LED自由立体显示系统交错阶梯狭缝光栅的设计

李文华,张志文,孙亚波,赵晓辉,张连水,党伟

(1.河北大学 物理科学与技术学院,河北 保定 071002;2.保定学院 信息技术系,河北 保定 071000)

LED自由立体显示系统交错阶梯狭缝光栅的设计

李文华1,2,张志文1,孙亚波1,赵晓辉1,张连水1,党伟1

(1.河北大学 物理科学与技术学院,河北 保定 071002;2.保定学院 信息技术系,河北 保定 071000)

光栅结构是狭缝光栅式LED自由立体显示系统的核心部分.为了进一步提高狭缝光栅式LED自由立体显示系统的性能,提出了一种交错阶梯狭缝光栅结构设计方法.Tracepro仿真实验表明交错阶梯狭缝光栅能够有效分离不同视点图像,适用于构建狭缝光栅式LED自由立体显示系统.实验结果进一步证实:在莫尔条纹弱化方面,交错阶梯狭缝光栅优于阶梯狭缝光栅;在视点图像间串扰抑制方面,交错阶梯狭缝光栅优于传统倾斜狭缝光栅.

自由立体显示;交错阶梯狭缝光栅;莫尔条纹;串扰

传统图像只是一种二维信息的载体,其表现内容忽略了物体远近等深度信息.立体显示技术在深度信息呈现方面具有独特的优势[1-2].依据具体实现方式,立体显示技术可分为3类,即体三维显示技术[3-4],全息显示技术[5-6]和视差立体显示技术[7-8].由于系统构建复杂,体三维显示技术和全息显示技术目前仍处于实验室研究阶段,未获得广泛应用.相比之下,基于双目视差的立体显示技术发展非常迅速,并实现了相关产品的市场应用,如偏振式立体显示系统、颜色式立体显示系统以及VR(visual reality)眼镜等,但这些立体显示产品均需要观察者佩戴辅助设备,以获得空间立体感,这大大限制了观看者之间的交流和分享感受,同时容易造成视觉疲劳、头晕等身体不适[9].而自由立体显示技术可以使人们获得良好空间立体感,同时摆脱辅助设备的束缚,因此成为立体显示技术领域现阶段的研究和开发热点[10-11]，其中柱透镜光栅LCD液晶自由立体显示技术已经处于市场推广阶段.

受限于LCD液晶显示器加工尺寸和发光亮度2方面因素,LCD液晶显示器主要应用于室内场所.LED显示屏幕则可以实现超大尺寸画面和更高亮度，因此LED显示屏幕在户外应用更加广泛,如户外广告、赛事直播等.随着视差光栅自由立体显示技术的发展和LED屏幕制造工艺的提高,视差光栅式LED自由立体显示技术逐渐成为学界与产业界的共识[12-13].由于LED显示屏幕幅面大,对应的视差光栅一般采用制备技术成熟、成本低廉的狭缝光栅.LED屏幕与狭缝光栅两者按照一定几何关系组成自由立体显示系统,即狭缝光栅式LED自由立体显示系统.当狭缝光栅竖直排列时,容易与周期性排列的LED屏幕像素进行耦合,会产生明显的黑白间变的条纹,即莫尔条纹.莫尔条纹会影响图像立体显示质量[14],因此是评价狭缝光栅式自由立体显示系统的一个重要指标.将狭缝光栅相对LED屏幕倾斜放置(下称倾斜狭缝光栅)可以减弱莫尔条纹的影响,但却增加了不同视点图像间的串扰,同样会影响图像的空间立体感[15].在倾斜狭缝光栅基础上提出的阶梯狭缝光栅,理论上则能兼顾莫尔条纹弱化与视点图像间的串扰抑制两方面需求.对于狭缝光栅式LCD液晶立体显示系统,使用阶梯狭缝光栅结构可以获得明显优于倾斜狭缝光栅的立体显示效果[16].但对于LED屏幕而言,基于阶梯狭缝光栅的立体显示系统莫尔条纹现象严重,且不能通过改变光栅倾斜角度克服，这可能是LED屏幕像素发光面积填充比低,灯芯排布不均匀所致，因此需要发展与LED屏幕适合的狭缝光栅设计方案,以提高图像的立体显示效果.

