基于双面光栅的LED三维立体显示系统的研制

杨 倩，林志贤，杜世远，郭太良

(福州大学物理与信息工程学院，福建 福州 350002)

责任编辑:许 盈

由于LED显示屏具有亮度高、可视性好、寿命长、环保节能、响应速度快等优点，LED显示屏在户外大型显示、街道广告、公告板等需要大尺寸、高亮度的场合备受青睐［1］，LED显示屏在教育科研、娱乐以及广告宣传等领域有着其他显示技术无法取代的重要地位。同时，LED显示屏也使得户外观看立体显示成为可能，因此将3D(Three Dimensional)显示技术应用到LED显示上已成为LED显示的热点和方向［2］。

现有的LED三维立体显示器主要依赖一些助视设备，如快门式3D－LED，观看者需要佩戴眼镜或头盔才能观看到立体显示效果，这样不仅会对观看者造成不便，而且也不适合户外观看。裸眼LED三维立体显示不需要观看者佩戴头盔或者是眼镜等助视设备就可以实现3D显示，因而非常适合于户外的LED三维立体显示［3］。其中，光栅型3D显示结构简单，性能好，造价低，用户可以按照实际需要随意设计挡光区和透光区的宽度，制作出各种规格的光栅，尤其是可利用拼接技术实现特大尺寸的3D LED 显示［4］。

由于LED显示屏上各个LED显示单元之间上下左右存在倾斜、歪曲，表面凹凸不平等现象，传统的狭缝光栅很难精确对齐，同时会导致3D串扰很大。因此，本文提出了一种新型的双面光栅，通过双面光栅对像素点的矫正，显著减小了3D串扰，提高了3D视觉效果。

1 LED三维立体显示光栅的设计

1.1 狭缝光栅基本结构与工作原理

基于狭缝光栅的LED立体显示的原理如图1所示，狭缝阵列——光栅被置于LED显示屏前方。由于光栅挡光条对光的遮挡作用和光栅透光条对光的透过作用，再结合LED显示屏上与之对应排列的左右视差图像，实现了左右视差图像光线的分离［5］。当观看者处于合适的观看位置，并且LED显示屏奇偶列像素分别显示左右视差图像时，观看者的左眼通过狭缝只能看到左视差图像，右眼通过狭缝只能看到右视差图像，那么，观看者就可以感知到立体图像，实现3D显示［6］。

图1 狭缝光栅LED立体显示原理图

图1中，ZB表示光栅与LED显示屏之间的距离，PD和PB分别表示LED屏像素周期和光栅周期，两视点的间距必须等于瞳孔间距［7］，一般认为是65 mm，此处用PE表示。那么，观看距离ZE可以表示为［8］

光栅的周期PB则可以由瞳孔间距PE和LED屏的像素间距 PD确定［9］，表示为

1.2 双面光栅的设计

在LED显示屏中，多个发光二极管排成阵列形成一个显示平面，或多个LED显示单元拼接形成大面积的显示平面，导致显示屏中各个LED之间或者各个LED显示单元之间上下、左右、前后很难精确对齐，即上下左右出现倾斜、歪曲，表面出现凹凸不平等现象，影响用于分光的光栅的制作和对齐，妨碍了自由立体显示技术在LED显示屏上的应用。

为了克服各个LED之间或者各个LED显示单元之间上下、左右、前后很难精确对齐的缺点，本文提出一种基于LED的双面光栅立体显示装置。双光栅基板包括前光栅和后光栅，其中，后光栅是靠近LED显示屏表面，用于保证组成LED显示屏的每个LED子像素的发光中心点在水平和垂直方向保持一致，前光栅是靠近观看者的光栅，即传统的狭缝光栅，用于立体分光。双面光栅的结构如图2所示。

图2 双面光栅结构示意图

后光栅和前光栅直接加工在一透明基板上的两侧表面形成双光栅基板，该透明基板可以是玻璃、ITO透明玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)。在后光栅中，每个透光区域的中心点与所述LED显示屏上的每个LED子像素的中心点一一对应，且透光区域小于LED子像素发光面积，相邻微孔中的透光区的中心距离等于LED显示屏中相邻LED子像素的中心距离。后光栅有效地规范了LED点之间的像素间距，使得LED点间距为后光栅相邻透光圆孔之间的点间距，避免了由于LED显示屏上像素点间距的误差造成的立体显示时的串扰。前光栅的设计则类似传统狭缝光栅的设计，狭缝光栅的周期可以由式(2)得出，其中LED屏的像素间距PD为后光栅相邻透光圆孔之间的点间距。

