《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于FPGA的自由立體顯示系統(tǒng)光學(xué)引擎設(shè)計(jì)
來(lái)源:電子技術(shù)應(yīng)用2013年第11期
陸 麟1,王元慶1,曹利群2,周必業(yè)2,李鳴皋2
1.南京大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 南京210046; 2.中國(guó)人民解放軍海軍總醫(yī)院,北京100088
摘要: 實(shí)現(xiàn)了一種用于自由立體顯示系統(tǒng)的光學(xué)引擎。該系統(tǒng)采用FPGA作為控制處理器,通過(guò)RS232串口與DSP瞳孔跟蹤模塊實(shí)時(shí)通信,并根據(jù)液晶面板同步信號(hào)控制大功率LED驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)瞳孔坐標(biāo)的指向性照明。該系統(tǒng)與目前基于單片機(jī)的光學(xué)引擎比較,在成本提升很小的前提下具有能夠精確控制時(shí)序、同步性更好、適應(yīng)更大規(guī)模的LED驅(qū)動(dòng)電路等優(yōu)勢(shì),提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可升級(jí)性,具有良好的應(yīng)用前景。
中圖分類(lèi)號(hào): TN873
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
文章編號(hào): 0258-7998(2013)11-0010-03
Design of auto-stereoscopic display backlight system based on FPGA
Lu Lin1,Wang Yuanqing1,Cao Liqun2,Zhou Biye2,Li Minggao2
1.School of Electronic Science and Engineering, Nanjing University,Nanjing 210046,China; 2.Navy General Hospital PLA China, Beijing 100088,China
Abstract: A backlight system for auto-stereoscopic display monitor is proposed in this paper. The system uses FPGA as the main controller, receives watcher′s pupil position data from DSP via RS2332 serial port and provides the directional lighting according to the synchronization signal from LCD panel and pupil coordinates. Compared with the current backlignt system based on SCM, this system can provide more accurate timing controls and better synchronization with very small increase in the system cost. The system can adapt to larger LED controller arrays with its good scalability and stability,which means a bright prospect in application.
Key words : FPGA;auto-stereoscopic display;LED array;backlight system

    立體顯示技術(shù)經(jīng)過(guò)多年發(fā)展已經(jīng)有了巨大的進(jìn)步,目前市場(chǎng)上已經(jīng)商用的立體顯示器大多需要佩戴配套的眼鏡才能看到立體影像,存在多種不便利因素。已經(jīng)出現(xiàn)的裸眼立體顯示器基于光柵原理,雖然不需要佩戴眼鏡,但是水平方向分辨率會(huì)降為原始分辨率的一半。因此如何實(shí)現(xiàn)不需要佩戴任何輔助設(shè)備即可觀看全高清3D影像的自由立體顯示技術(shù),正成為研究的熱點(diǎn)。

    在這一背景下,本文提出并實(shí)現(xiàn)了一種可控的指向性光學(xué)引擎。采用該光學(xué)引擎利用普通120 Hz液晶面板即可實(shí)現(xiàn)自由立體顯示技術(shù)。在不佩戴輔助設(shè)備的前提下,能達(dá)到同時(shí)多人觀看全高清3D影像的目的。光學(xué)引擎采用通過(guò)Spartan 3E FPGA控制高亮度LED陣列的指向性背光技術(shù),通過(guò)從人眼跟蹤模塊[1]獲得的瞳孔坐標(biāo),控制LED驅(qū)動(dòng)電路按照液晶屏的刷新時(shí)序準(zhǔn)確將光線投射到人的左右眼中。與目前基于Atmega128單片機(jī)的光學(xué)引擎系統(tǒng)[2]相比,本系統(tǒng)在僅增加很少成本的前提下,具有能夠精確控制時(shí)序、同步性更好、適應(yīng)于更大規(guī)模LED驅(qū)動(dòng)電路等優(yōu)勢(shì),增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可升級(jí)性。整套系統(tǒng)經(jīng)測(cè)試,可在±30°視場(chǎng)角內(nèi)實(shí)現(xiàn)1~5人的實(shí)時(shí)無(wú)輔助立體顯示,并能夠兼容傳統(tǒng)的2D平面顯示模式,達(dá)到商用標(biāo)準(zhǔn),具有很好的應(yīng)用前景。
1 自由立體顯示系統(tǒng)工作原理
    當(dāng)場(chǎng)景中同一點(diǎn)在左右視圖中具有視差的兩點(diǎn)分別投射到對(duì)應(yīng)人眼后,由大腦融合感覺(jué)到虛擬立體深度,從而產(chǎn)生立體感。在視差立體顯示中能夠觀看到舒適立體的必要條件主要如下:
    (1)左右眼看到的兩幅圖像各自刷新頻率高于46 Hz;
    (2)兩幅圖片的視差小于聚焦一輻輳的容許度;
    (3)單視角圖像的空間分辨率小于人眼的分辨極限。
    根據(jù)以上原則,采用商用刷新率為120 Hz、分辨率為1 920×1 080的全高清液晶面板,分別以60 Hz的刷新率顯示左右眼圖像,利用菲涅爾透鏡構(gòu)成的光學(xué)成像系統(tǒng)[3],在液晶屏上的左圖像刷新完成后,光學(xué)引擎將LED陣列上的對(duì)應(yīng)于左眼位置的固定寬度一段LED點(diǎn)亮并投射到觀察者左眼中。同理下一幀右圖像刷新完成后,右眼對(duì)應(yīng)位置的LED會(huì)將整個(gè)屏幕照亮并投射到觀察者右眼中。觀察者的左右眼將會(huì)分別看到以60 Hz刷新的1 920×1 080全高清左右圖像,經(jīng)過(guò)大腦融合,就可以實(shí)現(xiàn)立體視覺(jué)。LED在人眼處投射的光帶寬度大致等于人眼的寬度,其余位置幾乎沒(méi)有光線出射。因此本系統(tǒng)的光學(xué)利用率極高,只需要幾顆高亮LED即可達(dá)到可觀看的亮度。當(dāng)有多人觀看時(shí),只要LED陣列對(duì)應(yīng)位置不相互重疊,觀看者間就不會(huì)互相影響,如圖1所示。受限于水平方向±30°的視場(chǎng)角,本系統(tǒng)可同時(shí)供最多5人互不影響地觀看。當(dāng)觀察者在視場(chǎng)角內(nèi)左右移動(dòng)時(shí),瞳孔跟蹤模塊會(huì)實(shí)時(shí)將觀察者當(dāng)前的瞳孔位置發(fā)送給光學(xué)引擎,由光學(xué)引擎實(shí)時(shí)更新LED位置,使觀察者始終能夠觀看到立體影像。系統(tǒng)可兼容傳統(tǒng)2D模式顯示,當(dāng)系統(tǒng)工作在2D模式時(shí),LED陣列以?huà)呙璞彻饽J焦ぷ鳎虼擞^看者在任何位置看到的畫(huà)面都與傳統(tǒng)2D顯示器無(wú)異。