本文针对LED屏幕,设计了一种交错阶梯狭缝光栅用于LED自由立体显示系统,并仿真和测量了交错阶梯狭缝光栅对不同视点图像的分光效果.实验结果表明,交错阶梯狭缝光栅可以很好地分离不同视点的图像,并兼顾了莫尔条纹弱化与视点图像间串扰抑制,具有非常强的实用价值.

1 交错阶梯狭缝光栅的设计与仿真

1.1 狭缝光栅式自由立体显示原理

狭缝光栅式自由立体显示系统是基于人类的双目视差机制,即当外界物体在双眼视网膜上成像,经过大脑视觉中枢把双眼视觉信号分析并综合成一个完整的具有立体感的视觉信息的生理现象[11].狭缝光栅式自由立体显示系统使观众获得空间立体感必须满足2个条件：第一,左右双眼观察到的图像必须具有微小差别,且这些差别必须符合人眼观看外界事物时左右眼图像之间自然的差别;第二,左右眼之间相互独立的观察两路图像,即左眼图像只被左眼接收,而右眼图像只被右眼接收.图1为双视点狭缝光栅式自由立体显示系统结构示意图，其中Wp为显示屏像素宽度,Ww狭缝光栅透光条宽度,Wb狭缝光栅挡光条宽度,狭缝光栅周期为

Ws=Ww+Wb，

(1)

D为狭缝光栅与显示屏之间距离,L观察距离,Q人眼瞳孔距离65 mm.基于三角形相似性原理,得出

(2)

确定狭缝光栅的周期为

(3)

其中k为视点数.狭缝光栅透光条宽度占光栅周期的1/k或略小[17],具体数值由不同视点图像间串扰决定.

1.2 交错阶梯狭缝光栅结构设计

图2a为LED屏幕像素分布示意图,其中左上角方框所围区域代表一个全像素.每个全像素内包含红色R、绿色G、蓝色B 3个子像素自上而下排列.由图中还可以看出,R、G、B 3个子像素占全像素面积较小且空间上集中于全像素的中心,因此每个全像素内存在较大比例的黑色区域.LED屏幕的像素分布特点使得屏幕黑色区域与竖直狭缝光栅耦合产生黑白色莫尔条纹.为了减弱莫尔条纹影响,可以将狭缝光栅相对于LED屏幕倾斜放置,如图2b所示.图2b中深色区域代表该狭缝光栅透光条,浅色区域代表狭缝光栅挡光条,光栅的倾斜角度为α.1～6表示观察者透过狭缝看到的子像素.在狭缝光栅LED自由立体显示系统中,LED屏幕须显示由多幅视差图像合成产生的立体合成图像.以子像素1～6为例,根据它们距离最近光栅周期(一个透光条与一个挡光条)的左边沿的距离判别其属于哪一幅视差图像[18].从图2b中可以看出,子像素1～6距离光栅周期左边沿距离不同,则它们将被判别为来自2幅不同的视差图像.相应在立体合成图像中,子像素1～6将显示2幅视差图像的信息.因此,观察者将通过狭缝看到2幅不同的视差图像信息,即增加了显示系统不同视点图像间的串扰,影响了立体显示效果.

图1 狭缝光栅式自由立体显示系统结构Fig.1 Schematic setup of parallax barrier autostereoscopic display system

a.LED屏幕像素分布; b.倾斜狭缝光栅结构.图2 LED屏幕像素与倾斜狭缝光栅的空间位置关系Fig.2 Spatial relationship between pixels of LED screen and slanted parallax barrier

阶梯狭缝光栅的设计方案理论上则能够同时兼顾莫尔条纹弱化以及视差图像间串扰抑制,如图3a所示.α为阶梯狭缝光栅的倾斜角度,h为阶梯狭缝光栅单元高度,s为阶梯狭缝光栅偏移量.阶梯狭缝光栅的透光条宽度、周期宽度与传统倾斜狭缝光栅的设计方案相同.

