一種裸眼3D電視系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案*

作者/ 徐遙令 侯志龍 深圳創(chuàng)維-RGB電子有限公司研發(fā)總部(廣東 深圳 518108)

摘要：本文提出一種裸眼3D電視系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，詳細(xì)闡述了方案的原理及關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。方案系統(tǒng)先將電視信號(hào)處理成單視點(diǎn)或雙視點(diǎn)圖像，然后將單視點(diǎn)或雙視點(diǎn)圖像轉(zhuǎn)換成N個(gè)視點(diǎn)圖像，并將N個(gè)視點(diǎn)圖像交織成一幅合成圖像來(lái)驅(qū)動(dòng)裸眼3D屏發(fā)出圖像光實(shí)現(xiàn)裸眼3D顯示。該方案可快速應(yīng)用于柱狀透鏡式和光柵屏障式裸眼3D電視產(chǎn)品，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

引言

　　近幾年利用人眼視覺(jué)原理的眼鏡式3D顯示在電視領(lǐng)域得到了大規(guī)模應(yīng)用^[1]，而裸眼3D顯示不需佩戴如眼鏡之類的輔助設(shè)備就能觀看到3D立體圖像[2]，是未來(lái)3D電視應(yīng)用和發(fā)展的主要方向之一。裸眼3D顯示分為視差屏障、柱狀透鏡、指向光源、全息、多層顯示等技術(shù)[3-5];指向光源、全息、多層顯示等技術(shù)非常復(fù)雜、工藝不成熟、成本高，尚未得到較大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用;而視差屏障和柱狀透鏡技術(shù)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、工藝成熟、成本低，在教育、廣告、娛樂(lè)等商業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。

　　視差屏障3D技術(shù)是在2D屏幕表面設(shè)置細(xì)條狹縫光柵來(lái)形成屏障，通過(guò)遮擋并控制不同圖像像素光線的走向，讓左右兩眼接收到不同圖像影像產(chǎn)生視差，形成3D立體效果。如圖1(左)所示，左眼只能接收到奇像素發(fā)出的光線、右眼只能接收到偶像素發(fā)出的光線，左、右眼分別接收到奇、偶圖像，使觀者看到3D影像。柱狀透鏡3D技術(shù)是在2D屏幕表面加上一層柱狀透鏡光柵，每個(gè)柱狀透鏡下有不同圖像的像素，透鏡以不同方向折射不同圖像像素發(fā)出的光線，于是雙眼從不同角度觀看顯示屏就接收到不同圖像影像、產(chǎn)生視差，形成3D立體效果。如圖1(右)所示，柱狀透鏡將奇像素發(fā)出的光線折射進(jìn)左眼、將偶像素發(fā)出的光線折射進(jìn)右眼，左、右眼分別接收到奇、偶圖像，使觀者看到3D影像。

　　本文提出一種裸眼3D電視系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，可應(yīng)用于視差屏障式裸眼3D電視或柱狀透鏡式裸眼3D電視，能夠進(jìn)行快速推廣和應(yīng)用。

1 系統(tǒng)原理

　　裸眼3D電視系統(tǒng)原理如圖2所示。

　　前端處理對(duì)從USB、HDMI等端口輸入的2D或3D電視信號(hào)進(jìn)行解碼、縮放、去隔行、格式轉(zhuǎn)換、幀率轉(zhuǎn)換等處理后，輸出統(tǒng)一格式的2D單視點(diǎn)圖像信號(hào)或L/R雙視點(diǎn)圖像信號(hào)。輸出格式與前端處理芯片的處理能力、接口帶寬緊密相關(guān)。2D顯示時(shí)，該系統(tǒng)輸出的格式為3840*2160@30Hz，3D顯示時(shí)，該系統(tǒng)輸出的格式為1920*1080@120Hz。

