基于双层屏幕的防窥可切换显示技术

陈寅伟，闫桂新，楚明磊，禹 璐，桑 建

(北京京东方显示技术有限公司，北京 100176)

1 引 言

随着移动显示设备的发展，如智能手机，笔记本电脑，平板电脑等，人们在公共场所使用显示设备更加频繁，从而导致个人信息泄露的风险越来越大。如何实现普通显示模式同时具有防窥显示切换功能的显示解决方案成为一个显示应用需求的研究方向[1-2]。

目前普遍采用的防窥膜片方案，因为其光学结构的限制会造成屏幕透光率损失，通常情况下亮度会下降将近50%，为达到正常显示的亮度，则需要加大屏幕背光功耗。而由于移动显示设备对运行功耗都会有严格的要求，难以为实现防窥而牺牲使用时间，同时由于防窥膜片的不可切换性，也会造成很多应用场景使用不方便，因此防窥膜片无法在移动显示设备大规模推广使用。Aguinaga[3]等人利用智能手机传感器和矩阵条形码技术对敏感信息进行安全编码，在应急响应时可以启动紧急扫描方案，提供信息的同时也保护了个人隐私。Robinson[4]利用光学堆栈理论，使用方向背光控制屏幕的亮度和对比度，通过延迟堆栈和液晶像素偏置电压达到隐私显示的效果，但是只有一小块区域呈现白色模糊效果，并不能从整体上达到防窥效果。realD[5]公司提出一种利用IBT背光加ECB模式液晶分布方式进行防窥的技术方案，实现了一定程度的视角遮蔽效果。根据各种文献中现有人们提出的可切换方案多是采用增加一层可控结构功能层，对大视角出射的光线进行干扰，达到降低该方向亮度，对比度，清晰度等显示性能的方法来实现[6-7]。从防窥性能对比看出，虽然亮度是一个容易控制的光学量，但是若要实现良好防窥效果，对亮度控制的要求很高，实现难度较大。而通过造成图像信息混乱实现防窥显示不失为一种可行方案。

本文中采用双层液晶屏幕显示模组结合像素灰阶调整算法达成防窥显示目的，同时具有防窥及共享显示模式可切换功能且共享显示下无明显亮度损失，具有良好的市场应用性。

2 光场叠加理论模型分析

本论文中的双层屏幕防窥方案采用光场分布原理建立理论分析模型，分析双层光空间调制器件对由面光源发出的空间光线进行叠加调制的作用。光场原理最早由Gershun[8]在1936年提出，用于描述光在三维空间中的辐射传输特性。同时国内也有开发人员采用光场分析图像空间分布的问题[9]。本文根据上述理论得出双层屏幕的空间光场强度分布以及防窥视角范围等器件性能参数。

2.1 光场参数化

在光场理论中可采用双平面法[10]来对光场分布信息进行参数化，即设定光场表示为E(u，v，s，t)，其中g(u，v)，h(s，t)分别表示光线在两个平面上的交点坐标，即一条有方向的光线可以被表示为连接uv及st平面上任意两个点确定的线，如图1所示。

图1 光场信息参数化Fig.1 Ligting field information parameterization

假设F代表显示屏幕到人眼的距离，则人眼所在位置(x，y)处的光照度来自于整个空间光线在(x，y)处的积分，为

(1)

其中：θ为光线L(u，v，s，t)与(u，v)面法线的夹角[11]。

通过给出任一光线的参数表示，则可以计算出空间光场分布的情况，由于双层屏幕各个像素点对光线的调制作用，可设计得到不同的光场信息空间叠加情况，从而达到特定的亮度和色度分布效果。

2.2 双屏幕光场叠加模型

本论文中双层屏幕光场分布模型，即可认为双层屏幕的双图像内容在实际空间中实现调制，为达成防窥显示效果，定义防窥视角为以法线为中心，±30°以内角度为正常显示，±30°以外角度范围为图像防窥显示。

正常显示图像表示为：

E(x’，y’)=g(u，v)*h(s，t).

(2)

不同视角下图像表示为：

E’(x’，y’)=g(u，v)*h(s+m，t)，

(3)

其中:g(u，v)为Panel1上某像素的亮度，h(s，t)为Panel2上某像素的亮度，m为相差θ视角所对应的像素值。同时根据LCD屏幕像素灰阶特性，在进行函数附值时，g(u,v)、h(x，y)的取值均满足2n整数阶，通常n=8或者10；并定义图像差异判定函数SSIM[12]，用于评价防窥视角下屏幕显示内容的差别，其数值越小，说明该视角的防窥效果越好。

SSIM=F(E(x’，y’)，E’(x’，y’))，

(4)

其具体算法如图2所示，通过上述判定函数的计算结果量化得到不同视角观看图像和正视图像的差别，作为防窥效果评价方式。

图2 SSIM图像差异计算流程图Fig.2 Flow chart of SSIM calculation processing

本文中所采用的双层屏幕显示单元分别为RGB子像素和灰阶像素，因此观看者从不同视角除了感受到像素灰阶值差异，还会感受到像素色彩差异，本文中仅讨论亮度叠加造成的防窥效果。

3 双图像生成算法研究

3.1 双图像防窥目标设定

我们假设上层屏幕图像为Ifore(x,y)，下层屏幕图像为Ibear(x,y)。正面观看屏幕时看到的图像为Ifront(x,y)，侧面看到的图像为Iside(x,y)。我们的目的是尽量扩大Iside(x,y)和Ifront(x,y)的差别以达到防窥效果。本文采用的一种生成防窥目标图像的方法为Hilbert置乱，所采用的原始图像和防窥目标图像如图3所示。

