基于插灰帧提高3D图像显示质量的解决方案

     3d技术分析

　　3维（3D）图像技术被应用在各种领域（如信息通信、广播、医疗保健、教育和培训、 军事、游戏、动画、虚拟现实、计算机辅助设计（CAD）、工业技术等）。3D图像技术被视为在这些各种领域中通常需要的下一代3D多媒体信息通信的核心技术。通常，通过透镜的厚度改变程度的复合作用来产生由人感知到的3D效果，所述透镜的厚度改变程度的复合作用是由以下原因引起的将被观察的对象的位置的改变、双眼和对象之间的角差、左眼和右眼看到的对象的位置和形状的差别、由对象的运动引起的视差和其它各种心理和记忆效应等。在上述因素中，由于人的左眼和右眼之间的约6cm到约7cm的水平距离而发生的双目视差（binocular disparity）被视为3D效果的最重要的因素。换句话说，由于双目视差，人看对象带有角差，由于角差，进入左眼和右眼的图像具有两个不同的图像。当这两个不同的图像通过视网膜被发送到人的大脑时，大脑准确地将两个不同的图像的信息结合， 从而人感知到原始3D图像。3D显示设备被分为使用专用眼镜的眼镜式3D显示设备和不使用专用眼镜的非眼镜式3D显示设备。

　　眼镜式3D显示设备使用彩色滤波器方法、偏振光滤波器方法和快门眼镜方法。彩色滤波器方法使用互补的彩色滤波器划分并选择图像。偏振光滤波器方法使用由于正交偏振装置的组合而发生的遮光效应来将左眼图像和右眼图像互相分离。快门眼镜方法响应于用于将左眼图像信号和右眼图像信号投射到屏幕上的同步信号，交替地遮挡左眼和右眼以提供3D效果。如果使用眼镜式3D显示设备，则观看者通过3D眼镜观看由眼镜式3D显示设备显示的图像。这里，当3D图像透过3D眼镜时，观看者观看到不同于由眼镜式3D显示设备显示的3D图像的图像。例如，观看者观看到具有比由眼镜式3D显示设备显示的图像的亮度降低得更多的亮度的图像或观看到颜色已失真的图像。这里，由于传统3D显示设备设置与2维QD）图像质量相同的图像质量以输出具有与2D图像相同的图像质量的3D图像，因此传统3D显示设备无法基于观看者戴上眼镜之后由观看者观看的图像质量来调整图像质量。因此，观看者观看到以柔和色调显示在暗屏幕上的3D图像。

　

　　因此，需要一种调整3D图像质量，从而即使3D图像透过3D眼镜，观看者也可观看到具有最佳图像质量的3D图像的方法。

　　由于人双眼观察物体的角度略有差异每只眼睛看到的图像会有细微不同， 大脑会将左右眼看到的图像进行处理呈现出3D（立体）视觉3D显示可分为眼镜式和裸眼式，眼镜式分为主动快门式、偏光式和色差式等

　　主动快门式3D显示的实现复杂度低，克服了其他眼镜式3D显示分辨率低的缺点，能够使双眼获得1080P的高清显示效果，画质优越。主动快门式3D显示技术，主要是通过提高屏幕的刷新率，使左右眼画面分时交替显示，再通过快门式3D眼镜的配合，使人的双眼分别获得左右眼图像和利用人眼视觉暂留特性，从而在人脑中产生3D立体图像。在同一时刻，仅一只人眼可以获得图像，然而在画面切换过程中，会出现左右眼图像分离不完全而引起的双边缘现象，也就是我们常说的串扰现象；串扰现象会降低3D显示效果，长时间观看时会使用户产生头晕现象，严重影响3D电视给观众带来的感受。同时图像模糊也会严重影响3D显示的效果，在液晶显示器件中导致图像模糊的主要原因之一是液晶分子的响应速度。

　　该文对现有快门眼镜式3D显示技术进行改进，提出一种基于插灰帧提高3D图像显示质量的解决方案，能够降低3D串扰和图像模糊，有效地提升3D显示质量。

　　1、方案整体组成

　　方案整体构成如图1所示，由信号源、预处理模块、帧处理模块、微处理器MCU、无线发射器以及液晶显示装置组成。其中信号源用于产生3D图像信号;预处理模块对3D图像信号进行格式识别、格式转换功能，输出L/R帧序列（左/右眼图像帧序列）;帧处理模块对3D图像信号进行倍频和插灰帧处理，同时将3D图像的帧同步信号发送给微处理器MCU;微处理器MCU通过C_S信号和GPIO信号与帧处理模块进行通信读取帧同步信号，并将帧同步信号进行编码发送给无线发射器，将背光控制信号发送给液晶显示装置;无线发射器主要向快门式3D眼镜提供帧同步信号用以切换左右镜片的开关;液晶显示装置接收3D图像帧序列和背光控制信号，显示3D图像。

