用于裸眼3D LED顯示的多視區(qū)3D視頻播放系統(tǒng)

蘇萍，曹聰，2，馬建設(shè)，毛杰

（1.清華大學(xué) 深圳研究生院，廣東 深圳 518055；2.清華大學(xué) 精密儀器系，北京　100084；3.上海環(huán)鼎影視科技有限公司 上?！?01203）

用于裸眼3D LED顯示的多視區(qū)3D視頻播放系統(tǒng)

蘇萍1，曹聰1，2，馬建設(shè)1，毛杰3

（1.清華大學(xué) 深圳研究生院，廣東 深圳 518055；2.清華大學(xué) 精密儀器系，北京100084；3.上海環(huán)鼎影視科技有限公司 上海201203）

文中提出了一種用于裸眼3D LED顯示的多視區(qū)3D播放系統(tǒng)。此播放系統(tǒng)由視頻解碼單元和視頻顯示單元組成，該視頻解碼單元將復(fù)合的多視區(qū)3D視頻信號(hào)流解析出左右眼兩路信號(hào)，同步傳送到視頻顯示單元。視頻顯示單元分別將對(duì)應(yīng)左眼和右眼的兩路信號(hào)分頻轉(zhuǎn)換成多路，并加載到LED顯示屏上，進(jìn)行LED屏裸眼3D播放。這種方法可以實(shí)現(xiàn)用于裸眼3D LED屏的多視區(qū)3D視頻的流暢播放。

裸眼3D顯示；LED顯示；視頻播放系統(tǒng)；雙視區(qū)播放系統(tǒng)

裸眼3D顯示技術(shù)是指將原有3D信號(hào)流通過硬件控制分離出左右眼信號(hào)，然后應(yīng)用雙目視差原理，不用佩戴眼鏡和頭盔就可以直接呈現(xiàn)立體效果的一種顯示技術(shù)［1］。

目前流行的幾種3D技術(shù)都是需要額外佩戴觀看用具，通過觀看用具區(qū)分出左右眼不同畫面，從而得到觀賞3D的效果。觀看用具主要有眼鏡和頭盔兩種，長時(shí)間佩戴會(huì)讓人覺得疲憊和頭疼，特別是對(duì)于需要佩戴近視眼鏡的人而言以這種方式觀看3D視頻，負(fù)擔(dān)更重。裸眼3D的出現(xiàn)解決了這一問題

目前市場(chǎng)上出現(xiàn)的裸眼3D大都以液晶顯示器（Liquid Crystal Display，LCD）為載體，但是LCD想要做成大尺寸，造價(jià)高難度大。近年來，大屏幕顯示系統(tǒng)發(fā)展迅猛，其中效果最

理想的應(yīng)用范圍最廣泛的當(dāng)屬LED（Light-emitting Diode，發(fā)光二極管）顯示系統(tǒng)。本文旨在解決用大屏幕LED顯示屏來播放裸眼3D視頻的問題。

LED顯示屏由陣列排布的LED芯片組成，其顯示的畫面由PC機(jī)傳送過來，可以顯示視頻，音頻等文件。傳統(tǒng)的LED顯示屏播放系統(tǒng)主要由PC機(jī)，插在計(jì)算機(jī)總線插槽上的通訊卡，LED控制接口芯片，譯碼驅(qū)動(dòng)電路等組成。其工作原理是將PC機(jī)作為上位機(jī)，將LED大屏幕上要顯示的多媒體信息及其控制信息由插在計(jì)算機(jī)總線插槽上的通訊卡截取，再經(jīng)由通訊電纜傳到LED顯示屏控制器上，經(jīng)過視頻控制器實(shí)時(shí)完成數(shù)據(jù)處理并傳送到行、列驅(qū)動(dòng)電路，從而產(chǎn)生行列時(shí)序和灰度信號(hào)對(duì)LED顯示屏進(jìn)行顯示控制［2］。

對(duì)于裸眼3D視頻的播放，傳統(tǒng)的LED顯示屏播放系統(tǒng)不再適用。3D LED顯示屏需要同時(shí)承載區(qū)分的左右眼信號(hào)，也就是意味著3D視頻信號(hào)從PC機(jī)傳出后，必須能夠解碼成左右眼信號(hào)。通過解碼系統(tǒng)出來的信號(hào)，并不一定能保證同步，需要進(jìn)行信號(hào)的采集和處理，來保證左右眼信息的同步，最終將左右眼信號(hào)傳輸?shù)絃ED控制器來實(shí)現(xiàn)LED顯示屏的3D播放。為了優(yōu)化3D效果，采用多視區(qū)播放系統(tǒng)，使得3D效果的觀察更加平滑。

1　設(shè)計(jì)方案

1.1總體設(shè)計(jì)方案

多視區(qū)裸眼3D的播放系統(tǒng)由視頻解碼系統(tǒng)和視頻顯示系統(tǒng)兩部分組成。整體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案Fig.1　System design

