一种新型光栅式自由立体显示器的硬件电路设计

1、    一种新型光栅式自由立体显示器的硬件电路设计        张铧铧，吕国强 时间:2008年03月26日     字 体: 大 中 小        关键词:<"cblue" " target='_blank'>眼图<"cblue" " target='

2、;_blank'>立体显示<"cblue" " target='_blank'>3D<"cblue" " target='_blank'>第一个<"cblue" " target='_blank'>驱动电路            摘要： 一种新型的光栅式自由<"cblue&q

3、uot; " title="立体显示">立体显示器的硬件电路设计方案。该方案可以实现对进行过标准插的图像和FrS图像的立体显示。关键词： 自由立体显示 CPLD 像素变换 光栅驱动电路由于立体显示器能将场景的三维信息完全再现，使观看者看到场景中各物体的远近、纵深和图像的现实分布状况，获得比2D显示更加全面的信息，所以受到了广泛关注。自由立体显示器的实现方式有多种，其中，光栅式立体显示器以自由立体图片技术为基础发展而来，实现工艺比较简单，是目前最有可能实现商业化的立体显示技术。1 新型光栅式立体显示器原理由人眼视觉原理可知， 人之所以具有立体视觉能力是由于人的

4、两只眼睛可从不同的方位获取同一景物的信息，各自得到左右两幅二维图像。人的大脑通过对左右两幅图像以及两幅图像的视差进行分析和处理后产生了立体感。因此显示器要实现立体显示，要让显示屏上的左右图像分别进入左右眼睛，这样显示的效果人眼看来就是立体的。立体显示器原理如图1所示。1.1 视差照明原理的仿真结论标准插图像为一帧图像，图像中奇偶像素(R2n-1，G2n-1，B2n-1)、(R2n，G2n，B2n)组成一对左右<"cblue" " title="眼图">眼图(半分辨率)。Frs格式图像由两帧构成，每帧分别为全分辨率的左右眼图，并分时交

5、替送出显示。Frs图像格式变换是Frs格式图像为实现自由立体显示所作的变换。对于进行过标准插的图像格式或者Frs图像格式，实现左右眼睛从屏幕上只看到左右眼图的关键是光栅板的设计。假设LCD屏在水平方向的像素尺寸为c、分辨率为n；设光栅板上有m条隙缝，其宽度为a，栅距为a+b，光栅板与LCD屏之间的距离为l。通过对视差照明原理的仿真，得到以下结论3：(1)为了实现单眼看到LCD屏上全部偶像素列而看不到奇像素列，必须确保a<C2c。(2)光栅板隙缝宽度a直接影响LCD屏的显示亮度，a越大，亮度越高，同时立体感越强；随着a的增大，视场区域会随之减小。所以，针对图1所示的立体显示器，显示亮度和立

6、体视觉性能难以兼得。通常协调矛盾的基本方法是改变基本配置，选择3(a+b)2c。此时光能损失能够得到有效遏制，但在最好的情况下，单眼也只能够获得2/3的奇像素列和1/3的偶像素列，因而不能产生立体显示，如图2所示。1.2 不同的图像格式处理绿场变换对前后或者奇偶两个像素(R2n-1，G2n-1，B2n-1)、(R2n，G2n，B2n)中的G分量进行变换。即变换前像素为(R2n-1，G2n-1，B2n-1)、(R2n，G2n，B2n)，变换后像素为(R2n-1，G2n，B2n-1)、(R2n，G2n-1，B2n)。(1)对进行过标准插的图像格式实现<"cblue" &q

7、uot; title="3D">3D显示由图2知，右眼看到（Ro，Ge，Bo）像素列图像，Ro、Bo为奇像素列红场与蓝场，Ge为偶像素列绿场，即右眼看到的完整像素中有2/3来自奇像素列，1/3来自偶像素列。同理左眼只看到（Re，Go，Be）像素列图像，Re、Be为偶像素列的红场与蓝场，Go为奇像素列的绿场，左眼看到的完整像素中有2/3来自偶像素列，1/3来自奇像素列。所以对于进行过标准插的图像必须通过绿场变换才能使单眼看到立体图像对中的一幅完整图像，实现立体显示。(2)对FrS格式的图像实现3D显示由图2知，奇数帧图像送出右眼图序列，左眼通过光栅看到的是右眼图中的2/

