液晶自由立体显示系统显示效果研究

收稿日期:2006-11-13;修订日期:2007-01-10

作者简介:蒋 峰(1982-),男,安徽省马鞍山人,安徽师范大学物理系在读研究生,主要从事立体显示技术研究。基金项目:安徽省高校青年教师科研资助项目(2006jql 047);安徽师范大学青年基金(2005xqn07)。

第25卷 第1期2007年2月

江 西 科 学

JI A NGX I SC I ENCE

Vo.l 25N o .1

Feb.2007

文章编号:1001-3679(2007)01-0057-05

液晶自由立体显示系统显示效果研究

蒋 峰,朱向冰

(安徽师范大学物理系,安徽芜湖 241000)

摘要:为了满足高品质立体视觉的要求,更真实地再现客观物体,有必要对自由立体显示器的显示效果进行改进。通过调整立体显示系统的几何光学参数,改进拍摄系统与显示系统的光学元件,选择恰当的观看位置,能够较好改善立体显示器显示效果。分析了立体图片对与立体显示器匹配的几何光学参数,提出了一种通过粘贴增效片改进液晶立体显示器偏振片的光学设计方案,并给出了观察者的最佳观看位置,综合考虑主客观因素对立体显示器3D 显示效果的影响,有效提高了观看立体显示器的临场感和立体感。关键词:成像光学;自由立体显示;立体视觉;显示效果;交叉干扰中图分类号:TN27;TN873+.93 文献标识码:A

R esearch on the D ispl ay E ffect of Auto -stereo LCD

JI A NG Feng ,Z HU X iang b i n g

(Depart m ent of Physics ,A nhui N or m a lU n i versity ,A nhuiW uhu 241000PRC)

Abst ract :To m eet the h i g h-quality requ ire m ents o f stereo v isi o n and recur ex terna l ob jects m ore v i v i d l y ,it is necessary to i m prove t h e d isp lay effect o f auto -stereo LCD .By ad j u sting the geo m et rical optical para m eters ,a m eli o rati n g the optical e le m ents of the stereo display syste m and choosing the best observ i n g position ,it could be better to i m prove the d i s play effect o f the auto-stereo LCD.In this paper ,several geo m etrical opti c al para m eters are ana l y zed .One design is put for w ard to i m prove the po larizer of the LCD.And t h e best observ i n g d istance is a lso presen ted .These m easures ef fecti v ely reduce t h e sub jecti v e and ob j e ctive affecti n g factors of the 3D d isplay syste m .And the te l e p resence and th ird di m ensi o n of the auto-stereo LCD are also i m proved at t h e sa m e ti m e .K ey w ords :I m ag ing optics ,Auto -stereo d isp l a y ,Stereo vision ,D isp lay effec,t C ross talk

0 引言

更加真实地再现客观物体是显示器的发展方向,在广告宣传、建筑设计、大分子材料研究、教

育、娱乐、医疗、化工等领域中,立体图像和立体显示具有重要的实践意义,而目前主流的显示技术大都局限于平面显示,图像缺乏立体感和深度感,为此很多企业和高校着眼于立体显示技术的研

究[1,2]

,由于液晶显示器在技术、工艺、成本、市场

等诸方面业已成熟,基于LCD 的自由立体显示器(auto -stereoscopic display)成为立体显示技术研究的主流方向,液晶自由立体显示器主要根据视差法,应用屏后光栅、屏前遮光光栅、屏前柱透镜阵列等立体显示技术来实现立体图像的自由显示。自由立体显示器在国外已研究多年,在国内,绝大部分研究机构着眼于立体头盔(HUD )显示

技术的研究,仅见到南京大学关于屏后光栅式液晶自由立体显示器样机的报道。

对液晶自由立体显示器初步的实验和研究表明立体显示器的显示效果受到多种因素影响[3],有必要对这些影响因素进行深入的研究,从而提高自由立体显示器的显示效果。从视差法的原理来分析立体显示器的显示效果具有一定的实践意义和指导意义,本文首先介绍了液晶自由立体显示系统的基本几何结构,分析了影响显示效果的几种关键性因素,并提出了一种有效减少液晶自由立体显示器交叉干扰,提高立体显示器3D分离度的设计方案,最后分析了观察者位置对显示效果的影响。

1 拍摄和显示

由于双目视差的要求[4],若要再现物体的立体感,至少需要两台空间分离照相机从两个不同角度拍摄,形成立体图片对,这些照片的视野有一定重叠,因此在一定的空间范围内形成了一个三维感空间,也就是所说的立体视觉区域。这个区域中的任意一点,只要没有被遮住,就会在立体显示器上产生两个稍有差异的图像,这样两幅图像分别经左眼和右眼观看会有一定的双眼视差,从而在大脑中产生三维的感觉。因此,一个液晶自由立体显示系统应该包括拍摄系统和显示系统两部分[5]。

