裸眼三维显示器、抬头显示系统及其实现方法与流程

本发明涉及抬头显示系统技术领域，具体涉及一种裸眼三维显示器，抬头显示系统及其实现方法。

背景技术：

抬头显示系统(headupdisplay，简称hud)可以将信息投放在车辆的前挡风玻璃上，最初被使用在战斗机当中。由于其便利性且可同时获取车辆的信息和车外信息。自2000年开始被使用在一些高档的汽车当中，现在常见的hud实现方案都是利用前挡风玻璃的反射，将二维图像投影在车辆的前挡风玻璃上，也有一种基于移动智能终端(如手机)的hud实现方案，该方案将手机放在汽车油表盘上利用挡风玻璃的反射实现信息显示。

但是，现有hud实现方案所成的像(即成像位置在前挡风玻璃上)都离驾驶员较近且距离不可变化。这样，当驾驶员的眼睛看hud显示的信息的时候，眼睛会聚焦在距自己较近的地方，导致驾驶员对前方远处出现的紧急情况的反应时间被延长，危及行车安全。

技术实现要素：

本发明提供了一种裸眼三维显示器，基于裸眼三维显示器的抬头显示系统以及抬头显示系统的实现方法，以解决现有的抬头显示系统成像距离驾驶员较近并且距离固定，危及行车安全的问题。

根据本发明的一个方面，提供了一种裸眼三维显示器，该裸眼三维显示器包括：液晶光栅面板，以及设置在液晶光栅面板之上的用于显示图像的液晶显示面板，

液晶光栅面板和液晶显示面板之间还设置有光扩散板，

光扩散板的扩散方向与液晶显示面板的红绿蓝rgb子像素的排列方向一致，

液晶显示面板的红绿蓝rgb子像素的排列方向是与水平方向正交的竖直方向，

水平方向是与用户视线平行的方向。

根据本发明的另一个方面，提供了一种抬头显示系统，应用于车辆上，

抬头显示系统包括：处理器，采集器以及如本发明的一个方面的裸眼三维显示器，

裸眼三维显示器，放置在车辆的前挡风玻璃之下，

采集器，放置在车辆的驾驶员的前方，

采集器实时采集车辆的驾驶员的左眼和右眼分别对应的空间坐标值以及生物特征信息，将空间坐标值以及生物特征信息发送至处理器，

处理器，用于生成对应左眼视角的第一图像和对应右眼视角的第二图像，并根据空间坐标值，生物特征信息以及采集器到由车辆的前挡风玻璃反射形成的虚像面的距离计算对应显示第一图像和第二图像的裸眼三维显示器上的位置信息，将第一图像、第二图像和对应的位置信息发送至裸眼三维显示器；

裸眼三维显示器，用于在裸眼三维显示器上对应的位置显示第一图像和第二图像，以在车辆的驾驶员的前方形成对应驾驶员注视深度的立体像。

根据本发明的又一个方面，提供了一种抬头显示系统的实现方法，包括：

利用放置在车辆的驾驶员前方并与驾驶员的采集器，实时采集车辆的驾驶员的左眼和右眼分别对应的空间坐标值和生物特征信息，将空间坐标值和生物特征信息发送至处理器；

利用处理器，生成对应左眼视角的第一图像和对应右眼视角的第二图像，并根据空间坐标值，生物特征信息以及采集器到由车辆的前挡风玻璃反射形成的虚像面的距离计算对应显示第一图像和第二图像的裸眼三维显示器上的位置信息，将第一图像、第二图像和对应的位置信息发送至裸眼三维显示器；其中，裸眼三维显示器放置在前挡风玻璃之下，

利用裸眼三维显示器，接收第一图像、第二图像和对应的位置信息，并在该裸眼三维显示器上对应的位置显示第一图像和第二图像，以在车辆的驾驶员的前方形成对应驾驶员的注视深度的立体像。

