专利名称：基于光控时分法的数字立体显示系统及显示方法
基于光控时分法的数字立体显示系统及显示方法
技术领域：
本发明属于立体显示技术，具体涉及一种将光分法与时分法相结合的综合性立体 显示技术。
背景技术：
随着DLP、LED、IXD等技术的发展，视频显示技术正处于不断成熟的阶段，从2008 年末起，平面显示器件因自身在分辨率、色域等方面的局限性，其发展遇到了瓶颈。2009年 底，电影《阿凡达》上映带来的热潮为显示技术指明了未来首选的发展方向——立体显示。目前的三维显示技术共可以分为分光立体眼镜、自动分光立体显示、全息术和体 立体显示4大类。而这4类立体显示技术中最为成熟的是分光立体眼镜法。分光立体眼镜 法是利用佩戴的眼镜对图像进行选择或适配，从视差图像中分选出左、右眼的需要观察的 内容，观众的双眼分别观察到相应的视差图像之后，视觉欺骗效应会在大脑中将两幅附带 视差信息的画面合成为具有视觉深度(即立体感)的图像，从而实现立体显示。根据眼镜 工作原理的差异，可以将分光立体眼镜法细分为色差法、光分法和时分法三类。1、色差法色差法是利用不同颜色(其中最普遍的是红色和蓝色、或者红色和绿色)的影像 重叠，然后使用对应颜色的眼镜来分离过滤重叠影像，达到景深。它具有成本非常低廉的优 势，但视觉效果也非常得差，只应用于一般的玩具、儿童读物。2、光分法光分法，是基于检偏器可以选择透过光线的偏振方向的性质来工作的，在使用时 需要有两台图像输出设备。目前光分法主要应用于影院中立体电影的播放。故此，我们可 以用影院中立体电影播放的原理为例讲解光分法的工作原理。首先不管是光分法还是时分法，其显示的立体图像都是一样的，这种图像均是以 人眼观察景物的方法，利用两台并列安置的摄影机(或相机)，分别代表人的左、右眼，同步 拍摄出两条略带水平视差的画面。光分法在放映时，将对应左、右眼的两条电影影片分别装入左、右投影机中(即图 1中的投影机1和幻，并在放映镜头前分别装置两个偏振方向互成90度的起偏器。两台投 影机需同步运转，同时将画面投放在屏幕上，形成左像和右像的双影。当观众戴上特制的 偏光眼镜时，由于左、右两片偏光眼镜片的偏振轴互相垂直，并与放映镜头前的偏振轴相一 致；致使观众的左眼只能看到左像、右眼只能看到右像，通过双眼汇聚功能将左、右像叠和 在视网膜上，由大脑神经产生三维立体的视觉效果。展现出一幅幅连贯的立体画面，使观众 感到景物扑面而来、或进入屏幕深凹处，能产生强烈的“身临其境”的立体感。光分法中的起偏器和眼镜镜片可以由晶体或者偏振片制成，而屏幕可以是白色漫 射屏或者金属银幕，其中以金属银幕的显示效果为佳。光分法应用广泛，目前绝大部分的立 体影院和立体投影技术都是利用光分法工作的。光分法的偏振眼镜成本低廉(几元至十几 元)，是其主要优势之一。但是，光分法需要两套播放设备的缘故，所以成本高昂，使其应用范围受到很大限制。另外，因为光分法使用偏振方法实现图像信号的区分，所以有大部分的 光会被浪费掉，导致观看的亮度较低。目前，使用光分法的图像亮度仅为相同图像二维显示 时的四分之一到五分之一。3、时分法当立体图像信号通过输出设备(投影仪、显示器、电视等)播放时，图像以帧序列 的格式实现左、右帧交替产生，通过同步信号将这些帧信号传输出去，负责接收的时分眼镜 (目前普遍使用液晶光阀眼镜)在实现信号同步的同时与左、右帧图像进行同步交替开关。 