可切换光栅式裸眼3D电视系统的设计

徐遥令，侯志龙，吴　伟，张曼华

(深圳创维-RGB电子有限公司研发总部，广东 深圳 518108)



可切换光栅式裸眼3D电视系统的设计

徐遥令，侯志龙，吴伟，张曼华

(深圳创维-RGB电子有限公司研发总部，广东 深圳 518108)

摘要:提出一种可切换光栅式裸眼3D电视系统的设计，详细阐述了系统的原理、硬件及关键技术的实现。系统通过TV模块将电视信号处理成1 080p@120 Hz的图像信号，由裸眼3D模块生成多个视点图像并交织为3 840×2 160@30 Hz的合成图像，经过帧频转换后驱动裸眼3D屏幕实现高清晰度裸眼3D显示，以及采用独立的Barrier panel来形成可切换屏障光栅，能够兼容超高清晰度2D显示。

关键词:可切换光栅；裸眼3D；电视系统；高清晰度

裸眼3D显示不需要佩戴眼镜，能够极大提升3D观看的视觉享受和娱乐体验，符合3D电视市场发展的需求。裸眼3D显示分为视差屏障式、柱状透镜式和全息式等[1]，目前主要应用于教育、广告、娱乐等商业领域[2-3]，尚未进入家用领域。目前普遍认为裸眼3D显示还存在一些技术障碍待突破，例如清晰度较低和3D效果不强烈、3D内容缺乏等；但是随着超高清显示、大屏等技术的广泛应用，以及虚拟视点合成、集成成像等技术的发展成熟，将使得裸眼3D显示的清晰度和效果等大幅提升、获取3D内容的途径更加丰富，势必进一步促进裸眼3D显示的快速发展。

该文提出一种可切换光栅式裸眼3D电视系统的设计,通过TV模块将电视信号处理成1 080p@120 Hz的图像信号，由裸眼3D模块进行视点转换和生成、及合成3 840×2 160@30 Hz的多视点图像，经过帧频转换后驱动裸眼3D屏幕实现高清晰度裸眼3D显示；以及采用独立的Barrier panel来形成可切换屏障光栅，实现高清晰度裸眼3D显示、兼容超高清晰度2D显示。

1系统原理

系统由TV模块、裸眼3D处理模块、FRC模块、可切换光栅式裸眼3D屏4部分组成；TV模块对输入的3D或2D电视信号处理后、输出固定格式的图像信号给裸眼3D处理模块进行视点生成与合成等处理，FRC模块进行帧频转换，并由TV模块控制裸眼3D屏光栅的切换，实现裸眼3D或2D显示。系统结构图如图1所示。

图1　可切换光栅式裸眼电视系统的结构框图

TV模块：对输入的2D或3D电视信号进行降噪、色彩空间转换、解码、缩放等处理，以及进行2D和3D信号识别及格式转换后，通过LVDS(低压差分信号)传输线向裸眼3D处理模块输出1 920×1 080@120 Hz左右视点帧序列的3D图像信号、及3 840×2 160@30 Hz的2D图像信号。

裸眼3D处理模块：通过估算2D或3D图像信号的深度信息并生成深度图后，由单视点或双视点生成多个虚拟视点位置的视点图像；然后对多个视点图像进行交织、通过LVDS传输线输出包含多个视点图像的3 840×2 160@30 Hz的合成图像，合成图像与裸眼3D屏物理像素相对应。系统进行2D显示时，将直通2D图像信号。

FRC模块：接收3 840×2 160@30 Hz的多视点合成图像或2D图像信号，进行四倍帧频转换，通过V-By-One传输线向可切换光栅式裸眼3D屏输出3 840×2 160@120 Hz的图像信号。

可切换光栅式裸眼3D屏：如图2所示，由Base panel和Barrier panel组成。Base panel和屏驱动构成液晶电视屏幕，物理像素为3 840×2 160、刷新频率为120 Hz；可切换光栅由Barrier panel形成。3D显示时，3D控制信号使得光栅控制部分输出60 Hz、±8 V的方波信号，驱动Barrier panel打开形成光栅、折射Base panel发出的光线进入人的左右眼呈现3D影像；2D显示时光栅控制部分输出0 V信号，Barrier panel关闭，对Base panel发出的光没有影响，呈现2D影像。