图3 测试图像及防窥目标图像Fig.3 Test image and privacy image

3.2 图像分解算法

根据双层屏幕的所满足的光场叠加性，得到如下像素赋值计算公式：

(5)

(6)

同时为了解决小数问题，我们将算法1中的计算数域限制在整数域内。为了实现原始图像在整数域的分解，需要将原始图像的像素值稍微做一下处理。设置一个临界值α，大于α的像素值均需要映射到最近的合数。并且合数的分解因子也不能大于α。对于原始图像而言，像素值的范围是[0,255]，因此可构造出这个范围内的合数集合，

S={s1,s2,...,sN},N<255，s<α，

(7)

构造合数映射函数，对于I(x,y)上的任一元素p(i,j)，都有一合数与之对应，表示为

(8)

进一步可得到整幅图像的合数映射图像

I′(x,y)=F(I(x,y))，

(9)

上述算法中计算前后屏图像的方式并不能保证每次都会得到整数结果。在迭代计算过程中每对前后屏图像上的像素值都会计算两次，相邻像素需要同时满足公式(5)、(6)所代表的原图像和防窥目标图像，这是不可能得到结果的。因此，在正视和侧视两种情况下，既要满足正视的原始图像，又要满足侧视的防窥图像，在理论上是很困难的。

3.3 图像仿真结果

根据上述算法对本文中双层屏幕防窥效果进行仿真验证。根据不同图像拆分算法，可得到多种双屏图像组合及其叠加结果。为了判别最终的防窥效果，计算图像质量评价SSIM(结构相似性)，得到侧视图与原始图像的相似度的量化值。在算法中通过改变计算参量R值，得到不同SSIM值及图像效果，如图4所示。为平衡侧视防窥效果和原图像内容的完整，可选出最佳的R值。

图4 改进算法分解结果对比Fig.4 Comparison of image chaosed by decomposition algorithm setting

4 硬件架构

4.1 器件结构堆叠

双层屏幕模组堆叠结构如图5所示。采用光扩散层结构是为了解决因上下层显示屏幕像素周期相似而可能产生的摩尔纹问题。

1.上偏光片，2.RGB像素显示Cell1，3.光扩散层(带胶)，4中层偏光片，5.单色灰阶显示Cell2，6.下偏光片，7.高亮度背光模块以及8.驱动IC组成。图5 Dual cell模组结构堆叠Fig.5 Stack structure of dual cell module

4.2 驱动电路设计

本方案通过驱动电路生成不同的显示信号来实现防窥和共享模式的切换。具体工作流程如图6所示。当工作在防窥模式时，信号转换板上的FPGA芯片按照防窥图像生成算法产生帧同步双屏信号。由SOC输出2K 60 Hz信号传输至信号处理模块，由图像拆分算法计算得出display cell和mono cell的显示信号并储存至寄存器中，再由时序电路将上述两者信号进行同步传输至tcon 1和tcon 2，从而完成防窥信号生成和传输。

当工作在共享模式时，驱动板将SOC给出的显示信号直接传输至Tcon 1来驱动Display cell进行显示，并使得Tcon 2驱动mono cell全部像素显示高亮灰阶值L255。

图6 驱动方案流程图Fig.6 Flow chart of driving scheme

5 实际样品验证

本论文中所采用的双层屏幕模组为69 cm(27 in)，其中上层屏幕分辨率为3 840×2 160，下层屏幕为1 920×1 080。为保证上下屏幕像素准确对位，进行贴合时控制贴合精度在±10 μm以内。所用69 cm(27 in)双层屏幕的参数如表1所示。

表1 双层屏幕模组参数Tab.1 Specification of dual cell LCD module

实验验证中所用测试图像和正视角和侧视角显示效果如图7所示。其中(a)为原始图像，格式为512×512 8 bit灰阶图像，(b)为0°视角图像，(c)为45°视角图像，比较可看出0°视角图像基本类似原图像内容，但色彩深度有所下降，45°侧视图像含有明显信息扰乱，达到防窥显示效果。

图7 不同视角得到的图像效果Fig.7 Image in different view

为比较采用不同初始值参数得到的不同视角防窥效果差异，我们绘制出SSIM随视角变化曲线，如表2所示。其中SSIM 1，SSIM 2和SSIM3分别表示不同初始值的情况。从表中可以看出当观看角度大于36.5°时，SSIM值明显下降能获得明显防窥视效果。同时结合实际样机防窥观看效果，在视角大于45°时，图像混乱状态明显，具有较好的防窥显示效果。

图8 SSIM随视角的变化量Fig.8 SSIM results in different view angle

从实验结果来看，0°角图像有明显画质下降，分析造成该问题的主要因素有两个：光扩散层的雾度偏大对光线散射明显干扰双层液晶盒像素的对应关系；双层液晶盒的对应像素在XY面存在一定位置偏差。后续的改善方案包括调整光扩散膜雾度设定和提升双液晶盒贴合工艺的对位精度要求。

6 结 论

本文提出了一种采用双层显示屏幕架构的防窥显示方案。通过光场分析和图像拆分算法的开发，可实现对不同视角空间时显示内容进行干扰达成防窥目的。同时通过驱动控制可灵活切换共享显示和防窥显示模式，满足多种使用场景的显示需求。通过实际搭建的双层屏幕模组样品，验证了本方案在45°视角以上位置具有明显防窥性。本文中所述双层屏幕的结构方案组件结构紧凑，具有良好的量产可行性。