指向式背光裸眼3D顯示的時空同步精準控制研究

鄭 民，范運嘉，李焜陽，劉興賓，陳學浩，鄧冬巖，王嘉輝*，周建英

（1.湛江幼兒師范專科學校（嶺南師范學院基礎教育學院），廣東 湛江 524084；2.中山大學 物理學院，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，給人強烈的視覺沖擊和高度的臨場感，滿足人們的觀看需求[1-2]。1833年，英國的C.WHEATSTONE最早提出了雙眼視差

0 引 言

相比于2D平面顯示，3D顯示可以呈現虛擬所產生的視網膜像的不對應性，通過神經系統綜合后形成立體視覺的機制[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的基礎[4-5]。基于雙目視差原理，眼鏡式3D顯示和自由立體（即裸眼3D）顯示技術先后完成了開發和產業化。自由立體顯示技術將光學元件和顯示屏集成，不需要借助輔助眼鏡即可將兩眼視差圖像對直接在空間分離，并向對應眼睛成像，實現深度視覺的感知。自由立體顯示技術有三類，前兩類是分別采用狹縫光柵板和采用柱面透鏡陣列實現3D顯示的技術，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，亮度處于視覺舒適水平，對白色有準確的還原能力[6]，有望在醫療等高端場合獲得推廣。

與其他3D顯示一樣，指向背光裸眼3D顯示存在串擾，即眼睛接受到承載非目標視圖光線所導致的視覺重影。串擾會造成視覺疲勞甚至生理不適，需控制在人眼不易察覺的程度以內。指向背光技術的串擾分為兩類：一是空間串擾，與顯示器光學結構相關；二是時間串擾，由屏幕刷新過程中保留了上一幀的部分殘留信息引起[7]。而時間串擾是可以通過屏幕和背光的同步刷新完全消除的。但文獻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 實驗原理

本文提出一種基于精準時分直下背光控制（Time Multiplexing Local Dimming，TMLD）的指向背光裸眼3D顯示技術。該技術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）順時針旋轉90°放置，在精準時分直下背光時序的控制下，進一步保證背光陣列工作與LCD刷新同步，有效地消除了時間串擾。

1.1 光學系統設計

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

時分多路復用技術的具體原理為：當屏幕刷新右眼（或左眼）視差圖像時，待屏幕A區刷新完成，背光陣列A右眼路模組（或左眼路模組）由熄滅轉為打開，光源發出的光線經菲涅爾透鏡折射，透過屏幕后攜帶右眼（或左眼）視差圖像信息，投射到右眼（或左眼）視區。接下來，分別在屏幕B區和C區完成刷新時，依次打開背光陣列B和C的右眼（或左眼）路模組，并同步關閉背光陣列A和B的右眼（或左眼）路模組。在視覺暫留的作用下，觀看者看到完整的右眼（或左眼）視差圖像。時分多路復用技術的光學系統成像原理如圖1所示。

圖1 時分多路復用技術的光學系統成像原理

1.2 液晶響應特性

在TMLD指向背光裸眼3D顯示技術中，LCD的每一幀圖像從右至左逐列刷新，刷新頻率為 120 Hz。當前幀未刷新的區域保留前一幀的圖像信息。當LCD的某像素列接收到刷新信號時，該列晶體管將驅動像素點陣中的液晶分子進行翻轉。由于電容效應，場效應管能夠保持電位狀態，故完成翻轉的液晶分子會保持這種狀態，直到再次接收到刷新信號[8]。LCD各列像素接收到刷新信號的時間不同，存在掃描延時時間τsite，即某列距離第一列接收到刷新信號的時間。

同時，LCD的響應存在延時。為更好地展示液晶響應特性，圖2利用LCD交替顯示黑白圖。在外加電場的作用下，液晶分子從初始狀態發生偏轉所用時間稱為絕對下降時間τdecay。出于消除時間串擾的考慮，本文將其定義為LCD透過率由90%下降到0%所需的時間；撤去外加電場后液晶分子翻轉回到初始狀態所用時間稱為絕對上升時間τdelay，本文將其定義為透過率由0%上升到90%所需的時間。