　　目前絕大多數(shù)電視信號(hào)為2D單視點(diǎn)或3D雙視點(diǎn)信號(hào)，進(jìn)行裸眼3D電視的應(yīng)用推廣必須進(jìn)行視點(diǎn)轉(zhuǎn)換。視點(diǎn)轉(zhuǎn)換將前端處理后的單視點(diǎn)圖像或L/R雙視點(diǎn)圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換成多個(gè)視點(diǎn)圖像信號(hào)(以N視點(diǎn)為例，分別為第1、第2、第3、...、第N視點(diǎn))。對(duì)于雙視點(diǎn)轉(zhuǎn)多視點(diǎn)，系統(tǒng)根據(jù)L/R雙視點(diǎn)圖像對(duì)象的像素位移來(lái)估算出各個(gè)像素深度并生成景深圖，最后插值渲染出N-2個(gè)視點(diǎn)圖像;而對(duì)于單視點(diǎn)轉(zhuǎn)多視點(diǎn)，系統(tǒng)根據(jù)單視點(diǎn)圖像對(duì)象的位置關(guān)系、姿態(tài)、陰影等信息，采用清晰度分析法來(lái)估算對(duì)象深度并生成景深圖，最后插值渲染出N-1個(gè)視點(diǎn)圖像。

　　視點(diǎn)合成則根據(jù)裸眼3D屏物理像素和光柵的排列情況，對(duì)N個(gè)視點(diǎn)圖像的像素進(jìn)行交織排列后，形成一副合成圖像。合成圖像經(jīng)過(guò)FRC(幀頻轉(zhuǎn)換)倍頻等后端處理，驅(qū)動(dòng)裸眼3D屏實(shí)現(xiàn)圖像顯示。

　　裸眼3D屏主要由2D屏與光柵組成，采用狹縫光柵則是視差屏障式裸眼3D電視系統(tǒng)，采用柱狀透鏡光柵則是柱狀透鏡式裸眼3D電視系統(tǒng)。裸眼3D屏進(jìn)行屏幕分像，將合成圖像分解成獨(dú)立的N個(gè)單視點(diǎn)圖像(視點(diǎn)順序?yàn)?至N或N至1)，即：經(jīng)過(guò)FRC處理后的合成圖像信號(hào)驅(qū)動(dòng)2D屏像素發(fā)出光線，光線經(jīng)光柵阻擋或折射后集中在設(shè)定的N個(gè)視點(diǎn)區(qū)域，處于不同視點(diǎn)區(qū)域的左、右眼接收到不同視點(diǎn)圖像，形成立體視覺(jué)感受。

2 關(guān)鍵技術(shù)

　　2.1 雙視點(diǎn)轉(zhuǎn)多視點(diǎn)技術(shù)

　　雙視點(diǎn)轉(zhuǎn)多視點(diǎn)過(guò)程如圖3(a)所示。接收到L和R圖像后，分析圖像的輪廓、邊沿、紋理等幾何特征信息，根據(jù)幾何特征信息進(jìn)行對(duì)象匹配，獲取L和R圖像中的相似對(duì)象區(qū)域。然后在相似對(duì)象區(qū)域選取匹配的一個(gè)像素點(diǎn)i(或選取一個(gè)像素點(diǎn)及其臨近的像素，將這些像素一起當(dāng)成一個(gè)像素點(diǎn))進(jìn)行像素矢量位移計(jì)算，得到像素視差，根據(jù)像素視差計(jì)算出像素深度值，如圖3(b)所示。像素深度值為：

　　DP(i)=(D*P)/(P-E) (1)

　　其中，像素視差P=|dr-dl|，dr和dl分別為L(zhǎng)和R圖像像素矢量位移，D為觀看距離、E為人的雙眼間距。

　　計(jì)算出所有像素深度值后，將其轉(zhuǎn)換為像素空間坐標(biāo)，將各個(gè)像素空間坐標(biāo)連接起來(lái)形成一個(gè)整體，繪制出深度圖。根據(jù)深度圖來(lái)插值生成某一角度新視點(diǎn)的灰度圖，并以L視點(diǎn)圖像作為參考、根據(jù)新視點(diǎn)與L視點(diǎn)間的位置差異來(lái)進(jìn)行顏色渲染填充，輸出虛擬的視點(diǎn)圖像。將虛擬出的N-2個(gè)視點(diǎn)圖像與原有圖像一起組成N個(gè)視點(diǎn)圖像。

　　2.2 單視點(diǎn)轉(zhuǎn)多視點(diǎn)技術(shù)

　　單視點(diǎn)轉(zhuǎn)多視點(diǎn)如圖4所示。接收到單視點(diǎn)圖像后，分析圖像中物體的遠(yuǎn)近和交疊等位置關(guān)系以及物體形狀、姿態(tài)和陰影等暗示，將圖像劃分為前景圖像類、中景圖像類和背景圖像類。搜索和檢測(cè)前景、中景和背景圖像類中物體的邊界和輪廓，獲取前景、中景和背景圖像類中的各個(gè)物體對(duì)象。

