交錯光柵型3D-LED顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、交錯光柵型3D-LED顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)福州大學(xué) 楊倩，杜世遠(yuǎn)，林志賢，郭太良（1福州大學(xué) 光電顯示技術(shù)研究所，福建 福州，350002； 2福州大學(xué) 光電顯示技術(shù)研究所，福建 福州，350002）基金項(xiàng)目：國家863計(jì)劃重大專項(xiàng)（2008AA03A313）；福建省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2010J01333）；福建省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（2011J01347）；福建省教育廳資助重點(diǎn)項(xiàng)目(JA09003)；福建省教育廳科技項(xiàng)目（NO.JA11014）作者簡介：楊倩（1988-），女，山西太原人，研究生，主要從事信息顯示技術(shù)及驅(qū)動電路的研究。林志賢 副教授摘 要：隨著高亮度藍(lán)色和綠色LED的發(fā)展，LED顯

2、示得到了快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。由于LED具有亮度高、可視性好、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，將3D顯示技術(shù)應(yīng)用到LED顯示上將是LED顯示的研究熱點(diǎn)和方向。本文采用交錯光柵實(shí)現(xiàn)LED三維立體顯示，從而可以顯著減少莫爾條紋，并且具有較大的可視區(qū)域。同時(shí)，提出了光柵型LED三維立體顯示的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，采用ARM+FPGA的構(gòu)架，ARM作為系統(tǒng)的視頻源，F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)3D數(shù)據(jù)預(yù)處理和數(shù)據(jù)存儲控制，該構(gòu)架充分利用了ARM的豐富的接口和強(qiáng)大的處理能力，同時(shí)也易于更新和升級。關(guān)鍵詞：3D-LED、交錯光柵、ARM、FPGADesign of Staggered Barrier Type 3D-LED Display System

3、YANG Qian, DU Shi-yuan, LIN Zhi-xian, GUO Tailiang(Photoelectronic Information Technology of Fuzhou University，F(xiàn)uzhou 350002，China)Abstract：With the development of high-brightness blue and green LEDs, the use of LED displays has been increasing. Because of LEDs high brightness, good visibility and l

4、ong lifetime, the application of 3D technology to LED display is surely a hot research direction. This paper presents a design of staggered barrier which can effectively reduce the Moiré Fringe. The staggered barrier, therefore, can significantly enhance the 3D visual effect. Meanwhile, the rea

5、lization of 3D-LED video system is introduced. The 3D-LED display system is realized by making use of ARM+FPGA structure. ARM acts as the video source of the system and the FPGA processes the 3D-data, stores the data and produce the necessary controlling signals. This structure makes full use of ric

6、h interfaces and processing power of ARM and it is easy to be updated and upgraded.Keywords: 3D-LED、staggered barrier、ARM、FPGA1、 引言由于LED具有亮度高、可視性好、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，LED顯示屏在近年來得到了快速發(fā)展并且廣泛應(yīng)用于戶外顯示，并且，LED顯示屏也使得在戶外觀看三維立體顯示成為可能，因此，將3D顯示技術(shù)應(yīng)用到LED顯示上將是LED顯示的研究熱點(diǎn)和方向。助視3D顯示器由于要求觀眾佩戴頭盔或眼鏡，不僅給觀眾帶來不便，而且也不利于戶外觀看。裸視3D顯示器不需要觀眾

7、佩戴頭盔或者是眼鏡等助視設(shè)備就可以實(shí)現(xiàn)3D顯示，因而非常適合于戶外的三維立體顯示。其中，光柵型3D顯示器由于結(jié)構(gòu)簡單、性能好、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注。2、 交錯光柵的設(shè)計(jì)2.1狹縫光柵基本結(jié)構(gòu)與工作原理狹縫光柵位于LED顯示屏與觀看者之間，狹縫光柵的透光條和擋光條相間排列，由于擋光條對光的遮擋作用和透光條對光的透過作用，結(jié)合LED顯示屏上與之對應(yīng)排列的左右視差圖像，實(shí)現(xiàn)了在左右視差圖像的光線的分離1。例如，在兩視點(diǎn)3D顯示中，由于狹縫光柵擋光條的遮擋，觀看者的一只眼睛透過一條狹縫只能觀看到一列像素，若LED顯示屏奇偶列像素分別顯示了左右視差圖像，那么，觀看者就可以觀看到立體圖像2。 2.2交錯