目前时分法具有两大主流技术Nvidia(英伟达)的3D Vision技术和TI (德州仪器)的 DLP Link 技术。3. INvidia 的 3D Vision 技术Nvidia的3D Vision技术是一种需要外置同步信号的立体显示技术。其工作原理 如下图2所示。显示设备负责立体图像信号的播放。该种立体图像信号如图3所示，是由 一系列带有水平视差的左眼图像和右眼图像组成的，这两种图像交替播放，相邻的图像之 间没有时间间隔。在立体图像信号播放的同时，同步信号发射器发出同步信号驱动观察者 佩戴的开关式眼镜工作。当显示设备播放左眼图像时，同步信号发射器发射左眼同步信号。 开关式眼镜接收到同步信号后，驱动左眼的液晶镜片处于通光状态，而驱动右眼的液晶镜 片处于遮光状态，此时观察者仅能从左眼看到立体图像中的左像；当左眼图像播放结束后， 显示设备改为播放右眼图像，此时同步信号发射器则发射右眼同步信号。开关式眼镜接收 到同步信号后，驱动右眼的液晶镜片处于通光状态，而驱动左眼的液晶镜片处于遮光状态， 此时观察者仅能从右眼看到立体图像中的右像。由于，立体图像中左右眼图像的切换速度 很快，短于人眼的响应时间，所以根据人眼的视觉暂留效应，观察者将看到一幅幅连贯的视 差画面，并在大脑神经产生三维立体的视觉效果。3. 2TI 的 DLP Link 技术在上述的Nvidia 3D Vision技术中因为使用了外置的同步信号，所限制观察的距 离和观察的角度。为了解决这个问题，Ti提出了一种不需要外置同步信号的时分立体显示 技术——DLP Link技术。DLP Link技术的工作原理如下图4所示。显示设备不仅要负责立体图像信号的播 放还需要在立体图像中插入灰阶图像。DLP Link技术的立体图像信号如图5所示，是由一 系列带有水平视差的左眼图像、右眼图像及灰阶图像所组成的。左、右眼图像交替播放，但 在相邻的图像之间插入一个灰阶帧，时长约为ans。这个灰阶帧的作用在于提示左、右眼图 像的起始与结束。当显示设备播放左眼图像时，开关式眼镜驱动左眼的液晶镜片处于通光状态，而 驱动右眼的液晶镜片处于遮光状态，此时观察者仅能从左眼看到立体图像中的左像；当左 眼图像播放结束后，显示设备将先播放灰阶图像，此时开关式眼镜中内置的信号探测器感 应到灰阶图像，改变两端镜片的驱动电压，使得左眼的液晶镜片处于遮光状态，而右眼的液 晶镜片处于通光状态。在灰阶图像(ans)播放完毕后，显示设备输出右眼图像，那么观察者 仅能从右眼看到立体图像中的右像。右眼图像播放完毕后，再次播放灰阶图像以驱动眼镜 改变两端镜片的工作状态，使观察者在播放左眼图像的时候观察到立体图像的左像，周而 复此。同样由于立体图像中左右眼图像的切换速度很快，短于人眼的响应时间，所以根据人眼的视觉暂留效应，观察者将看到一幅幅连贯的视差画面，并在大脑神经产生三维立体的 视觉效果。TI的DLP-Link技术目前主要工作载体为投影仪，适用于教学、仿真等图像变化并 不十分剧烈的场合。时分法在保证眼镜接收平均光亮度的同时不会出现颜色偏差，所以是能够带来最 好的立体显示效果的三维显示技术。但是因为液晶光阀眼镜的售价高昂(如Nvidia的配 套眼镜售价在1200元/幅，DLP-Iink的眼镜售价更高达7000元左右)，使时分法现在大范 围推广时遇到困难。目前，光分法与时分法各有所长。时分法立体显示效果最佳，而且仅需一套播放设 备，但是配套的液晶光阀眼镜售价昂贵，而且因为需要同步信号驱动液晶光阀眼镜工作，因 此仅适合少数(最多数人)观众在较近距离使用，不适合观察距离较远及观众人数较多的 场合使用；光分法的眼镜造价低廉，可以扩展至多观众远距离观看的场合，但却需要两套播 放设备，且显示亮度较低。因此，鉴于以上现有的立体成像技术的缺点，提供一种可适合近距离及较多人数 远距离的场合、成本低、成像立体效果强、亮度较高的数字立体显示系统实为必要。
