徐遙令，侯志龍，吳　偉，張曼華

(深圳創(chuàng)維-RGB電子有限公司研發(fā)總部，廣東 深圳 518108)

?

可切換光柵式裸眼3D電視系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

徐遙令，侯志龍，吳偉，張曼華

(深圳創(chuàng)維-RGB電子有限公司研發(fā)總部，廣東 深圳 518108)

摘要:提出一種可切換光柵式裸眼3D電視系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，詳細(xì)闡述了系統(tǒng)的原理、硬件及關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)通過(guò)TV模塊將電視信號(hào)處理成1 080p@120 Hz的圖像信號(hào)，由裸眼3D模塊生成多個(gè)視點(diǎn)圖像并交織為3 840×2 160@30 Hz的合成圖像，經(jīng)過(guò)幀頻轉(zhuǎn)換后驅(qū)動(dòng)裸眼3D屏幕實(shí)現(xiàn)高清晰度裸眼3D顯示，以及采用獨(dú)立的Barrier panel來(lái)形成可切換屏障光柵，能夠兼容超高清晰度2D顯示。

關(guān)鍵詞:可切換光柵；裸眼3D；電視系統(tǒng)；高清晰度

裸眼3D顯示不需要佩戴眼鏡，能夠極大提升3D觀看的視覺(jué)享受和娛樂(lè)體驗(yàn)，符合3D電視市場(chǎng)發(fā)展的需求。裸眼3D顯示分為視差屏障式、柱狀透鏡式和全息式等[1]，目前主要應(yīng)用于教育、廣告、娛樂(lè)等商業(yè)領(lǐng)域[2-3]，尚未進(jìn)入家用領(lǐng)域。目前普遍認(rèn)為裸眼3D顯示還存在一些技術(shù)障礙待突破，例如清晰度較低和3D效果不強(qiáng)烈、3D內(nèi)容缺乏等；但是隨著超高清顯示、大屏等技術(shù)的廣泛應(yīng)用，以及虛擬視點(diǎn)合成、集成成像等技術(shù)的發(fā)展成熟，將使得裸眼3D顯示的清晰度和效果等大幅提升、獲取3D內(nèi)容的途徑更加豐富，勢(shì)必進(jìn)一步促進(jìn)裸眼3D顯示的快速發(fā)展。

該文提出一種可切換光柵式裸眼3D電視系統(tǒng)的設(shè)計(jì),通過(guò)TV模塊將電視信號(hào)處理成1 080p@120 Hz的圖像信號(hào)，由裸眼3D模塊進(jìn)行視點(diǎn)轉(zhuǎn)換和生成、及合成3 840×2 160@30 Hz的多視點(diǎn)圖像，經(jīng)過(guò)幀頻轉(zhuǎn)換后驅(qū)動(dòng)裸眼3D屏幕實(shí)現(xiàn)高清晰度裸眼3D顯示；以及采用獨(dú)立的Barrier panel來(lái)形成可切換屏障光柵，實(shí)現(xiàn)高清晰度裸眼3D顯示、兼容超高清晰度2D顯示。

1系統(tǒng)原理

系統(tǒng)由TV模塊、裸眼3D處理模塊、FRC模塊、可切換光柵式裸眼3D屏4部分組成；TV模塊對(duì)輸入的3D或2D電視信號(hào)處理后、輸出固定格式的圖像信號(hào)給裸眼3D處理模塊進(jìn)行視點(diǎn)生成與合成等處理，F(xiàn)RC模塊進(jìn)行幀頻轉(zhuǎn)換，并由TV模塊控制裸眼3D屏光柵的切換，實(shí)現(xiàn)裸眼3D或2D顯示。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1　可切換光柵式裸眼電視系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

TV模塊：對(duì)輸入的2D或3D電視信號(hào)進(jìn)行降噪、色彩空間轉(zhuǎn)換、解碼、縮放等處理，以及進(jìn)行2D和3D信號(hào)識(shí)別及格式轉(zhuǎn)換后，通過(guò)LVDS(低壓差分信號(hào))傳輸線(xiàn)向裸眼3D處理模塊輸出1 920×1 080@120 Hz左右視點(diǎn)幀序列的3D圖像信號(hào)、及3 840×2 160@30 Hz的2D圖像信號(hào)。

