基于雙層屏幕的防窺可切換顯示技術

陳寅偉，閆桂新，楚明磊，禹 璐，桑 建

(北京京東方顯示技術有限公司，北京 100176)

1 引 言

隨著移動顯示設備的發展，如智能手機，筆記本電腦，平板電腦等，人們在公共場所使用顯示設備更加頻繁，從而導致個人信息泄露的風險越來越大。如何實現普通顯示模式同時具有防窺顯示切換功能的顯示解決方案成為一個顯示應用需求的研究方向[1-2]。

目前普遍采用的防窺膜片方案，因為其光學結構的限制會造成屏幕透光率損失，通常情況下亮度會下降將近50%，為達到正常顯示的亮度，則需要加大屏幕背光功耗。而由于移動顯示設備對運行功耗都會有嚴格的要求，難以為實現防窺而犧牲使用時間，同時由于防窺膜片的不可切換性，也會造成很多應用場景使用不方便，因此防窺膜片無法在移動顯示設備大規模推廣使用。Aguinaga[3]等人利用智能手機傳感器和矩陣條形碼技術對敏感信息進行安全編碼，在應急響應時可以啟動緊急掃描方案，提供信息的同時也保護了個人隱私。Robinson[4]利用光學堆棧理論，使用方向背光控制屏幕的亮度和對比度，通過延遲堆棧和液晶像素偏置電壓達到隱私顯示的效果，但是只有一小塊區域呈現白色模糊效果，并不能從整體上達到防窺效果。realD[5]公司提出一種利用IBT背光加ECB模式液晶分布方式進行防窺的技術方案，實現了一定程度的視角遮蔽效果。根據各種文獻中現有人們提出的可切換方案多是采用增加一層可控結構功能層，對大視角出射的光線進行干擾，達到降低該方向亮度，對比度，清晰度等顯示性能的方法來實現[6-7]。從防窺性能對比看出，雖然亮度是一個容易控制的光學量，但是若要實現良好防窺效果，對亮度控制的要求很高，實現難度較大。而通過造成圖像信息混亂實現防窺顯示不失為一種可行方案。

本文中采用雙層液晶屏幕顯示模組結合像素灰階調整算法達成防窺顯示目的，同時具有防窺及共享顯示模式可切換功能且共享顯示下無明顯亮度損失，具有良好的市場應用性。

2 光場疊加理論模型分析

本論文中的雙層屏幕防窺方案采用光場分布原理建立理論分析模型，分析雙層光空間調制器件對由面光源發出的空間光線進行疊加調制的作用。光場原理最早由Gershun[8]在1936年提出，用于描述光在三維空間中的輻射傳輸特性。同時國內也有開發人員采用光場分析圖像空間分布的問題[9]。本文根據上述理論得出雙層屏幕的空間光場強度分布以及防窺視角范圍等器件性能參數。

2.1 光場參數化

在光場理論中可采用雙平面法[10]來對光場分布信息進行參數化，即設定光場表示為E(u，v，s，t)，其中g(u，v)，h(s，t)分別表示光線在兩個平面上的交點坐標，即一條有方向的光線可以被表示為連接uv及st平面上任意兩個點確定的線，如圖1所示。

圖1 光場信息參數化Fig.1 Ligting field information parameterization

假設F代表顯示屏幕到人眼的距離，則人眼所在位置(x，y)處的光照度來自于整個空間光線在(x，y)處的積分，為

(1)

其中：θ為光線L(u，v，s，t)與(u，v)面法線的夾角[11]。

通過給出任一光線的參數表示，則可以計算出空間光場分布的情況，由于雙層屏幕各個像素點對光線的調制作用，可設計得到不同的光場信息空間疊加情況，從而達到特定的亮度和色度分布效果。

2.2 雙屏幕光場疊加模型

本論文中雙層屏幕光場分布模型，即可認為雙層屏幕的雙圖像內容在實際空間中實現調制，為達成防窺顯示效果，定義防窺視角為以法線為中心，±30°以內角度為正常顯示，±30°以外角度范圍為圖像防窺顯示。

正常顯示圖像表示為：

E(x’，y’)=g(u，v)*h(s，t).

