裸眼三維顯示器、抬頭顯示系統及其實現方法與流程

文檔序號：11198171閱讀：814來源：國知局

本發明涉及抬頭顯示系統技術領域，具體涉及一種裸眼三維顯示器，抬頭顯示系統及其實現方法。

背景技術：

抬頭顯示系統(headupdisplay，簡稱hud)可以將信息投放在車輛的前擋風玻璃上，最初被使用在戰斗機當中。由于其便利性且可同時獲取車輛的信息和車外信息。自2000年開始被使用在一些高檔的汽車當中，現在常見的hud實現方案都是利用前擋風玻璃的反射，將二維圖像投影在車輛的前擋風玻璃上，也有一種基于移動智能終端(如手機)的hud實現方案，該方案將手機放在汽車油表盤上利用擋風玻璃的反射實現信息顯示。

但是，現有hud實現方案所成的像(即成像位置在前擋風玻璃上)都離駕駛員較近且距離不可變化。這樣，當駕駛員的眼睛看hud顯示的信息的時候，眼睛會聚焦在距自己較近的地方，導致駕駛員對前方遠處出現的緊急情況的反應時間被延長，危及行車安全。

技術實現要素：

本發明提供了一種裸眼三維顯示器，基于裸眼三維顯示器的抬頭顯示系統以及抬頭顯示系統的實現方法，以解決現有的抬頭顯示系統成像距離駕駛員較近并且距離固定，危及行車安全的問題。

根據本發明的一個方面，提供了一種裸眼三維顯示器，該裸眼三維顯示器包括：液晶光柵面板，以及設置在液晶光柵面板之上的用于顯示圖像的液晶顯示面板，

液晶光柵面板和液晶顯示面板之間還設置有光擴散板，

光擴散板的擴散方向與液晶顯示面板的紅綠藍rgb子像素的排列方向一致，

液晶顯示面板的紅綠藍rgb子像素的排列方向是與水平方向正交的豎直方向，

水平方向是與用戶視線平行的方向。

根據本發明的另一個方面，提供了一種抬頭顯示系統，應用于車輛上，

抬頭顯示系統包括：處理器，采集器以及如本發明的一個方面的裸眼三維顯示器，

裸眼三維顯示器，放置在車輛的前擋風玻璃之下，

采集器，放置在車輛的駕駛員的前方，

采集器實時采集車輛的駕駛員的左眼和右眼分別對應的空間坐標值以及生物特征信息，將空間坐標值以及生物特征信息發送至處理器，

處理器，用于生成對應左眼視角的第一圖像和對應右眼視角的第二圖像，并根據空間坐標值，生物特征信息以及采集器到由車輛的前擋風玻璃反射形成的虛像面的距離計算對應顯示第一圖像和第二圖像的裸眼三維顯示器上的位置信息，將第一圖像、第二圖像和對應的位置信息發送至裸眼三維顯示器；

裸眼三維顯示器，用于在裸眼三維顯示器上對應的位置顯示第一圖像和第二圖像，以在車輛的駕駛員的前方形成對應駕駛員注視深度的立體像。

根據本發明的又一個方面，提供了一種抬頭顯示系統的實現方法，包括：

利用放置在車輛的駕駛員前方并與駕駛員的采集器，實時采集車輛的駕駛員的左眼和右眼分別對應的空間坐標值和生物特征信息，將空間坐標值和生物特征信息發送至處理器；

利用處理器，生成對應左眼視角的第一圖像和對應右眼視角的第二圖像，并根據空間坐標值，生物特征信息以及采集器到由車輛的前擋風玻璃反射形成的虛像面的距離計算對應顯示第一圖像和第二圖像的裸眼三維顯示器上的位置信息，將第一圖像、第二圖像和對應的位置信息發送至裸眼三維顯示器；其中，裸眼三維顯示器放置在前擋風玻璃之下，

利用裸眼三維顯示器，接收第一圖像、第二圖像和對應的位置信息，并在該裸眼三維顯示器上對應的位置顯示第一圖像和第二圖像，以在車輛的駕駛員的前方形成對應駕駛員的注視深度的立體像。