3D片源的信息流模擬信號(hào)通過上位機(jī)電腦輸出后，產(chǎn)生數(shù)字DVI信號(hào)。數(shù)字信號(hào)經(jīng)過視頻解碼系統(tǒng)輸出左右眼信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過視頻顯示模塊的處理后加載到LED屏上，通過雙目視差原理，觀看者便可以看到3D效果。

視頻解碼系統(tǒng)和視頻顯示系統(tǒng)的功能如下：

1）視頻解碼系統(tǒng)：上位機(jī)通過顯卡直接輸出3D視頻的DVI信號(hào)，而后將信號(hào)高速緩存并采用視頻分離芯片將左右眼圖像信號(hào)分離，通過高速視頻無損時(shí)鐘同步分割技術(shù)，同步輸出雙通道的LVDS信號(hào)。實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速率，低噪聲，遠(yuǎn)距離，高準(zhǔn)確度的傳輸［3］。

2）視頻顯示系統(tǒng)：將雙通道的LVDS信號(hào)轉(zhuǎn)換為全數(shù)字輸出的DVI-D信號(hào)，數(shù)字信號(hào)通過分頻器分別將左眼信號(hào)分成N路（由于是多視區(qū)路數(shù)可以設(shè)定）同時(shí)將右眼信號(hào)分成N路，通過網(wǎng)卡發(fā)送到同步LED控制系統(tǒng)，可對(duì)LED顯示屏進(jìn)行高精度逐點(diǎn)亮度校正，實(shí)現(xiàn)高刷新率、高灰度和高亮度控制。

1.2視頻解碼系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

視頻解碼單元基于FPGA技術(shù)，采用SDRAM作為數(shù)據(jù)圖像的緩存器，對(duì)立體視頻的像素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分割存儲(chǔ)和同步輸出如圖2所示。

圖2　視頻解碼設(shè)計(jì)方案Fig.2　Video decoder unit design

視頻處理模塊由FPGA完成，按照畫面分割的要求，對(duì)數(shù)字立體視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，分割存儲(chǔ)和同步輸出處理。通過對(duì)視頻的處理得到左右眼視頻圖像數(shù)據(jù)，通過FIFO時(shí)鐘同步模塊的控制按照一定的時(shí)序同步輸出左右眼影像［4］。硬件部分采用Altera CycloneⅡ系列的EP2C 35F484C8作為主控芯片，對(duì)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行提取、分割和同步輸出等視頻處理。采用的4片SDRAM的型號(hào)為MT48LC4M3282。作為左右眼影像存儲(chǔ)模塊，共有4片SDRAM分成兩組，每組中一片用于左眼影像緩存，另一片用于右眼圖像緩存，兩組之間進(jìn)行乒乓操作，即一組進(jìn)行對(duì)一幀圖像的讀操作時(shí)，另一組進(jìn)行對(duì)下一幀圖像寫操作［5］。左右眼信號(hào)分離輸出后，通過輸出模塊如圖3所示，發(fā)出視頻顯示單元所需的LVDS信號(hào)。

圖3　視頻解碼輸出系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案Fig.3　Video decoder unit output design

將左眼輸出的DVI信號(hào)過渡存儲(chǔ)在寫數(shù)據(jù)緩沖模塊，然后數(shù)據(jù)位數(shù)轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換寫數(shù)據(jù)緩沖模塊存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)的位數(shù)大小以符合SDRAM的標(biāo)準(zhǔn)。將數(shù)據(jù)存入SDRAM控制器后再通過讀數(shù)據(jù)緩沖模塊將SDRAM的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成3D影像所需要的LVDS信號(hào)，發(fā)送到LVDS發(fā)生器。各模塊的功能通過FPGA的控制來實(shí)現(xiàn)。寫數(shù)據(jù)緩沖模塊主要用于實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘域的有效過渡，兩塊FPGA時(shí)鐘可能會(huì)不同步，必須寫進(jìn)去再讀出來實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘的過渡。讀數(shù)據(jù)緩沖模塊主要用來緩沖分割后的左右眼視頻信號(hào)，轉(zhuǎn)換成LVDS信號(hào)，發(fā)送給LVDS發(fā)生器。

1.3視頻顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

視頻顯示單元包括兩路信號(hào)傳遞線，分別是右眼信號(hào)傳遞線和左眼信號(hào)傳遞線，每路信號(hào)傳遞線都包括依次信號(hào)連接的信號(hào)轉(zhuǎn)換器、信號(hào)分頻器、LED控制器和外部接口，該兩路信號(hào)傳遞線接收由視頻解碼單元輸出的兩路LVDS信號(hào)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　視頻顯示方案設(shè)計(jì)Fig.4　Display unit design

