由于立體顯示器能將場(chǎng)景的三維信息完全再現(xiàn)，使觀看者看到場(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，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
　　由人眼視覺原理可知， 人之所以具有立體視覺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來自奇像素列，1/3來自偶像素列。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來自偶像素列，1/3來自奇像素列。所以對(duì)于進(jìn)行過標(biāo)準(zhǔn)插的圖像必須通過綠場(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LVDS信號(hào)傳輸，在進(jìn)入CPLD前，經(jīng)過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)通過雙通道LVDS傳輸。考慮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。
　?、籴槍?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)。
　?、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。
　　由于17～20英寸液晶顯示屏的接口傳輸都是通過雙通道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）。