视睿讯全彩LED显示屏实现3D显示的技术方案

　　LED显示屏作为时下最流行的显示方式之一，在很多重要场合都存在着不可替代性，主要体现在可制作面积大、视角大、色彩均匀度一致、灰度高、易维护等优势。进而在教育教学、展览展示、VR/AR等场合得到越来越多的青睐。随着3D显示技术的发展及各种市场应用场景的增加，LED室内小间距屏实现3D显示的需求不断涌现，未来应用前景广阔。LED显示屏实现3D显示有哪些技术方案可供选择，到底该如何实现，本文做简要介绍。

　　一、3D显示的基本原理

　　3D显示技术就是利用一系列的光学方法使人左右眼产生视差从而接受到不同的画面，在大脑形成立体效果的技术。人的双眼是横向并排，并有6-7cm的间隔，因此左眼与右眼所看到的影像会有些微的差异，这个差异被称为「视差(Parallax)」，大脑会解读双眼的视差并藉以判断物体远近与产生立体视觉。

　　立体视觉是基于视差而来，3D显示就是要以人工方式来重现视差，简单说就是想办法让左右两眼分别看到不同的影像，藉以在平面的显示面板上模拟出立体视觉。

　　二、3D显示技术方案分析

　　3D显示从观看方式上分为裸眼式3D跟眼镜式3D。眼镜式3D分为色差式、偏光式、快门式。

　　1裸眼3D技术

　　裸眼3D是通过在显示面板上加上特殊的精密柱面透镜屏，将经过编码处理的3D影像独立送入人的左右眼，用户无需借助3D眼镜即可裸眼体验3D立体感觉。虽 然免去了用户佩戴眼镜的烦恼，不会因为眼镜影响用户日常使用的体验性，但是因为用户在进行裸眼3D屏幕的观看时，依靠人双眼的距离观看不同方向的光产生3D视觉，所以需要在特定的位置和角度才能够观看到完美的3D画面，如果角度或者位置有偏差，那么3D的效果就会大大折扣。

　　大尺寸的LED显示屏的LED发光管的光是发散的，无法形成真正的裸眼3D功能，有的科研院校进行了在LED显示屏前加上折射膜的研究，略微形成了一定的裸眼3D效果，但是对于观看的角度、距离、视野范围具有非常大的局限性，目前并不具有实用价值。

　　因此在民用消费领域，无论是投影机、显示器、电视机都采用眼镜式3D。眼镜式3D又细分为色差式、偏光式、快门式几种技术，即色分法、光分法、时分法。这几种技术的解决方案有着较大的区别，他们的实际表现效果也有较大差异及相应的优势及劣势。

　　(2)色差式3D技术

　　英文为Anaglyphic3D，配合使用的是被动式红-蓝(或者红-绿、红-青)滤色3D眼镜。这种技术历史最为悠久，成像原理简单，实现成本相当低廉，眼镜成本仅为几块钱，但是3D画面效果也是最差的。色差式3D先由旋转的滤光轮分出光谱信息，使用不同颜色的滤光片进行画面滤光，使得一个图片能产生出两幅图像，人的每只眼睛都看见不同的图像。

　　色差式3D的技术原理示意图：

　　色差式3D裸眼观看效果：

　　这样的方法容易使画面边缘产生偏色，颜色细节丢失严重，颜色不丰富，偏红偏蓝。另外，关于色分法的标准始终是没有统一，为一部电影定制的双色眼镜基本能够过滤掉各自对应的波段，但是因为标准问题万一不能完全过滤就会产生严重的重影情况。

　　(3)偏光式3D技术

　　偏光式3D技术也叫偏振式3D技术，英文为Polarization3D，配合使用的是被动式偏光眼镜。偏光式3D技术的图像效果比色差式好，而且眼镜成本也不算太高，目前比较多电影院采用的也是该类技术，不过对显示设备的亮度要求较高。偏光式3D是利用光线有“振动方向”的原理来分解原始图像的，先通过把图像分为垂直向偏振光和水平向偏振光两组画面，然后3D眼镜左右分别采用不同偏振方向的偏光镜片，这样人的左右眼就能接收两组画面，再经过大脑合成立体影像。

