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浅析3D显示技术在LED显示屏上的应用

摘 要：文章介绍了4种3D显示技术应用到LED显示屏的原理以及应用方法，并分析了每种方法应用的优缺点，分析了采用分时技术的LED显示屏能够较好地显示3D图像，且性价比高。
关键词：分色；分光；分时；光栅；发光二极管
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引言
LED显示屏以其功耗低、寿命长、亮度高、视角大、可视距离远等优点而具有极为广阔的发展前景，随着人们生活水平的提高，LED显示屏将逐渐应用到各行各业。有数据显示，仅2007年一年LED显示屏的市场增长率就达到40%。随着LED显示屏的应用越来越广泛，人们对其要求也越来越高，现在人们已不能满足二维平面显示，更希望能真实地还原出现实世界的三维信息，因此3D显示技术在LED显示屏上的应用方案成为近年来研究的热点与方向。
人体有两[来自WwW.lw5u.cOm]个眼球，它们的视觉范围并不一致，会略有差别，这被称为视觉位移。而大脑在对比视觉位移后，会让我们感觉到“景深”的差别，也就是物体与我们距离的远近。而三维立体显示技术就是基于人体这种生理机能进行视觉欺骗，利用两幅略微不同的画面使大脑误以为我们看到的是具有一定景深的3D画面。目前共有4种方法实现，分别为分色、分光、分时和光栅。
1分色
分色技术的基本原理是让某些颜色的光只进入左眼，另一部分只进入右眼。我们眼睛中的感光细胞共有4种，其中数量最多的是感觉亮度的细胞，另外三种用于感知颜色，分别可以感知红、绿、蓝三种波长的光，感知其它颜色是根据这三种颜色推理出来的，因此红、绿、蓝被称为光的三原色。
LED显示屏就是通过组合这三原色来显示上亿种颜色的。分色技术在第一次过滤时要把左眼画面中的蓝色、绿色去除，右眼画面中的红色去除，再将处理过的这两套画面叠合起来，但不完全重叠，左眼画面要稍微偏左边一些，这样就完成了第一次过滤。第二次过滤是观众带上专用的滤色眼镜，眼镜的左边镜片为红色，右边的镜片是蓝色或绿色，由于右眼画面同时保留了蓝色和绿色的信息，因此右边的镜片不管是蓝色还是绿色都是一样的。以图2为例，红色部分图像是送给左眼的图像，蓝色部分图像是送给右眼的图像，然后在大脑里融合便形成了具有立体效果的图像。
采用分色技术的LED显示屏使用颜色较深的滤色镜，必然会损失一些亮度，同时它还会损失一部分颜色信息，另外显示彩色画面时，如果镜片颜色不够深，很可能导致滤色不彻底，会影响观看效果。并且由于观看时，双眼接收到的颜色信息严重不平衡，虽然大脑可以将它们完美地组合在一起，但是会造成视神经疲劳，所以不能长时间使用。但是这种方案只需要观看者佩戴一副眼镜和相应的视频源，而无需对显示屏做任何更改，所以是应用最简单的具有3D效果的LED显示屏
2分光
由于常见的光源都会随机发出自然光和偏振光，分光技术是用偏光滤镜或偏光片滤除特定角度偏振光以外的所有光，让00的偏振光只进入右眼，900的偏振光只进入左眼（也可用450和1350的偏振光搭配）。两种偏振光分别搭载着两套画面，观众需戴上专用的偏光眼镜，眼镜的两片镜片由偏光滤镜或偏光片制成，分别可以让00和900的偏振光通过，这样就完成了第二次过滤。
分光技术应用到LED显示屏上主要的难点是如何产生偏振光，分光技术主要应用到投影方面，目前电影院所播放的3D电影大多应用这种技术，杜比3D技术就是使用安装在放映机中、快速旋转的滤光轮来将红绿蓝三种色彩各自分为高、低波长两部分。相应的分色滤光3D眼镜只让屏幕中投射出来的适当光线进入左或右眼。滤光轮与数字投影仪同步，它每一帧旋转6次来为左右眼转换图像，每秒旋转高达144次，也就是说每秒钟分别给左右眼72次图像。
例如图3为有重影的两幅图像组成，两幅图像是经过偏光过后的两幅不同偏振光图像，如果不佩戴眼镜的话，看到的图像就是有重影的两幅图像，如果观众戴上偏光眼镜后，两片镜片分别让各自的偏振光线通过，对光进行过滤才会使两幅图像分别进入左右眼，从而在人脑内形成具有一定景深的图像。
分光技术的缺点是由于过滤了一部分光，所以亮度损失严重，而分光技术应用到LED显示屏也有它特定的技术难度。因为LED显示屏的显示原理和投影不同，所以在光源部分将光进行过滤的方法不可行，而在显示屏前加偏光片的方法更加不可取，因为左右眼的图像叠加在一起而无法分开，所以偏光技术目前还无法应用到LED显示屏上，还需以后继续探测研究。
3光栅
光栅技术和其它技术差别较大，它是将屏幕划分成一条条垂直方向上的栅条，栅条交错显示左眼和右眼的画面，如1、3、5……显示左眼画面，2、4、6……显示右眼画面。然后在屏幕和观众之间设一层“视差障碍”，它也是由垂直方[来自WW]向上的栅条组成的。视差障碍的作用是阻挡视线，它遮住了两眼视线交点以外的部分，使左眼看到的栅条右眼看不到，右眼看到的左眼又看不到。不过，如果观看者的位置改变的话，那么视差障碍位置也要随之改变。检测观看者位置的方法主要有两种，一种是在观看者头上戴一个定位设备，另一种是用两个摄像头像人眼一样的定位。
