由于立體顯示器能將場(chǎng)景的三維信息完全再現(xiàn)，使觀(guān)看者看到場(chǎng)景中各物體的遠(yuǎn)近、縱深和圖像的現(xiàn)實(shí)分布狀況，獲得比2D顯示更加全面的信息，所以受到了廣泛關(guān)注。自由立體顯示器的實(shí)現(xiàn)方式有多種，其中，光柵式立體顯示器以自由立體圖片技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展而來(lái)，實(shí)現(xiàn)工藝比較簡(jiǎn)單，是目前最有可能實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的立體顯示技術(shù)。
1 新型光柵式立體顯示器原理
　　由人眼視覺(jué)原理可知， 人之所以具有立體視覺(jué)能力是由于人的兩只眼睛可從不同的方位獲取同一景物的信息，各自得到左右兩幅二維圖像。人的大腦通過(guò)對(duì)左右兩幅圖像以及兩幅圖像的視差進(jìn)行分析和處理后產(chǎn)生了立體感。因此顯示器要實(shí)現(xiàn)立體顯示，要讓顯示屏上的左右圖像分別進(jìn)入左右眼睛，這樣顯示的效果人眼看來(lái)就是立體的。立體顯示器原理如圖1所示。

1.1 視差照明原理的仿真結(jié)論
　　標(biāo)準(zhǔn)插圖像為一幀圖像，圖像中奇偶像素(R_2n-1，G_2n-1，B_2n-1)、(R_2n，G_2n，B_2n)組成一對(duì)左右眼圖" title="眼圖">眼圖(半分辨率)。
　　Frs格式圖像由兩幀構(gòu)成，每幀分別為全分辨率的左右眼圖，并分時(shí)交替送出顯示。Frs圖像格式變換是Frs格式圖像為實(shí)現(xiàn)自由立體顯示所作的變換。
　　對(duì)于進(jìn)行過(guò)標(biāo)準(zhǔn)插的圖像格式或者Frs圖像格式，實(shí)現(xiàn)左右眼睛從屏幕上只看到左右眼圖的關(guān)鍵是光柵板的設(shè)計(jì)。假設(shè)LCD屏在水平方向的像素尺寸為c、分辨率為n；設(shè)光柵板上有m條隙縫，其寬度為a，柵距為a+b，光柵板與LCD屏之間的距離為l。通過(guò)對(duì)視差照明原理的仿真，得到以下結(jié)論^[3]：
　　(1)為了實(shí)現(xiàn)單眼看到LCD屏上全部偶像素列而看不到奇像素列，必須確保a2c。
　　(2)光柵板隙縫寬度a直接影響LCD屏的顯示亮度，a越大，亮度越高，同時(shí)立體感越強(qiáng)；隨著a的增大，視場(chǎng)區(qū)域會(huì)隨之減小。所以，針對(duì)圖1所示的立體顯示器，顯示亮度和立體視覺(jué)性能難以兼得。通常協(xié)調(diào)矛盾的基本方法是改變基本配置，選擇3(a+b)≈2c。此時(shí)光能損失能夠得到有效遏制，但在最好的情況下，單眼也只能夠獲得2/3的奇像素列和1/3的偶像素列，因而不能產(chǎn)生立體顯示，如圖2所示。

1.2 不同的圖像格式處理
　　綠場(chǎng)變換對(duì)前后或者奇偶兩個(gè)像素(R_2n-1，G_2n-1，B_2n-1)、(R_2n，G_2n，B_2n)中的G分量進(jìn)行變換。即變換前像素為(R_2n-1，G_2n-1，B_2n-1)、(R_2n，G_2n，B_2n)，變換后像素為(R_2n-1，G_2n，B_2n-1)、(R_2n，G_2n-1，B_2n)。
　　(1)對(duì)進(jìn)行過(guò)標(biāo)準(zhǔn)插的圖像格式實(shí)現(xiàn)3D" title="3D">3D顯示
