮度時(shí)可用式（3）計(jì)算串?dāng)_率：

圖8 精準(zhǔn)時(shí)分直下背光時(shí)序圖

3.3 實(shí)際顯示效果

未使用TMLD的指向背光裸眼3D顯示系統(tǒng)的串?dāng)_為4.68%，而使用TMLD的指向背光裸眼3D顯示系統(tǒng)串?dāng)_率低至3.38%，明顯優(yōu)于5%的視覺(jué)安全閾值[9]，在人眼較為舒適的范圍?？梢?jiàn)使用TMLD后串?dāng)_減少了27.8%。由于顯示系統(tǒng)的光學(xué)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)化效果有限以及單個(gè)元件難以完全精確組裝，因此系統(tǒng)仍會(huì)存在空間串?dāng)_?？臻g串?dāng)_也是TMLD顯示系統(tǒng)的唯一串?dāng)_來(lái)源。

系統(tǒng)實(shí)際顯示效果如圖9所示，實(shí)驗(yàn)中屏幕顯示的左、右眼圖像分別使用全白畫面和字符陣列圖案，并使用快門速度為1/60秒的索尼FDR-AX700攝像機(jī)模擬人眼，在800 mm的最佳觀看距離下，記錄在左或右眼視區(qū)內(nèi)觀看的實(shí)況。從圖10（b）可見(jiàn)，在未使用TMLD情況下，左視區(qū)除能看到左眼對(duì)應(yīng)的全白畫面外，還可以看見(jiàn)自右眼圖像漏入的字符陣列圖案，尤以屏幕C區(qū)為甚，代表存在較為嚴(yán)重的串?dāng)_；而在使用TMLD后，如圖9（c）所示，漏入的字符陣列圖案明顯減弱。究其原因，是使用了TMLD后背光時(shí)序與屏幕刷新同步，有效地消除了時(shí)間串?dāng)_，使得系統(tǒng)的總體串?dāng)_有所降低，尤其是屏幕C區(qū)的串?dāng)_率得到明顯優(yōu)化。

圖9 系統(tǒng)實(shí)際顯示效果

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)指向式背光裸眼3D顯示存在的時(shí)間串?dāng)_問(wèn)題，本文提出了TMLD指向背光裸眼3D顯示技術(shù)，通過(guò)將屏幕長(zhǎng)邊豎直放置以及配合精準(zhǔn)時(shí)分直下背光時(shí)序，實(shí)現(xiàn)了LCD刷新與背光亮滅的同步，消除了時(shí)間串?dāng)_，時(shí)空混合控制的方式使顯示系統(tǒng)保留了全分辨率和高亮度的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)液晶響應(yīng)特性進(jìn)行研究，得出最優(yōu)化的區(qū)域背光開(kāi)燈時(shí)序。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在未使用TMLD情況下系統(tǒng)的串?dāng)_為4.68%，使用TMLD后系統(tǒng)的串?dāng)_率降低至3.38%，串?dāng)_率明顯下降。實(shí)際顯示效果中，在未使用TMLD情況下，左視區(qū)能觀察到左眼和右眼圖像存在混疊，尤以屏幕C區(qū)為甚，代表存在較為嚴(yán)重的串?dāng)_；而在使用TMLD后，左眼視區(qū)中存在漏入右眼圖像的情況明顯減弱。究其原因是使用了TMLD后背光時(shí)序與屏幕刷新同步，有效地消除了時(shí)間串?dāng)_，使得系統(tǒng)的總體串?dāng)_有所降低，尤其是屏幕C區(qū)的串?dāng)_率較其他區(qū)域的降幅更大。立足屏幕方式和串?dāng)_率低的優(yōu)勢(shì)，TMLD指向背光裸眼3D顯示系統(tǒng)適用于視力篩查、廣告展示等場(chǎng)景。