可切換光柵式裸眼3D電視系統的設計

徐遙令，侯志龍，吳　偉，張曼華

(深圳創維-RGB電子有限公司研發總部，廣東 深圳 518108)

?

可切換光柵式裸眼3D電視系統的設計

徐遙令，侯志龍，吳偉，張曼華

(深圳創維-RGB電子有限公司研發總部，廣東 深圳 518108)

摘要:提出一種可切換光柵式裸眼3D電視系統的設計，詳細闡述了系統的原理、硬件及關鍵技術的實現。系統通過TV模塊將電視信號處理成1 080p@120 Hz的圖像信號，由裸眼3D模塊生成多個視點圖像并交織為3 840×2 160@30 Hz的合成圖像，經過幀頻轉換后驅動裸眼3D屏幕實現高清晰度裸眼3D顯示，以及采用獨立的Barrier panel來形成可切換屏障光柵，能夠兼容超高清晰度2D顯示。

關鍵詞:可切換光柵；裸眼3D；電視系統；高清晰度

裸眼3D顯示不需要佩戴眼鏡，能夠極大提升3D觀看的視覺享受和娛樂體驗，符合3D電視市場發展的需求。裸眼3D顯示分為視差屏障式、柱狀透鏡式和全息式等[1]，目前主要應用于教育、廣告、娛樂等商業領域[2-3]，尚未進入家用領域。目前普遍認為裸眼3D顯示還存在一些技術障礙待突破，例如清晰度較低和3D效果不強烈、3D內容缺乏等；但是隨著超高清顯示、大屏等技術的廣泛應用，以及虛擬視點合成、集成成像等技術的發展成熟，將使得裸眼3D顯示的清晰度和效果等大幅提升、獲取3D內容的途徑更加豐富，勢必進一步促進裸眼3D顯示的快速發展。

該文提出一種可切換光柵式裸眼3D電視系統的設計,通過TV模塊將電視信號處理成1 080p@120 Hz的圖像信號，由裸眼3D模塊進行視點轉換和生成、及合成3 840×2 160@30 Hz的多視點圖像，經過幀頻轉換后驅動裸眼3D屏幕實現高清晰度裸眼3D顯示；以及采用獨立的Barrier panel來形成可切換屏障光柵，實現高清晰度裸眼3D顯示、兼容超高清晰度2D顯示。

1系統原理

系統由TV模塊、裸眼3D處理模塊、FRC模塊、可切換光柵式裸眼3D屏4部分組成；TV模塊對輸入的3D或2D電視信號處理后、輸出固定格式的圖像信號給裸眼3D處理模塊進行視點生成與合成等處理，FRC模塊進行幀頻轉換，并由TV模塊控制裸眼3D屏光柵的切換，實現裸眼3D或2D顯示。系統結構圖如圖1所示。

圖1　可切換光柵式裸眼電視系統的結構框圖

TV模塊：對輸入的2D或3D電視信號進行降噪、色彩空間轉換、解碼、縮放等處理，以及進行2D和3D信號識別及格式轉換后，通過LVDS(低壓差分信號)傳輸線向裸眼3D處理模塊輸出1 920×1 080@120 Hz左右視點幀序列的3D圖像信號、及3 840×2 160@30 Hz的2D圖像信號。

裸眼3D處理模塊：通過估算2D或3D圖像信號的深度信息并生成深度圖后，由單視點或雙視點生成多個虛擬視點位置的視點圖像；然后對多個視點圖像進行交織、通過LVDS傳輸線輸出包含多個視點圖像的3 840×2 160@30 Hz的合成圖像，合成圖像與裸眼3D屏物理像素相對應。系統進行2D顯示時，將直通2D圖像信號。

FRC模塊：接收3 840×2 160@30 Hz的多視點合成圖像或2D圖像信號，進行四倍幀頻轉換，通過V-By-One傳輸線向可切換光柵式裸眼3D屏輸出3 840×2 160@120 Hz的圖像信號。

可切換光柵式裸眼3D屏：如圖2所示，由Base panel和Barrier panel組成。Base panel和屏驅動構成液晶電視屏幕，物理像素為3 840×2 160、刷新頻率為120 Hz；可切換光柵由Barrier panel形成。3D顯示時，3D控制信號使得光柵控制部分輸出60 Hz、±8 V的方波信號，驅動Barrier panel打開形成光柵、折射Base panel發出的光線進入人的左右眼呈現3D影像；2D顯示時光柵控制部分輸出0 V信號，Barrier panel關閉，對Base panel發出的光沒有影響，呈現2D影像。