8、3偶像素和1/3奇像素组成的图像（Rre，Gro，Bre），右眼通过光栅看到的是右眼图中的2/3奇像素列和1/3偶像素列组成的图像（Rro，Gre，Bro）；偶数帧图像送出左眼图序列，左右眼睛看到的是（Rlo，Gle，Blo）和（Rle，Glo，Ble）像素组成的图像。所以对于Frs格式的图像，单眼也无法看到立体图像对中的一幅完整图像，必须进行相应的像素变换实现立体显示。2 硬件电路设计该硬件电路先接收来自液晶显示器控制板的像素及像素控制信号，像素和像素控制信号通过LVDS信号传输，在进入CPLD前，经过LVDS信号到TTL信号的转换。对于分辨率为XGA的液晶屏，像素和像素控制信号一般通过单通

9、道的LVDS传输；而对于分辩率为SXGAUXGA的液晶屏，像素和像素控制信号通过双通道LVDS传输。考虑到立体显示器的向上兼容性，设计中采用了进行单双通道LVDS传输切换的转换芯片，实现LVDS与TTL信号的转换。像素信号输入到CPLD后，由R232串口发出控制信号，控制CPLD内部进行像素变换以及光栅<"cblue" " title="驱动电路">驱动电路的工作，实现立体显示的模式控制。图3为立体显示器的硬件结构图。2.1 CPLD内部实现像素变换及控制电路2.1.1 模式控制选择电路模式控制模块由两部分组成。(1)Osc模块：通

10、过调用CPLD内部UFM中的时钟振荡器，提供一个系统时钟，再通过一个分频器产生所需要的波特率接收串行信号。(2)R232信号接收器：接收来自串口的串行信号，转换为并行信号再寄存。判断寄存器中的数据，译码出相应的Mode1、Mode0值进行模式选择。模式控制模块结构如图4所示。2.1.2 像素变换电路根据控制部分的Mode0、Mode1，通过一个多选器选择是否进行像素变换及进行何种变换。图5为总体结构图。(1)绿场变换电路通常，在分辨率为XGA的液晶屏(15英寸屏)与控制板之间，像素数据采用单通道的LVDS传输，每个像素时钟送出一个像素；而SXGAUXGA的液晶屏(1720英寸)与控制板之间，像

11、素数据采用双通道的LVDS传输，每个像素时钟送出两个像素，所以CPLD内部实现像素变换的电路不同。针对15寸液晶屏，采用单通道LVDS传输的实现步骤。整个绿场变换电路是一个同步设计，随着时钟上升沿到来而工作：<"cblue" " title="第一个">第一个时钟上升沿： 第一个像素（R1，G1，B1）被打入寄存器A；第二个时钟上升沿： 第二个像素（R2，G2，B2）被打入到寄存器B；第三个时钟上升沿： 第三个像素（R3，G3，B3）被打入寄存器A，同时第一个像素（R1，G1，B1）被打入寄存器C；第四个时钟上升沿：第四个像素（R4

12、，G4，B4）被打入寄存器B，同时1、2 两个像素交叉G1、G2像素分量，使第一像素变为（R1，G2，B1），第二像素变为（R2，G1，B2），打入寄存器D、E。第五个像素与第一个像素同样处理，并读出第一个像素（R1，G2，B1）；第六个像素与第二个像素同样处理，并读出第二个像素（R2，G1，B2）。逐个读出后面的像素，这样就完成了绿场变换。在绿场变换的同时，输出一个ctr_out=1；点亮光栅，呈现3D显示状态。针对1720英寸液晶屏，采用双通道LVDS传输的实现步骤。由于1720英寸液晶显示屏的接口传输都是通过双通道LVDS传输，第一个通道传输奇像素，第二个通道传输偶像素，所以绿场变换可以