　　这种方式的最大优势是画面不闪烁，不需要电力驱动 的不闪式眼镜重量较轻，另外眼镜成本低廉，可至几块钱一幅。

　　但缺点同样明显，由于是将原有画面一分为二后才被眼部接收，所以分辨率在原有基础上减半，清晰度和亮度有所降低。对LED大屏幕来说，意味着投入一块高分辨率的LED大屏，实际上只达到原来一般的分辨率效果。同时偏振式3D技术对显示面板有特殊要求，必须在面板外层加装偏光层，所以造成面板成本增加，不像主动快门式技术只要显示面板刷新率达到120Hz就可以，对显示面板无其他要求。

　　国内很早就有公司采用这种方式对LED显示屏进行了3D应用，其基本原理是采用加倍LED发光管的方式，在物理上每个像素由两个发光管组成，按水平方向或垂直方向较近的方式配置，这样容易造成LED显示屏横向点间距离和竖向点间距离的不等，同样点间距、同样面积的显示屏，相较于普通LED显示屏，偏光式LED显示屏分辨率下降一半。在这两个相邻发光管上，通过印刷或者覆膜技术，使得左发光管发射出横向偏振光，右发光管发射出纵向偏振光，采用左镜片横向偏振光右镜片纵向偏振光的眼镜进行观看时，左右眼将分别看到左右画面，经由大脑合成为立体图象。这种改造需要对屏体进行单独设计，不能采用普通的发光管，需要在模组上进行贴膜或者印刷，显示屏驱动电路部分复杂，LED控制卡设计难度大，造成总体造价昂贵，同样点间距、同样面积显示屏分辨率低一半。总之不具备性价比，不具备大规模产业化生产优势。

　　另外这种技术景深的表现并没有快门式的出色。因偏振式3D技术的特点，目前主要应用于电影院等观看人数较多的公共场所，在LED显示屏领域的应用没有太大优势。

　　(4)主动快门式3D技术

　　主动快门式3D技术，英文为Active Shutter3D，配合主动式快门3D眼镜使用。这种3D技术在电视和投影机上面应用得最为广泛，资源相对较多，而且图像效果出色，受到很多厂商推崇和采用，其匹配的3D眼镜价格较高。动快门式3D 眼镜的镜片实质上是分别控制开/关的两片液晶屏，眼睛中的液晶层有黑和白两种状态，平常显示为白色即透明状态，通电之后就会变黑色。主动快门式3D主要是通过提高画面的刷新率来实现3D效果的，通过把图像按帧一分为二，形成对应左眼和右眼的两组画面，连续交错显示出来，同时红外信号发射器将同步控制快门式3D眼镜的左右镜片开关，使左、右双眼能够在正确的时刻看到相应画面。

　　通俗的来说，主动快门式3D技术就是通过镜片不断进行高速开/关状态来实现3D立体影像的成像。这项技术能够保持画面的原始分辨率，很轻松地让用户享受到真正的全高清3D效果，而且不会造成画面亮度降低。

　　快门式3D的优势就是其3D画面的景深表现非常出色，并且用户可以自行调节，为用户带来的体验性较强。现在市面上大部份消费级3D产品，如3D平板电视基本上都采用这个技术。由于快门式3D技术的实现原理和解决方案与120Hz的刷新率有关，因此无论是显示器端还是眼镜的接收端，都需要这个刷新率的支持。这时需要通过一种讯号发射装置，让3D眼睛和屏幕之间实现精确同步。目前，市场上主流的电视品牌如三星、创维、松下等推出的3D电视，都是采用主动快门式3D技术。

　　总之，快门式3D技术残影少、3D效果突出、能够达到全高清3D效果输出、屏幕成本比较低，只需更新刷新频率达到120赫兹即可导入这个技术。

　　三、3D多画面拼接处理器方案

　　根据3D显示基本原理，北京视睿讯科技有限公司经过研发实现了在普通LED显示屏上的快门式3D显示。

　　1方案基本原理介绍

　　左右格式或上下格式的3D信号源在电脑上播放，通常刷新率为60HZ;该信号经过3D拼接处理器后，3D拼接处理器经过倍频技术，把原有的60HZ信号倍频到120HZ,使左右眼信号重新混合。同时，3D拼接同步器采用同步技术，将左右眼的切换信号发送到3D眼镜同步器;由3D眼镜同步器控制3D眼镜的开关。采用这种方式，很好的实现了3D显示，同时，因为LED显示屏的应用特点，可以通过接收卡把LED刷新率提高到1920HZ甚至3840HZ以上，很好的解决了在消费级液晶电视上出现的闪烁感;在实际应用中无任何闪烁。