裸眼3D處理模塊：通過(guò)估算2D或3D圖像信號(hào)的深度信息并生成深度圖后，由單視點(diǎn)或雙視點(diǎn)生成多個(gè)虛擬視點(diǎn)位置的視點(diǎn)圖像；然后對(duì)多個(gè)視點(diǎn)圖像進(jìn)行交織、通過(guò)LVDS傳輸線(xiàn)輸出包含多個(gè)視點(diǎn)圖像的3 840×2 160@30 Hz的合成圖像，合成圖像與裸眼3D屏物理像素相對(duì)應(yīng)。系統(tǒng)進(jìn)行2D顯示時(shí)，將直通2D圖像信號(hào)。

FRC模塊：接收3 840×2 160@30 Hz的多視點(diǎn)合成圖像或2D圖像信號(hào)，進(jìn)行四倍幀頻轉(zhuǎn)換，通過(guò)V-By-One傳輸線(xiàn)向可切換光柵式裸眼3D屏輸出3 840×2 160@120 Hz的圖像信號(hào)。

可切換光柵式裸眼3D屏：如圖2所示，由Base panel和Barrier panel組成。Base panel和屏驅(qū)動(dòng)構(gòu)成液晶電視屏幕，物理像素為3 840×2 160、刷新頻率為120 Hz；可切換光柵由Barrier panel形成。3D顯示時(shí)，3D控制信號(hào)使得光柵控制部分輸出60 Hz、±8 V的方波信號(hào)，驅(qū)動(dòng)Barrier panel打開(kāi)形成光柵、折射Base panel發(fā)出的光線(xiàn)進(jìn)入人的左右眼呈現(xiàn)3D影像；2D顯示時(shí)光柵控制部分輸出0 V信號(hào)，Barrier panel關(guān)閉，對(duì)Base panel發(fā)出的光沒(méi)有影響，呈現(xiàn)2D影像。

圖2　可切換光柵式裸眼3D屏示意圖

該系統(tǒng)可進(jìn)行光柵切換來(lái)實(shí)現(xiàn)裸眼3D顯示或2D顯示；在3D顯示時(shí)可呈現(xiàn)出高清晰度3D圖像效果(分辨率達(dá)720p以上)，在2D顯示時(shí)可呈現(xiàn)出超高清晰度2D圖像效果(分辨率達(dá)3 840×2 160)。

2硬件實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)框圖如圖3所示，包括TV SoC板、裸眼3D板、FRC板、以及4K×2K裸眼3D屏。

圖3　可切換光柵式裸眼電視的硬件框圖

TV SoC板基于高集成度TV SoC單芯片MT5327:能夠解碼3D電視信號(hào)、支持3 840×2 160@30 Hz信號(hào)輸入和輸出，支持HDMI1.4a、USB3.0、CVBS視頻信號(hào)、網(wǎng)絡(luò)信號(hào)輸入。TV SoC板對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行解碼等圖像處理后、通過(guò)4組LVDS傳輸線(xiàn)將圖像信號(hào)送至裸眼3D板，LVDS時(shí)鐘頻率為74.25 MHz、每秒可傳遞約3×109個(gè)像素?cái)?shù)據(jù)，滿(mǎn)足1 920×1 080@120 Hz或3 840×2 160@30 Hz信號(hào)傳遞要求。

裸眼3D板采用FPGA芯片來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)包括2D 轉(zhuǎn)多視點(diǎn)、3D 轉(zhuǎn)多視點(diǎn)、視點(diǎn)合成等功能，支持1 080p@120 Hz幀序列3D信號(hào)和4K×2K@30 Hz 2D信號(hào)輸入，以及通過(guò)4組LVDS傳輸線(xiàn)傳遞4K×2K@30 Hz的多視點(diǎn)合成圖像信號(hào)或2D圖像信號(hào)給后端FRC板。

FRC板基于PA168芯片：?jiǎn)晤wPA168具有4組LVDS輸入接口、支持4K×2K@30 Hz信號(hào)輸入，能夠進(jìn)行二倍幀頻轉(zhuǎn)換；采用兩顆PA168,則將4K×2K@30 Hz輸入信號(hào)四倍頻為4K×2K@120 Hz信號(hào)輸出。FRC板進(jìn)行幀頻轉(zhuǎn)換后，通過(guò)16 lanes(或16對(duì)) V-by-One傳輸線(xiàn)輸出4K×2K@120 Hz信號(hào)；每一對(duì)V-by-One傳輸線(xiàn)速率為74.25 Mpixel/s，16對(duì)每秒可傳遞約12×108個(gè)像素，滿(mǎn)足4K×2K@120 Hz信號(hào)傳遞要求。

