郑 民，范运嘉，李焜阳，刘兴宾，陈学浩，邓冬岩，王嘉辉*，周建英

（1.湛江幼儿师范专科学校（岭南师范学院基础教育学院），广东 湛江 524084；2.中山大学 物理学院，广东 广州 510275； 3.广州弥德科技有限公司，广东 广州 510275）

的显示空间，传播更多的信息，给人强烈的视觉冲击和高度的临场感，满足人们的观看需求[1-2]。1833年，英国的C.WHEATSTONE最早提出了双眼视差

0 引 言

相比于2D平面显示，3D显示可以呈现虚拟所产生的视网膜像的不对应性，通过神经系统综合后形成立体视觉的机制[3]。由于两眼观察物体的角度不同，两眼所摄取的像在大小和形状方面必然有所差异，这种差异是立体视觉的基础[4-5]。基于双目视差原理，眼镜式3D显示和自由立体（即裸眼3D）显示技术先后完成了开发和产业化。自由立体显示技术将光学元件和显示屏集成，不需要借助辅助眼镜即可将两眼视差图像对直接在空间分离，并向对应眼睛成像，实现深度视觉的感知。自由立体显示技术有三类，前两类是分别采用狭缝光栅板和采用柱面透镜阵列实现3D显示的技术，而第三类指向背光裸眼3D显示可在2D及3D模式下均保持1 920×1 080分辨率的全高清裸眼3D显示，亮度处于视觉舒适水平，对白色有准确的还原能力[6]，有望在医疗等高端场合获得推广。

与其他3D显示一样，指向背光裸眼3D显示存在串扰，即眼睛接受到承载非目标视图光线所导致的视觉重影。串扰会造成视觉疲劳甚至生理不适，需控制在人眼不易察觉的程度以内。指向背光技术的串扰分为两类：一是空间串扰，与显示器光学结构相关；二是时间串扰，由屏幕刷新过程中保留了上一帧的部分残留信息引起[7]。而时间串扰是可以通过屏幕和背光的同步刷新完全消除的。但文献使用的二维透镜阵列和二维背光阵列存在一定的工程难度。

1 实验原理

本文提出一种基于精准时分直下背光控制（Time Multiplexing Local Dimming，TMLD）的指向背光裸眼3D显示技术。该技术在使用一维透镜阵列代替二维透镜阵列，提高工程化可行性的前提下，将液晶显示屏（LCD）顺时针旋转90°放置，在精准时分直下背光时序的控制下，进一步保证背光阵列工作与LCD刷新同步，有效地消除了时间串扰。

1.1 光学系统设计

TMLD指向背光裸眼3D显示技术的光学成像原理如图1所示，由LCD、LED直下背光阵列和菲涅尔透镜阵列及线性扩散膜组成。其中，LCD的刷新率为120 Hz，长边竖直放置，自左往右刷新。将屏幕和背光阵列均横向划分为3个区域，分别为屏幕A区、屏幕B区、屏幕C区和背光阵列A、背光阵列B、背光阵列C，其中每个背光阵列包含两路背光模块，为同一个屏幕区域提供照明。因有3个背光区域，故合计6路背光模组。在屏幕和背光之间设置菲涅尔透镜阵列，将两组照明液晶屏幕的背光模块分别成像至双眼所在区域，从而形成左、右眼视区。

时分多路复用技术的具体原理为：当屏幕刷新右眼（或左眼）视差图像时，待屏幕A区刷新完成，背光阵列A右眼路模组（或左眼路模组）由熄灭转为打开，光源发出的光线经菲涅尔透镜折射，透过屏幕后携带右眼（或左眼）视差图像信息，投射到右眼（或左眼）视区。接下来，分别在屏幕B区和C区完成刷新时，依次打开背光阵列B和C的右眼（或左眼）路模组，并同步关闭背光阵列A和B的右眼（或左眼）路模组。在视觉暂留的作用下，观看者看到完整的右眼（或左眼）视差图像。时分多路复用技术的光学系统成像原理如图1所示。

图1 时分多路复用技术的光学系统成像原理

1.2 液晶响应特性

在TMLD指向背光裸眼3D显示技术中，LCD的每一帧图像从右至左逐列刷新，刷新频率为 120 Hz。当前帧未刷新的区域保留前一帧的图像信息。当LCD的某像素列接收到刷新信号时，该列晶体管将驱动像素点阵中的液晶分子进行翻转。由于电容效应，场效应管能够保持电位状态，故完成翻转的液晶分子会保持这种状态，直到再次接收到刷新信号[8]。LCD各列像素接收到刷新信号的时间不同，存在扫描延时时间τsite，即某列距离第一列接收到刷新信号的时间。