如圖2所示，由于存在掃描延時時間τsite，某一時刻下不同像素列的液晶分子翻轉狀態可能會不相同。一般來說，掃描延時時間τsite越大的像素列，液晶分子開始翻轉的時間越遲。當像素列中的液晶分子開始翻轉時，由于液晶響應存在延時，則液晶分子從初始狀態翻轉或翻轉回初始狀態有一定的過渡時間。因此，掃描延時時間τsite過大的像素列將會存在液晶分子未翻轉完成的情況。例如，當LCD第1列像素的液晶分子翻轉完成時，第n列像素的液晶分子未翻轉完成。因此，LCD在一幀時間內將會難以完成屏幕一側邊緣圖像信息的顯示，例如，掃描延時時間τsite大的屏幕，在屏幕C區的圖像將會保留上一幀的部分圖像。在指向背光裸眼3D顯示中，這部分圖像將導致在左（或右）眼視區能夠看到右（或左）眼視差圖像的部分信息，造成了時 間串擾。

圖2 液晶屏幕的響應特性

1.3 精準時分直下背光

為克服時間串擾，本文提出了精準時分直下背光技術，原理如圖3所示。

圖3 精準時分直下背光原理圖

定義topen和tclose分別為區域背光維持時間和區域間背光開啟間隔時間，Δτ為屏幕開始刷新到背光陣列A開啟的間隔時間。該技術按下述步驟 工作。

（1）假設第一幀圖像為左眼視差圖像，當t=Δτ時，背光陣列A只開啟左眼路模組，背光陣列B和C關閉，此時觀看者左眼可以看到屏幕A區無時間串擾的左眼視差圖像。在開啟背光陣列A的左眼路模組時長t=topen后，關閉該模組背光。

（2）經過t=tclose的時間間隔后，開啟背光陣列B左眼路模組并持續同樣時長t=topen，保持背光陣列A和C關閉，此時觀看者左眼可以看到屏幕B區無時間串擾的左眼視差圖像。

（3）在間隔t=tclose的時長后，在topen的時間內開啟背光陣列C的左眼路模組，此時觀看者左眼則看到屏幕C區無時間串擾的左眼視差圖像。由于屏幕刷新頻率為120 Hz，基于視覺暫留效應，觀看者感知到的是完整的左眼視差圖像，而非具有閃爍感、無法融合的三區域左眼圖像。

（4）背光陣列C關閉的時刻必須小于Ts+τdecay（即小于液晶刷新周期Ts與絕對下降時間τdecay之和），保證開啟背光陣列右眼路模組時，不會串入左眼視差圖像。下一幀刷新右眼視差圖像時，使用背光陣列右眼路模組重復相似時序的工作，使觀看者在視覺暫留作用下，觀看到無時間串擾的右眼視差圖像。

綜上，液晶刷新周期Ts、背光開啟延時時間Δτ、絕對下降時間τdecay、區域背光開啟時長topen以及區域間背光開啟間隔時長tclose的關系如式（1） 所示：

2 系統搭建

TMLD指向背光裸眼3D顯示系統采用FPGA芯片作為控制模塊進行硬件系統設計，主要負責獲取屏幕刷新信號，實時、同步地刷新背光陣列。結合光學系統設計，整個系統的搭建如圖4所示。

圖4 TMLD指向背光裸眼3D顯示系統

TMLD指向背光裸眼3D顯示系統配置如表1所示。每個背光單元中包括68列LED，可形成連續、均勻的視區，實現效果良好的人眼跟蹤。

表1 系統配置參數表

系統使用陣列式背光結構，為匹配LCD的刷新，各背光模組需要能夠被單獨尋址和精準控制工作時序。背光陣列的尋址和時序控制由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現，控制模塊實物如圖5 所示。

圖5 控制模塊實物圖

由于背光陣列的工作時序需要與屏幕刷新的時序同步，以避免左右眼視差圖像錯送到逆視區，因此使用DVI解碼模塊來獲取屏幕刷新的同步信息。把顯卡輸出的DVI信息通過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始時刻的場同步信號和指示每一行像素刷新開始時刻的行同步信號。獲取上述兩種同步信號后，各路背光模組在特定的延時便可得出左右眼精準時分直下背光的工作窗口。

3 結果與分析

3.1 液晶時間響應特性測量

實驗中，保持TMLD指向背光裸眼3D顯示系統的背光常亮，以120 Hz的刷新率交替在屏幕顯示黑白圖像，使用OPT101光電傳感器測試屏幕亮度隨時間的變化規律，即液晶響應特性。結果如圖6所示。