发明内容本发明的目的在于提供一种可适合近距离及较多人数远距离的场合、成本低、成 像立体效果强、亮度较高的基于光控时分法的数字立体显示系统及显示方法。为实现本发明目的，提供以下技术方案本发明基于光控时分法的数字立体显示系统，其包括显示设备、立体图像信号源、 图像信号接收眼镜，该显示设备包括显示屏和旋光器，立体图像信号源向显示设备同时传 送图像信号以及同步信号，该图像信号包括两组交替显示的视差子图像，该旋光器的工作 电压根据同步信号而改变，从而改变通过该旋光器的图像信号的光偏振方向，该图像信号 接收眼镜为左右镜片偏振方向不同的偏振眼镜，透过该偏振眼镜接收该显示设备所显示的 图像，从而合成为具有立体视觉的图像。该旋光器可以选用液晶旋光屏或电光晶体或磁光晶体这些具有偏振方向可控的 物质。电光晶体如磷酸二氢钾、磷酸二氢铵、铌酸锂、钽酸锂等，磁光晶体如石英等。该显示屏可以选用背投显示屏或等离子体显示屏或液晶显示屏或CRT显示屏。优 选的，采用背投技术作为视频信号显示的手段。本发明还提供一种采用所述的数字立体显示系统的基于光控时分法的数字立体 显示方法，其包括如下步骤(1)通过立体图像信号源向显示设备同时传送图像信号以及同步信号，该图像信 号包括两组交替显示的视差子图像；(2)该旋光器根据接收到的同步信号而改变其工作电压，从而改变通过该旋光器 的图像信号的光偏振方向；(3)该图像信号接收眼镜为左右镜片偏振方向不同的偏振眼镜，透过该偏振眼镜 接收该显示设备所显示的图像，从而合成为具有立体视觉的图像。该两组交替显示的视差子图像之间的切换频率为超过120Hz的高频，根据人的视觉暂留效应，人的脑内可将两幅视差图像合成为具有立体视觉的形象。对比现有技术，本发明具有以下优点本发明将光分法与时分法两种技术相结合，扬长避短，在时分法技术的基础上，仅 用一套播放设备并配合液晶旋光技术，控制不同时刻的屏幕上视察图像的偏振状态，再用 廉价的偏振眼镜将所需的视察信号分选出来送入大脑，合成立体图像，以达到显示效果与 系统成本的最优搭配，并具有适合大范围推广的优势。
图1为光分法工作原理图；图2为Nvidia 3D Vision技术工作原理图；图3为Nvidia 3D Vision技术播放立体图像信号结构图；图4为TI DLP-Link技术工作原理图；图5为TI DLP-Link技术播放立体图像信号结构图；图6为本发明光控时分法立体图像显示系统原理图；图7为本发明中播放立体图像信号的原理图；图8为液晶材料的电致旋光效应原理图。
具体实施方式