光栅技术应用到LED显示屏的方法是将LED显示屏和光栅精密组合在一起，左右眼的视差图像交错排列在LED显示屏上，利用光栅的分光作用将左右眼视差图像向不同方向传播，当观看者位于合适的位置时，左右眼就可以分别看到左右眼的视差图像。由此可见光栅式LED显示屏存在观看位置的局限性，目前比较好的解决方法是采用多视点技术，也就是说将N幅视差图像交错排列在LED显示屏上，借助光栅的分光作用，无论观看者如何水平移动，都会有两幅最佳图像分别进入左眼和右眼，从而产生立体视觉。光栅式LED显示屏的优点为，观看者可以不需要佩戴眼镜就可以看到具有3D效果的LED显示屏，且这种方法不影响视力，观看起来既简单又舒适。而光栅式LED显示屏也有其特定的缺点，光栅式LED显示屏在显示时如果使用双视点技术，就相当于将显示屏的水平像素减半，如果使用多视点技术，就相当于将显示屏的水平像素变为1/N，而显示屏的分辨率直接决定了显示效果的优劣。同时LED显示屏的灯的数目以及箱体的大小也是其成本的最主要部分，所以采用这种方式，如果不想要影响显示质量，就要将显示水平像素加N倍，浪费很多成本，如果不将像素加倍就会大大影响显示效果。
4分时
分时技术是将两套画面在不同的时间播放，显示器在第一次刷新时播放左眼画面，同时用专用的眼镜遮住观看者的右眼，下一次刷新时播放右眼画面，并遮住观看者的左眼。按照上述方法将两套画面以极快的速度切换，在人眼视觉暂留特性的作用下就合成了连续的画面。目前，用于遮住左右眼的眼镜用的都是液晶板，因此也被称为液晶快门眼镜。
现在我将同步LED显示屏的显示方案做个简单的介绍，LED显示系统主要包括显示终端设备、视频图像处理器（可选配置）、视频发送控制器、视频接收器、由LED箱体组成的LED显示屏。首先电脑、DVD、摄像机等视频源将视频数据传送给视频图像处理器，视频处理器将各种视频源数据进行解码编码输出DVI或HDMI等信号；视频发送控制器接收DVI或HDMI等视频数据信号以及串口发送的命令信号等，并将这些信号打包发送，发送信号的媒介可以为网络、光纤等；视频接收器接收视频发送器的视频数据以及控制命令，并将视频数据经过GAMMA、亮度色度处理而产生灰度数据，并通过扫描的方式点亮LED显示屏。
分时技术应用到LED显示系统重点需要解决的问题是同步问题，现就此问题的解决方法做以下介绍。分时技术应用到LED显示系统中需要增加的设备有无线发射装置以及立体同步眼镜。无线发射装置和电脑相连，并采集显示的帧信号，无线发射设备的延时模块可以通过设置将左右眼的帧信号进行一定的时延，并通过无线发射模块发出，无线发射模块可以采用红外发射模块或蓝牙模块。立体同步眼镜的无线接收模块在接收到左眼的帧同步信号后遮住观看者的右眼，在接收到右眼的帧同步信号后遮住观看者的左眼，利用人眼视觉的暂留特性而合成连续画面。电脑产生的帧同步信号和显示屏刷新时间的间隔通过计算得到后，将值赋给无线发射模块的时延模块，这样便解决了立体眼镜和LED显示屏之间的同步问题。还有一点值得一提的就是，人眼对连续图像的反应能力为每秒24帧，所以利用分时技术需要将显示的视频源的帧频设置为48帧以上，这对一般的显示设备都是可以轻松达到的。
分时技术所使用的节目源和分色技术、分光技术或光栅技术的节目源有区别，它每帧只有一幅图片给左眼或者右眼，所以左眼和右眼的图片不是重叠的而是连续的。以图4为例，左右两幅图片是两幅略有不同的图片，左边的图片是前一帧显示的图片送给左眼，右边图片是后一帧显示的图片送给右眼，然后在人的大脑里融合便形成了具有3D景深的图片。
分时技术虽然在任意一个时刻只有一只眼睛能看到光线，但由于人眼的视觉暂留特性而不会损失亮度，而且分时技术无需对原LED显示系统做什么改变，只需增加两个设备，成本较低，所以是目前能够实现3D图像显示的LED显示屏的较好解决方案。

5结论
采用分时技术的能显示3D效果的LED显示屏，无论是在显示效果上还是在性价比上都具有一定的优势，目前立体图像已经逐渐揭开了神秘的面纱，但是如何能够更好地显示3D图像，以及如何能更简单地使观看者看到3D图像，仍然是未来需要继续探索的目标。综上所述，光栅式LED显示屏虽然可以不用佩戴眼镜就可以看到立体图像，但是对观看者的位置有一定的要求；其它三种方式到目前为止还不能脱离眼镜的帮助，所以能显示3D效果的LED显示屏根据其原理还不适合在户外应用，但是在户内的很多应用场合，例如电影院、商场、会议厅等都是其大展身手的地方。希望在不久的将来能显示3D图像的LED显示屏可以被研制的越来越成熟，并最终产业化，走入人们的视线。
作者简介：刘玲（1980-），女，吉林人，主要从事LED显示屏控制系统的研究，E-mail： [e-mail]。

-全文完-