实验中，采用48×32的LED显示屏，LED像素点间距为2.54 mm，LED 像素发光点直径为1.98 mm，因此狭缝光栅周期为4.88 mm(可由式(2)得出);双面光栅后光栅圆孔直径设为1 mm，圆孔间距为2.54 mm，双面光栅前光栅周期为4.88 mm，同时，让LED显示屏显示左视差图像为全亮，右视差图像为全暗。图3a和3b分别是通过传统的狭缝光栅看到的左右视差图像，从图中可以看到，由于LED显示屏上各个LED之间或者各个LED显示单元之间上下、左右、前后很难精确对齐，左右视差图像形成严重串扰，看到的左视差图像并不为全亮，右视差图像也并不为全暗;图4a和4b分别是通过双面光栅看到的左右视差图像，从图中可以看到，由于有了后光栅对LED屏像素点的校正，虽然亮度有所减小，但是串扰也明显减少，提高了3D视觉效果。

图3 通过狭缝光栅看到的左右视差图像

图4 通过双面光栅看到的左右视差图像

双面光栅后光栅圆孔直径应该选择在一定的范围内，实验采用像素间距2.54 mm，像素直径1.98 mm的LED显示屏，图5是分别采用后光栅圆孔直径为0.5 mm，1.0 mm，1.5 mm时所看到的左右视差图像。从图中可以看到，若后光栅圆孔直径太大，那么对LED屏像素点校正能力下降，显示效果类似传统狭缝光栅;若后光栅圆孔直径太小，虽然左右视差图像的串扰减少到最小，但是会导致LED屏亮度显著下降，同样不利于3D效果的实现。因此圆孔直径的长度以像素直径的约1/2较合适。

图5 后光栅不同圆孔直径下的左右视差图像

2 双面光栅LED立体显示系统实现

在完成双面光栅设计的基础上，还设计了基于双面光栅的LED三维立体显示系统。整个系统由ARM视频源模块、3D像素预处理模块和FPGA显示控制模块3部分组成，如图6所示。考虑到视频系统数据量大、要求控制速度快、数据处理复杂等特点［10］，系统的主控部分采用ARM+FPGA的硬件构架，并使用ARM系统代替传统LED视频系统中的PC机作为视频源。

图6 LED三维立体显示系统实现框图

嵌入式系统为整个视频LED显示系统提供一个稳定可靠的视频源，以Linux作为操作系统，从而实现操作界面、视频播放和通信接口，3D视频源则存储在系统中的SD存储卡中，同时，此模块为后级提供了视频显示的数据以及 HSYNC(行同步)、VSYNC(帧同步)、VDE(数据使能)和VCLK(时钟)等必要的控制信号［11］。

为了能够在一幅图像中显示出左右视差图像，需要在接收到3D视频源中单独的左右视差图像后将其像素进行重组，合成为一幅适合于双面光栅显示的3D图像。因此加入3D像素预处理模块是必要的，从而使得在LED显示屏上奇(偶)列像素显示左视差图像，偶(奇)列像素显示右视差图像，也即显示屏的奇偶列像素分别显示一对立体图像对中的左右视差图像。

驱动电路模块作为整个系统的核心，采用FPGA负责对显示数据进一步地转换、处理［12］，产生符合LED三维立体显示系统显示屏灰度级显示的数据，送入驱动电路。

本设计采用Samsung S3C2440开发板作为3D视频源，ALTERA公司的EP1C6Q240C8实现3D像素预处理、视频数据的存储和灰度数据的处理，双面光栅基板厚9 mm，后光栅圆孔直径取为1.0 mm，前光栅周期为4.88 mm，前光栅透光狭缝2.54 mm，LED 屏为48×32的双色LED屏，图7为设计完成的双面光栅型LED三维立体显示系统，显示屏播放具有两视点的3D视频，系统最终可以实现较好的3D显示效果。

图7 双面光栅型LED三维立体显示系统

3 结论

本文针对LED显示屏上各个LED之间或者各个LED显示单元之间上下左右出现倾斜、歪曲，表面出现凹凸不平整等现象，导致传统的光栅很难精确对齐、3D串扰很大的问题，提出了一种新型的双面光栅，通过双面光栅后光栅对像素点的矫正，使得双面光栅前光栅能够精确对齐LED上的像素点，显著减小了3D串扰，提高了3D视觉效果。同时，还设计了LED三维立体显示的系统实现方案，整个系统包括ARM视频源模块、3D像素预处理模块和FPGA显示控制模块，通过在LED屏前放置双面光栅，系统最终可以实现较好的3D显示效果。

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