本发明在背投、等离子体、液晶或者CRT等材质屏幕上基于使用液晶作为旋光器 件，并配合偏振眼镜使用的实现单独屏幕和拼接屏幕(包括连续立体型、连续高清立体型、 环视立体型和俯仰环视立体型)的立体视频显示终端实现方法，它利用光分法和时分法相 结合进行平面、弧面和环形立体显示。本发明是利用光控时分法工作的，其原理如下图6所示，它通过在一个特制的背 投、等离子体或者液晶屏幕上显示立体图像信号V(由两组交替显示的应该分别单独输入 观察者左、右眼的视差子图像VpVdi成，其原理框图如图7所示)；该特制屏幕可实现根据 播放子图像V1I2的切换，随之交替变换输出图像信号的偏振状态。实现这种偏振状态改变 的关键在于屏幕的特殊结构。本发明中使用的屏幕由两部分组成背投、等离子体、液晶或 者CRT等材质的显示屏及液晶旋光屏，其中显示屏负责将所需的立体视频进行显示，而液 晶旋光屏则负责改变图像信号的偏振状态。在播放左眼子图像V1时，图像信号源将信号V1送到显示屏播放的同时发送一个同 步信号到液晶屏，改变液晶屏的工作电压。根据液晶的旋光原理，可以实现子图像V1的光 通过后变为水平方向的偏振光，此时信号V1的偏振方向与观众佩戴的偏振眼镜左镜片相同 但与右镜片的偏振方向正交，观众仅能看到左眼的图像。子图像V1播放完毕后切换到右眼 子图像V2，信号源输出另一个同步信号至液晶屏改变液晶屏幕的驱动电压，使得图像V2通 过液晶屏后的偏振状态变为垂直偏振，与观众佩戴的偏振眼镜左镜片正交但与右镜片的偏 振方向平行，因此与播放信号V1时相反，观众仅能看到左眼的图像。由于视频信号V1和V2之间的切换频率很高(超过120Hz)，以致于人的视觉无法 分辨左、右眼观察到的图像是否是非同一时间播放的，因此根据视觉暂留效应，人的脑内可 将两幅视差图像(分别源自视频信号V1和％)合成为具有立体视觉的形象。
虽然，背投、等离子体、液晶或者CRT屏幕等技术都可以适用在本发明中作为视频 信号显示的设备。但是等离子体、液晶和CRT屏幕是由像素的阵列所组成的，具有固定的排 列方向和一定的行距，因此如果在它们前面再加上实现电致旋光的液晶屏的时候，因为液 晶屏同样也具有某个方向排列，所以容易产生莫尔条纹，造成观看的不适感。而背投技术的 工作原理不具有形成像素间隔的特性，因此不会产生莫尔条纹，推荐使用背投技术作为视 频信号显示的手段。本发明中的液晶屏是核心关键器件，主要是起到根据输入的同步信号改变自身旋 光特性作用。只有利用液晶屏才能将图像从单纯的时分排列朝光控时分排列的方向转变。 在实际情况中，除了液晶具有偏振方向可控的功能外，还有其他物质具有该功能，例如电 光晶体(磷酸二氢钾、磷酸二氢铵、铌酸锂、钽酸锂等)、磁光晶体(如石英)等，但是从优 化的角度而言，液晶可以制作大面积的屏幕，而且半波电压低等优点，更适合本发明中的方 案。本发明中使用的液晶材料是向列相(或称丝状液晶)，向列相没有位置有序性，但 具有方向有序性，分子长轴方向在平均指向一个共同的方向。向列相液晶在应用中有多种 模式，其中一种是扭曲向列型(Twisted Nematic-LCD)模式。在两块具有取向槽的玻璃(互 相错开η/2)之间充入液晶，液晶由于力的作用形成如下排列贴近玻璃的液晶层长轴沿 取向槽排列，中间的液晶层的长轴取向逐渐过渡。可将每一层液晶分子看成一层厚度为液 晶分子线度的双折射波晶片，其光轴与该液晶层中液晶分子长轴的平均取向平行。等效波 晶片的光轴方向逐层旋转。当通过电极给液晶分子施加一定大小的交流电压后，液晶将会发生Fredericks 转变，液晶分子排列发生迁移，从而处于激发态。当外加电压大于临界电压Vth时，液晶分 子长轴将开始倾向电场方向，而当外加电压为2倍Vth左右时，除了在电极面附近的分子以 外，几乎所有分子的长轴都将平行于电场再排列，偏振方向改变η/2。