　　由圖2知，右眼看到（Ro，Ge，Bo）像素列圖像，Ro、Bo為奇像素列紅場(chǎng)與藍(lán)場(chǎng)，Ge為偶像素列綠場(chǎng)，即右眼看到的完整像素中有2/3來(lái)自奇像素列，1/3來(lái)自偶像素列。同理左眼只看到（Re，Go，Be）像素列圖像，Re、Be為偶像素列的紅場(chǎng)與藍(lán)場(chǎng)，Go為奇像素列的綠場(chǎng)，左眼看到的完整像素中有2/3來(lái)自偶像素列，1/3來(lái)自奇像素列。所以對(duì)于進(jìn)行過(guò)標(biāo)準(zhǔn)插的圖像必須通過(guò)綠場(chǎng)變換才能使單眼看到立體圖像對(duì)中的一幅完整圖像，實(shí)現(xiàn)立體顯示。
　　(2)對(duì)FrS格式的圖像實(shí)現(xiàn)3D顯示
　　由圖2知，奇數(shù)幀圖像送出右眼圖序列，左眼通過(guò)光柵看到的是右眼圖中的2/3偶像素和1/3奇像素組成的圖像（Rre，Gro，Bre），右眼通過(guò)光柵看到的是右眼圖中的2/3奇像素列和1/3偶像素列組成的圖像（Rro，Gre，Bro）；偶數(shù)幀圖像送出左眼圖序列，左右眼睛看到的是（Rlo，Gle，Blo）和（Rle，Glo，Ble）像素組成的圖像。所以對(duì)于Frs格式的圖像，單眼也無(wú)法看到立體圖像對(duì)中的一幅完整圖像，必須進(jìn)行相應(yīng)的像素變換實(shí)現(xiàn)立體顯示。
2 硬件電路設(shè)計(jì)
　　該硬件電路先接收來(lái)自液晶顯示器控制板的像素及像素控制信號(hào)，像素和像素控制信號(hào)通過(guò)LVDS信號(hào)傳輸，在進(jìn)入CPLD前，經(jīng)過(guò)LVDS信號(hào)到TTL信號(hào)的轉(zhuǎn)換。對(duì)于分辨率為XGA的液晶屏，像素和像素控制信號(hào)一般通過(guò)單通道的LVDS傳輸；而對(duì)于分辯率為SXGA～UXGA的液晶屏，像素和像素控制信號(hào)通過(guò)雙通道LVDS傳輸?？紤]到立體顯示器的向上兼容性，設(shè)計(jì)中采用了進(jìn)行單雙通道LVDS傳輸切換的轉(zhuǎn)換芯片，實(shí)現(xiàn)LVDS與TTL信號(hào)的轉(zhuǎn)換。
　　像素信號(hào)輸入到CPLD后，由R232串口發(fā)出控制信號(hào)，控制CPLD內(nèi)部進(jìn)行像素變換以及光柵驅(qū)動(dòng)電路" title="驅(qū)動(dòng)電路">驅(qū)動(dòng)電路的工作，實(shí)現(xiàn)立體顯示的模式控制。
　　圖3為立體顯示器的硬件結(jié)構(gòu)圖。

2.1 CPLD內(nèi)部實(shí)現(xiàn)像素變換及控制電路
2.1.1 模式控制選擇電路
　　模式控制模塊由兩部分組成。
　　(1)Osc模塊：通過(guò)調(diào)用CPLD內(nèi)部UFM中的時(shí)鐘振蕩器，提供一個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘，再通過(guò)一個(gè)分頻器產(chǎn)生所需要的波特率接收串行信號(hào)。
　　(2)R232信號(hào)接收器：接收來(lái)自串口的串行信號(hào)，轉(zhuǎn)換為并行信號(hào)再寄存。判斷寄存器中的數(shù)據(jù)，譯碼出相應(yīng)的Mode1、Mode0值進(jìn)行模式選擇。模式控制模塊結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2.1.2 像素變換電路