圖2　可切換光柵式裸眼3D屏示意圖

該系統可進行光柵切換來實現裸眼3D顯示或2D顯示；在3D顯示時可呈現出高清晰度3D圖像效果(分辨率達720p以上)，在2D顯示時可呈現出超高清晰度2D圖像效果(分辨率達3 840×2 160)。

2硬件實現

系統硬件實現框圖如圖3所示，包括TV SoC板、裸眼3D板、FRC板、以及4K×2K裸眼3D屏。

圖3　可切換光柵式裸眼電視的硬件框圖

TV SoC板基于高集成度TV SoC單芯片MT5327:能夠解碼3D電視信號、支持3 840×2 160@30 Hz信號輸入和輸出，支持HDMI1.4a、USB3.0、CVBS視頻信號、網絡信號輸入。TV SoC板對輸入信號進行解碼等圖像處理后、通過4組LVDS傳輸線將圖像信號送至裸眼3D板，LVDS時鐘頻率為74.25 MHz、每秒可傳遞約3×109個像素數據，滿足1 920×1 080@120 Hz或3 840×2 160@30 Hz信號傳遞要求。

裸眼3D板采用FPGA芯片來進行設計，通過軟件來實現包括2D 轉多視點、3D 轉多視點、視點合成等功能，支持1 080p@120 Hz幀序列3D信號和4K×2K@30 Hz 2D信號輸入，以及通過4組LVDS傳輸線傳遞4K×2K@30 Hz的多視點合成圖像信號或2D圖像信號給后端FRC板。

FRC板基于PA168芯片：單顆PA168具有4組LVDS輸入接口、支持4K×2K@30 Hz信號輸入，能夠進行二倍幀頻轉換；采用兩顆PA168,則將4K×2K@30 Hz輸入信號四倍頻為4K×2K@120 Hz信號輸出。FRC板進行幀頻轉換后，通過16 lanes(或16對) V-by-One傳輸線輸出4K×2K@120 Hz信號；每一對V-by-One傳輸線速率為74.25 Mpixel/s，16對每秒可傳遞約12×108個像素，滿足4K×2K@120 Hz信號傳遞要求。

裸眼3D屏采用京東方的HV550QUD：此屏為55 in(1 in=2.54 cm)4K×2K@120 Hz可切換光柵式的裸眼3D屏。

TV SoC板、裸眼3D板和FRC板間通過I2C總線進行通信，裸眼3D屏光柵的開關狀態由TV SoC板輸出3D控制信號進行控制；以及TV SoC板能夠輸出音頻信號給聲音處理部分。

3關鍵技術

1)視點轉換及合成技術

為讓觀看者在有效視區內不同角度看到3D影像，需要有多個視點圖像；而目前絕大部分信號內容為單視點或雙視點，視點轉換非常必要。同時多個視點圖像必須傳送至裸眼3D屏對應的物理視點區域，才能正確呈現3D影像，視點合成非常重要。

系統的單視點轉多視點及視點合成技術框圖如圖4所示，包括深度深成和視點合成兩部分。首先通過對2D圖像色彩、紋理、光影、幀間運動視差等信息進行處理，估算出每個像素點的深度信息；并將像素點的深度信號轉換成深度值，按照深度值來繪制出連續平滑的深度圖。然后設定不同的虛擬視角位置、以2D圖像為參考，根據深度圖來生成出虛擬視角位置的視點深度信息，并按照視點深度信號進行渲染(插值、著色等處理)后繪制出虛擬視角位置的視點圖像。最后對繪制出的多個(N個)視點圖像進行存儲、排序，按照裸眼3D屏的物理視點像素排列情況，對N個視點圖像進行交織處理，合成一副包含N個視點圖像信息的合成圖像。

圖4　單視點轉多視點及視點合成技術框圖

在視點轉換及合成技術方面，雙視點與單視點的主要區別在于深度估算：雙視點主要過雙視點左右圖像中存在的像素點視差來估算像素點深度值，深度估算難度較小、且精度較好。

2)3D格式轉換技術

目前3D信源的信號格式主要包括：SbS格式的720p@24/50/60 Hz、1 080p@24/30/50/60 Hz、1 080i@50/60 Hz，TaB格式的720p@24/50/60 Hz、1 080p@24/30/50/60 Hz，Frame-packing 1 080p@24 Hz等。為了提高系統穩定性、系統資源利用效率以及易于商業應用，需要將各種3D信號格式轉換為同一格式。