(2)

不同視角下圖像表示為：

E’(x’，y’)=g(u，v)*h(s+m，t)，

(3)

其中:g(u，v)為Panel1上某像素的亮度，h(s，t)為Panel2上某像素的亮度，m為相差θ視角所對應的像素值。同時根據LCD屏幕像素灰階特性，在進行函數附值時，g(u,v)、h(x，y)的取值均滿足2n整數階，通常n=8或者10；并定義圖像差異判定函數SSIM[12]，用于評價防窺視角下屏幕顯示內容的差別，其數值越小，說明該視角的防窺效果越好。

SSIM=F(E(x’，y’)，E’(x’，y’))，

(4)

其具體算法如圖2所示，通過上述判定函數的計算結果量化得到不同視角觀看圖像和正視圖像的差別，作為防窺效果評價方式。

圖2 SSIM圖像差異計算流程圖Fig.2 Flow chart of SSIM calculation processing

本文中所采用的雙層屏幕顯示單元分別為RGB子像素和灰階像素，因此觀看者從不同視角除了感受到像素灰階值差異，還會感受到像素色彩差異，本文中僅討論亮度疊加造成的防窺效果。

3 雙圖像生成算法研究

3.1 雙圖像防窺目標設定

我們假設上層屏幕圖像為Ifore(x,y)，下層屏幕圖像為Ibear(x,y)。正面觀看屏幕時看到的圖像為Ifront(x,y)，側面看到的圖像為Iside(x,y)。我們的目的是盡量擴大Iside(x,y)和Ifront(x,y)的差別以達到防窺效果。本文采用的一種生成防窺目標圖像的方法為Hilbert置亂，所采用的原始圖像和防窺目標圖像如圖3所示。

圖3 測試圖像及防窺目標圖像Fig.3 Test image and privacy image

3.2 圖像分解算法

根據雙層屏幕的所滿足的光場疊加性，得到如下像素賦值計算公式：

(5)

(6)

同時為了解決小數問題，我們將算法1中的計算數域限制在整數域內。為了實現原始圖像在整數域的分解，需要將原始圖像的像素值稍微做一下處理。設置一個臨界值α，大于α的像素值均需要映射到最近的合數。并且合數的分解因子也不能大于α。對于原始圖像而言，像素值的范圍是[0,255]，因此可構造出這個范圍內的合數集合，

S={s1,s2,...,sN},N<255，s<α，

(7)

構造合數映射函數，對于I(x,y)上的任一元素p(i,j)，都有一合數與之對應，表示為

(8)

進一步可得到整幅圖像的合數映射圖像

I′(x,y)=F(I(x,y))，

(9)

上述算法中計算前后屏圖像的方式并不能保證每次都會得到整數結果。在迭代計算過程中每對前后屏圖像上的像素值都會計算兩次，相鄰像素需要同時滿足公式(5)、(6)所代表的原圖像和防窺目標圖像，這是不可能得到結果的。因此，在正視和側視兩種情況下，既要滿足正視的原始圖像，又要滿足側視的防窺圖像，在理論上是很困難的。

3.3 圖像仿真結果

根據上述算法對本文中雙層屏幕防窺效果進行仿真驗證。根據不同圖像拆分算法，可得到多種雙屏圖像組合及其疊加結果。為了判別最終的防窺效果，計算圖像質量評價SSIM(結構相似性)，得到側視圖與原始圖像的相似度的量化值。在算法中通過改變計算參量R值，得到不同SSIM值及圖像效果，如圖4所示。為平衡側視防窺效果和原圖像內容的完整，可選出最佳的R值。