　　2方案具体实现

　　采用3D多画面拼接处理器方案实现LED显示屏的3D显示需要一块LED显示屏、一台3D拼接处理、一个3D同步发射器、一个3D眼镜(或若干);

　　一台3D同步器：Optoma-TX-3Dsync24G VESA发射器

　　规格参数：

　　1、 频率：2.4GH;

　　2、 功率：-20to+10dBm ;

　　3、 发射范围：不低于50米 ;

　　4、 认可：公共频段BandISM;

　　一个3D眼镜：Optoma-TX-ZF2300快门2.4G蓝牙

　　规格参数：

　　3D技术：主动式充电快门眼镜;

　　镜片类型：液晶;

　　同步方法：2.4G无线电频率;

　　刷新频率：240Hz;

　　电池寿命：≥75个小时;

　　供电方式：5V USB/Li-on 120mAh;

　　视角：± 115°;

　　透光率：40%;

　　镜架：密封，可水洗;

　　自动断电功能，更加节省资源;

　　2.4GHz无线电频率同步可避免来自其他设备的干扰;

　　3D多画面拼接处理器基于北京视睿讯自主开发的多画面拼接处理器为基础，除了实现多画面拼接处理器的功能外，还具备3D处理功能。

　　1、​超大规模图像处理一体机;3D多画面拼接处理器将信号接入、数据交换、信号处理、颜色处理、3D信号处理有效的集中在一起，同时又做到了各模块的分布式处理，创新性的实现了分布式与集中式的完美结合。单机多达80路信号，避免了一系列分体机的驳接、联动控制、兼容及故障问题。一体式架构使得集中统一与灵活配置完美结合。

　　2、​纯硬件板卡式设计，模块化结构;硬件上采用模块化设计，输入采集卡、输入卡、输出卡、控制卡、数据交换背板、风扇、电源均为模块化;用户可根据需求灵活定制相应的板卡，故障时直接替换相应故障组件即可;基于嵌入式软件系统，采ARM+FPGA+CROSSPOINT架构，启动速度快，稳定性高。

　　3、​内置3D sync vesa同步头;通过3D VESA接口可以外接3D同步发射器;从而实现快门式3D眼镜跟3D多画面拼接处理器正确同步，达到3D效果;

　　4、​多画面任意开窗，画面自由拉伸、压缩，任意跨屏、漫游

　　所有接入的信号都可以在全屏范围内任意开窗;单张输出板卡可以开8个窗口;每个窗口都能够在输出屏上漫游显示，完全没有区域限制;

　　5、​背板交换技术保证每个输入输出通道独享数据带宽，任意时刻可以并行传输所有并行数据，保证信号实时显示，不丢帧。

　　6、​4K信号输入;除了有常规cvbs、vga、dvi、hdmi等信号输入接口外还有多种4K输入信号，如DP1.1，hdmi1.4等单个接口即达到4K*2K(3840X2160)分辨率;同时多个输入接口间可以级联，从而使输入信号可以达到8k、16k乃至更高分辨率;EDID可在线编辑，强制电脑输出自定义分辨率，从而实现最佳的点对点显示。

　　7、​IP网络流媒体解码;基于FPGA纯硬件架构，采用H.265/MPEG-4AVC解码技术，且支持标准的RTSP协议。对于网路中的IP摄像头信号,IP编码器信号，NVR信号或会议系统中MCU的视频流都可以轻松解码并灵活显示。

　　8、​输出帧同步技术;输出视频信号在系统主时钟的统一授时管理下，达到了所有的输出端口完全同步，从根本上消除了每个显示单元内容不同步的问题，保证在播放高速信号时各显示单元步调一致，画面流畅，无撕裂现象;

　　9、​超大分辨率输出;3D拼接处理器最多可配置36个输出通道，在3D模式下可以带载3800万分辨率的LED大屏幕;

　　10、​输出分辨率二次自定义;单个输出通道最大带载130万像素(120HZ)，在此范围内自定义宽度和高度，

　　3采用3D多画面拼接处理器的优势

　　采用3D拼接处理器实现3D显示，简单易行，相对于其他方案具有独特的优势：

　　1、​简单可行，不受LED控制限制;

　　简单易行，兼容个主流LED控制系统，无需对传统显示屏进行任何改动，借助1台3D拼接处理器可以实现任意全彩LED显示屏“秒变”3D屏;