　　根據(jù)控制部分的Mode0、Mode1，通過(guò)一個(gè)多選器選擇是否進(jìn)行像素變換及進(jìn)行何種變換。圖5為總體結(jié)構(gòu)圖。
　　(1)綠場(chǎng)變換電路
　　通常，在分辨率為XGA的液晶屏(15英寸屏)與控制板之間，像素?cái)?shù)據(jù)采用單通道的LVDS傳輸，每個(gè)像素時(shí)鐘送出一個(gè)像素；而SXGA～UXGA的液晶屏(17～20英寸)與控制板之間，像素?cái)?shù)據(jù)采用雙通道的LVDS傳輸，每個(gè)像素時(shí)鐘送出兩個(gè)像素，所以CPLD內(nèi)部實(shí)現(xiàn)像素變換的電路不同。
　　①針對(duì)15寸液晶屏，采用單通道LVDS傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)步驟。
　　整個(gè)綠場(chǎng)變換電路是一個(gè)同步設(shè)計(jì)，隨著時(shí)鐘上升沿到來(lái)而工作：
　　第一個(gè)" title="第一個(gè)">第一個(gè)時(shí)鐘上升沿： 第一個(gè)像素（R1，G1，B1）被打入寄存器A；
　　第二個(gè)時(shí)鐘上升沿： 第二個(gè)像素（R2，G2，B2）被打入到寄存器B；
　　第三個(gè)時(shí)鐘上升沿： 第三個(gè)像素（R3，G3，B3）被打入寄存器A，同時(shí)第一個(gè)像素（R1，G1，B1）被打入寄存器C；
　　第四個(gè)時(shí)鐘上升沿：第四個(gè)像素（R4，G4，B4）被打入寄存器B，同時(shí)1、2 兩個(gè)像素交叉G1、G2像素分量，使第一像素變?yōu)椋≧1，G2，B1），第二像素變?yōu)椋≧2，G1，B2），打入寄存器D、E。
　　第五個(gè)像素與第一個(gè)像素同樣處理，并讀出第一個(gè)像素（R1，G2，B1）；
　　第六個(gè)像素與第二個(gè)像素同樣處理，并讀出第二個(gè)像素（R2，G1，B2）。
　　逐個(gè)讀出后面的像素，這樣就完成了綠場(chǎng)變換。
　　在綠場(chǎng)變換的同時(shí)，輸出一個(gè)ctr_out=1；點(diǎn)亮光柵，呈現(xiàn)3D顯示狀態(tài)。
　　②針對(duì)17～20英寸液晶屏，采用雙通道LVDS傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)步驟。
　　由于17～20英寸液晶顯示屏的接口傳輸都是通過(guò)雙通道LVDS傳輸，第一個(gè)通道傳輸奇像素，第二個(gè)通道傳輸偶像素，所以綠場(chǎng)變換可以直接進(jìn)行，不需要寄存前面的像素。
　　對(duì)輸入到CPLD中的兩個(gè)像素(R_2n－1，G_2n－1，B_2n－1)和(R_2n，G_2n，B_2n),對(duì)調(diào)G分量。輸出的兩個(gè)像素變?yōu)椋≧_2n－1，G_2n，B_2n－1）和（R_2n，G_2n－1，B_2n），即完成了綠場(chǎng)變換。
　　同時(shí)，輸出一個(gè)ctr_out=1，點(diǎn)亮光柵，呈現(xiàn)3D顯示狀態(tài)。
　　(2)FrS圖像格式變換電路
　?、籴槍?duì)15英寸液晶屏，采用單通道LVDS傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)步驟。