目前設(shè)置播放系統(tǒng)為雙視區(qū)播放系統(tǒng)，所以原有的左右眼LVDS信號(hào)通過信號(hào)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為DVI-D信號(hào)，通過分頻器分為兩路。分路后的DVI-D信號(hào)通過LED控制器，控制LED顯示屏的點(diǎn)亮［6］。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在設(shè)計(jì)觀察距離，用分布光度計(jì)對(duì)LED屏進(jìn)行了光強(qiáng)分布測(cè)試，分別采用單視區(qū)播放系統(tǒng)和雙視區(qū)播放系統(tǒng)的控制。通過數(shù)據(jù)分析可以明顯的看出，采用雙視區(qū)播放系統(tǒng)，視區(qū)更密集。

2.1單視區(qū)播放系統(tǒng)

對(duì)采用單視區(qū)播放系統(tǒng)的LED屏進(jìn)行紅光，綠光，藍(lán)光，的光照測(cè)試，通過光照測(cè)試的數(shù)據(jù)來反映視區(qū)的分布。測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

圖5　單視區(qū)依次紅綠藍(lán)光照分析圖Fig.5　Single viewport RGBanalysis chart

測(cè)試結(jié)果，可以反映出在單視區(qū)播放系統(tǒng)的情況下，紅綠藍(lán)（RGB）的視區(qū)分布密集程度。

2.2雙視區(qū)播放系統(tǒng)

同樣對(duì)采用雙視區(qū)播放系統(tǒng)的LED屏進(jìn)行紅光，綠光，藍(lán)光，白光的光強(qiáng)分布測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

從測(cè)試結(jié)果可以看出在60到80度范圍內(nèi)，采用雙視區(qū)播放系統(tǒng)，視區(qū)分布的密集程度密集。

3　結(jié)　論

圖6　雙視區(qū)依次紅綠藍(lán)光照分析圖Fig.6　Double viewport RGBanalysis chart

文中提出了一種雙視區(qū)播放系統(tǒng)的解決方案，能夠讓觀看效果更加平滑，避免視覺黑區(qū)。本文成功實(shí)現(xiàn)了雙視區(qū)播放系統(tǒng)控制LED進(jìn)行3D效果的顯示。采用時(shí)鐘同步無損技術(shù)分離原視頻流中的左右眼信號(hào)，而后分頻并進(jìn)行同步播放。目前的控制系統(tǒng)是將兩個(gè)視區(qū)復(fù)制以同樣的信息，未來在戶外LED屏分辨率提高的情況下，可以分別控制視區(qū)，在不同的角度可以看不同的視頻源。實(shí)現(xiàn)真正意義上的雙視區(qū)。

文中的設(shè)計(jì)方案，增強(qiáng)了戶外LED大屏幕的裸眼3D顯示的效果，具有廣闊的應(yīng)用前景。

［1］張兆楊，安平，張之江.二維和三維視頻處理及立體顯示

技術(shù)［M］．北京：科學(xué)出版社，2010.

［2］劉麗莎，朱樺，韓秀清．基于網(wǎng)口傳輸?shù)腖ED同步屏控制系統(tǒng)及其FPGA實(shí)現(xiàn)［J］．電子工程師，2010（2）：63-64.

［3］宋炳生，花瑞.基于DVI接口的LED視頻控制系統(tǒng)研究［J］.電子設(shè)計(jì)應(yīng)用，2008（1）：85-87.

［4］陳鼎如，蘇萍，馬建設(shè).基于FPGA的立體視頻畫面分割模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.深圳：清華大學(xué)深圳研究生院，2012.

［5］程芳敏，黃啟俊，向守坤.基于FPGA的高速SDRAM控制器的視頻應(yīng)用［J］.電子技術(shù)，2009，（07）：22-24.

［6］Abramov VS，Puisha AE，Polyakova IP，et a1.LED modules for large screens［J］.Journal of Optical Technology，2003，70（7）：492-494.

Multi-view 3D display system for autostereoscopic LED displays

SU Ping1，CAO Cong1，2，MA Jian-she1，MAO Jie3
（1.Shenzhen graduate school of Tsinghua University，Shenzhen 518055，China；2.Department of precision instruments，Tsinghua University，Beijing 100084，China；3.Shanghai Huanding Television Technology CO.，Ltd.，Shanghai 201203，China）

This paper presents a kind of multi-view 3D display system applied in autostereoscopic LED displays.This display system includes a video decoder unit and a display unit.The video decoding unit decomposes the left and right eye video signals from the composite multi-view 3D video.The video display unit transforms the left and right eye video signals into multi-channel signal，which will be loaded to the LED screen.This approach realizes smoothly playing of multi-view 3D videos in autostereoscopic 3D LED display.

autostereoscopic；LED display；video display system；double viewpoint display system

TN0

A

1674－6236（2016）03-0160-03

2015-03-16稿件編號(hào)：201503212

青年科學(xué)基金項(xiàng)目（20149110092）；深圳市基礎(chǔ)研究項(xiàng)目（JCYJ20140417115840236）

蘇 萍（1984—），女，河南?？h人，博士，講師。研究方向：三維顯示、二元光學(xué)元件及光學(xué)檢測(cè)。