本發明的有益效果是：本發明實施例的裸眼三維顯示器，包括兩個液晶面板，一個是顯示圖像的液晶顯示面板，另一個是用于產生視差的液晶光柵面板，并且液晶顯示面板設置在液晶光柵面板之上，進一步地，在液晶光柵面板和液晶顯示面板之間設置光擴散板，對光擴散板的擴散方向進行特別設計，即，將光擴散板的擴散方向設計成與液晶顯示面板的紅綠藍rgb子像素的排列方向一致，從而避免了當把液晶光柵面板和液晶顯示面板平行安裝用于顯示時，莫爾條紋的產生，提高了顯示畫質本實施例的抬頭顯示系統由于采用本發明實施例的裸眼三維顯示器，并實時采集車輛的駕駛員眼睛的空間坐標值以及生物特征信息，根據實時采集的駕駛員的眼睛的信息計算對應顯示圖像的裸眼三維顯示器上的位置信息，并控制圖像在裸眼三維顯示器的相應位置處進行顯示，從而能夠根據用戶眼睛的移動實時調整圖像顯示位置；結合采集的駕駛員的生物特征信息，在用戶視線前方相應深度形成立體像，解決了現有技術中成像距離近并且距離固定危及行車安全的問題，縮短了駕駛員的反應時間，提高了行車的安全性和用戶的滿意度。

附圖說明

圖1是本發明一個實施例的裸眼三維顯示器的結構示意圖；

圖2至圖5是本發明一個實施例的裸眼三維顯示器的四種工作模式的示意圖；

圖6本發明一個實施例的抬頭顯示系統的側視示意圖；

圖7是本發明一個實施例的抬頭顯示系統的俯視示意圖；

圖8是本發明一個實施例的抬頭顯示系統的框圖。

具體實施方式

隨著智能硬件的發展，hud被賦予了新的要求，用戶(本實施例的用戶指的是車輛的駕駛員)希望通過hud不僅顯示速度，油表等車輛的基本信息，還可以顯示更多的信息。為滿足這一需求，hud顯示的范圍就要更大。而根據現有的投影式hud，如果要實現較大的顯示畫面就需要一定長度的投影距離，這在空間很小的車輛中是很難實現的。針對這一問題，本實施例提出利用裸眼三維顯示技術來實現hud。

裸眼三維顯示技術主要包括兩種，一種是視差屏障式，這種技術的實現原理是利用光柵將顯示器中顯示左眼視角圖像的像素遮蔽住不被右眼看到，并將顯示右眼視角圖像的像素遮蔽住不被左眼看到，由于人類雙眼相距一定的距離，因此在觀看景物時會出現雙眼視差，左右眼視差圖傳送到人腦后，人腦將這兩個圖像合成得到有深度信息的立體影像。另一種是柱狀透鏡式，這種技術的原理是在顯示器上放置一片柱狀凸透鏡數組，其中的一些凸透鏡對應到左眼視角圖像的像素，另一些凸透鏡對應到右眼視角圖像的像素，利用這些凸透鏡分別將左眼視角圖像的像素折射到左眼，右眼視角圖像的像素折射到右眼，以產生立體視覺的效果。本實施例的裸眼三維顯示器是基于視差屏障式技術實現的，具體的本實施例提供了一種裸眼三維顯示器，并提供了基于這種裸眼三維顯示器的抬頭顯示系統，通過將裸眼三維顯示器橫放在車輛的前擋風玻璃之下的前臺上，利用前擋風玻璃的反射駕駛員可以在前方看到裸眼三維顯示器的虛像，再利用采集的駕駛員的眼睛注視的深度信息，計算裸眼三維顯示器上的顯示位置，進而調節立體像深度，實現將立體像投放在駕駛員注視前方相應的深度的效果，解決了現有hud成像位置距離駕駛員較近且距離固定危及行車安全的問題。

另外，由于駕駛員注視的距離相對較遠，高深度的立體像會導致顯示器顯示的圖像視差過大。這就要求所使用的裸眼三維顯示器竄擾要足夠小，否則很難在駕駛員腦中合成立體像(因為駕駛員看不清hud的顯示器所顯示的信息)。而且，受限于車內空間，投影式hud很難做到在相同顯示面積的顯示器上顯示更多內容，即，駕駛員可從顯示器上獲取到信息較少。所以如何在較小顯示面積的顯示器上顯示更多信息也是所屬技術領域技術人員所要解決的問題。

以下結合具體實施例對本發明采用的解決上述技術問題的技術手段進行重點說明。

實施例一

這里先對裸眼三維顯示器的結構進行說明，參見圖1，本實施例的裸眼三維顯示器包括：液晶光柵面板101，以及設置在液晶光柵面板101之上的用于顯示圖像的液晶顯示面板102，液晶光柵面板101和液晶顯示面板102之間還設置有光擴散板103，