13、直接进行，不需要寄存前面的像素。对输入到CPLD中的两个像素(R2n1，G2n1，B2n1)和(R2n，G2n，B2n),对调G分量。输出的两个像素变为（R2n1，G2n，B2n1）和（R2n，G2n1，B2n），即完成了绿场变换。同时，输出一个ctr_out=1，点亮光栅，呈现3D显示状态。(2)FrS图像格式变换电路针对15英寸液晶屏，采用单通道LVDS传输的实现步骤。当奇数帧图像（右眼图）送入CPLD时，通过内部电路使奇数个时钟像素信息保持不变（奇像素不变），偶数个时钟像素信息变为全1输出（偶像素全为1），再通过像素变换，使奇偶像素变成(Rro，1，Bro)、（1，Gro，1），逐个输出

14、；当偶数帧图像（左眼图）送入CPLD时，使偶数个时钟像素信息保持不变（偶像素不变），而奇数个时钟像素信息变为全1输出（奇像素全为1），通过内部像素变换，奇偶像素变成（1，Gle，1）、（Rle，1，Ble），逐个输出到屏中。所以通过光栅的遮挡作用，奇数帧时，左右眼在屏中看到的分别是（1，1，1）、（Rro，Gro，Bro）像素组成的图像和像素组成的图像；偶数帧时，左右眼在屏中看到的分别是（Rle，Gle，Ble）像素组成的图像和像素组成的图像（1，1，1）。一般液晶显示器在标准模式显示时，场频为60Hz，由于眼睛的余光效应，左眼一直认为看到的是（Rlo，Glo，Blo）像素组成的图像；右眼看到

15、的是（Rre，Gre，Bre）像素组成的图像。同时，输出一个ctr_out=1，点亮光栅，呈现3D显示状态。针对1720英寸液晶屏，采用双通道LVDS传输的实现步骤。双通道LVDS传输中，每一个像素时钟送出奇偶两个像素。当奇数帧图像(右眼图)送入CPLD时，通过内部电路使每个时钟输入CPLD的像素变成（Rro，Gro，Bro）、(1，1，1)，再通过内部处理变成(Rro，1，Bro)、(1，Gro，1)，输出到屏中。在偶数帧时，每个时钟输入CPLD的像素变成（1，1，1）、（Rlo，Glo，Blo），再通过内部处理变成（1，Gle，1）、（Rle，1，Ble）。与15英寸原理相同，左眼一直认为

16、看到的是（Rlo，Glo，Blo）像素组成的图像，右眼看到的是（Rre，Gre，Bre）像素组成的图像。同时，输出一个ctr_out1，点亮光栅，呈现3D显示状态。(3)2D显示模式像素按输入方式（即像素不变换）读出像素。同时，输出一个ctr_out=0，关闭光栅，呈现2D显示状态。2.2 光栅振荡驱动电路设计由于立体显示器中的光栅板内部是特定的液晶分子，所以对提供的驱动波形有特定的要求。(1)防止液晶分子特性被损坏，必须满足正负电压周期性变动的方波信号，占空比为50。(2)光栅相当于一个大容量的负载，对于光栅驱动电路，必须要有很强的负载能力，使波形在驱动光栅时少变形。(3)基于驱动光栅的需要，提供的驱动波频率为3845Hz之间，且要可调，振幅为12V（66V）。光栅驱动电路如图6所示。驱动电路采用一个555器件作为时钟振荡电路，产生一个方波信号。由于555器件对电容的充放电时间不相等，输出的方波周期一定，但占空比不为50，所以在驱动电路中，555器件后面加了个计数器，对方波进行分频，最终得到一个占空比为50、频率为3845Hz、振幅为12V的方波。再通过一个电容C的充放电极性变换产生正负电压，最终