裸眼3D屏采用京東方的HV550QUD：此屏為55 in(1 in=2.54 cm)4K×2K@120 Hz可切換光柵式的裸眼3D屏。

TV SoC板、裸眼3D板和FRC板間通過(guò)I2C總線(xiàn)進(jìn)行通信，裸眼3D屏光柵的開(kāi)關(guān)狀態(tài)由TV SoC板輸出3D控制信號(hào)進(jìn)行控制；以及TV SoC板能夠輸出音頻信號(hào)給聲音處理部分。

3關(guān)鍵技術(shù)

1)視點(diǎn)轉(zhuǎn)換及合成技術(shù)

為讓觀看者在有效視區(qū)內(nèi)不同角度看到3D影像，需要有多個(gè)視點(diǎn)圖像；而目前絕大部分信號(hào)內(nèi)容為單視點(diǎn)或雙視點(diǎn)，視點(diǎn)轉(zhuǎn)換非常必要。同時(shí)多個(gè)視點(diǎn)圖像必須傳送至裸眼3D屏對(duì)應(yīng)的物理視點(diǎn)區(qū)域，才能正確呈現(xiàn)3D影像，視點(diǎn)合成非常重要。

系統(tǒng)的單視點(diǎn)轉(zhuǎn)多視點(diǎn)及視點(diǎn)合成技術(shù)框圖如圖4所示，包括深度深成和視點(diǎn)合成兩部分。首先通過(guò)對(duì)2D圖像色彩、紋理、光影、幀間運(yùn)動(dòng)視差等信息進(jìn)行處理，估算出每個(gè)像素點(diǎn)的深度信息；并將像素點(diǎn)的深度信號(hào)轉(zhuǎn)換成深度值，按照深度值來(lái)繪制出連續(xù)平滑的深度圖。然后設(shè)定不同的虛擬視角位置、以2D圖像為參考，根據(jù)深度圖來(lái)生成出虛擬視角位置的視點(diǎn)深度信息，并按照視點(diǎn)深度信號(hào)進(jìn)行渲染(插值、著色等處理)后繪制出虛擬視角位置的視點(diǎn)圖像。最后對(duì)繪制出的多個(gè)(N個(gè))視點(diǎn)圖像進(jìn)行存儲(chǔ)、排序，按照裸眼3D屏的物理視點(diǎn)像素排列情況，對(duì)N個(gè)視點(diǎn)圖像進(jìn)行交織處理，合成一副包含N個(gè)視點(diǎn)圖像信息的合成圖像。

圖4　單視點(diǎn)轉(zhuǎn)多視點(diǎn)及視點(diǎn)合成技術(shù)框圖

在視點(diǎn)轉(zhuǎn)換及合成技術(shù)方面，雙視點(diǎn)與單視點(diǎn)的主要區(qū)別在于深度估算：雙視點(diǎn)主要過(guò)雙視點(diǎn)左右圖像中存在的像素點(diǎn)視差來(lái)估算像素點(diǎn)深度值，深度估算難度較小、且精度較好。

2)3D格式轉(zhuǎn)換技術(shù)

目前3D信源的信號(hào)格式主要包括：SbS格式的720p@24/50/60 Hz、1 080p@24/30/50/60 Hz、1 080i@50/60 Hz，TaB格式的720p@24/50/60 Hz、1 080p@24/30/50/60 Hz，F(xiàn)rame-packing 1 080p@24 Hz等。為了提高系統(tǒng)穩(wěn)定性、系統(tǒng)資源利用效率以及易于商業(yè)應(yīng)用，需要將各種3D信號(hào)格式轉(zhuǎn)換為同一格式。

系統(tǒng)的3D格式轉(zhuǎn)換技術(shù)框圖如圖5所示。TV SoC模塊對(duì)輸入的各種格式3D信號(hào)進(jìn)行縮放、插行、幀頻轉(zhuǎn)換后，將其轉(zhuǎn)換成1 080p 120 Hz的左右?guī)蛄?D格式輸出。

圖5　3D格式轉(zhuǎn)換技術(shù)框圖

3)2D/3D兼容顯示技術(shù)

