基于雙面光柵的LED三維立體顯示系統的研制

楊 倩，林志賢，杜世遠，郭太良

(福州大學物理與信息工程學院，福建 福州 350002)

責任編輯:許 盈

由于LED顯示屏具有亮度高、可視性好、壽命長、環保節能、響應速度快等優點，LED顯示屏在戶外大型顯示、街道廣告、公告板等需要大尺寸、高亮度的場合備受青睞［1］，LED顯示屏在教育科研、娛樂以及廣告宣傳等領域有著其他顯示技術無法取代的重要地位。同時，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)顯示技術應用到LED顯示上已成為LED顯示的熱點和方向［2］。

現有的LED三維立體顯示器主要依賴一些助視設備，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，這樣不僅會對觀看者造成不便，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備就可以實現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顯示結構簡單，性能好，造價低，用戶可以按照實際需要隨意設計擋光區和透光區的寬度，制作出各種規格的光柵，尤其是可利用拼接技術實現特大尺寸的3D LED 顯示［4］。

由于LED顯示屏上各個LED顯示單元之間上下左右存在傾斜、歪曲，表面凹凸不平等現象，傳統的狹縫光柵很難精確對齊，同時會導致3D串擾很大。因此，本文提出了一種新型的雙面光柵，通過雙面光柵對像素點的矯正，顯著減小了3D串擾，提高了3D視覺效果。

1 LED三維立體顯示光柵的設計

1.1 狹縫光柵基本結構與工作原理

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。由于光柵擋光條對光的遮擋作用和光柵透光條對光的透過作用，再結合LED顯示屏上與之對應排列的左右視差圖像，實現了左右視差圖像光線的分離［5］。當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，觀看者的左眼通過狹縫只能看到左視差圖像，右眼通過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，實現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，兩視點的間距必須等于瞳孔間距［7］，一般認為是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 雙面光柵的設計

在LED顯示屏中，多個發光二極管排成陣列形成一個顯示平面，或多個LED顯示單元拼接形成大面積的顯示平面，導致顯示屏中各個LED之間或者各個LED顯示單元之間上下、左右、前后很難精確對齊，即上下左右出現傾斜、歪曲，表面出現凹凸不平等現象，影響用于分光的光柵的制作和對齊，妨礙了自由立體顯示技術在LED顯示屏上的應用。

為了克服各個LED之間或者各個LED顯示單元之間上下、左右、前后很難精確對齊的缺點，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LED子像素的發光中心點在水平和垂直方向保持一致，前光柵是靠近觀看者的光柵，即傳統的狹縫光柵，用于立體分光。雙面光柵的結構如圖2所示。

圖2 雙面光柵結構示意圖

后光柵和前光柵直接加工在一透明基板上的兩側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)或聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)。在后光柵中，每個透光區域的中心點與所述LED顯示屏上的每個LED子像素的中心點一一對應，且透光區域小于LED子像素發光面積，相鄰微孔中的透光區的中心距離等于LED顯示屏中相鄰LED子像素的中心距離。后光柵有效地規范了LED點之間的像素間距，使得LED點間距為后光柵相鄰透光圓孔之間的點間距，避免了由于LED顯示屏上像素點間距的誤差造成的立體顯示時的串擾。前光柵的設計則類似傳統狹縫光柵的設計，狹縫光柵的周期可以由式(2)得出，其中LED屏的像素間距PD為后光柵相鄰透光圓孔之間的點間距。

實驗中，采用48×32的LED顯示屏，LED像素點間距為2.54 mm，LED 像素發光點直徑為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，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分別是通過傳統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LED之間或者各個LED顯示單元之間上下、左右、前后很難精確對齊，左右視差圖像形成嚴重串擾，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LED屏像素點的校正，雖然亮度有所減小，但是串擾也明顯減少，提高了3D視覺效果。

圖3 通過狹縫光柵看到的左右視差圖像

圖4 通過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該選擇在一定的范圍內，實驗采用像素間距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LED屏像素點校正能力下降，顯示效果類似傳統狹縫光柵;若后光柵圓孔直徑太小，雖然左右視差圖像的串擾減少到最小，但是會導致LED屏亮度顯著下降，同樣不利于3D效果的實現。因此圓孔直徑的長度以像素直徑的約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立體顯示系統實現

在完成雙面光柵設計的基礎上，還設計了基于雙面光柵的LED三維立體顯示系統。整個系統由ARM視頻源模塊、3D像素預處理模塊和FPGA顯示控制模塊3部分組成，如圖6所示?？紤]到視頻系統數據量大、要求控制速度快、數據處理復雜等特點［10］，系統的主控部分采用ARM+FPGA的硬件構架，并使用ARM系統代替傳統LED視頻系統中的PC機作為視頻源。

圖6 LED三維立體顯示系統實現框圖

嵌入式系統為整個視頻LED顯示系統提供一個穩定可靠的視頻源，以Linux作為操作系統，從而實現操作界面、視頻播放和通信接口，3D視頻源則存儲在系統中的SD存儲卡中，同時，此模塊為后級提供了視頻顯示的數據以及 HSYNC(行同步)、VSYNC(幀同步)、VDE(數據使能)和VCLK(時鐘)等必要的控制信號［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視頻源中單獨的左右視差圖像后將其像素進行重組，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立體圖像對中的左右視差圖像。

驅動電路模塊作為整個系統的核心，采用FPGA負責對顯示數據進一步地轉換、處理［12］，產生符合LED三維立體顯示系統顯示屏灰度級顯示的數據，送入驅動電路。

本設計采用Samsung S3C2440開發板作為3D視頻源，ALTERA公司的EP1C6Q240C8實現3D像素預處理、視頻數據的存儲和灰度數據的處理，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為設計完成的雙面光柵型LED三維立體顯示系統，顯示屏播放具有兩視點的3D視頻，系統最終可以實現較好的3D顯示效果。

圖7 雙面光柵型LED三維立體顯示系統

3 結論

本文針對LED顯示屏上各個LED之間或者各個LED顯示單元之間上下左右出現傾斜、歪曲，表面出現凹凸不平整等現象，導致傳統的光柵很難精確對齊、3D串擾很大的問題，提出了一種新型的雙面光柵，通過雙面光柵后光柵對像素點的矯正，使得雙面光柵前光柵能夠精確對齊LED上的像素點，顯著減小了3D串擾，提高了3D視覺效果。同時，還設計了LED三維立體顯示的系統實現方案，整個系統包括ARM視頻源模塊、3D像素預處理模塊和FPGA顯示控制模塊，通過在LED屏前放置雙面光柵，系統最終可以實現較好的3D顯示效果。

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