參見圖1，光擴散板103的擴散方向應與液晶顯示面板102的紅綠藍rgb子像素的排列方向一致，液晶顯示面板102的紅綠藍rgb子像素的排列方向是與水平方向正交的豎直方向，這里的水平方向是指與用戶視線平行的方向。

本實施例中液晶顯示面板的紅綠藍rgb子像素的排列方向(排列方向即排列rgb子像素的方向)，參見圖1中左側的箭頭所示的豎直方向，不同于現有技術中的左中右排列而是采用上中下的排列方式，即，紅色子像素排在上，綠色子像素排在中間，藍色子像素排在下邊。也就是說，沿著豎直方向排列。并且，光擴散板的擴散方向(擴散方向即光線的傳播方向)參見圖1中右側的箭頭所示，也是豎直方向，光擴散板的原理是使光線在經過光擴散板散射層時不斷的在兩個折射率相異的介質中發生折射、反射與散射，以此產生光學擴散的效果。在本實施例中，光擴散板的作用是消除液晶顯示面板上rgb像素排列的周期性，從而消除了莫爾條紋干涉。莫爾條紋生成的原因是由于兩個具有周期性的透光面板相疊加。液晶顯示面板上的rgb像素是一種周期性排列的結構，液晶光柵上的狹縫也是周期性排列的，正是由于添加了擴散板，并且，將液晶顯示圖像板安裝在液晶顯示光柵之上，即放在液晶光柵面板的前面，消除了光擴散板之下的透光的液晶光柵面板的像素的周期性，從而消除了莫爾條紋干涉，并且不會將液晶顯示面板上顯示的畫面擴散掉，即不影響畫質。由上可知，本實施例的這種裸眼三維顯示器，首先，通過采用兩個液晶板，一個用來顯示光柵，另一個用來顯示圖像，液晶是具有光學各向異性和介電各向異性的材料，所以光柵在電、磁等外場的作用下，其光學特性可被調節，從而可以根據需要顯示的圖像對光柵進行調節，并可以對液晶顯示面板的像素進行調節，提高顯示畫質。其次，由于在液晶光柵面板和液晶顯示面板之間設置光擴散板，并且將光擴散板的擴散方向設置為與液晶顯示面板的紅綠藍rgb子像素的排列方向一致，從而一方面，既能消除將液晶光柵面板和液晶顯示面板重疊進行顯示時出現的莫爾條紋對畫質的干涉，另一方面，又不會對用于維持立體視的水平方向(即與駕駛員視線平行的方向)的光路造成影響，即不影響液晶顯示面板上顯示的畫面。

為了保證能夠正常顯示圖像，本實施例中液晶光柵面板101的紅綠藍rgb子像素的顯示頻率和液晶光柵面板102的頻率相同，并且相位相同，即兩者保持同步。例如液晶光柵面板和液晶顯示面板均采用同規格的120hz的液晶板或者采用60hz的液晶板。為了減少竄擾的影響，擴大立體像的可視范圍，本實施例的裸眼三維顯示器采用高頻四時分光柵進行顯示。

高頻四時分是指，液晶光柵面板的透光區域按照預定的速率(例如，按照頻率為120hz的液晶板的頻率的四分之一，即30hz)在預設的四種工作模式之間輪流切換。

參見圖2至圖5，本實施例的預設的四種工作模式，其中，圖2為工作模式一，圖3為工作模式二，圖4為工作模式三，圖5為工作模式四。

圖2至圖5中，101表示液晶光柵面板，102表示液晶顯示面板。液晶光柵面板101和液晶顯示面板102保持同步，即頻率和相位均相同，當液晶光柵面板的相應透光區域(光柵層)透光時，前方a，b，c，d的位置就可以看到液晶顯示面板上相應的圖像。圖2至圖5示意了四種工作模式，這四種工作模式以高頻(如30hz)輪流進行渲染，再利用a，b區域顯示左視角圖像，c，d區域顯示右視角圖像。當駕駛員的雙眼分別位于a至b區域和c至d的區域時，就可形成立體視覺。

這里，以左視角圖像為例進行說明，右視角圖像處理方式相同。對于待渲染的左視角圖像，將該圖像豎直分為16段(當然也可以分成更多或更少，不限于此)，然后用時分法在液晶顯示面板上分別進行渲染。

具體的，以a區域為例，b、c、d同理，不再重復。預先將整張圖像分成16段(a1-a16)共四組，令相鄰圖像段中的光柵線陣相位相差一條光柵寬度的位置，然后將劃分出的圖像段按照排列序號順序高速顯示，也就是把各組中的光柵圖和連續視差圖像段同步地分別顯示在液晶光柵面板和液晶顯示面板上，多組生成的左右眼視差圖像順序高速交替顯示，利用眼睛的殘留視覺效應，觀看者就可以看到高分辨率的立體圖像。如此可以將左視角圖像以全分辨率投給左眼，擴大立體像的可視范圍，減少竄擾。