　　當(dāng)奇數(shù)幀圖像（右眼圖）送入CPLD時(shí)，通過(guò)內(nèi)部電路使奇數(shù)個(gè)時(shí)鐘像素信息保持不變（奇像素不變），偶數(shù)個(gè)時(shí)鐘像素信息變?yōu)槿?輸出（偶像素全為1），再通過(guò)像素變換，使奇偶像素變成(Rro，1，Bro)、（1，Gro，1），逐個(gè)輸出；當(dāng)偶數(shù)幀圖像（左眼圖）送入CPLD時(shí)，使偶數(shù)個(gè)時(shí)鐘像素信息保持不變（偶像素不變），而奇數(shù)個(gè)時(shí)鐘像素信息變?yōu)槿?輸出（奇像素全為1），通過(guò)內(nèi)部像素變換，奇偶像素變成（1，Gle，1）、（Rle，1，Ble），逐個(gè)輸出到屏中。所以通過(guò)光柵的遮擋作用，奇數(shù)幀時(shí)，左右眼在屏中看到的分別是（1，1，1）、（Rro，Gro，Bro）像素組成的圖像和像素組成的圖像；偶數(shù)幀時(shí)，左右眼在屏中看到的分別是（Rle，Gle，Ble）像素組成的圖像和像素組成的圖像（1，1，1）。一般液晶顯示器在標(biāo)準(zhǔn)模式顯示時(shí)，場(chǎng)頻為60Hz，由于眼睛的余光效應(yīng)，左眼一直認(rèn)為看到的是（Rlo，Glo，Blo）像素組成的圖像；右眼看到的是（Rre，Gre，Bre）像素組成的圖像。
　　同時(shí)，輸出一個(gè)ctr_out=1，點(diǎn)亮光柵，呈現(xiàn)3D顯示狀態(tài)。
　?、卺槍?duì)17～20英寸液晶屏，采用雙通道LVDS傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)步驟。
　　雙通道LVDS傳輸中，每一個(gè)像素時(shí)鐘送出奇偶兩個(gè)像素。當(dāng)奇數(shù)幀圖像(右眼圖)送入CPLD時(shí)，通過(guò)內(nèi)部電路使每個(gè)時(shí)鐘輸入CPLD的像素變成（Rro，Gro，Bro）、(1，1，1)，再通過(guò)內(nèi)部處理變成(Rro，1，Bro)、(1，Gro，1)，輸出到屏中。在偶數(shù)幀時(shí)，每個(gè)時(shí)鐘輸入CPLD的像素變成（1，1，1）、（Rlo，Glo，Blo），再通過(guò)內(nèi)部處理變成（1，Gle，1）、（Rle，1，Ble）。與15英寸原理相同，左眼一直認(rèn)為看到的是（Rlo，Glo，Blo）像素組成的圖像，右眼看到的是（Rre，Gre，Bre）像素組成的圖像。
　　同時(shí)，輸出一個(gè)ctr_out＝1，點(diǎn)亮光柵，呈現(xiàn)3D顯示狀態(tài)。
　　(3)2D顯示模式
　　像素按輸入方式（即像素不變換）讀出像素。同時(shí)，輸出一個(gè)ctr_out=0，關(guān)閉光柵，呈現(xiàn)2D顯示狀態(tài)。
2.2 光柵振蕩驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
　　由于立體顯示器中的光柵板內(nèi)部是特定的液晶分子，所以對(duì)提供的驅(qū)動(dòng)波形有特定的要求。
　　(1)防止液晶分子特性被損壞，必須滿(mǎn)足正負(fù)電壓周期性變動(dòng)的方波信號(hào)，占空比為50％。
　　(2)光柵相當(dāng)于一個(gè)大容量的負(fù)載，對(duì)于光柵驅(qū)動(dòng)電路，必須要有很強(qiáng)的負(fù)載能力，使波形在驅(qū)動(dòng)光柵時(shí)少變形。
　　(3)基于驅(qū)動(dòng)光柵的需要，提供的驅(qū)動(dòng)波頻率為38～45Hz之間，且要可調(diào)，振幅為12V（－6～＋6V）。