图2　可切换光栅式裸眼3D屏示意图

该系统可进行光栅切换来实现裸眼3D显示或2D显示；在3D显示时可呈现出高清晰度3D图像效果(分辨率达720p以上)，在2D显示时可呈现出超高清晰度2D图像效果(分辨率达3 840×2 160)。

2硬件实现

系统硬件实现框图如图3所示，包括TV SoC板、裸眼3D板、FRC板、以及4K×2K裸眼3D屏。

图3　可切换光栅式裸眼电视的硬件框图

TV SoC板基于高集成度TV SoC单芯片MT5327:能够解码3D电视信号、支持3 840×2 160@30 Hz信号输入和输出，支持HDMI1.4a、USB3.0、CVBS视频信号、网络信号输入。TV SoC板对输入信号进行解码等图像处理后、通过4组LVDS传输线将图像信号送至裸眼3D板，LVDS时钟频率为74.25 MHz、每秒可传递约3×109个像素数据，满足1 920×1 080@120 Hz或3 840×2 160@30 Hz信号传递要求。

裸眼3D板采用FPGA芯片来进行设计，通过软件来实现包括2D 转多视点、3D 转多视点、视点合成等功能，支持1 080p@120 Hz帧序列3D信号和4K×2K@30 Hz 2D信号输入，以及通过4组LVDS传输线传递4K×2K@30 Hz的多视点合成图像信号或2D图像信号给后端FRC板。

FRC板基于PA168芯片：单颗PA168具有4组LVDS输入接口、支持4K×2K@30 Hz信号输入，能够进行二倍帧频转换；采用两颗PA168,则将4K×2K@30 Hz输入信号四倍频为4K×2K@120 Hz信号输出。FRC板进行帧频转换后，通过16 lanes(或16对) V-by-One传输线输出4K×2K@120 Hz信号；每一对V-by-One传输线速率为74.25 Mpixel/s，16对每秒可传递约12×108个像素，满足4K×2K@120 Hz信号传递要求。

裸眼3D屏采用京东方的HV550QUD：此屏为55 in(1 in=2.54 cm)4K×2K@120 Hz可切换光栅式的裸眼3D屏。

TV SoC板、裸眼3D板和FRC板间通过I2C总线进行通信，裸眼3D屏光栅的开关状态由TV SoC板输出3D控制信号进行控制；以及TV SoC板能够输出音频信号给声音处理部分。

3关键技术

1)视点转换及合成技术

为让观看者在有效视区内不同角度看到3D影像，需要有多个视点图像；而目前绝大部分信号内容为单视点或双视点，视点转换非常必要。同时多个视点图像必须传送至裸眼3D屏对应的物理视点区域，才能正确呈现3D影像，视点合成非常重要。

系统的单视点转多视点及视点合成技术框图如图4所示，包括深度深成和视点合成两部分。首先通过对2D图像色彩、纹理、光影、帧间运动视差等信息进行处理，估算出每个像素点的深度信息；并将像素点的深度信号转换成深度值，按照深度值来绘制出连续平滑的深度图。然后设定不同的虚拟视角位置、以2D图像为参考，根据深度图来生成出虚拟视角位置的视点深度信息，并按照视点深度信号进行渲染(插值、着色等处理)后绘制出虚拟视角位置的视点图像。最后对绘制出的多个(N个)视点图像进行存储、排序，按照裸眼3D屏的物理视点像素排列情况，对N个视点图像进行交织处理，合成一副包含N个视点图像信息的合成图像。

图4　单视点转多视点及视点合成技术框图

在视点转换及合成技术方面，双视点与单视点的主要区别在于深度估算：双视点主要过双视点左右图像中存在的像素点视差来估算像素点深度值，深度估算难度较小、且精度较好。

2)3D格式转换技术

目前3D信源的信号格式主要包括：SbS格式的720p@24/50/60 Hz、1 080p@24/30/50/60 Hz、1 080i@50/60 Hz，TaB格式的720p@24/50/60 Hz、1 080p@24/30/50/60 Hz，Frame-packing 1 080p@24 Hz等。为了提高系统稳定性、系统资源利用效率以及易于商业应用，需要将各种3D信号格式转换为同一格式。