　　

　　预处理模块对来自信号源的3D信号进行识别、格式转换等处理后，输出左右眼画面交替出现的L/R帧序列（3D图像原始帧序列），其中Rn和Rn+1帧为右眼图像帧，Ln和Ln+1帧为左眼图像帧，如图2（a）所示。L帧和R帧的频率为H。

　　

　　帧处理模块接到L/R帧序列后，首先对其进行倍频处理，产生如图2（b）所示的R‘/R’‘/L’/L‘’帧序列;然后对R‘/R’‘/L’/L‘’帧序列做进一步添加灰帧的处理，用灰帧G取代帧序列中的帧Rn‘和Ln’等，从而使帧序列变为G/R‘’/G/L‘’帧序列，如图2（c）所示。其中G帧图像内容的像素对应着某一电压，其电压值不为零。

　　由图2（d）所示，C_IR信号为经过编码的同步控制信号，由微处理器MCU发送给无线发射器。图2（e）的波形为快门式眼镜的开关信号，Right信号为右镜片开信号，Left信号为左镜片开信号。图2（f）为液晶显示装置的背光开关信号，其开信号“ON”与L‘’/R‘’帧序列保持同步，且滞后于L‘’/R‘’帧而提前L‘’/R‘’帧结束。同样，快门式眼镜的左右开关信号滞后于背光开信号“ON”而提前背光关信号“OFF”结束。波形2（g）为像素极性控制信号，其正负极性交替出现是为了让液晶分子向不同方向发生交替偏转。

　　2、插灰帧技术降低3D串扰和图像模糊原理

　　由图2（c）可知，在左右眼的图像序列中插入灰帧后，使左右眼图像间增加了1/（2H）时间间隔，可以使左右眼的图像完全分离开，有效减轻了主动快门式3D显示的串扰问题。

　　液晶显示装置部分原理图如图3所示，由源驱动器、门驱动器、液晶单元集、以及VCOM电压产生电路组成。

　　

　　液晶单元集由m×n个像素组成（如图3第3部分所示），每个像素单元包含一个TFT（薄膜晶体管）和像素电容器，像素电容器包含显示电极和公共电极，并且显示电极与TFT的源极相连，所有公共电极连接在一起与VCOM电压相连。

　　为了避免液晶面板在显示画面时出现闪烁现象以及使液晶分子可以向两个不同方向发生交替偏转，公共电极（VCOM）的电压值设置在像素信号的中值附近。像素电容器两端的不同电压是导致液晶分子发生不同角度偏转的主要原因。偏转角度的不同致使液晶分子透光度不同，从而可以显示不同的亮度，由不同亮度的像素单元矩阵就构成了显示画面。

　　图像模糊以及图像拖尾现象的出现，部分主要原因是像素电容器充放电速度慢和液晶分子响应时间长所引起的。当显示运动画面时，由于相邻两帧图像差别比较大，像素电容器两端电压需要进行较大的跳变，液晶分子需要向两个方向偏转，响应时间（偏转时间）会相应延长，从而导致了图像模糊、图像拖尾等现象。

　　在显示3D画面时，如图2和图4所示：第一帧为灰帧（G）、SW为正极性控制信号，则源驱动器输出的Si为正极性像素信号， Si通过TFT向像素电容器预充电至电压值为Ug+、充电时间为1/（2H），如图4所示;像素电容器电压使得液晶分子发生偏转、偏转角度为￠g+，如图5所示。当显示Rn‘’帧时、SW依然为正极性控制信号，源驱动器输出的Si仍然为正极性像素信号，Si通过TFT向像素电容器继续充电至电压值为U+、充电时间同样为1/（2H），如图4所示;像素电容器电压使得液晶分子继续同向偏转、偏转角度至￠+，如图5所示。下一个灰帧、SW为负极性控制信号，则源驱动器输出的Si为负极性像素信号， Si通过TFT向像素电容器反向预充电至电压值为Ug-、充电时间为1/（2H），如图4所示;以及使得液晶分子发生反向偏转、偏转角度为￠g-，如图5所示。同样当显示Ln‘’帧时液晶分子继续反向偏转，偏转角度至￠-。

　　

　　由于插入灰帧使得像素电容器得到预充电，液晶分子预先偏转了一定角度，减小了液晶分子需要偏转的角度，同时在图像信号到来时能够使得液晶分子迅速偏转并有较大角度的偏转，使得液晶分子响应加快，降低了图像模糊和拖尾等现象。

　　3 方法验证

　　如图4、图5所示。在灰帧（G）时间段如果不做任何处理（空闲时间）或插入全黑帧，也能有效避免主动快门式3D显示的串扰问题。但是如插黑帧曲线所示，插入黑帧图像内容的像素电压值为零，没有对像素电容器进行预充电，液晶分子的响应时间将延长会导致图像模糊，同时偏转的角度将减小会导致亮度降低。