一种裸眼3D电视系统的设计方案*

作者/ 徐遥令 侯志龙 深圳创维-RGB电子有限公司研发总部(广东 深圳 518108)

摘要:本文提出一种裸眼3D电视系统的设计方案,详细阐述了方案的原理及关键技术的实现。方案系统先将电视信号处理成单视点或双视点图像,然后将单视点或双视点图像转换成N个视点图像,并将N个视点图像交织成一幅合成图像来驱动裸眼3D屏发出图像光实现裸眼3D显示。该方案可快速应用于柱状透镜式和光栅屏障式裸眼3D电视产品,具有广泛的应用价值。

引言

近几年利用人眼视觉原理的眼镜式3D显示在电视领域得到了大规模应用[1],而裸眼3D显示不需佩戴如眼镜之类的辅助设备就能观看到3D立体图像[2],是未来3D电视应用和发展的主要方向之一。裸眼3D显示分为视差屏障、柱状透镜、指向光源、全息、多层显示等技术[3-5];指向光源、全息、多层显示等技术非常复杂、工艺不成熟、成本高,尚未得到较大规模商业应用;而视差屏障和柱状透镜技术实现简单、工艺成熟、成本低,在教育、广告、娱乐等商业领域已经得到广泛应用。

视差屏障3D技术是在2D屏幕表面设置细条狭缝光栅来形成屏障,通过遮挡并控制不同图像像素光线的走向,让左右两眼接收到不同图像影像产生视差,形成3D立体效果。如图1(左)所示,左眼只能接收到奇像素发出的光线、右眼只能接收到偶像素发出的光线,左、右眼分别接收到奇、偶图像,使观者看到3D影像。柱状透镜3D技术是在2D屏幕表面加上一层柱状透镜光栅,每个柱状透镜下有不同图像的像素,透镜以不同方向折射不同图像像素发出的光线,于是双眼从不同角度观看显示屏就接收到不同图像影像、产生视差,形成3D立体效果。如图1(右)所示,柱状透镜将奇像素发出的光线折射进左眼、将偶像素发出的光线折射进右眼,左、右眼分别接收到奇、偶图像,使观者看到3D影像。

本文提出一种裸眼3D电视系统的设计方案,可应用于视差屏障式裸眼3D电视或柱状透镜式裸眼3D电视,能够进行快速推广和应用。

1 系统原理

裸眼3D电视系统原理如图2所示。

前端处理对从USB、HDMI等端口输入的2D或3D电视信号进行解码、缩放、去隔行、格式转换、帧率转换等处理后,输出统一格式的2D单视点图像信号或L/R双视点图像信号。输出格式与前端处理芯片的处理能力、接口带宽紧密相关。2D显示时,该系统输出的格式为3840*2160@30Hz,3D显示时,该系统输出的格式为1920*1080@120Hz。

目前绝大多数电视信号为2D单视点或3D双视点信号,进行裸眼3D电视的应用推广必须进行视点转换。视点转换将前端处理后的单视点图像或L/R双视点图像信号转换成多个视点图像信号(以N视点为例,分别为第1、第2、第3、...、第N视点)。对于双视点转多视点,系统根据L/R双视点图像对象的像素位移来估算出各个像素深度并生成景深图,最后插值渲染出N-2个视点图像;而对于单视点转多视点,系统根据单视点图像对象的位置关系、姿态、阴影等信息,采用清晰度分析法来估算对象深度并生成景深图,最后插值渲染出N-1个视点图像。

视点合成则根据裸眼3D屏物理像素和光栅的排列情况,对N个视点图像的像素进行交织排列后,形成一副合成图像合成图像经过FRC(帧频转换)倍频等后端处理,驱动裸眼3D屏实现图像显示。

裸眼3D屏主要由2D屏与光栅组成,采用狭缝光栅则是视差屏障式裸眼3D电视系统,采用柱状透镜光栅则是柱状透镜式裸眼3D电视系统。裸眼3D屏进行屏幕分像,将合成图像分解成独立的N个单视点图像(视点顺序为1至N或N至1),即:经过FRC处理后的合成图像信号驱动2D屏像素发出光线,光线经光栅阻挡或折射后集中在设定的N个视点区域,处于不同视点区域的左、右眼接收到不同视点图像,形成立体视觉感受。

2 关键技术

2.1 双视点转多视点技术

双视点转多视点过程如图3(a)所示。接收到L和R图像后,分析图像的轮廓、边沿、纹理等几何特征信息,根据几何特征信息进行对象匹配,获取L和R图像中的相似对象区域。然后在相似对象区域选取匹配的一个像素点i(或选取一个像素点及其临近的像素,将这些像素一起当成一个像素点)进行像素矢量位移计算,得到像素视差,根据像素视差计算出像素深度值,如图3(b)所示。像素深度值为:

DP(i)=(D*P)/(P-E) (1)

其中,像素视差P=|dr-dl|,dr和dl分别为L和R图像像素矢量位移,D为观看距离、E为人的双眼间距。

计算出所有像素深度值后,将其转换为像素空间坐标,将各个像素空间坐标连接起来形成一个整体,绘制出深度图。根据深度图来插值生成某一角度新视点的灰度图,并以L视点图像作为参考、根据新视点与L视点间的位置差异来进行颜色渲染填充,输出虚拟的视点图像。将虚拟出的N-2个视点图像与原有图像一起组成N个视点图像。

2.2 单视点转多视点技术

单视点转多视点如图4所示。接收到单视点图像后,分析图像中物体的远近和交叠等位置关系以及物体形状、姿态和阴影等暗示,将图像划分为前景图像类、中景图像类和背景图像类。搜索和检测前景、中景和背景图像类中物体的边界和轮廓,获取前景、中景和背景图像类中的各个物体对象。

然后根据各图像类灰度信息的空间频率分布情况来估算出前景、中景和背景图像类的清晰度值分别为Qf、Qm和Qb,采用同样的方法估算出物体对象i的清晰度值xi。以前景图像类的清晰度值Qf估算为例:前景图像类的一个像素灰度值为:

前景图像类的清晰值Qf取|U(g,l)|最大值。

其中,R(s,t)、G(s,t)和B(s,t)为像素的R/G/B(红/绿/蓝)分量值,s和t为像素的行和列坐标,S和T为前景图像类的像素的最大坐标,。

根据物体对象i的清晰度值xi以及Qf、Qm和Qb来估算出其深度值WP(i):

(5)

其中,Qs为基准清晰度,β为设定系数。当图像为前景图像类物理对象时,Qs取Qm;当图像为背景图像类和中景图像类物理对象时,Qs取Qb。

进一步采用不同的函数来估算各个图像类中物体对象的景深值DP(i)。中景图像类的物体对象景深值为:

其中,ω为设定比例系数,Curve为设定曲线函数,且景深值与深度值具有相同正负。深度值越小则景深值越小,深度值越大则景深值越大;深度绝对值越小则压缩比越小,深度绝对值越大则压缩比越大。例如,Curve(-50)=-40,压缩度为0.2;Curve(-100)=-60,压缩度为0.4。

最后根据各个物体对象的景深值来绘制出深度图,以单视点图像为参考、插值渲染出不同视点位置的虚拟视点图像。最后将虚拟出的N-1个视点图像与原有单视点图像一起组成N个视点图像。

2.3 多视点合成技术

多视点合成是对N个视点图像进行子像素抽取,然后按照光栅排列情况进行子像素交织重排,形成适合基于光栅的裸眼3D屏显示的合成图像。合成图像的像素交织方式与裸眼3D屏及分辨率密切相关。如图5所示为5视点的合成图像。2D屏幕分辨率为3840*2160,每一像素点由横向排列的R/G/B三个子像素构成,共3*3840*2160个子像素;每个光栅单元下面有1~5视点内的一个像素点,像素点由倾斜角度为β的R/G/B三个子像素组成,每个视点的分辨率为2304*720。

3 结束语

本文提出一种能够快速应用于柱状透镜式和光栅屏障式裸眼3D电视系统的设计方案,详细阐述了方案的原理及关键技术的实现。该方案已应用于55寸柱状透镜裸眼3D电视和视差屏障裸眼3D电视,具有较好的3D清晰度和亮度,水平方向上3D可视范围约120°,在2m至5m范围内可提供良好的3D体验。

参考文献:

[1]徐遥令.一种眼镜式3D电视系统的设计[J].电子产品世界,2014,21(7):25-27.

[2]王飞,王晨升,刘晓杰.立体显示的原理、体视因素和术语[J].工程图学学报,2010(5):25-27.

[3]胡素珍,姜立军,李哲林,等.自由立体显示技术的研究综述[J].计算机系统应用,2012,23(12):1-8.

[4]张兴,郑成武,李宁.液晶材料与3D显示[J].液晶与显示,2012,27(4):448-455.

[5]范品忠.采用全息光学元件的全息三维显示系统[J].激光与光电子学进展,2001(6):44-46.

本文来源于中国科技期刊《电子产品世界》2016年第10期第36页,欢迎您写论文时引用,并注明出处。