　　然后根據(jù)各圖像類灰度信息的空間頻率分布情況來(lái)估算出前景、中景和背景圖像類的清晰度值分別為Qf、Qm和Qb，采用同樣的方法估算出物體對(duì)象i的清晰度值xi。以前景圖像類的清晰度值Qf估算為例：前景圖像類的一個(gè)像素灰度值為：

　　前景圖像類的清晰值Qf取|U(g,l)|最大值。

　　其中，R(s,t)、G(s,t)和B(s,t)為像素的R/G/B(紅/綠/藍(lán))分量值，s和t為像素的行和列坐標(biāo)，S和T為前景圖像類的像素的最大坐標(biāo)，。

　　根據(jù)物體對(duì)象i的清晰度值xi以及Qf、Qm和Qb來(lái)估算出其深度值WP(i):

(5)

　　其中，Qs為基準(zhǔn)清晰度，β為設(shè)定系數(shù)。當(dāng)圖像為前景圖像類物理對(duì)象時(shí)，Qs取Qm;當(dāng)圖像為背景圖像類和中景圖像類物理對(duì)象時(shí)，Qs取Qb。

　　進(jìn)一步采用不同的函數(shù)來(lái)估算各個(gè)圖像類中物體對(duì)象的景深值DP(i)。中景圖像類的物體對(duì)象景深值為：

　　其中，ω為設(shè)定比例系數(shù)，Curve為設(shè)定曲線函數(shù)，且景深值與深度值具有相同正負(fù)。深度值越小則景深值越小，深度值越大則景深值越大;深度絕對(duì)值越小則壓縮比越小，深度絕對(duì)值越大則壓縮比越大。例如，Curve(-50)=-40，壓縮度為0.2;Curve(-100)=-60，壓縮度為0.4。

　　最后根據(jù)各個(gè)物體對(duì)象的景深值來(lái)繪制出深度圖，以單視點(diǎn)圖像為參考、插值渲染出不同視點(diǎn)位置的虛擬視點(diǎn)圖像。最后將虛擬出的N-1個(gè)視點(diǎn)圖像與原有單視點(diǎn)圖像一起組成N個(gè)視點(diǎn)圖像。

　　2.3 多視點(diǎn)合成技術(shù)

　　多視點(diǎn)合成是對(duì)N個(gè)視點(diǎn)圖像進(jìn)行子像素抽取，然后按照光柵排列情況進(jìn)行子像素交織重排，形成適合基于光柵的裸眼3D屏顯示的合成圖像。合成圖像的像素交織方式與裸眼3D屏及分辨率密切相關(guān)。如圖5所示為5視點(diǎn)的合成圖像。2D屏幕分辨率為3840*2160，每一像素點(diǎn)由橫向排列的R/G/B三個(gè)子像素構(gòu)成，共3*3840*2160個(gè)子像素;每個(gè)光柵單元下面有1～5視點(diǎn)內(nèi)的一個(gè)像素點(diǎn)，像素點(diǎn)由傾斜角度為β的R/G/B三個(gè)子像素組成，每個(gè)視點(diǎn)的分辨率為2304*720。

3 結(jié)束語(yǔ)

　　本文提出一種能夠快速應(yīng)用于柱狀透鏡式和光柵屏障式裸眼3D電視系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，詳細(xì)闡述了方案的原理及關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。該方案已應(yīng)用于55寸柱狀透鏡裸眼3D電視和視差屏障裸眼3D電視，具有較好的3D清晰度和亮度，水平方向上3D可視范圍約120°，在2m至5m范圍內(nèi)可提供良好的3D體驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

　　[1]徐遙令.一種眼鏡式3D電視系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電子產(chǎn)品世界，2014，21(7):25-27.

　　[2]王飛,王晨升,劉曉杰.立體顯示的原理、體視因素和術(shù)語(yǔ)[J].工程圖學(xué)學(xué)報(bào)，2010(5):25-27.

　　[3]胡素珍,姜立軍,李哲林,等.自由立體顯示技術(shù)的研究綜述[J].計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用,2012,23(12):1-8.

　　[4]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.

　　[5]范品忠.采用全息光學(xué)元件的全息三維顯示系統(tǒng)[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展,2001(6):44-46.

本文來(lái)源于中國(guó)科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第10期第36頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。