系统的3D格式转换技术框图如图5所示。TV SoC模块对输入的各种格式3D信号进行缩放、插行、帧频转换后，将其转换成1 080p 120 Hz的左右帧序列3D格式输出。

图5　3D格式转换技术框图

3)2D/3D兼容显示技术

2D、3D内容兼容显示是裸眼3D产品规模化商业应用的必备要求。采用固定物理光栅膜的屏障光栅或柱状透镜光栅裸眼3D电视，需要通过复杂的算法生成特定2D图像才能进行正常2D显示，且2D显示的清晰度会显著降低。

系统采用Barrier panel来形成活动光栅，在2D显示时控制Barrier panel关闭则呈现2D影像，且清晰度不降低、可达超高清(3 840×2 160分辨率)显示效果；在3D显示时控制Barrier panel打开形成屏障光栅则3D影像，清晰度可达高清(720p分辨率以上)显示效果。

4应用情况

采用该系统的可切换光栅式裸眼3D电视产品经测试：2D/3D信号播放流畅、兼容2D/3D显示，视点数大于15个、可视角度范围大于120°，2D显示清晰度达到3 840×2 160分辨率、3D时清晰度可达1 080p分辨率；2D显示时基本与Base panel的亮度相同，但3D显示时由于Barrier panel打开对亮度损失较大、亮度偏低，需要增加成本提升Base panel的亮度来提高3D显示的亮度。

5小结

本文提出一种可切换光栅式裸眼3D电视系统的设计，详细阐述了系统原理、硬件及主要关键技术实现。系统可兼容2D/3D显示，具有良好显示效果，能够快速进行规模化商业应用，具有广泛的应用价值。

参考文献:

[1]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.

[2]李应樵. 裸眼3D电视的优势与未来发展 [J]. 电视技术，2014，38(22)：75-77.

[3]姜艳玲，邓彩红，孙站英.裸眼3D视频的教育应用研究[J].电视技术，2015，39(13)：118-121.

徐遥令，硕士，主要从事电视的研究和开发工作；

侯志龙，高级工程师，主要从事电视的研究和开发工作；

吴伟，教授级高工，创维总工程师，主持过多项国家科技支撑计划、核高基重大专项、“863”项目等多个项目；

张曼华，学士，主要从事电视标准化和项目管理工作。

责任编辑：许盈

Design for glasses-free 3D TV system based-on switchable barrier

XU Yaoling，HOU Zhilong, WU Wei, ZHANG Manhua

(ShenzhenChuangwei-RGBElectronicsCo.,Ltd.R&DHeadquarters,GuangdongShenzhen518108,China)

Abstract:The article describes a design for glasses-free 3D TV system based-on switchable barrier. The principle, hardware and key technologies of the system are highlighted. The system can process TV signals into 1 080p@120 Hz image through TV module, and then, generate many viewpoint images and weave them into a 3 840×2 160@30 Hz synthesis image by naked-eye 3D module, finally, increase the frame rate of synthesis image and drive the naked-eye 3D screen to present high-definition 3D display. And, the use of independent barrier panel to form a switching barrier makes the ultra-high resolution 2D display become also possible.

Key words:switchable barrier；glasses-free 3D；TV system；high-definition

中图分类号：TN948

文献标志码:A

DOI：10.16280/j.videoe.2016.05.001

基金项目：国家“863计划”项目(2015AA015905)

作者简介：

收稿日期：2016-03-09

文献引用格式：徐遥令，侯志龙，吴伟，等. 可切换光栅式裸眼3D电视系统的设计 [J].电视技术，2016，40(5)：1-3.

XU Y L，HOU Z L，WU W,et al. Design for glasses-free 3D TV system based-on switchable barrier [J].Video engineering，2016，40(5)：1-3.