2 光學(xué)引擎系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

    由上節(jié)所介紹的自由立體顯示系統(tǒng)原理可知,本系統(tǒng)中光學(xué)引擎的主要任務(wù)包括視頻左右?guī)叫盘?hào)的獲取、觀看者瞳孔位置坐標(biāo)的獲取和對(duì)高亮度LED陣列的控制。目前光學(xué)引擎的主控部分采用AVR單片機(jī)來(lái)完成。受限于單片機(jī)的順序執(zhí)行單線程架構(gòu),無(wú)法對(duì)系統(tǒng)的時(shí)序進(jìn)行精確控制,很小的功能改變就會(huì)導(dǎo)致最終系統(tǒng)的時(shí)序錯(cuò)亂,使整個(gè)系統(tǒng)的魯棒性和可定制性較差。并且由于單片機(jī)的時(shí)鐘最高僅能到12 MHz,再加上部分指令執(zhí)行時(shí)間大于一個(gè)時(shí)鐘周期,單片機(jī)對(duì)TLC5927 LED驅(qū)動(dòng)芯片的配置速率最高僅能達(dá)到800 kHz。由于TLC5927采用串行方式配置,當(dāng)驅(qū)動(dòng)芯片數(shù)量為50片時(shí),完成所有驅(qū)動(dòng)芯片的配置需要耗時(shí)達(dá)1 ms,已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足大規(guī)模LED陣列的驅(qū)動(dòng)時(shí)序要求。因此本文采用基于FPGA的光學(xué)引擎系統(tǒng)。由于FPGA的并行特性,可以方便地對(duì)系統(tǒng)時(shí)序進(jìn)行控制,增加和減少功能不會(huì)對(duì)已有時(shí)序產(chǎn)生影響,增強(qiáng)了系統(tǒng)的可定制性和魯棒性[4]。并且由于FPGA的高時(shí)鐘頻率,系統(tǒng)可以以LED驅(qū)動(dòng)芯片的最大配置時(shí)鐘頻率30 MHz對(duì)其進(jìn)行配置,在1 ms時(shí)間內(nèi)最多可配置1 876片TLC5927,使系統(tǒng)的可擴(kuò)展性大大增強(qiáng)。系統(tǒng)功能框圖如圖2所示,其中虛線內(nèi)的部分由FPGA完成。