2D、3D內(nèi)容兼容顯示是裸眼3D產(chǎn)品規(guī)?；虡I(yè)應(yīng)用的必備要求。采用固定物理光柵膜的屏障光柵或柱狀透鏡光柵裸眼3D電視，需要通過(guò)復(fù)雜的算法生成特定2D圖像才能進(jìn)行正常2D顯示，且2D顯示的清晰度會(huì)顯著降低。

系統(tǒng)采用Barrier panel來(lái)形成活動(dòng)光柵，在2D顯示時(shí)控制Barrier panel關(guān)閉則呈現(xiàn)2D影像，且清晰度不降低、可達(dá)超高清(3 840×2 160分辨率)顯示效果；在3D顯示時(shí)控制Barrier panel打開(kāi)形成屏障光柵則3D影像，清晰度可達(dá)高清(720p分辨率以上)顯示效果。

4應(yīng)用情況

采用該系統(tǒng)的可切換光柵式裸眼3D電視產(chǎn)品經(jīng)測(cè)試：2D/3D信號(hào)播放流暢、兼容2D/3D顯示，視點(diǎn)數(shù)大于15個(gè)、可視角度范圍大于120°，2D顯示清晰度達(dá)到3 840×2 160分辨率、3D時(shí)清晰度可達(dá)1 080p分辨率；2D顯示時(shí)基本與Base panel的亮度相同，但3D顯示時(shí)由于Barrier panel打開(kāi)對(duì)亮度損失較大、亮度偏低，需要增加成本提升Base panel的亮度來(lái)提高3D顯示的亮度。

5小結(jié)

本文提出一種可切換光柵式裸眼3D電視系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，詳細(xì)闡述了系統(tǒng)原理、硬件及主要關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)可兼容2D/3D顯示，具有良好顯示效果，能夠快速進(jìn)行規(guī)?；虡I(yè)應(yīng)用，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn):

[1]張興，鄭成武，李寧.液晶材料與3D顯示[J].液晶與顯示，2012，27(4)：448-455.

[2]李應(yīng)樵. 裸眼3D電視的優(yōu)勢(shì)與未來(lái)發(fā)展 [J]. 電視技術(shù)，2014，38(22)：75-77.

[3]姜艷玲，鄧彩紅，孫站英.裸眼3D視頻的教育應(yīng)用研究[J].電視技術(shù)，2015，39(13)：118-121.

徐遙令，碩士，主要從事電視的研究和開(kāi)發(fā)工作；

侯志龍，高級(jí)工程師，主要從事電視的研究和開(kāi)發(fā)工作；

吳偉，教授級(jí)高工，創(chuàng)維總工程師，主持過(guò)多項(xiàng)國(guó)家科技支撐計(jì)劃、核高基重大專(zhuān)項(xiàng)、“863”項(xiàng)目等多個(gè)項(xiàng)目；

張曼華，學(xué)士，主要從事電視標(biāo)準(zhǔn)化和項(xiàng)目管理工作。

責(zé)任編輯：許盈

Design for glasses-free 3D TV system based-on switchable barrier

XU Yaoling，HOU Zhilong, WU Wei, ZHANG Manhua

(ShenzhenChuangwei-RGBElectronicsCo.,Ltd.R&DHeadquarters,GuangdongShenzhen518108,China)

Abstract:The article describes a design for glasses-free 3D TV system based-on switchable barrier. The principle, hardware and key technologies of the system are highlighted. The system can process TV signals into 1 080p@120 Hz image through TV module, and then, generate many viewpoint images and weave them into a 3 840×2 160@30 Hz synthesis image by naked-eye 3D module, finally, increase the frame rate of synthesis image and drive the naked-eye 3D screen to present high-definition 3D display. And, the use of independent barrier panel to form a switching barrier makes the ultra-high resolution 2D display become also possible.

Key words:switchable barrier；glasses-free 3D；TV system；high-definition

中圖分類(lèi)號(hào)：TN948

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

DOI：10.16280/j.videoe.2016.05.001

基金項(xiàng)目：國(guó)家“863計(jì)劃”項(xiàng)目(2015AA015905)

作者簡(jiǎn)介：

收稿日期：2016-03-09

文獻(xiàn)引用格式：徐遙令，侯志龍，吳偉，等. 可切換光柵式裸眼3D電視系統(tǒng)的設(shè)計(jì) [J].電視技術(shù)，2016，40(5)：1-3.

XU Y L，HOU Z L，WU W,et al. Design for glasses-free 3D TV system based-on switchable barrier [J].Video engineering，2016，40(5)：1-3.