8、型光柵的設(shè)計(jì)由于LED顯示屏的像素是由有序列的周期性矩陣結(jié)構(gòu)，其發(fā)出的光場也具有周期性矩陣結(jié)構(gòu)，這樣的光場與同樣具有周期性結(jié)構(gòu)的垂直狹縫光柵相互干涉，形成莫爾條紋，使得3D效果變差，甚至?xí)?dǎo)致圖像無法正常顯示3。為了減小莫爾條紋，采用垂直交錯光柵，將傳統(tǒng)的垂直光柵的狹縫按照一個(gè)像素的高度進(jìn)行分段，如圖1所示，當(dāng)眼睛左右移動時(shí)，使部分狹縫對準(zhǔn)子像素間黑矩陣時(shí)，另一部分狹縫將不會完全對準(zhǔn)子像素間的黑矩陣，這樣就不會看到整個(gè)黑幕，盡管這樣會導(dǎo)致屏幕的亮度降低，但是由于LED屏的亮度可以達(dá)到很高，所以并不會影響正常的觀看。圖1 交錯型光柵的結(jié)構(gòu)需要注意的是狹縫的分段長度也需要選擇在一定的范圍內(nèi)，若狹縫

9、分段長度過長則雙眼圖像過渡區(qū)將不是平滑過渡，而將會顯示兩幅行交錯圖像，因此狹縫的長度以像素高度的1/2以下較為適合。交錯型光柵與垂直光柵的莫爾條紋拍攝結(jié)果如圖2所示，從圖中可以清楚看到，交錯型光柵產(chǎn)生的莫爾條紋相對于普通垂直光柵要減小很多。 （a）垂直光柵莫爾條紋 （b）交錯光柵莫爾條紋 圖2 交錯型光柵與垂直光柵的莫爾條紋3、 LED三維立體顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)3D-LED視頻顯示系統(tǒng)由三部分組成，如圖3所示。考慮到視頻系統(tǒng)數(shù)據(jù)量大、要求控制速度快、數(shù)據(jù)處理復(fù)雜等特點(diǎn)，系統(tǒng)的主控部分采用ARM+FPGA的硬件構(gòu)架，并使用ARM系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)LED視頻系統(tǒng)中的PC機(jī)作為視頻源。圖3

10、 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖3.2 ARM控制模塊嵌入式系統(tǒng)為整個(gè)視頻LED顯示系統(tǒng)提供一個(gè)穩(wěn)定可靠的視頻源，本次設(shè)計(jì)采用Samsung S3C2440開發(fā)板，以Linux作為操作系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)操作界面、視頻播放和通信接口，3D視頻源則存儲在系統(tǒng)中的SD存儲卡中，同時(shí)，此模塊為后級提供了視頻顯示的數(shù)據(jù)以及HSYNC(行同步)、VSYNC(幀同步)、VDE(數(shù)據(jù)使能)和VCLK(時(shí)鐘)等必要的控制信號。ARM控制模塊的軟件部分由Boot loader、設(shè)備驅(qū)動(包括幀緩存frame buffer驅(qū)動 )、嵌入式Linux內(nèi)核、文件系統(tǒng)、Qtopia的用戶圖形界面系統(tǒng)組成4，系統(tǒng)軟件平臺結(jié)構(gòu)如圖4所示。圖4

11、 系統(tǒng)軟件平臺結(jié)構(gòu)S3C2440的LCD控制寄存器主要包括LCDCONl、LCDCON2、LCDCON3、LCDCON4和 LCDCON5寄存器。這些寄存器的配置與顯示屏?xí)r序和數(shù)據(jù)傳輸格式密切相關(guān)，設(shè)計(jì)中必須根據(jù)顯示設(shè)備的具體信息正確設(shè)置這些寄存器才能使S3C2440正?？刂乞?qū)動不同的顯示屏。而在本系統(tǒng)中以FPGA實(shí)現(xiàn)視頻時(shí)序轉(zhuǎn)換控制，LED屏為顯示終端。雖然LED屏的顯示原理與LCD顯示屏不同，但為了保證視頻源的穩(wěn)定性、系統(tǒng)的兼容性，本設(shè)計(jì)按照LCD TFT屏的典型時(shí)序5設(shè)置LCD控制寄存器的相關(guān)參數(shù)，LCD TFT屏的典型時(shí)序如圖5所示。圖5 LCD TFT屏的典型時(shí)序3.3 3D像素預(yù)處