可知，本發明實施例的三維立體顯示器，由于液晶顯示面板和液晶光柵面板的頻率相同，當液晶光柵面板的相應透光區域發光時，液晶顯示面板上的相應位置即可顯示圖像，如此，通過高頻控制相應的透光區域輪流透出背光，從而對左右眼視差圖像，液晶顯示面板均可以用全分辨率顯示整張圖像，實現了利用高頻切換、分時顯示來彌補低屏幕分辨率顯示導致的畫面不清的問題，也實現了在相同顯示面積的顯示器上顯示更多的信息，滿足用戶需求。

實施例二

參見圖6至圖8，對本發明實施例的抬頭顯示系統進行說明，抬頭顯示系統800包括：采集器801，處理器802以及裸眼三維顯示器10。

具體使用時，裸眼三維顯示器10放置在車輛的前擋風玻璃20之下(例如，水平安裝在前擋風玻璃之下的前臺上)，

采集器801，放置在車輛的駕駛員的前方，

采集器801實時采集車輛的駕駛員50的左眼和右眼分別對應的空間坐標值以及生物特征信息，將空間坐標值以及生物特征信息發送至處理器802，

處理器802，用于生成對應左眼視角的第一圖像和對應右眼視角的第二圖像，并根據空間坐標值，生物特征信息以及采集器到由前擋風玻璃反射形成的虛像面的距離計算對應顯示第一圖像和所述第二圖像的裸眼三維顯示器10上的位置信息，將第一圖像、第二圖像和對應的位置信息發送至裸眼三維顯示器10；

裸眼三維顯示器10，用于在裸眼三維顯示器上對應的位置顯示第一圖像和第二圖像，以在車輛的駕駛員50的前方形成對應駕駛員注視的深度的立體像40。

一個實施例中，參見圖6，裸眼三維顯示器10橫放在汽車前擋風玻璃20之下的前臺上，利用前擋風玻璃20的反射，駕駛員50可以在前方，虛像面30的位置處看到裸眼三維顯示器的虛像(參見帶箭頭的線段指示的光線傳播路徑)，再利用本實施例的裸眼三維顯示器可以根據采集的用戶的生物特征信息自動調節立體像深度的特點，實現在駕駛員注視前方相應的深度形成hud的立體像40的效果。這里的深度是指立體像(虛像)與駕駛員當前位置之間的距離。通過這種方式避免了成像距離駕駛員較近，當用戶雙眼盯著顯示器所成的像時，不能及時關注前方可能發生的危險情況，延長了對危險狀況的反應時間，影響行車安全的問題。

本實施例中，處理器802具體用于對第一圖像301或第二圖像302進行分幀，控制將分幀后的圖像301或302分時顯示在裸眼三維顯示器10對應的位置上。例如，處理器分別將第一圖像301或第二圖像302分為四幀，并控制以預定的速率(如30hz)在裸眼三維顯示器10對應的位置上輪流渲染四幀圖像。

本實施例中，處理器802通過如下公式計算對應顯示第一圖像301的裸眼三維顯示器10上的位置信息：

(x1+(d+z)tanθ,y1)

其中，x1，y1，z為采集的左眼對應的空間坐標值，θ為采集的生物特征信息中的瞳孔旋轉角度，d為采集器801到由前擋風玻璃反射形成的虛像面30的距離；

以及，通過如下公式計算對應顯示第二圖像302的裸眼三維顯示器10上的位置信息：

(x2-(d+z)tanθ,y2)

其中，x2，y2，z為采集的右眼對應的空間坐標值，θ為采集的生物特征信息中的瞳孔旋轉角度，d采集器801到由前擋風玻璃反射形成的虛像面30的距離。d+z代表駕駛員當前的位置到虛像面30的距離。

通過采集駕駛員的左眼或右眼對應的空間坐標值，并采集左眼或右眼的瞳孔旋轉角度，可以得到用戶眼睛聚焦的前方位置信息，例如，駕駛員當前注視的車輛前方1米處的一個物體，或者當前注視的車輛前方7米處的一個物體，然后基于實時采集的駕駛員的空間位置坐標值，瞳孔旋轉角度，以及采集器到由前擋風玻璃反射形成的虛像面的距離，一個常量實時計算對應顯示第一圖像的裸眼三維顯示器上位置坐標，以及對應顯示第二圖像的裸眼三維顯示器上的位置坐標。計算出相應的位置坐標之后，即可控制在該相應的位置坐標處渲染圖像，從而在駕駛員前方相應深度形成立體像，避免了現有技術中將圖像固定投影在前擋風玻璃之上導致的成像距離近，當遠處出現緊急情況時，延長駕駛員的反應時間危及行車安全的問題。