(4)

(5)

以视点数k=4,子像素间距Wp=0.555 mm,光栅倾斜角度α=13°为例，Q=65/3 mm,s=0.542 mm,h=2.348 mm.根据图3a所示,子像素1～4距离光栅周期左边沿距离均相等,因此它们将被判别为显示同一视差图像,从而减弱自由立体显示系统视差图像间串扰，但实际运用中发现阶梯狭缝光栅LED自由立体显示系统莫尔条纹现象严重,详见下文.

莫尔条纹是光栅周期与LED屏幕子像素周期耦合形成的.由图2a可以看出LED屏幕子像素分布不均匀,填充比小，因此本文将通过细化阶梯狭缝光栅来削弱莫尔条纹，具体方案为,保持阶梯狭缝光栅的倾斜角度、透光条宽度、光栅周期不变,将每个阶梯狭缝光栅单元在竖直方向上分为N个次单元,且使相邻2个次单元在水平方向上相互交错.相应每个次单元的高度h′为

(6)

相邻2个单元的偏移量s′为

(7)

并且光栅倾斜角度α满足

(8)

本文将上述新型光栅称为交错阶梯狭缝光栅.根据设计方案可知,交错阶梯狭缝光栅介于传统倾斜狭缝光栅和阶梯狭缝光栅之间.当N=1时,交错阶梯狭缝光栅过渡为阶梯狭缝光栅;当N趋向于∞时,交错阶梯狭缝光栅过渡为传统倾斜狭缝光栅.随着N值的增加,不同视点图像间串扰会相应增加.综合考虑莫尔条纹和视点图像间串扰2方面的因素,本文选取N=2设计方案,如图3b所示.

a.阶梯狭缝光栅；b.交错阶梯狭缝光栅.图3 阶梯狭缝光栅和交错阶梯狭缝光栅结构对比.Fig.3 Comparisons of step parallax barrier structure with staggered step parallax barrier structure

为了直观上验证上述交错阶梯狭缝光栅对不同视点图像的分光效果,本文利用Tracepro软件对交错阶梯狭缝光栅LED自由立体显示系统进行了仿真实验.仿真模型设定LED子像素竖直排列,竖直方向2灯芯距离0.555 mm,水平方向2灯芯距离1.667 mm,灯芯发光面积0.333 mm×0.333 mm.选取4幅视差图像,分辨率均为640×360,其中视图1、3、4为全白视图,视图2为全黑视图.根据4幅视差图像,以及通用的图像处理方法[18-19],产生立体合成视图.选取其中的5行12列全像素作为仿真图像,并根据仿真图像的每个子像素灰度值构建5行12列光源阵列.利用公式(3)～(8)，确定N=2、k=4条件下交错阶梯狭缝光栅几何参数Ww=0.542 mm,Ws=2.167 mm,α=13°，h′=1.174 mm,s′=0.271 mm.在光源模型前130 mm处构建光栅模型.根据公式(2)可知,在距离屏幕5 200 mm处为最佳观看平面.由于Tracepro软件采用非序列追光,因此代表子像素的每颗灯芯光线数均设置为20 000条,以保证仿真结果的可靠性.图4为在观察平面上600 mm×30 mm区域内光强分布.仿真模型中设置视图1、3、4为全白视图,视图2为全黑视图.在观察平面水平方向上视点分布为‘4’、‘3’、‘2’、‘1’、‘4’ ‘3’、‘2’、‘1’,则对应的光强分布为亮、亮、暗、亮、亮、亮、暗、亮分布.因此理论上在观察平面,亮区域宽度为暗区域宽度的3倍,相邻2个暗区间距离为86.7 mm.图4能够很好地展示这些特点,说明本文提出的交错阶梯狭缝光栅可以用于构建LED屏幕自由立体显示系统.