本发明的有益效果是：本发明实施例的裸眼三维显示器，包括两个液晶面板，一个是显示图像的液晶显示面板，另一个是用于产生视差的液晶光栅面板，并且液晶显示面板设置在液晶光栅面板之上，进一步地，在液晶光栅面板和液晶显示面板之间设置光扩散板，对光扩散板的扩散方向进行特别设计，即，将光扩散板的扩散方向设计成与液晶显示面板的红绿蓝rgb子像素的排列方向一致，从而避免了当把液晶光栅面板和液晶显示面板平行安装用于显示时，莫尔条纹的产生，提高了显示画质本实施例的抬头显示系统由于采用本发明实施例的裸眼三维显示器，并实时采集车辆的驾驶员眼睛的空间坐标值以及生物特征信息，根据实时采集的驾驶员的眼睛的信息计算对应显示图像的裸眼三维显示器上的位置信息，并控制图像在裸眼三维显示器的相应位置处进行显示，从而能够根据用户眼睛的移动实时调整图像显示位置；结合采集的驾驶员的生物特征信息，在用户视线前方相应深度形成立体像，解决了现有技术中成像距离近并且距离固定危及行车安全的问题，缩短了驾驶员的反应时间，提高了行车的安全性和用户的满意度。

附图说明

图1是本发明一个实施例的裸眼三维显示器的结构示意图；

图2至图5是本发明一个实施例的裸眼三维显示器的四种工作模式的示意图；

图6本发明一个实施例的抬头显示系统的侧视示意图；

图7是本发明一个实施例的抬头显示系统的俯视示意图；

图8是本发明一个实施例的抬头显示系统的框图。

具体实施方式

随着智能硬件的发展，hud被赋予了新的要求，用户(本实施例的用户指的是车辆的驾驶员)希望通过hud不仅显示速度，油表等车辆的基本信息，还可以显示更多的信息。为满足这一需求，hud显示的范围就要更大。而根据现有的投影式hud，如果要实现较大的显示画面就需要一定长度的投影距离，这在空间很小的车辆中是很难实现的。针对这一问题，本实施例提出利用裸眼三维显示技术来实现hud。

裸眼三维显示技术主要包括两种，一种是视差屏障式，这种技术的实现原理是利用光栅将显示器中显示左眼视角图像的像素遮蔽住不被右眼看到，并将显示右眼视角图像的像素遮蔽住不被左眼看到，由于人类双眼相距一定的距离，因此在观看景物时会出现双眼视差，左右眼视差图传送到人脑后，人脑将这两个图像合成得到有深度信息的立体影像。另一种是柱状透镜式，这种技术的原理是在显示器上放置一片柱状凸透镜数组，其中的一些凸透镜对应到左眼视角图像的像素，另一些凸透镜对应到右眼视角图像的像素，利用这些凸透镜分别将左眼视角图像的像素折射到左眼，右眼视角图像的像素折射到右眼，以产生立体视觉的效果。本实施例的裸眼三维显示器是基于视差屏障式技术实现的，具体的本实施例提供了一种裸眼三维显示器，并提供了基于这种裸眼三维显示器的抬头显示系统，通过将裸眼三维显示器横放在车辆的前挡风玻璃之下的前台上，利用前挡风玻璃的反射驾驶员可以在前方看到裸眼三维显示器的虚像，再利用采集的驾驶员的眼睛注视的深度信息，计算裸眼三维显示器上的显示位置，进而调节立体像深度，实现将立体像投放在驾驶员注视前方相应的深度的效果，解决了现有hud成像位置距离驾驶员较近且距离固定危及行车安全的问题。

另外，由于驾驶员注视的距离相对较远，高深度的立体像会导致显示器显示的图像视差过大。这就要求所使用的裸眼三维显示器窜扰要足够小，否则很难在驾驶员脑中合成立体像(因为驾驶员看不清hud的显示器所显示的信息)。而且，受限于车内空间，投影式hud很难做到在相同显示面积的显示器上显示更多内容，即，驾驶员可从显示器上获取到信息较少。所以如何在较小显示面积的显示器上显示更多信息也是所属技术领域技术人员所要解决的问题。

以下结合具体实施例对本发明采用的解决上述技术问题的技术手段进行重点说明。

实施例一

这里先对裸眼三维显示器的结构进行说明，参见图1，本实施例的裸眼三维显示器包括：液晶光栅面板101，以及设置在液晶光栅面板101之上的用于显示图像的液晶显示面板102，液晶光栅面板101和液晶显示面板102之间还设置有光扩散板103，

参见图1，光扩散板103的扩散方向应与液晶显示面板102的红绿蓝rgb子像素的排列方向一致，液晶显示面板102的红绿蓝rgb子像素的排列方向是与水平方向正交的竖直方向，这里的水平方向是指与用户视线平行的方向。