即，相比現有技術中的投影hud和手機hud，本實施例的抬頭顯示系統可以縮短駕駛員處理危險的反應時間，提高了行車安全性，而且，可視范圍更大，能夠顯示更多信息，有利于hud的智能化。

這里的采集器可以是紅外攝像頭。這里的空間坐標系以紅外攝像頭所在的位置為原點，以與駕駛員左右眼連線平行的方向為x軸方向，以與駕駛員靠近或遠離前擋風玻璃的方向平行的方向為z軸方向，并以上下方向為y軸方向。

在一個實施例中，該抬頭顯示系統800還包括：信息獲取器，用于獲取車輛的基本信息(如，汽車的行駛速度，當前油量)，導航信息，和/或危險提示信息(例如，前方3米處出現行人等提示信息)；處理器802具體用于生成指示車輛的基本信息，導航信息和/或危險提示信息的第一圖像和第二圖像。

具體實施時，以導航信息的獲取為例，車輛上安裝有gps(全球定位系統，globalpositioningsystem)，通過測量出已知位置的衛星到車輛上的gps接收機之間的距離，然后綜合多顆衛星的數據就可知道gps接收機的具體位置，將實時采集安裝了gps接收機的車輛的位置坐標，發送給處理器，處理器后續可利用該信息生成圖像進行顯示。

實施例三

本發明實施例還提供了一種抬頭顯示系統的實現方法，包括：

利用放置在車輛的駕駛員前方的采集器，實時采集車輛的駕駛員的左眼和右眼分別對應的空間坐標值和生物特征信息，將空間坐標值和生物特征信息發送至處理器；

利用處理器，生成對應左眼視角的第一圖像和對應右眼視角的第二圖像，并根據空間坐標值，生物特征信息以及采集器到由前擋風玻璃反射形成的虛像面的距離計算對應顯示第一圖像和第二圖像的裸眼三維顯示器上的位置信息，將第一圖像、第二圖像和對應的位置信息發送至裸眼三維顯示器；其中，裸眼三維顯示器放置在車輛的前擋風玻璃之下，

一個實施例中，利用處理器將所述第一圖像、第二圖像和對應的位置信息發送至裸眼三維顯示器包括:

利用處理器對第一圖像和所述第二圖像進行分幀，控制將分幀后相應的圖像分時顯示在裸眼三維顯示器對應的位置上。

一個實施例中，該方法具體包括利用處理器分別將所述第一圖像或所述第二圖像分為四幀，并控制以預定的速率在所述裸眼三維顯示器對應的位置上輪流渲染四幀圖像。

一個實施例中抬頭顯示系統的實現方法還包括：獲取所述車輛的基本信息，導航信息和/或危險提示信息，利用處理器生成指示車輛的基本信息，導航信息和/或危險提示信息的第一圖像和第二圖像。

具體的，處理器通過如下公式計算對應顯示所述第一圖像的裸眼三維顯示器上的位置信息：

(x1+(d+z)tanθ,y1)

其中，x1，y1，z為采集的左眼對應的空間坐標值，所述θ為采集的生物特征信息中的瞳孔旋轉角度，d為采集器到由前擋風玻璃反射形成的虛像面的距離；

以及，通過如下公式計算對應顯示所述第二圖像的裸眼三維顯示器上的位置信息：

(x2-(d+z)tanθ,y2)

其中，x2，y2，z為采集的右眼對應的空間坐標值，所述θ為采集的生物特征信息中的瞳孔旋轉角度，d采集器到由前擋風玻璃反射形成的虛像面的距離。

需要說明的是，本實施例的抬頭顯示系統的實現方法的步驟是與前述抬頭顯示系統的工作過程相對應的，因此，更多細節可參見前述說明，這里不再重復。

綜上可知，本實施例的裸眼三維顯示器，顯示的范圍更大，畫質更清晰，本實施例的抬頭顯示系統及其實現方法，通過實時采集駕駛員的空間位置和眼睛焦點，并在駕駛員的前方相應深度成像，縮短了駕駛員處理危險的反應時間，提高了行車時的安全性，改善了用戶體驗，增強了產品的市場競爭力。