2 实验结果

为更加详细表征交错阶梯狭缝光栅的性能,本文分别搭建了基于传统倾斜狭缝光栅、交错阶梯狭缝光栅、阶梯狭缝光栅的3种LED自由立体显示系统.3种光栅结构分别通过激光打印技术在菲林片基上制备,面积1 100 mm×800 mm.LED屏幕采用小间距LED模组(北京神州科鹰技术有限公司King-N1.66型,像素间距1.667 mm,分辨率240×180)构成.将倾斜狭缝光栅、交错阶梯狭缝光栅、阶梯狭缝光栅分别裱贴在钢化超白玻璃(10 mm厚)表面,然后安装在LED屏幕前130 mm处.在理论最佳观察距离5 200 mm处分别检测上述3种系统对应的莫尔条纹分布,并比较倾斜狭缝光栅与交错阶梯狭缝光栅的分光效果.

2.1 莫尔条纹分布分析

将LED屏幕设为莫尔条纹最为敏感的全白背景,利用CCD相机(Canon EOS 5D Mark II,光圈f/4.5 曝光时间1/100 s,ISO-100,分辨率5 616×3 744)分别拍摄使用3种光栅结构的LED自由立体显示系统的莫尔条纹分布,其局部截取如图5所示.

图4 四视点交错阶梯狭缝光栅LED自由立体显示系统性能仿真Fig.4 Simulation for staggered step parallax barrier LED autostereoscopic display system of four viewpoints

a.倾斜狭缝光栅莫尔条纹； b.交错阶梯狭缝光栅莫尔条纹；c.阶梯狭缝光栅莫尔条纹.图5 3种光栅结构对应的莫尔条纹Fig.5 Moire fringes for three parallax barrier structures

由图5可以看出,倾斜狭缝光栅的莫尔条纹分布最均匀，交错阶梯狭缝光栅的莫尔条纹表现为水平方向窄的色带,且色带分布较紧密，而阶梯狭缝光栅的莫尔条纹表现水平方向相间分布的宽彩色条纹.需要特别说明,这里莫尔条纹是通过高性能相机拍摄,因此莫尔条纹的细节部分非常清楚.受人眼分辨能力的限制,在距离屏幕5 200 mm处观察者并不能明显感知交错阶梯狭缝光栅的莫尔条纹分布，而阶梯狭缝光栅的莫尔条纹可以被观察平面处人眼感知,会损害图像的空间立体感.由此可知,在莫尔条纹弱化方面,交错阶梯狭缝光栅略逊色于倾斜狭缝光栅,但远远优于阶梯狭缝光栅.

2.2 交错阶梯狭缝光栅抑制视点图像间串扰分析

本节将对交错阶梯狭缝光栅抑制视点图像间串扰能力作进一步分析.选择3白1黑4幅视差图像生成立体合成视图作为LED屏幕显示背景,倾斜狭缝光栅LED自由立体显示系统与交错阶梯狭缝光栅自由立体显示系统在最佳观察平面均表现出亮、亮、暗、亮、亮、亮、暗、亮光强分布特点.在光强暗区利用CCD相机模拟人眼对2种LED自由立体显示系统进行拍照,所得画面如图6所示.对于交错阶梯狭缝光栅,其画面为较均匀的暗灰色(图6a),说明全黑视图视区受周围全白视图的干扰小，而倾斜狭缝光栅对应的画面暗区较小(图6b),且画面上有明显彩色区域，这说明当采用倾斜狭缝光栅时,全黑视图的视区明显受到了周围全白视图的干扰.为了进一步对交错阶梯狭缝光栅抑制视点图像间串扰能力进行说明，本文利用Si光电二极管(Thorlabs PDA-36A)、数字源表(Keithley2 400)以及电动平移台组成了光强测量装置，利用该光强测量装置,表征交错阶梯狭缝光栅LED自由立体显示系统与倾斜狭缝光栅LED自由立体显示系统在观察平面上的光强分布,如图7所示.图7纵坐标为光电二极管输出的电压幅度,能够反映光强度.由图7可以看出,对于2种自由立体显示系统,观察位置处水平方向上高光强区域明显较低光强区域宽,且相邻2个暗区相距约86.7 mm与理论值相符.对比2种系统的光强分布可知,当采用交错阶梯狭缝光栅时,高光强区域光强值更大,低光强区域光强值更小.这表明交错阶梯狭缝光栅能够更好地抑制全黑视图与周围全白视图之间的串扰.定义观察平面上光强的最大值与最小值之比为自由立体显示系统的对比度.当采用倾斜狭缝光栅时,自由立体显示系统的对比度为1.63.采用交错阶梯狭缝光栅时,自由立体显示系统的对比度为1.84.交错阶梯狭缝光栅LED自由立体显示系统的对比度较传统倾斜狭缝光栅LED自由立体显示系统提高约12.9%.