故此，通过电压的控 制可实现光偏振方向的改变。由于液晶材料对于不同颜色相应地具有不同的阈值电压Vth，即要想让背投芯片 反射的红、绿、蓝三原色的光通过液晶后的偏振方向均准确的改变η /2，则需要分别对色轮 处于红、绿、蓝三种颜色的“开”时间下的液晶工作电压进行微调。本发明中的视察图像的 刷新率在120Hz，因此每帧图像的显示时间略多于8ms。考虑到DLP采用三原色时分方式工 作，因此对应于每帧中各种原色的投影时间不到:3ms，所以本发明要求液晶的响应时间不能 慢于各原色在单帧中的投影时间。目前，采用TN面板的民用显示器最快响应速度可达ans， 可见能够满足本发明的要求。以上所述仅为本发明的较佳实施例，本发明的保护范围并不局限于此，任何基于 本发明技术方案上的等效变换均属于本发明保护范围之内。
权利要求
1.一种基于光控时分法的数字立体显示系统，其包括显示设备、立体图像信号源、图像 信号接收眼镜，其特征在于，该显示设备包括显示屏和旋光器，立体图像信号源向显示设备 同时传送图像信号以及同步信号，该图像信号包括两组交替显示的视差子图像，该旋光器 的工作电压根据同步信号而改变，从而改变通过该旋光器的图像信号的光偏振方向，该图 像信号接收眼镜为左右镜片偏振方向不同的偏振眼镜，透过该偏振眼镜接收该显示设备所 显示的图像，从而合成为具有立体视觉的图像。
2.如权利要求1所述的基于光控时分法的数字立体显示系统，其特征在于，该旋光器 为液晶旋光屏或电光晶体或磁光晶体。
3.如权利要求2所述的基于光控时分法的数字立体显示系统，其特征在于，该显示屏 为背投显示屏或等离子体显示屏或液晶显示屏或CRT显示屏。
4.一种采用如权利要求1 3任一项所述的数字立体显示系统的基于光控时分法的数 字立体显示方法，其特征在于，其包括如下步骤(1)通过立体图像信号源向显示设备同时传送图像信号以及同步信号，该图像信号包 括两组交替显示的视差子图像；(2)该旋光器根据接收到的同步信号而改变其工作电压，从而改变通过该旋光器的图 像信号的光偏振方向；(3)该图像信号接收眼镜为左右镜片偏振方向不同的偏振眼镜，透过该偏振眼镜接收 该显示设备所显示的图像，从而合成为具有立体视觉的图像。
5.如权利要求4所述的基于光控时分法的数字立体显示方法，其特征在于，该两组交 替显示的视差子图像之间的切换频率为超过120Hz的高频。
全文摘要
本发明基于光控时分法的数字立体显示系统及显示方法，其包括显示设备、立体图像信号源、图像信号接收眼镜，该显示设备包括显示屏和旋光器，立体图像信号源向显示设备同时传送图像信号以及同步信号，该图像信号包括两组交替显示的视差子图像，该旋光器的工作电压根据同步信号而改变，从而改变通过该旋光器的图像信号的光偏振方向，该图像信号接收眼镜为左右镜片偏振方向不同的偏振眼镜，透过该偏振眼镜接收该显示设备所显示的图像，从而合成为具有立体视觉的图像。本发明具有显示效果好、系统成本低、亮度较高的有益效果，并具有适合大范围推广的优势。
文档编号G02B27/26GK102088615SQ201010535279
公开日2011年6月8日 申请日期2010年11月5日 优先权日2010年11月5日
发明者卢如西, 周建英, 王嘉辉, 王自鑫, 白宝国, 蔡志岗 申请人:中山大学, 广东威创视讯科技股份有限公司