一种裸眼3D电视系统的设计方案*

作者/ 徐遥令 侯志龙 深圳创维-RGB电子有限公司研发总部(广东 深圳 518108)

摘要：本文提出一种裸眼3D电视系统的设计方案，详细阐述了方案的原理及关键技术的实现。方案系统先将电视信号处理成单视点或双视点图像，然后将单视点或双视点图像转换成N个视点图像，并将N个视点图像交织成一幅合成图像来驱动裸眼3D屏发出图像光实现裸眼3D显示。该方案可快速应用于柱状透镜式和光栅屏障式裸眼3D电视产品，具有广泛的应用价值。

引言

近几年利用人眼视觉原理的眼镜式3D显示在电视领域得到了大规模应用^[1]，而裸眼3D显示不需佩戴如眼镜之类的辅助设备就能观看到3D立体图像[2]，是未来3D电视应用和发展的主要方向之一。裸眼3D显示分为视差屏障、柱状透镜、指向光源、全息、多层显示等技术[3-5];指向光源、全息、多层显示等技术非常复杂、工艺不成熟、成本高，尚未得到较大规模商业应用;而视差屏障和柱状透镜技术实现简单、工艺成熟、成本低，在教育、广告、娱乐等商业领域已经得到广泛应用。

视差屏障3D技术是在2D屏幕表面设置细条狭缝光栅来形成屏障，通过遮挡并控制不同图像像素光线的走向，让左右两眼接收到不同图像影像产生视差，形成3D立体效果。如图1(左)所示，左眼只能接收到奇像素发出的光线、右眼只能接收到偶像素发出的光线，左、右眼分别接收到奇、偶图像，使观者看到3D影像。柱状透镜3D技术是在2D屏幕表面加上一层柱状透镜光栅，每个柱状透镜下有不同图像的像素，透镜以不同方向折射不同图像像素发出的光线，于是双眼从不同角度观看显示屏就接收到不同图像影像、产生视差，形成3D立体效果。如图1(右)所示，柱状透镜将奇像素发出的光线折射进左眼、将偶像素发出的光线折射进右眼，左、右眼分别接收到奇、偶图像，使观者看到3D影像。

本文提出一种裸眼3D电视系统的设计方案，可应用于视差屏障式裸眼3D电视或柱状透镜式裸眼3D电视，能够进行快速推广和应用。

1 系统原理

裸眼3D电视系统原理如图2所示。

前端处理对从USB、HDMI等端口输入的2D或3D电视信号进行解码、缩放、去隔行、格式转换、帧率转换等处理后，输出统一格式的2D单视点图像信号或L/R双视点图像信号。输出格式与前端处理芯片的处理能力、接口带宽紧密相关。2D显示时，该系统输出的格式为3840*2160@30Hz，3D显示时，该系统输出的格式为1920*1080@120Hz。

目前绝大多数电视信号为2D单视点或3D双视点信号，进行裸眼3D电视的应用推广必须进行视点转换。视点转换将前端处理后的单视点图像或L/R双视点图像信号转换成多个视点图像信号(以N视点为例，分别为第1、第2、第3、...、第N视点)。对于双视点转多视点，系统根据L/R双视点图像对象的像素位移来估算出各个像素深度并生成景深图，最后插值渲染出N-2个视点图像;而对于单视点转多视点，系统根据单视点图像对象的位置关系、姿态、阴影等信息，采用清晰度分析法来估算对象深度并生成景深图，最后插值渲染出N-1个视点图像。

视点合成则根据裸眼3D屏物理像素和光栅的排列情况，对N个视点图像的像素进行交织排列后，形成一副合成图像。合成图像经过FRC(帧频转换)倍频等后端处理，驱动裸眼3D屏实现图像显示。

裸眼3D屏主要由2D屏与光栅组成，采用狭缝光栅则是视差屏障式裸眼3D电视系统，采用柱状透镜光栅则是柱状透镜式裸眼3D电视系统。裸眼3D屏进行屏幕分像，将合成图像分解成独立的N个单视点图像(视点顺序为1至N或N至1)，即：经过FRC处理后的合成图像信号驱动2D屏像素发出光线，光线经光栅阻挡或折射后集中在设定的N个视点区域，处于不同视点区域的左、右眼接收到不同视点图像，形成立体视觉感受。

2 关键技术

2.1 双视点转多视点技术

双视点转多视点过程如图3(a)所示。接收到L和R图像后，分析图像的轮廓、边沿、纹理等几何特征信息，根据几何特征信息进行对象匹配，获取L和R图像中的相似对象区域。然后在相似对象区域选取匹配的一个像素点i(或选取一个像素点及其临近的像素，将这些像素一起当成一个像素点)进行像素矢量位移计算，得到像素视差，根据像素视差计算出像素深度值，如图3(b)所示。像素深度值为：

DP(i)=(D*P)/(P-E) (1)

其中，像素视差P=|dr-dl|，dr和dl分别为L和R图像像素矢量位移，D为观看距离、E为人的双眼间距。

计算出所有像素深度值后，将其转换为像素空间坐标，将各个像素空间坐标连接起来形成一个整体，绘制出深度图。根据深度图来插值生成某一角度新视点的灰度图，并以L视点图像作为参考、根据新视点与L视点间的位置差异来进行颜色渲染填充，输出虚拟的视