a.交错阶梯狭缝光栅；b.倾斜狭缝光栅.图6 LED自由立体显示系统暗视区画面Fig.6 Images of dark-region LED autostereoscopic display system

图7 交错阶梯狭缝光栅(staggered step)与倾斜狭缝光栅(slant)对应的光强分布Fig.7 Luminous-intensity distributions for staggered step parallax barrier and slanted parallax barrier

3 结论

本文对狭缝光栅式LED自由立体显示系统的光栅结构进行了设计.在传统倾斜狭缝光栅、阶梯狭缝光栅的基础上设计了交错阶梯狭缝光栅,同时比较分析了基于倾斜狭缝光栅、交错阶梯狭缝光栅、阶梯狭缝光栅结构的3种LED自由立体显示系统的莫尔条纹分布和视点图像间串扰.在莫尔条纹方面,相对于阶梯狭缝光栅LED自由立体显示系统,交错阶梯狭缝光栅LED自由立体显示系统能够明显弱化莫尔条纹.在抑制视点图像间串扰方面,交错阶梯狭缝光栅LED自由立体显示系统明显优于倾斜狭缝光栅LED自由立体显示系统.交错阶梯狭缝光栅结构兼顾了莫尔条纹弱化和视点图像间串扰抑制2方面的要求,具有非常强的实用性.

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DesignofstaggeredstepparallaxbarrierforLEDautostereoscopicdisplaysystem

LIWenhua1,2，ZHANGZhiwen1，SUNYabo1，ZHAOXiaohui1，ZHANGLianshui1，DANGWei1

(1.College of Physics Science and Technology，Hebei University，Baoding 071002，China; 2.Department of Information Technology，Baoding University，Baoding 071000，China )

The structure of parallax barrier is the key part of parallax barrier LED autostereoscopic display system.A new staggered step parallax barrier was designed to improve the performance of parallax barrier LED autostereoscopic display system.Simulation results by Tracepro software show staggered step parallax barrier can effectively separate images from different viewpoints，and fit to the setup of parallax barrier LED autostereoscopic display system.Experimental results also verify that staggered step parallax barrier can balance the Moire fringe minimization and suppression of the crosstalk of images from different viewpoints.With respect to Moire fringe，the performance of staggered step parallax barrier is better than that of traditional step parallax barrier.With respect to crosstalk suppression，the performance of staggered step parallax barrier is better than that of slanted parallax barrier.

autostereoscopic display system; staggered step parallax barrier; Moire fringe; crosstalk

10.3969/j.issn.1000-1565.2017.06.004

2017-08-02

河北省高等学校科学技术研究项目(ZD2017102)；河北大学自然科学研究计划项目(799207217047)；保定市科技支撑计划项目(17ZG011)

李文华 (1980—),男,河北保定人,河北大学在读硕士研究生,保定学院实验师. E-mail:taimangli@126.com

党伟(1981—),男,河北唐山人,河北大学副教授,博士,主要从事LED自由立体显示技术研究与应用.

E-mail:dangwei@hbu.edu.cn

TN27

A

1000-1565(2017)06-0577-07

孟素兰)