自由立體顯示背光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)*

張瑞雪 王元慶 范科峰

(1.南京大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京 210093;2.中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究所，北京 100007)

1 引言

立體顯示技術(shù)可以真實(shí)地重現(xiàn)客觀世界的景像，表現(xiàn)圖像的深度感、層次感和真實(shí)性［1］。常見的實(shí)現(xiàn)立體的方式有視差立體、體立體和全息立體。從技術(shù)性能以及可行性角度分析，綜合考慮工藝性和可預(yù)期的未來市場需求，基于視差原理的立體顯示方式是相對現(xiàn)實(shí)可行的方法。視差立體顯示方式可以根據(jù)是否需要觀看者佩戴眼鏡、頭盔等輔助工具，分為輔助式立體顯示和無輔助式立體顯示，即自由立體顯示。

LED被稱為第四代照明光源或綠色光源，具有節(jié)能、環(huán)保、壽命長、體積小等特點(diǎn)［2］。此外，LED還具備平面光源的特性，有優(yōu)異的亮度均勻性;在色彩表現(xiàn)力和色階過渡方面，也有顯著的優(yōu)勢。LED正逐步取代冷陰極熒光管 (CCFL)，成為新一代液晶顯示器 (LCD)背光源。

本文提出了一種以LCD為基礎(chǔ)的平面兼容自由立體顯示器背光設(shè)計(jì)方案，配合觀看者的運(yùn)動(dòng)，操控LED背光改變立體窗口的空間位置，使3D影像也隨著移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)自由立體顯示，同時(shí)與平面顯示兼容。

2 系統(tǒng)的工作原理

視差立體顯示的關(guān)鍵是使左右眼分別觀察各自的一幅圖像，即實(shí)現(xiàn)“分像”［1］。為實(shí)現(xiàn)這一效果，我們在LCD的奇數(shù)行和偶數(shù)行分別顯示左右圖像，水平、垂直位置各不相同的一對光源經(jīng)過特殊的光學(xué)部件后分別照亮屏幕的奇/偶行，并在屏幕前形成互不干擾的、分別只能看到左/右圖像的視域［3］，如圖1所示。此外，當(dāng)出現(xiàn)多個(gè)觀察者時(shí)，背光可以為每個(gè)觀察者提供獨(dú)立的視域，保證多個(gè)用戶可以同時(shí)觀看到立體效果，圖1為有A、B兩個(gè)觀察者的情況。

當(dāng)觀察者移動(dòng)時(shí)，上位機(jī)的人眼跟蹤模塊檢測到觀察者眼睛的位置并發(fā)送至下位機(jī)，后者控制更新LED陣列點(diǎn)亮的位置，保證始終為觀察者提供正確的視域。

圖1 立體顯示的原理

在平面顯示模式下，兩組LED陣列全部點(diǎn)亮，LCD的顯示內(nèi)容為平面圖像或文字。觀察者的雙眼可以同時(shí)觀看到整個(gè)屏幕，如同普通的顯示器。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 可尋址LED陣列

可尋址LED陣列由高亮平面式白光LED等間距排列而成，工作電壓3.3V，正常工作電流20mA。采用共陽極驅(qū)動(dòng)，恒流驅(qū)動(dòng)芯片選擇16通道恒流LED驅(qū)動(dòng)器MBI5026，數(shù)據(jù)以串入并出的方式傳送，每一列LED的亮暗都可以獨(dú)立控制，如圖2所示。

圖2 LED驅(qū)動(dòng)模塊的原理圖

每組LED陣列的工作狀態(tài)由固定格式的數(shù)據(jù)更新。例如如下的一組數(shù)據(jù):03H、09H、05H、25H、10H、40H、08H，將使得LED陣列的狀態(tài)變?yōu)榈?9H～0DH、25H～34H、40H～47H列點(diǎn)亮，其余列熄滅。

3.2PWM調(diào)光

IRF7410是一款常用的P溝道MOS場效應(yīng)管。該器件的最大工作電流ID為－16A，開啟電源VGS(th)最大值為0.9V［4，5］。圖3為PWM調(diào)光的原理圖，PWM信號由單片機(jī)產(chǎn)生，低電平期間IRF7410導(dǎo)通，VLED≈Vcc，高電平期間IRF7410截止，VLED≈0。

圖3 PWM模塊的電路圖

3.3 主控制器的選擇

AVR單片機(jī)是增強(qiáng)型內(nèi)置FLASH的RISC(Reduced Instruction Set CPU)精簡指令集高速8位單片機(jī)，硬件采用哈佛 (Harward)結(jié)構(gòu)，達(dá)到一個(gè)時(shí)鐘周期可以執(zhí)行一條指令，絕大部分指令都為單周期指令［6］。ATmega128是MEGA系列中性能最好的一款，具有如下特點(diǎn):128K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash、4K字節(jié)的EEPROM、4K字節(jié)的SRAM、53個(gè)通用I/O口線、32個(gè)通用工作寄存器、4個(gè)具有PWM功能的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、兩路UART通訊口。單片機(jī)工作電壓5V，在與上位機(jī)通信的過程中，需要采用MAX232來完成TTL電平和RS232電平之間的轉(zhuǎn)換。

4 軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)程序完成對LED陣列的控制，并通過串口與上位機(jī)通信。主程序?qū)崿F(xiàn)對系統(tǒng)的初始化，包括端口設(shè)置、中斷設(shè)置、串行口工作方式選擇、系統(tǒng)各種變量的初值裝入。初始化完成后，系統(tǒng)進(jìn)入默認(rèn)的立體工作模式，等待中斷信號的到來。

