剖析FPGA的自由立體顯示系統(tǒng)光學(xué)引擎設(shè)計(jì)

立體顯示技術(shù)經(jīng)過多年發(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Spartan 3E FPGA控制高亮度LED陣列的指向性背光技術(shù)，通過從人眼跟蹤模塊［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)過大腦融合，就可以實(shí)現(xiàn)立體視覺。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陣列以掃描背光模式工作，因此觀看者在任何位置看到的畫面都與傳統(tǒng)2D顯示器無異。

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)?a target="_blank">信號(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)來完成。受限于單片機(jī)的順序執(zhí)行單線程架構(gòu)，無法對(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)無法滿足大規(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)開始字節(jié)，內(nèi)容為56 h，表明新的坐標(biāo)數(shù)據(jù)傳輸開始。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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