2.2 同步信號(hào)接收模塊設(shè)計(jì)
    從120 Hz液晶面板配套的液晶開(kāi)關(guān)眼鏡中可以提取出左右液晶鏡片的驅(qū)動(dòng)波形,如圖3中l(wèi)on、loff、ron、roff所示。將該波形經(jīng)過(guò)電平匹配后即可輸入FPGA內(nèi)部的同步信號(hào)接收模塊,將這4路信號(hào)兩兩異或,即可得到左眼和右眼的同步信號(hào)lbuff和rbuff。兩路信號(hào)的周期均為60 Hz,且相位相差180°。該信號(hào)僅僅表示液晶刷新的使能信號(hào),由于液晶翻轉(zhuǎn)需要時(shí)間,因此左圖和右圖LED點(diǎn)亮使能信號(hào)需要延時(shí)液晶的翻轉(zhuǎn)時(shí)間τ,才能輸出給主控制器供LED驅(qū)動(dòng)器使用。最后同步信號(hào)接收模塊輸出的波形為圖3中的lenable和renable。利用該信號(hào)驅(qū)動(dòng)LED驅(qū)動(dòng)器,即可在液晶面板顯示左圖時(shí)點(diǎn)亮左眼LED,顯示右圖時(shí)點(diǎn)亮右眼LED,液晶面板刷新過(guò)程中LED不亮。

2.3 串口通信模塊設(shè)計(jì)
    為了使光學(xué)引擎能夠?qū)崟r(shí)更新人眼跟蹤模塊的瞳孔位置坐標(biāo),F(xiàn)PGA使用RS232串口與人眼跟蹤模塊的DSP通信。右眼的瞳孔位置可以根據(jù)左眼瞳孔位置+瞳孔間距得到,在觀看者瞳孔間距基本一致的情況下,串口僅需發(fā)送左眼瞳孔坐標(biāo)即可,這樣可以大大減少串口的數(shù)據(jù)量,提高實(shí)時(shí)性。串口每幀傳輸10 bit數(shù)據(jù),包括一位起始標(biāo)志位和一位結(jié)束標(biāo)志位[5]。串口通信模塊狀態(tài)機(jī)如圖4所示。DSP首先發(fā)送一個(gè)開(kāi)始字節(jié),內(nèi)容為56 h,表明新的坐標(biāo)數(shù)據(jù)傳輸開(kāi)始。第二個(gè)字節(jié)中傳輸當(dāng)前檢測(cè)到的瞳孔對(duì)數(shù)(即觀看者數(shù)量)。根據(jù)光學(xué)成像系統(tǒng)的參數(shù)視場(chǎng)角θ=±30°,最佳觀看距離d=1.2 m,人臉寬度w≈0.22 m,可以計(jì)算出最大同時(shí)觀看人數(shù)n=[2×(d×tanθ)/w]=6。第三個(gè)字節(jié)開(kāi)始傳輸左眼瞳孔的坐標(biāo)位置,當(dāng)串口通信模塊獲得了所有的瞳孔坐標(biāo)后,會(huì)將這些坐標(biāo)發(fā)送給主控模塊,主控模塊以這些位置為地址即可從預(yù)置在FPGA中的對(duì)應(yīng)表獲得顯示左圖時(shí)需要點(diǎn)亮的LED的對(duì)應(yīng)位置。在該地址上加一個(gè)偏移量,就可以從同一個(gè)對(duì)應(yīng)表中得到顯示右圖時(shí)需要點(diǎn)亮的LED的對(duì)應(yīng)位置。主控模塊將這兩個(gè)位置存放在寄存器中,直到下一次DSP通過(guò)串口更新瞳孔位置信息。


    在3D顯示模式下,LED由主控提供的Enable信號(hào)按照120 Hz的幀率刷新,每幀LED熄滅后,LED驅(qū)動(dòng)控制模塊從主控獲取下一幀的LED位置信息。由于采用8驅(qū)動(dòng)管腳并聯(lián)的工作方式,因此可以將LED位置信息通過(guò)SDI口以3.75 MHz的速率發(fā)送給TLC5927陣列,同時(shí)以同步方式輸出30 MHz的CLK,即可實(shí)現(xiàn)每8個(gè)CLK周期同步一個(gè)SDI電平。SDI信息寫(xiě)入完成后,LED驅(qū)動(dòng)器控制模塊發(fā)送一個(gè)LE信號(hào)對(duì)TLC5927進(jìn)行鎖存,并在下一次Enable信號(hào)到來(lái)時(shí)將OE信號(hào)拉低點(diǎn)亮對(duì)應(yīng)的LED。時(shí)序如圖6所示。

 

 

    在實(shí)驗(yàn)中,光學(xué)引擎系統(tǒng)以Spartan 3E FPGA作為控制處理器,通過(guò)RS232串口與DSP瞳孔跟蹤模塊實(shí)時(shí)通信,并根據(jù)液晶面板同步信號(hào)控制大功率LED驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)瞳孔坐標(biāo)的指向性照明。采用FPGA作為控制處理器實(shí)現(xiàn)了對(duì)LED驅(qū)動(dòng)芯片時(shí)序的精確控制和快速配置,使系統(tǒng)的魯棒性和可升級(jí)性明顯提升。實(shí)驗(yàn)測(cè)試證明,本系統(tǒng)性能達(dá)到了市場(chǎng)化要求,具有較好的商業(yè)應(yīng)用前景。
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