系統的3D格式轉換技術框圖如圖5所示。TV SoC模塊對輸入的各種格式3D信號進行縮放、插行、幀頻轉換后，將其轉換成1 080p 120 Hz的左右幀序列3D格式輸出。

圖5　3D格式轉換技術框圖

3)2D/3D兼容顯示技術

2D、3D內容兼容顯示是裸眼3D產品規模化商業應用的必備要求。采用固定物理光柵膜的屏障光柵或柱狀透鏡光柵裸眼3D電視，需要通過復雜的算法生成特定2D圖像才能進行正常2D顯示，且2D顯示的清晰度會顯著降低。

系統采用Barrier panel來形成活動光柵，在2D顯示時控制Barrier panel關閉則呈現2D影像，且清晰度不降低、可達超高清(3 840×2 160分辨率)顯示效果；在3D顯示時控制Barrier panel打開形成屏障光柵則3D影像，清晰度可達高清(720p分辨率以上)顯示效果。

4應用情況

采用該系統的可切換光柵式裸眼3D電視產品經測試：2D/3D信號播放流暢、兼容2D/3D顯示，視點數大于15個、可視角度范圍大于120°，2D顯示清晰度達到3 840×2 160分辨率、3D時清晰度可達1 080p分辨率；2D顯示時基本與Base panel的亮度相同，但3D顯示時由于Barrier panel打開對亮度損失較大、亮度偏低，需要增加成本提升Base panel的亮度來提高3D顯示的亮度。

5小結

本文提出一種可切換光柵式裸眼3D電視系統的設計，詳細闡述了系統原理、硬件及主要關鍵技術實現。系統可兼容2D/3D顯示，具有良好顯示效果，能夠快速進行規模化商業應用，具有廣泛的應用價值。

參考文獻:

[1]張興，鄭成武，李寧.液晶材料與3D顯示[J].液晶與顯示，2012，27(4)：448-455.

[2]李應樵. 裸眼3D電視的優勢與未來發展 [J]. 電視技術，2014，38(22)：75-77.

[3]姜艷玲，鄧彩紅，孫站英.裸眼3D視頻的教育應用研究[J].電視技術，2015，39(13)：118-121.

徐遙令，碩士，主要從事電視的研究和開發工作；

侯志龍，高級工程師，主要從事電視的研究和開發工作；

吳偉，教授級高工，創維總工程師，主持過多項國家科技支撐計劃、核高基重大專項、“863”項目等多個項目；

張曼華，學士，主要從事電視標準化和項目管理工作。

責任編輯：許盈

Design for glasses-free 3D TV system based-on switchable barrier

XU Yaoling，HOU Zhilong, WU Wei, ZHANG Manhua

(ShenzhenChuangwei-RGBElectronicsCo.,Ltd.R&DHeadquarters,GuangdongShenzhen518108,China)

Abstract:The article describes a design for glasses-free 3D TV system based-on switchable barrier. The principle, hardware and key technologies of the system are highlighted. The system can process TV signals into 1 080p@120 Hz image through TV module, and then, generate many viewpoint images and weave them into a 3 840×2 160@30 Hz synthesis image by naked-eye 3D module, finally, increase the frame rate of synthesis image and drive the naked-eye 3D screen to present high-definition 3D display. And, the use of independent barrier panel to form a switching barrier makes the ultra-high resolution 2D display become also possible.

Key words:switchable barrier；glasses-free 3D；TV system；high-definition

中圖分類號：TN948

文獻標志碼:A

DOI：10.16280/j.videoe.2016.05.001

基金項目：國家“863計劃”項目(2015AA015905)

作者簡介：

收稿日期：2016-03-09

文獻引用格式：徐遙令，侯志龍，吳偉，等. 可切換光柵式裸眼3D電視系統的設計 [J].電視技術，2016，40(5)：1-3.

XU Y L，HOU Z L，WU W,et al. Design for glasses-free 3D TV system based-on switchable barrier [J].Video engineering，2016，40(5)：1-3.