本实施例中液晶显示面板的红绿蓝rgb子像素的排列方向(排列方向即排列rgb子像素的方向)，参见图1中左侧的箭头所示的竖直方向，不同于现有技术中的左中右排列而是采用上中下的排列方式，即，红色子像素排在上，绿色子像素排在中间，蓝色子像素排在下边。也就是说，沿着竖直方向排列。并且，光扩散板的扩散方向(扩散方向即光线的传播方向)参见图1中右侧的箭头所示，也是竖直方向，光扩散板的原理是使光线在经过光扩散板散射层时不断的在两个折射率相异的介质中发生折射、反射与散射，以此产生光学扩散的效果。在本实施例中，光扩散板的作用是消除液晶显示面板上rgb像素排列的周期性，从而消除了莫尔条纹干涉。莫尔条纹生成的原因是由于两个具有周期性的透光面板相叠加。液晶显示面板上的rgb像素是一种周期性排列的结构，液晶光栅上的狭缝也是周期性排列的，正是由于添加了扩散板，并且，将液晶显示图像板安装在液晶显示光栅之上，即放在液晶光栅面板的前面，消除了光扩散板之下的透光的液晶光栅面板的像素的周期性，从而消除了莫尔条纹干涉，并且不会将液晶显示面板上显示的画面扩散掉，即不影响画质。由上可知，本实施例的这种裸眼三维显示器，首先，通过采用两个液晶板，一个用来显示光栅，另一个用来显示图像，液晶是具有光学各向异性和介电各向异性的材料，所以光栅在电、磁等外场的作用下，其光学特性可被调节，从而可以根据需要显示的图像对光栅进行调节，并可以对液晶显示面板的像素进行调节，提高显示画质。其次，由于在液晶光栅面板和液晶显示面板之间设置光扩散板，并且将光扩散板的扩散方向设置为与液晶显示面板的红绿蓝rgb子像素的排列方向一致，从而一方面，既能消除将液晶光栅面板和液晶显示面板重叠进行显示时出现的莫尔条纹对画质的干涉，另一方面，又不会对用于维持立体视的水平方向(即与驾驶员视线平行的方向)的光路造成影响，即不影响液晶显示面板上显示的画面。

为了保证能够正常显示图像，本实施例中液晶光栅面板101的红绿蓝rgb子像素的显示频率和液晶光栅面板102的频率相同，并且相位相同，即两者保持同步。例如液晶光栅面板和液晶显示面板均采用同规格的120hz的液晶板或者采用60hz的液晶板。为了减少窜扰的影响，扩大立体像的可视范围，本实施例的裸眼三维显示器采用高频四时分光栅进行显示。

高频四时分是指，液晶光栅面板的透光区域按照预定的速率(例如，按照频率为120hz的液晶板的频率的四分之一，即30hz)在预设的四种工作模式之间轮流切换。

参见图2至图5，本实施例的预设的四种工作模式，其中，图2为工作模式一，图3为工作模式二，图4为工作模式三，图5为工作模式四。

图2至图5中，101表示液晶光栅面板，102表示液晶显示面板。液晶光栅面板101和液晶显示面板102保持同步，即频率和相位均相同，当液晶光栅面板的相应透光区域(光栅层)透光时，前方a，b，c，d的位置就可以看到液晶显示面板上相应的图像。图2至图5示意了四种工作模式，这四种工作模式以高频(如30hz)轮流进行渲染，再利用a，b区域显示左视角图像，c，d区域显示右视角图像。当驾驶员的双眼分别位于a至b区域和c至d的区域时，就可形成立体视觉。

这里，以左视角图像为例进行说明，右视角图像处理方式相同。对于待渲染的左视角图像，将该图像竖直分为16段(当然也可以分成更多或更少，不限于此)，然后用时分法在液晶显示面板上分别进行渲染。

具体的，以a区域为例，b、c、d同理，不再重复。预先将整张图像分成16段(a1-a16)共四组，令相邻图像段中的光栅线阵相位相差一条光栅宽度的位置，然后将划分出的图像段按照排列序号顺序高速显示，也就是把各组中的光栅图和连续视差图像段同步地分别显示在液晶光栅面板和液晶显示面板上，多组生成的左右眼视差图像顺序高速交替显示，利用眼睛的残留视觉效应，观看者就可以看到高分辨率的立体图像。如此可以将左视角图像以全分辨率投给左眼，扩大立体像的可视范围，减少窜扰。