1.1 拍摄系统

拍摄系统主要由两台或两台以上参数性能完全一样的照相机组成,照相机模拟人的双眼对物体进行拍摄,生成具有一定差异的图片对。相机有两种不同的放置方式,一种是相机的中轴线平行放置,如图1所示;一种是中轴线成角度放置,两种放置方式都能形成具有一定水平视差的立体图片对,但由于后者生成的立体图片对含有垂直视差,从而在显示器上显示时会造成成像的畸变[6],所以这里只考虑第一种放置方式。

如图2所示,两台相机平行放置在同一水平面上,各自视阈交叠的部分形成了立体视觉区域,平面LC、RC代表左右两台相机的感光元件平面, F1、F2是两台相机透镜的焦点,焦距均为f,立体视觉区域中任意一点A(X,Y,Z)经过F1、F2在LC、RC上的投影点分别为A1、A2,以F1为坐标原点建立坐标系,可以得出以下的几何关系

:

图1

摄像机模型

图2 拍摄系统

X=

ZX1

f

(1)

Y=

Z Y1

f

(2)

P=X1+X2(3)

Z

F

=

X

X1

=

(D-X)

X2

(4)

Z=

DF

(X1+X2)

=

Df

P

(5) 1.2 显示系统

显示系统是一台具有3D显示模式的液晶自由立体显示器,在3D模式下,这种立体显示器能够实现左右眼分别看到立体图片对中的一幅图片。由于空间一点在两幅图像上的水平位差在人眼中形成双眼视差,使得原本一对二维平面图像在脑中重构成一幅具有深度感和立体感的三维立体图像。

图3表示从显示器屏幕上重建的一个像点,空间点A1、A2在显示器屏幕上显示的位置分别为A 1、A 2,而且A 1、A 2分别属于立体图片对的两

58江 西 科 学2007年第25卷

幅图片,当人从一定距离外观察该点时,将重构出视觉空间中具有深度感的像点A 。容易看出,A 点到观察者的距离为:

H=

E h

E-p

(6

)

图3 重建像点的位置

2 影响显示效果的因素

2.1 图像的放大倍数对显示效果的影响

为了使观察者能在大脑中将看到的左右图像

合成一幅真实的立体图,首先立体显示器显示的

图像不能够失真,这就要求所拍摄的实物与显示

器显示的三维图像满足等比例缩放关系,即实物

与三维图像在XY平面上的放大倍数要与Z方向

上的放大倍数一致,否则会引起三维图像某种程

度上的畸变[7]。在一些对三维图像真实度要求

较高的场合,这种畸变是不允许的。显示器屏幕

XY平面放大倍数m xy和图像XY平面的放大倍数

m xy的关系为:

m xy=Mm xy(7)

M是图像平面到显示器平面的放大因子。

由于m xy是照相机焦长和实物到相机距离的比

值,即

m xy=f

Z

(8)

故上式可写为

m xy=

M f

Z

(9)

Z方向上的放大倍数可写为:

m z=

H

Z(10)

Z为实物空间上深度的变化范围, H为显

示器还原图像相应的深度变化范围。

由式(5)可知 Z和相应的显示器屏幕水平

视差增加值 p之间的关系( p=M P)

Z=Z

2 p

Df M

(11)

由式(6)可知

H=Eh

(E-p)2

p(12)

由于显示器的水平视差远小于观察者两眼间

距离,故上式可以近似写为:

H=h

E

p(13)

将式(11)和式(12)代如式(10),可得Z方

向上的放大倍数

m z=

H

Z=

hfDM

EZ2

(14)

则Z方向上的放大倍数和X Y平面上的放大

倍数的比值为

R=

m xy

m z

=

EZ

hD

(15)

上式表明,生成图像的真实度与立体感与E、

Z、h、D几个参数有关,因此在两眼间距不变时,

适当选择实物到相机的距离Z、相机的间距D和

观察者到屏幕的距离h是减小图像产生畸变的关

键因素,如果要求显示器生成的立体图像产生较

小的畸变,那么R的值必须尽可能的接近于1。

2.2 交叉干扰对显示效果的影响

立体显示器的显示效果除了受到图像放大率

的影响外,还受到立体显示系统光学元件的影响。

对于理想的液晶自由立体显示器来说,观察者的

左右眼应该分别只看到立体图片对中相应的一幅

图片。但是对于实际的立体显示系统,由于制造

工艺和环境光的影响,左右眼图像会出现相互干

扰,这时观察者看到就不是一幅三维图像,而是有

重影的平面图像,立体显示器的这种显示特性被

称为交叉干扰(cross talk)[8]。

对于液晶立体显示器,交叉干扰一定程度上

是由液晶显示器表面的防眩偏振片引起的,这种

偏振片可以增加显示器的可视角度,减少镜面反

射,但是由于其表面比较粗糙,产生漫射,改变光

线的方向,使左右眼图像产生交叉干扰[7],造成

画面的对比度下降,导致看到的图像出现重影,影

响液晶自由立体显示器的显示效果。

考虑到环境光的反射,显示器的对比度为:

K=

L max+L0

L m in+L0

(16)

其中L max为图像最亮处器件本身的亮度;L m in

为图像最暗处器件本身的亮度;L0为环境光反射

59

第1期 蒋 峰等:液晶自由立体显示系统显示效果研究

形成的亮度。

从上式可以看出,减少环境光反射的影响可以达到提高对比度、缓解交叉干扰的目的。

根据以上分析,设计了一种以浮法玻璃为基片的增效片,如图4所示,增效片采用光学胶粘在屏的表面,光学胶将偏振片表面的不平整的小坑填满,部分消除了防眩偏振片对光线方向的影响。增效片表面镀有减反射层,消除了镜面反射对观

察者观看效果的影响。

图4 增效片

r 1是增效片的表面反射率,r 2是液晶屏的表面反射率,t 是增效片的透射率,为了提高对比度,需设法减小r 1I ,即减小增效片表面反射率r ( )。

若要减小增效片表面的反射率r 1,需要在其表面制作减反射薄膜。最初采用双层增透膜的设计方案,虽然能获得中心波长 0零反射的效果,但是由于环境光I 的频谱较宽,对于偏离中心波长的光仍有较大的反射率,为达到较宽的波段范围内反射率都比较低,则有必要镀制多层的宽带增透膜。

根据膜系的特征矩阵进行计算:

B C

=!m i =1cos

k

isin k

n k in k si n k cos k 1n m +1(17)

上式中膜层的位相厚度 k =

2

n k d k ,膜层的有效导纳Y =C

B ,膜层的反射率r =|n 0B -

C n 0B +C |2,透

射率t =

4n 0n m +1

|n 0B +C |

2。

其中n m +1为基片玻璃折射率,n k 为第k 层薄膜的折射率,d k 为第k 层薄膜的厚度。

考虑到膜层的机械性能,采用三层1/4膜结构比较合适,根据特征矩阵计算,选择最内层膜的

折射率为1.70,中间层薄膜的折射率为2.05~2.

10,最外层薄膜的折射率小于1.50。

此外,为了避免增效片与空气界面以及LCD 屏前表面与空气界面的光反射的影响,采用表面贴片式结构,用符合要求的光学胶将增效片粘接在液晶屏表面。利用这种粘贴工艺,得到光线透过率达97%,有效的减少了交叉干扰的影响。2.3 观察者位置对显示效果的影响

立体显示器的显示效果同时也会受到观察者主观因素的影响。

对于已经显示在立体显示器上的立体图片对来说,其视差是一定的,而观察者相对于屏的位置却是未知的或是不固定的,观察者的相对位置必然对立体显示器的显示效果产生一定的影响。图5和图6分析了观察者在垂直于屏幕方向和平行于屏幕方向上平移时显示器成像的情况,可以看出,在垂至于屏幕方向上平移时,像点深度随观察者离屏幕距离的增加而增加,可能引起深度方向

上的畸变,而在水平方向上平移时,像点深度不发生改变,不会引起图像的畸变。因此,若要求观察

图5 观察者垂直于屏幕平移

图6 观察者平行于屏幕平移

60 江 西 科 学2007年第25卷

者对显示效果的影响尽可能的小,必须选择合适的观察位置。由式(15)可知,观察者离屏幕的距

离h=EZ

D

是最理想的观看距离。

3 总结

目前,国内对液晶自由立体显示器的研究尚处于起步阶段,研制的立体显示器的显示效果受到多种因素的影响。本文从主客观多个方面对液晶自由立体显示器的显示效果进行了分析,通过对立体图片对与液晶立体显示器的几何关系的讨论,初步确定了决定立体图像真实度和立体感的几何光学参数,提出了一种通过粘贴增效片改进液晶显示器偏振片的设计方案,有效减少了环境光在显示器表面的反射,从而降低了交叉干扰对立体显示器显示效果的影响,并分析了观察者位置对立体图像畸变的影响,目的是更好地利用视觉特征进行立体匹配,上述改进可望使液晶立体显示器的显示效果进一步得到改善,对自动立体显示器的设计有指导意义。参考文献:

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