外部中斷請求信號INT0來自模式選擇硬件開關(guān)電路，中斷服務(wù)程序用于切換工作模式。若系統(tǒng)工作在立體模式，則關(guān)閉PWM功能，打開串口，等待串口中斷的到來;若系統(tǒng)工作在平面模式，則關(guān)閉串口，向驅(qū)動(dòng)電路輸出全“1”數(shù)據(jù)，點(diǎn)亮全部LED，并開始 PWM調(diào)光，如圖 4所示，其中，PWM信號由OC0(PB4)引腳輸出。TC0工作在相位修正PWM模式，計(jì)數(shù)器雙向計(jì)數(shù)，在升序計(jì)數(shù)時(shí)發(fā)生比較匹配將清零OC0，降序計(jì)數(shù)時(shí)發(fā)生比較匹配將置位OC0，高電平占空比由比較匹配寄存器OCR0的值與計(jì)數(shù)器上限值 (0xFF)之比決定。通過PWM調(diào)光，使得顯示器在平面模式下具有一個(gè)合適的亮度，從而使觀察者獲得較好的觀看體驗(yàn)。

圖4 INT0中斷服務(wù)程序流程圖

串口通信僅發(fā)生在立體模式下，用于接收上位機(jī)發(fā)來的人眼位置信息，及時(shí)刷新LED陣列中需要點(diǎn)亮的位置，以實(shí)現(xiàn)可視區(qū)域的隨動(dòng)。給上下位機(jī)設(shè)置適當(dāng)?shù)耐ㄓ崊f(xié)議是保證上下位機(jī)能正常通訊的基礎(chǔ)［7］。系統(tǒng)采用全雙工異步通訊模式，通訊協(xié)議設(shè)置如下:波特率采用115200bps，數(shù)據(jù)格式采用8位數(shù)據(jù)位，1位起始位，1位停止位。握手協(xié)議采用軟件實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)的握手，上位機(jī)要往下位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，先發(fā)送一個(gè)請求發(fā)送的握手信號:FFH;下位機(jī)收到后回發(fā)一個(gè)允許發(fā)送的應(yīng)答信號:FEH，表示已經(jīng)做好數(shù)據(jù)接收準(zhǔn)備，上位機(jī)收到應(yīng)答信號后開始發(fā)送數(shù)據(jù)。作為一個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)生通信故障時(shí)，上位機(jī)不斷發(fā)出請求信號，直到收到下位機(jī)的答復(fù)后，才將當(dāng)下最新的人眼位置數(shù)據(jù)發(fā)出。

5 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)中采用LG-PHILIPS的17寸液晶屏LM170E01，分辨率 1280×1024，有效顯示面積338mm×270mm，顯示內(nèi)容選擇NASA的航拍視差圖像對。LED采用寧波升譜光電有限公司的SS-170WW-06G，外形尺寸為2.0mm×1.25mm×1.1mm，發(fā)光強(qiáng)度為320mcd，每組LED陣列包括256列，亮度2.6×104cd/m2。在屏幕前490～550 mm的位置處獲得良好的立體效果，在屏幕前300～1000mm的范圍內(nèi)有良好的平面效果，立體視角±25°，平面視角±40°。選擇屏幕的5個(gè)典型區(qū)域，如圖5所示，在暗室條件下測量單人立體模式下的光照強(qiáng)度，左圖為只有該區(qū)域純白、其余全黑的圖片，右圖為全黑圖片，觀看距離550mm。此外，還測量了左圖全白、右圖全黑的情況，具體數(shù)據(jù)見表1。照度計(jì)使用臺灣泰仕公司的TES-1336A，傳感面積0.0652m2。同時(shí)，選擇Viewsonic時(shí)分立體顯示器vx2268wm進(jìn)行對比測試，測量透過液晶眼鏡后的光照強(qiáng)度，即人眼觀看到的照度，具體數(shù)據(jù)見表2。

圖5 顯示面板上的5個(gè)典型區(qū)域

表1 立體模式光照度

表2 vx2268wm光照度

從表1、表2中可以看出，在LCD表面進(jìn)行測量時(shí)，光照強(qiáng)度與顯示區(qū)域的大小無關(guān)，vx2268wm的出射光通量約是實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的7倍。在觀看位置處，照度計(jì)接收到的光通量為屏幕上各個(gè)區(qū)域出射光通量的疊加，對于vx2268wm，由于要保證較大的視角范圍，光照度減小至 (9.5/39.4)×100%=24.1%;對于實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，由于光學(xué)部件的水平匯聚作用和垂直展開作用，從LCD出射的光線在人眼位置處形成寬65mm、高約1m的光帶，其余地方?jīng)]有光照。忽略近距離光傳播的衰減，人眼觀看到的理想照度E=6.5×(338/65)×(270/1000)=9.126lx，由于光學(xué)部件不理想等原因，實(shí)際照度為5.6 lx。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本系統(tǒng)達(dá)到了市場化立體顯示器的亮度水平，且有不錯(cuò)的亮度均勻性。同時(shí)，配合現(xiàn)有的上位機(jī)人眼檢測模塊，系統(tǒng)的總體反應(yīng)速度約為30ms，主要包括人眼檢測算法執(zhí)行的時(shí)間、串口數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間和單片機(jī)更新LED陣列的時(shí)間。

6 結(jié)語

立體顯示是一門新興的、有著廣闊應(yīng)用前景的技術(shù)，兼容性是立體顯示器的主要技術(shù)指標(biāo)。本文所介紹的頭跟蹤式自由立體顯示器，基于一種可尋址LED陣列照明技術(shù)，通過與特殊的光學(xué)部件的配合，可以獲得良好的立體效果，同時(shí)，還可以顯示平面圖像。作為一臺原理型樣機(jī)，該系統(tǒng)還存在一些可以改進(jìn)的地方，下一步的研究將圍繞縮短反應(yīng)時(shí)間、壓縮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等進(jìn)行。

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