可知，本发明实施例的三维立体显示器，由于液晶显示面板和液晶光栅面板的频率相同，当液晶光栅面板的相应透光区域发光时，液晶显示面板上的相应位置即可显示图像，如此，通过高频控制相应的透光区域轮流透出背光，从而对左右眼视差图像，液晶显示面板均可以用全分辨率显示整张图像，实现了利用高频切换、分时显示来弥补低屏幕分辨率显示导致的画面不清的问题，也实现了在相同显示面积的显示器上显示更多的信息，满足用户需求。

实施例二

参见图6至图8，对本发明实施例的抬头显示系统进行说明，抬头显示系统800包括：采集器801，处理器802以及裸眼三维显示器10。

具体使用时，裸眼三维显示器10放置在车辆的前挡风玻璃20之下(例如，水平安装在前挡风玻璃之下的前台上)，

采集器801，放置在车辆的驾驶员的前方，

采集器801实时采集车辆的驾驶员50的左眼和右眼分别对应的空间坐标值以及生物特征信息，将空间坐标值以及生物特征信息发送至处理器802，

处理器802，用于生成对应左眼视角的第一图像和对应右眼视角的第二图像，并根据空间坐标值，生物特征信息以及采集器到由前挡风玻璃反射形成的虚像面的距离计算对应显示第一图像和所述第二图像的裸眼三维显示器10上的位置信息，将第一图像、第二图像和对应的位置信息发送至裸眼三维显示器10；

裸眼三维显示器10，用于在裸眼三维显示器上对应的位置显示第一图像和第二图像，以在车辆的驾驶员50的前方形成对应驾驶员注视的深度的立体像40。

一个实施例中，参见图6，裸眼三维显示器10横放在汽车前挡风玻璃20之下的前台上，利用前挡风玻璃20的反射，驾驶员50可以在前方，虚像面30的位置处看到裸眼三维显示器的虚像(参见带箭头的线段指示的光线传播路径)，再利用本实施例的裸眼三维显示器可以根据采集的用户的生物特征信息自动调节立体像深度的特点，实现在驾驶员注视前方相应的深度形成hud的立体像40的效果。这里的深度是指立体像(虚像)与驾驶员当前位置之间的距离。通过这种方式避免了成像距离驾驶员较近，当用户双眼盯着显示器所成的像时，不能及时关注前方可能发生的危险情况，延长了对危险状况的反应时间，影响行车安全的问题。

本实施例中，处理器802具体用于对第一图像301或第二图像302进行分帧，控制将分帧后的图像301或302分时显示在裸眼三维显示器10对应的位置上。例如，处理器分别将第一图像301或第二图像302分为四帧，并控制以预定的速率(如30hz)在裸眼三维显示器10对应的位置上轮流渲染四帧图像。

本实施例中，处理器802通过如下公式计算对应显示第一图像301的裸眼三维显示器10上的位置信息：

(x1+(d+z)tanθ,y1)

其中，x1，y1，z为采集的左眼对应的空间坐标值，θ为采集的生物特征信息中的瞳孔旋转角度，d为采集器801到由前挡风玻璃反射形成的虚像面30的距离；

以及，通过如下公式计算对应显示第二图像302的裸眼三维显示器10上的位置信息：

(x2-(d+z)tanθ,y2)

其中，x2，y2，z为采集的右眼对应的空间坐标值，θ为采集的生物特征信息中的瞳孔旋转角度，d采集器801到由前挡风玻璃反射形成的虚像面30的距离。d+z代表驾驶员当前的位置到虚像面30的距离。

通过采集驾驶员的左眼或右眼对应的空间坐标值，并采集左眼或右眼的瞳孔旋转角度，可以得到用户眼睛聚焦的前方位置信息，例如，驾驶员当前注视的车辆前方1米处的一个物体，或者当前注视的车辆前方7米处的一个物体，然后基于实时采集的驾驶员的空间位置坐标值，瞳孔旋转角度，以及采集器到由前挡风玻璃反射形成的虚像面的距离，一个常量实时计算对应显示第一图像的裸眼三维显示器上位置坐标，以及对应显示第二图像的裸眼三维显示器上的位置坐标。计算出相应的位置坐标之后，即可控制在该相应的位置坐标处渲染图像，从而在驾驶员前方相应深度形成立体像，避免了现有技术中将图像固定投影在前挡风玻璃之上导致的成像距离近，当远处出现紧急情况时，延长驾驶员的反应时间危及行车安全的问题。