圖4 改進算法分解結果對比Fig.4 Comparison of image chaosed by decomposition algorithm setting

4 硬件架構

4.1 器件結構堆疊

雙層屏幕模組堆疊結構如圖5所示。采用光擴散層結構是為了解決因上下層顯示屏幕像素周期相似而可能產生的摩爾紋問題。

1.上偏光片，2.RGB像素顯示Cell1，3.光擴散層(帶膠)，4中層偏光片，5.單色灰階顯示Cell2，6.下偏光片，7.高亮度背光模塊以及8.驅動IC組成。圖5 Dual cell模組結構堆疊Fig.5 Stack structure of dual cell module

4.2 驅動電路設計

本方案通過驅動電路生成不同的顯示信號來實現防窺和共享模式的切換。具體工作流程如圖6所示。當工作在防窺模式時，信號轉換板上的FPGA芯片按照防窺圖像生成算法產生幀同步雙屏信號。由SOC輸出2K 60 Hz信號傳輸至信號處理模塊，由圖像拆分算法計算得出display cell和mono cell的顯示信號并儲存至寄存器中，再由時序電路將上述兩者信號進行同步傳輸至tcon 1和tcon 2，從而完成防窺信號生成和傳輸。

當工作在共享模式時，驅動板將SOC給出的顯示信號直接傳輸至Tcon 1來驅動Display cell進行顯示，并使得Tcon 2驅動mono cell全部像素顯示高亮灰階值L255。

圖6 驅動方案流程圖Fig.6 Flow chart of driving scheme

5 實際樣品驗證

本論文中所采用的雙層屏幕模組為69 cm(27 in)，其中上層屏幕分辨率為3 840×2 160，下層屏幕為1 920×1 080。為保證上下屏幕像素準確對位，進行貼合時控制貼合精度在±10 μm以內。所用69 cm(27 in)雙層屏幕的參數如表1所示。

表1 雙層屏幕模組參數Tab.1 Specification of dual cell LCD module

實驗驗證中所用測試圖像和正視角和側視角顯示效果如圖7所示。其中(a)為原始圖像，格式為512×512 8 bit灰階圖像，(b)為0°視角圖像，(c)為45°視角圖像，比較可看出0°視角圖像基本類似原圖像內容，但色彩深度有所下降，45°側視圖像含有明顯信息擾亂，達到防窺顯示效果。

圖7 不同視角得到的圖像效果Fig.7 Image in different view

為比較采用不同初始值參數得到的不同視角防窺效果差異，我們繪制出SSIM隨視角變化曲線，如表2所示。其中SSIM 1，SSIM 2和SSIM3分別表示不同初始值的情況。從表中可以看出當觀看角度大于36.5°時，SSIM值明顯下降能獲得明顯防窺視效果。同時結合實際樣機防窺觀看效果，在視角大于45°時，圖像混亂狀態明顯，具有較好的防窺顯示效果。

圖8 SSIM隨視角的變化量Fig.8 SSIM results in different view angle

從實驗結果來看，0°角圖像有明顯畫質下降，分析造成該問題的主要因素有兩個：光擴散層的霧度偏大對光線散射明顯干擾雙層液晶盒像素的對應關系；雙層液晶盒的對應像素在XY面存在一定位置偏差。后續的改善方案包括調整光擴散膜霧度設定和提升雙液晶盒貼合工藝的對位精度要求。

6 結 論

本文提出了一種采用雙層顯示屏幕架構的防窺顯示方案。通過光場分析和圖像拆分算法的開發，可實現對不同視角空間時顯示內容進行干擾達成防窺目的。同時通過驅動控制可靈活切換共享顯示和防窺顯示模式，滿足多種使用場景的顯示需求。通過實際搭建的雙層屏幕模組樣品，驗證了本方案在45°視角以上位置具有明顯防窺性。本文中所述雙層屏幕的結構方案組件結構緊湊，具有良好的量產可行性。