同时，LCD的响应存在延时。为更好地展示液晶响应特性，图2利用LCD交替显示黑白图。在外加电场的作用下，液晶分子从初始状态发生偏转所用时间称为绝对下降时间τdecay。出于消除时间串扰的考虑，本文将其定义为LCD透过率由90%下降到0%所需的时间；撤去外加电场后液晶分子翻转回到初始状态所用时间称为绝对上升时间τdelay，本文将其定义为透过率由0%上升到90%所需的时间。

如图2所示，由于存在扫描延时时间τsite，某一时刻下不同像素列的液晶分子翻转状态可能会不相同。一般来说，扫描延时时间τsite越大的像素列，液晶分子开始翻转的时间越迟。当像素列中的液晶分子开始翻转时，由于液晶响应存在延时，则液晶分子从初始状态翻转或翻转回初始状态有一定的过渡时间。因此，扫描延时时间τsite过大的像素列将会存在液晶分子未翻转完成的情况。例如，当LCD第1列像素的液晶分子翻转完成时，第n列像素的液晶分子未翻转完成。因此，LCD在一帧时间内将会难以完成屏幕一侧边缘图像信息的显示，例如，扫描延时时间τsite大的屏幕，在屏幕C区的图像将会保留上一帧的部分图像。在指向背光裸眼3D显示中，这部分图像将导致在左（或右）眼视区能够看到右（或左）眼视差图像的部分信息，造成了时 间串扰。

图2 液晶屏幕的响应特性

1.3 精准时分直下背光

为克服时间串扰，本文提出了精准时分直下背光技术，原理如图3所示。

图3 精准时分直下背光原理图

定义topen和tclose分别为区域背光维持时间和区域间背光开启间隔时间，Δτ为屏幕开始刷新到背光阵列A开启的间隔时间。该技术按下述步骤 工作。

（1）假设第一帧图像为左眼视差图像，当t=Δτ时，背光阵列A只开启左眼路模组，背光阵列B和C关闭，此时观看者左眼可以看到屏幕A区无时间串扰的左眼视差图像。在开启背光阵列A的左眼路模组时长t=topen后，关闭该模组背光。

（2）经过t=tclose的时间间隔后，开启背光阵列B左眼路模组并持续同样时长t=topen，保持背光阵列A和C关闭，此时观看者左眼可以看到屏幕B区无时间串扰的左眼视差图像。

（3）在间隔t=tclose的时长后，在topen的时间内开启背光阵列C的左眼路模组，此时观看者左眼则看到屏幕C区无时间串扰的左眼视差图像。由于屏幕刷新频率为120 Hz，基于视觉暂留效应，观看者感知到的是完整的左眼视差图像，而非具有闪烁感、无法融合的三区域左眼图像。

（4）背光阵列C关闭的时刻必须小于Ts+τdecay（即小于液晶刷新周期Ts与绝对下降时间τdecay之和），保证开启背光阵列右眼路模组时，不会串入左眼视差图像。下一帧刷新右眼视差图像时，使用背光阵列右眼路模组重复相似时序的工作，使观看者在视觉暂留作用下，观看到无时间串扰的右眼视差图像。

综上，液晶刷新周期Ts、背光开启延时时间Δτ、绝对下降时间τdecay、区域背光开启时长topen以及区域间背光开启间隔时长tclose的关系如式（1） 所示：

2 系统搭建

TMLD指向背光裸眼3D显示系统采用FPGA芯片作为控制模块进行硬件系统设计，主要负责获取屏幕刷新信号，实时、同步地刷新背光阵列。结合光学系统设计，整个系统的搭建如图4所示。

图4 TMLD指向背光裸眼3D显示系统

TMLD指向背光裸眼3D显示系统配置如表1所示。每个背光单元中包括68列LED，可形成连续、均匀的视区，实现效果良好的人眼跟踪。

表1 系统配置参数表

系统使用阵列式背光结构，为匹配LCD的刷新，各背光模组需要能够被单独寻址和精准控制工作时序。背光阵列的寻址和时序控制由Altera公司的EP4CE75F23C8N型FPGA芯片配合通信、放大输出等外围功能电路实现，控制模块实物如图5 所示。

图5 控制模块实物图

由于背光阵列的工作时序需要与屏幕刷新的时序同步，以避免左右眼视差图像错送到逆视区，因此使用DVI解码模块来获取屏幕刷新的同步信息。把显卡输出的DVI信息通过DVI接口接入到TFP403解码电路中，在指定引脚获得指示每一帧图像刷新开始时刻的场同步信号和指示每一行像素刷新开始时刻的行同步信号。获取上述两种同步信号后，各路背光模组在特定的延时便可得出左右眼精准时分直下背光的工作窗口。

3 结果与分析

3.1 液晶时间响应特性测量

实验中，保持TMLD指向背光裸眼3D显示系统的背光常亮，以120 Hz的刷新率交替在屏幕显示黑白图像，使用OPT101光电传感器测试屏幕亮度随时间的变化规律，即液晶响应特性。结果如图6所示。