即，相比现有技术中的投影hud和手机hud，本实施例的抬头显示系统可以缩短驾驶员处理危险的反应时间，提高了行车安全性，而且，可视范围更大，能够显示更多信息，有利于hud的智能化。

这里的采集器可以是红外摄像头。这里的空间坐标系以红外摄像头所在的位置为原点，以与驾驶员左右眼连线平行的方向为x轴方向，以与驾驶员靠近或远离前挡风玻璃的方向平行的方向为z轴方向，并以上下方向为y轴方向。

在一个实施例中，该抬头显示系统800还包括：信息获取器，用于获取车辆的基本信息(如，汽车的行驶速度，当前油量)，导航信息，和/或危险提示信息(例如，前方3米处出现行人等提示信息)；处理器802具体用于生成指示车辆的基本信息，导航信息和/或危险提示信息的第一图像和第二图像。

具体实施时，以导航信息的获取为例，车辆上安装有gps(全球定位系统，globalpositioningsystem)，通过测量出已知位置的卫星到车辆上的gps接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道gps接收机的具体位置，将实时采集安装了gps接收机的车辆的位置坐标，发送给处理器，处理器后续可利用该信息生成图像进行显示。

实施例三

本发明实施例还提供了一种抬头显示系统的实现方法，包括：

利用放置在车辆的驾驶员前方的采集器，实时采集车辆的驾驶员的左眼和右眼分别对应的空间坐标值和生物特征信息，将空间坐标值和生物特征信息发送至处理器；

利用处理器，生成对应左眼视角的第一图像和对应右眼视角的第二图像，并根据空间坐标值，生物特征信息以及采集器到由前挡风玻璃反射形成的虚像面的距离计算对应显示第一图像和第二图像的裸眼三维显示器上的位置信息，将第一图像、第二图像和对应的位置信息发送至裸眼三维显示器；其中，裸眼三维显示器放置在车辆的前挡风玻璃之下，

利用裸眼三维显示器，接收第一图像、第二图像和对应的位置信息，并在该裸眼三维显示器上对应的位置显示第一图像和第二图像，以在车辆的驾驶员的前方形成对应驾驶员的注视深度的立体像。

一个实施例中，利用处理器将所述第一图像、第二图像和对应的位置信息发送至裸眼三维显示器包括:

利用处理器对第一图像和所述第二图像进行分帧，控制将分帧后相应的图像分时显示在裸眼三维显示器对应的位置上。

一个实施例中，该方法具体包括利用处理器分别将所述第一图像或所述第二图像分为四帧，并控制以预定的速率在所述裸眼三维显示器对应的位置上轮流渲染四帧图像。

一个实施例中抬头显示系统的实现方法还包括：获取所述车辆的基本信息，导航信息和/或危险提示信息，利用处理器生成指示车辆的基本信息，导航信息和/或危险提示信息的第一图像和第二图像。

具体的，处理器通过如下公式计算对应显示所述第一图像的裸眼三维显示器上的位置信息：

(x1+(d+z)tanθ,y1)

其中，x1，y1，z为采集的左眼对应的空间坐标值，所述θ为采集的生物特征信息中的瞳孔旋转角度，d为采集器到由前挡风玻璃反射形成的虚像面的距离；

以及，通过如下公式计算对应显示所述第二图像的裸眼三维显示器上的位置信息：

(x2-(d+z)tanθ,y2)

其中，x2，y2，z为采集的右眼对应的空间坐标值，所述θ为采集的生物特征信息中的瞳孔旋转角度，d采集器到由前挡风玻璃反射形成的虚像面的距离。

需要说明的是，本实施例的抬头显示系统的实现方法的步骤是与前述抬头显示系统的工作过程相对应的，因此，更多细节可参见前述说明，这里不再重复。

综上可知，本实施例的裸眼三维显示器，显示的范围更大，画质更清晰，本实施例的抬头显示系统及其实现方法，通过实时采集驾驶员的空间位置和眼睛焦点，并在驾驶员的前方相应深度成像，缩短了驾驶员处理危险的反应时间，提高了行车时的安全性，改善了用户体验，增强了产品的市场竞争力。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，在本发明的上述教导下，本领域技术人员可以在上述实施例的基础上进行其他的改进或变形。本领域技术人员应该明白，上述的具体描述只是更好的解释本发明的目的，本发明的保护范围以权利要求的保护范围为准。