圖6 LCD液晶響應特性

定義LCD透過的光強最大時對應的透過率為100%，LCD穿透光強最小時的透過率為0%。透過率的計算公式為：

式中：U為某時刻的光電傳感器輸出電壓，U0為透過率為100%時的光電傳感器輸出電壓。

在液晶響應特性曲線中，透過率從0%上升到100%的時間是液晶刷新周期Ts，透過率從90%下降到0%的時間則是絕對下降時間τdecay。在圖6中，液晶刷新周期Ts=8.26 ms，絕對下降時間τdecay= 1.95 ms。

同樣，在背光常亮及LCD刷新黑白圖時，使用光電傳感器在屏幕上A區右邊沿、A區左邊沿（即B區右邊沿）、B區左邊沿（即C區右邊沿）、C區左邊沿等4個位置同時測試液晶響應特性，結果如圖7所示。

圖7 屏幕A、B、C各區邊沿的液晶響應特性

在屏幕A區開始刷新ΔτA的時間后，即t=ΔτA=ΔτA時，A區的背光開啟。在屏幕B區開始刷新ΔτB的時間后，即t=τB時，B區背光開啟。在屏幕C區開始刷新ΔτC的時間后，即t=τC時，C區背光開啟。由實驗數據得，當ΔτN(N=A,B,C)=τdelay時，屏幕各區域內透過率達到70%到90%，此時屏幕各區顯示效果較好。根據背光開啟時刻可確定各區背光開啟時間及區域之間背光間隔時間。A、B、C區的液晶響應特性參數和TMLD時序參數如表2所示。

表2 A、B、C區的液晶響應特性參數與TMLD時序參數

3.2 背光時序設計

由LCD液晶響應測量結果可知，液晶刷新周期Ts=8.26 ms，絕對下降時間τdecay=1.95 ms，在屏幕A區，使背光開啟延時時間ΔτA=τdelay=4.70 ms，背光開啟時長topen=1.50 ms，背光間隔時長tclose=0.50 ms，其中Ts+τdecay=10.21 ms，ΔτA+3topen+2tclose=10.20 m，滿足式（1）所述關系。

精準時分直下背光時序圖如圖8所示。該時序下測試屏幕亮度時可用式（3）計算串擾率：

圖8 精準時分直下背光時序圖

3.3 實際顯示效果

未使用TMLD的指向背光裸眼3D顯示系統的串擾為4.68%，而使用TMLD的指向背光裸眼3D顯示系統串擾率低至3.38%，明顯優于5%的視覺安全閾值[9]，在人眼較為舒適的范圍。可見使用TMLD后串擾減少了27.8%。由于顯示系統的光學結構、系統設計的優化效果有限以及單個元件難以完全精確組裝，因此系統仍會存在空間串擾。空間串擾也是TMLD顯示系統的唯一串擾來源。

系統實際顯示效果如圖9所示，實驗中屏幕顯示的左、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攝像機模擬人眼，在800 mm的最佳觀看距離下，記錄在左或右眼視區內觀看的實況。從圖10（b）可見，在未使用TMLD情況下，左視區除能看到左眼對應的全白畫面外，還可以看見自右眼圖像漏入的字符陣列圖案，尤以屏幕C區為甚，代表存在較為嚴重的串擾；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后背光時序與屏幕刷新同步，有效地消除了時間串擾，使得系統的總體串擾有所降低，尤其是屏幕C區的串擾率得到明顯優化。

圖9 系統實際顯示效果

4 結 語

針對指向式背光裸眼3D顯示存在的時間串擾問題，本文提出了TMLD指向背光裸眼3D顯示技術，通過將屏幕長邊豎直放置以及配合精準時分直下背光時序，實現了LCD刷新與背光亮滅的同步，消除了時間串擾，時空混合控制的方式使顯示系統保留了全分辨率和高亮度的優點。對液晶響應特性進行研究，得出最優化的區域背光開燈時序。

實驗數據表明，在未使用TMLD情況下系統的串擾為4.68%，使用TMLD后系統的串擾率降低至3.38%，串擾率明顯下降。實際顯示效果中，在未使用TMLD情況下，左視區能觀察到左眼和右眼圖像存在混疊，尤以屏幕C區為甚，代表存在較為嚴重的串擾；而在使用TMLD后，左眼視區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后背光時序與屏幕刷新同步，有效地消除了時間串擾，使得系統的總體串擾有所降低，尤其是屏幕C區的串擾率較其他區域的降幅更大。立足屏幕方式和串擾率低的優勢，TMLD指向背光裸眼3D顯示系統適用于視力篩查、廣告展示等場景。