12、理模塊采用光柵實(shí)現(xiàn)3D顯示，需要單獨(dú)控制其像素或子像素，從而使得相鄰像素或者子像素顯示的信息來自于不同的視差圖像。由于本系統(tǒng)采用的是交錯光柵實(shí)現(xiàn)LED三維立體顯示，因此，為了能夠在一幅圖像中顯示出左右視差圖像，需要在接收到3D視頻源中的左右視差圖像后將其像素進(jìn)行重組，使得在LED顯示屏上奇（偶）列像素顯示左視差圖像，偶（奇）列像素顯示右視差圖像，也即顯示屏的奇偶列像素分別顯示一對立體圖像對中的左右視差圖像，如圖6所示。這樣，通過光柵看到顯示屏?xí)r，左眼只看到顯示屏上的奇（偶）數(shù)列像素，而偶（奇）數(shù)列像素相對于左眼全是黑的，同時(shí)，右眼只看到顯示屏上的偶（奇）數(shù)列像素，而奇（偶）數(shù)列像素相對于右眼是

13、全黑的。 圖6 左右視差圖像在LED屏上的排列示意圖3.4驅(qū)動電路模塊驅(qū)動電路模塊作為整個(gè)系統(tǒng)的核心，主要負(fù)責(zé)對顯示數(shù)據(jù)進(jìn)一步的轉(zhuǎn)換、處理，產(chǎn)生符合3D-LED顯示屏灰度級顯示的數(shù)據(jù)，送入驅(qū)動電路。FPGA中固化的數(shù)字邏輯負(fù)責(zé)屏幕顯示控制6，包括數(shù)據(jù)的存儲、行列信號的產(chǎn)生等。數(shù)據(jù)的緩存和處理采用乒乓機(jī)制，存儲在兩片SRAM中，即在一幀讀的同時(shí)另一幀寫，兩幀交替讀寫保證輸入輸出雙方時(shí)間的連續(xù)性；LED屏灰度的實(shí)現(xiàn)采用專用的LED灰度顯示芯片TLC5902，它是一個(gè)集移位寄存器、數(shù)據(jù)鎖存器、帶有電流值調(diào)整的橫流電路以及采用脈沖寬度控制的256級灰度顯示的恒流驅(qū)動器。3D-LED屏行譯碼的部分將74

14、HC138芯片以及74HC139芯片結(jié)合使用，行驅(qū)動則是采用專用的LED行驅(qū)動芯片74HC4953。4、 結(jié)論本設(shè)計(jì)采用了交錯光柵實(shí)現(xiàn)LED三維立體顯示，從而顯著減少了莫爾條紋，改善三維立體視覺效果。同時(shí)，本文提出了光柵型LED三維立體顯示的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，采用ARM+FPGA的構(gòu)架，ARM作為系統(tǒng)的視頻源，F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)3D數(shù)據(jù)預(yù)處理和數(shù)據(jù)存儲控制，充分利用了ARM的豐富的接口和強(qiáng)大的處理能力，同時(shí)也易于更新和升級。作者簡介楊倩（1988-），女，山西太原人，研究生，主要從事信息顯示技術(shù)及驅(qū)動電路的研究。杜世遠(yuǎn)（1988-），男，福建泉州人，碩士研究生，主要研究信息顯示技術(shù)和電子紙驅(qū)動電路設(shè)計(jì)。林志賢（1975-），男，福建泉州人，博士，副教授，主要從事FED顯示器、信息顯示技術(shù)研究工作。郭太良（1963-），男，福建莆田人，研究員，博士研究生導(dǎo)師，主要從事場致發(fā)射陰極材料及器件研究。參考文獻(xiàn)1 朱燕, 陳瑞, 謝佳等. 光柵式自由立體顯示器中莫爾條紋的形成規(guī)律J. 液晶與顯示, 2009,24(6):911-915.2 趙仁亮, 趙悟翔, 王瓊?cè)A等. 狹縫光柵自由立體顯示器立體可視區(qū)域的研究J. 光子學(xué)報(bào),2008