一種裸眼3D電視系統(tǒng)的設計方案*

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)的設計方案，詳細闡述了方案的原理及關鍵技術的實現(xiàn)。方案系統(tǒng)先將電視信號處理成單視點或雙視點圖像，然后將單視點或雙視點圖像轉(zhuǎn)換成N個視點圖像，并將N個視點圖像交織成一幅合成圖像來驅(qū)動裸眼3D屏發(fā)出圖像光實現(xiàn)裸眼3D顯示。該方案可快速應用于柱狀透鏡式和光柵屏障式裸眼3D電視產(chǎn)品，具有廣泛的應用價值。

引言

　　近幾年利用人眼視覺原理的眼鏡式3D顯示在電視領域得到了大規(guī)模應用^[1]，而裸眼3D顯示不需佩戴如眼鏡之類的輔助設備就能觀看到3D立體圖像[2]，是未來3D電視應用和發(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[3-5];指向光源、全息、多層顯示等技術非常復雜、工藝不成熟、成本高，尚未得到較大規(guī)模商業(yè)應用;而視差屏障和柱狀透鏡技術實現(xiàn)簡單、工藝成熟、成本低，在教育、廣告、娛樂等商業(yè)領域已經(jīng)得到廣泛應用。

　　視差屏障3D技術是在2D屏幕表面設置細條狹縫光柵來形成屏障，通過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技術是在2D屏幕表面加上一層柱狀透鏡光柵，每個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)出的光線折射進左眼、將偶像素發(fā)出的光線折射進右眼，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)的設計方案，可應用于視差屏障式裸眼3D電視或柱狀透鏡式裸眼3D電視，能夠進行快速推廣和應用。

1 系統(tǒng)原理

　　裸眼3D電視系統(tǒng)原理如圖2所示。

　　前端處理對從USB、HDMI等端口輸入的2D或3D電視信號進行解碼、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單視點圖像信號或L/R雙視點圖像信號。輸出格式與前端處理芯片的處理能力、接口帶寬緊密相關。2D顯示時，該系統(tǒng)輸出的格式為3840*2160@30Hz，3D顯示時，該系統(tǒng)輸出的格式為1920*1080@120Hz。

　　目前絕大多數(shù)電視信號為2D單視點或3D雙視點信號，進行裸眼3D電視的應用推廣必須進行視點轉(zhuǎn)換。視點轉(zhuǎn)換將前端處理后的單視點圖像或L/R雙視點圖像信號轉(zhuǎn)換成多個視點圖像信號(以N視點為例，分別為第1、第2、第3、...、第N視點)。對于雙視點轉(zhuǎn)多視點，系統(tǒng)根據(jù)L/R雙視點圖像對象的像素位移來估算出各個像素深度并生成景深圖，最后插值渲染出N-2個視點圖像;而對于單視點轉(zhuǎn)多視點，系統(tǒng)根據(jù)單視點圖像對象的位置關系、姿態(tài)、陰影等信息，采用清晰度分析法來估算對象深度并生成景深圖，最后插值渲染出N-1個視點圖像。

　　視點合成則根據(jù)裸眼3D屏物理像素和光柵的排列情況，對N個視點圖像的像素進行交織排列后，形成一副合成圖像。合成圖像經(jīng)過FRC(幀頻轉(zhuǎn)換)倍頻等后端處理，驅(qū)動裸眼3D屏實現(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屏進行屏幕分像，將合成圖像分解成獨立的N個單視點圖像(視點順序為1至N或N至1)，即：經(jīng)過FRC處理后的合成圖像信號驅(qū)動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定的N個視點區(qū)域，處于不同視點區(qū)域的左、右眼接收到不同視點圖像，形成立體視覺感受。

2 關鍵技術

　　2.1 雙視點轉(zhuǎn)多視點技術

　　雙視點轉(zhuǎn)多視點過程如圖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)幾何特征信息進行對象匹配，獲取L和R圖像中的相似對象區(qū)域。然后在相似對象區(qū)域選取匹配的一個像素點i(或選取一個像素點及其臨近的像素，將這些像素一起當成一個像素點)進行像素矢量位移計算，得到像素視差，根據(jù)像素視差計算出像素深度值，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。

　　計算出所有像素深度值后，將其轉(zhuǎn)換為像素空間坐標，將各個像素空間坐標連接起來形成一個整體，繪制出深度圖。根據(jù)深度圖來插值生成某一角度新視點的灰度圖，并以L視點圖像作為參考、根據(jù)新視點與L視點間的位置差異來進行顏色渲染填充，輸出虛擬的視點圖像。將虛擬出的N-2個視點圖像與原有圖像一起組成N個視點圖像。

　　2.2 單視點轉(zhuǎn)多視點技術

　　單視點轉(zhuǎn)多視點如圖4所示。接收到單視點圖像后，分析圖像中物體的遠近和交疊等位置關系以及物體形狀、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物體對象。

　　然后根據(jù)各圖像類灰度信息的空間頻率分布情況來估算出前景、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)分量值，s和t為像素的行和列坐標，S和T為前景圖像類的像素的最大坐標，。

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

(5)

　　其中，Qs為基準清晰度，β為設定系數(shù)。當圖像為前景圖像類物理對象時，Qs取Qm;當圖像為背景圖像類和中景圖像類物理對象時，Qs取Qb。

　　進一步采用不同的函數(shù)來估算各個圖像類中物體對象的景深值DP(i)。中景圖像類的物體對象景深值為：

　　其中，ω為設定比例系數(shù)，Curve為設定曲線函數(shù)，且景深值與深度值具有相同正負。深度值越小則景深值越小，深度值越大則景深值越大;深度絕對值越小則壓縮比越小，深度絕對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)各個物體對象的景深值來繪制出深度圖，以單視點圖像為參考、插值渲染出不同視點位置的虛擬視點圖像。最后將虛擬出的N-1個視點圖像與原有單視點圖像一起組成N個視點圖像。

　　2.3 多視點合成技術

　　多視點合成是對N個視點圖像進行子像素抽取，然后按照光柵排列情況進行子像素交織重排，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。如圖5所示為5視點的合成圖像。2D屏幕分辨率為3840*2160，每一像素點由橫向排列的R/G/B三個子像素構(gòu)成，共3*3840*2160個子像素;每個光柵單元下面有1～5視點內(nèi)的一個像素點，像素點由傾斜角度為β的R/G/B三個子像素組成，每個視點的分辨率為2304*720。

3 結(jié)束語

　　本文提出一種能夠快速應用于柱狀透鏡式和光柵屏障式裸眼3D電視系統(tǒng)的設計方案，詳細闡述了方案的原理及關鍵技術的實現(xiàn)。該方案已應用于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。

參考文獻：

　　[1]徐遙令.一種眼鏡式3D電視系統(tǒng)的設計[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、體視因素和術語[J].工程圖學學報，2010(5):25-27.

　　[3]胡素珍,姜立軍,李哲林,等.自由立體顯示技術的研究綜述[J].計算機系統(tǒng)應用,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.采用全息光學元件的全息三維顯示系統(tǒng)[J].激光與光電子學進展,2001(6):44-46.

本文來源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第10期第36頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。