　　该方案采用开放式DVI接口输出120HZ的3D信号，借助普通电脑、普通发送卡、普通接收卡及普通LED显示屏，无需更改系统方案，无需额外增加成本。只需要注意2个技术问题：显示屏上采用可支持120HZ输入的普通发送卡及普通接收卡即可，接收卡的带载宽度比普通显示屏时降低一半。

　　举例来说：对于普通恒流IC的1/16扫显示屏，每张接收卡的带载宽度建议为128列，高度为384行。对于采用双锁存IC的1/32扫显示屏，每张接收卡的带载宽度建议为64列，高度为768行。对于采用高阶PWM IC的1/32扫显示屏，如MBI5153，ICN2053等，每张接收卡的带载宽度建议为128列，高度为512行。

　　2、​不受显示屏尺寸限制，只需一台3D拼接处理器即可实现;

　　视睿讯3D拼接处理器采用板卡式设计，可以任意扩展。目前最大规模为36路发送卡输出，可满足3800万分辨率以内的任何显示屏，所以完全不用担心显示屏尺寸太大而无法实现或代价昂贵;

　　3、​2D模式，3D模式一键切换;

　　同一块屏幕，可以3D显示，也可以当做普通LED显示屏使用;瞬间切换无需复杂配置。另外同时实现多画面多个3D窗口或3D窗口跟2D窗口混合显示;

　　4、​完美解决3D大屏超大输入分辨率的问题;

　　5、​采用2.4GH的3D同步器及眼镜，同步距离达50米，避免红外眼镜的距离短、怕阻挡等缺点。

　　6、​支持多种3D素材，左右格式、上下格式不受限制;

　　7、​支持OSD字符叠加功能，可以在图像上添加文字或图片。

　　8、​支持授权加密功能;由一级授权或二级授权此设备才能正常工作，设置授权时间到期后设备自动上锁，无法工作。

　　9、​支持其他拼接器的附加功能，如亮度快速调节、多场景无缝切换、场景轮询、定时切换、信号源裁剪、信号源状态检测等功能;

　　总之，采用3D拼接处理器实现3D显示，功能强大又不失简单、稳定可靠，对LED大屏幕及控制系统没有特殊要求，是目前应用在小间距LED领域效果最好、最理想的3D解决方案。

　　4典型方案及案例介绍

　　典型解决方案一：在展览展示、学校教育领域要求多画面多窗口的现实应用，如图左侧显示一个3D的素材窗口，播放3D视频或3D教学软件，右侧一个窗口播放ppt讲解;

　　典型解决方案二：nvidia显卡输出连续帧(120HZ)片源，通过HDMI1.4或者DP接口输入，从而实现更好的3D效果;

　　四、3D应用前景展望

　　随着3D立体视像、全息影像等技术不断取得突破性进展，国内外越来越多的公司投身3D显示领域，产品层出不穷。3D技术将革命性地影响和改变人们的沟通、工作与生活方式。3D显示技术不仅广泛应用于工业领域、建筑领域、军事领域、医疗、教学、娱乐和公共展 示等领域，推动传统信息化的升级，而且其正悄悄地融入个人娱乐与数字家庭的诸多领域， 如电影、电视、动画、游戏、通讯、摄影、摄像、购物、互联网等。将带动显示器、电视等行业向3D技术转移。在国外市场，3D显示在科研教学、医疗、传媒广告和电影院线市场都有成功应用，在欧美发达地区3D显示产品已经走入普通家庭。3D立体消费电子时代已经开启，它必将对传统生活形态产生巨大的影响，催生一条全新的产业链，带来更为可观的经济效益。

　　LED显示领域的3D显示市场的发展面临标准缺失、价格较高、内容匮乏等制约因素。3D显示需要上下游的内容商、运营商、芯片商、面板商、图形信号处理、系统集成商通力合作，从内容、传输到视频处理一整套标准的建立有助于产业化真正起步。 作为专业的图像处理应用厂家，视睿讯科技的3D图像拼接处理器提供简便友好、可定制的统一控制应用管理界面，更灵活、更人性化操作。使得对3D立体显示拼接显示墙的操控方便快捷，操作直观。

　　如果在整个拼接墙行业应用领域，逐步打破现有的应用瓶颈，使3D专业应用得以快速进入各个专业领域，那么，3D拼接屏的未来发展将是一片光明，新兴的3D拼接必将开启一个拼接应用的新时代。