图6 LCD液晶响应特性

定义LCD透过的光强最大时对应的透过率为100%，LCD穿透光强最小时的透过率为0%。透过率的计算公式为：

式中：U为某时刻的光电传感器输出电压，U0为透过率为100%时的光电传感器输出电压。

在液晶响应特性曲线中，透过率从0%上升到100%的时间是液晶刷新周期Ts，透过率从90%下降到0%的时间则是绝对下降时间τdecay。在图6中，液晶刷新周期Ts=8.26 ms，绝对下降时间τdecay= 1.95 ms。

同样，在背光常亮及LCD刷新黑白图时，使用光电传感器在屏幕上A区右边沿、A区左边沿（即B区右边沿）、B区左边沿（即C区右边沿）、C区左边沿等4个位置同时测试液晶响应特性，结果如图7所示。

图7 屏幕A、B、C各区边沿的液晶响应特性

在屏幕A区开始刷新ΔτA的时间后，即t=ΔτA=ΔτA时，A区的背光开启。在屏幕B区开始刷新ΔτB的时间后，即t=τB时，B区背光开启。在屏幕C区开始刷新ΔτC的时间后，即t=τC时，C区背光开启。由实验数据得，当ΔτN(N=A,B,C)=τdelay时，屏幕各区域内透过率达到70%到90%，此时屏幕各区显示效果较好。根据背光开启时刻可确定各区背光开启时间及区域之间背光间隔时间。A、B、C区的液晶响应特性参数和TMLD时序参数如表2所示。

表2 A、B、C区的液晶响应特性参数与TMLD时序参数

3.2 背光时序设计

由LCD液晶响应测量结果可知，液晶刷新周期Ts=8.26 ms，绝对下降时间τdecay=1.95 ms，在屏幕A区，使背光开启延时时间ΔτA=τdelay=4.70 ms，背光开启时长topen=1.50 ms，背光间隔时长tclose=0.50 ms，其中Ts+τdecay=10.21 ms，ΔτA+3topen+2tclose=10.20 m，满足式（1）所述关系。

精准时分直下背光时序图如图8所示。该时序下测试屏幕亮度时可用式（3）计算串扰率：

图8 精准时分直下背光时序图

3.3 实际显示效果

未使用TMLD的指向背光裸眼3D显示系统的串扰为4.68%，而使用TMLD的指向背光裸眼3D显示系统串扰率低至3.38%，明显优于5%的视觉安全阈值[9]，在人眼较为舒适的范围。可见使用TMLD后串扰减少了27.8%。由于显示系统的光学结构、系统设计的优化效果有限以及单个元件难以完全精确组装，因此系统仍会存在空间串扰。空间串扰也是TMLD显示系统的唯一串扰来源。

系统实际显示效果如图9所示，实验中屏幕显示的左、右眼图像分别使用全白画面和字符阵列图案，并使用快门速度为1/60秒的索尼FDR-AX700摄像机模拟人眼，在800 mm的最佳观看距离下，记录在左或右眼视区内观看的实况。从图10（b）可见，在未使用TMLD情况下，左视区除能看到左眼对应的全白画面外，还可以看见自右眼图像漏入的字符阵列图案，尤以屏幕C区为甚，代表存在较为严重的串扰；而在使用TMLD后，如图9（c）所示，漏入的字符阵列图案明显减弱。究其原因，是使用了TMLD后背光时序与屏幕刷新同步，有效地消除了时间串扰，使得系统的总体串扰有所降低，尤其是屏幕C区的串扰率得到明显优化。

图9 系统实际显示效果

4 结 语

针对指向式背光裸眼3D显示存在的时间串扰问题，本文提出了TMLD指向背光裸眼3D显示技术，通过将屏幕长边竖直放置以及配合精准时分直下背光时序，实现了LCD刷新与背光亮灭的同步，消除了时间串扰，时空混合控制的方式使显示系统保留了全分辨率和高亮度的优点。对液晶响应特性进行研究，得出最优化的区域背光开灯时序。

实验数据表明，在未使用TMLD情况下系统的串扰为4.68%，使用TMLD后系统的串扰率降低至3.38%，串扰率明显下降。实际显示效果中，在未使用TMLD情况下，左视区能观察到左眼和右眼图像存在混叠，尤以屏幕C区为甚，代表存在较为严重的串扰；而在使用TMLD后，左眼视区中存在漏入右眼图像的情况明显减弱。究其原因是使用了TMLD后背光时序与屏幕刷新同步，有效地消除了时间串扰，使得系统的总体串扰有所降低，尤其是屏幕C区的串扰率较其他区域的降幅更大。立足屏幕方式和串扰率低的优势，TMLD指向背光裸眼3D显示系统适用于视力筛查、广告展示等场景。