基于FPGA的立體顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

孫偉

（蘇州長(zhǎng)風(fēng)航空電子有限公司，江蘇 蘇州 215000）

0 引言

FPGA（Field Programmable Gate Array）是在PAL、GAL等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它屬于一種半集成電路被應(yīng)用于通訊行業(yè)，但本質(zhì)上并不是簡(jiǎn)單的芯片研究，而是將FPGA的工作模式應(yīng)用于其他行業(yè)的研究，進(jìn)行產(chǎn)品的生產(chǎn)制造[1]。FPGA普遍應(yīng)用于我國(guó)通訊行業(yè)中，在各種通訊設(shè)備中作為一種半集成電路被應(yīng)用。而FPGA相關(guān)產(chǎn)品的應(yīng)用更是給我國(guó)通訊行業(yè)的發(fā)展帶來很大的促進(jìn)作用[2]。本文探討了基于FPGA立體顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用FPGA技術(shù)實(shí)現(xiàn)分色、分時(shí)兩個(gè)功能的相互轉(zhuǎn)換應(yīng)用，這樣的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)不僅占地空間小，而且操作靈活，相比于其他技術(shù)而言有明顯的優(yōu)勢(shì)，其他系統(tǒng)只是實(shí)現(xiàn)了分色、分時(shí)等功能，但在應(yīng)用的過程中只能提現(xiàn)一種技術(shù)，功能單一化。

1 立體顯示的工作原理

人體的眼睛是有觀察三維立體結(jié)構(gòu)的功能，而人體的左眼和右眼也有不同的顯色功能，因此在觀察事物時(shí)，左眼和右眼有不同的視覺效果，而人類眼睛能觀察到事物的立體感也是因?yàn)樽笱酆陀已塾^察的影像不同，通過大腦的合成便形成了立體感。立體顯示技術(shù)包括分色、分時(shí)、分光等，分色技術(shù)的原理是當(dāng)不同光分別照射人的眼睛時(shí)，由于照射顏色的不同而呈現(xiàn)出不一樣的顏色，雙眼靈活大腦的融合后形成立體效果。而分時(shí)技術(shù)的原理是當(dāng)圖像快速閃現(xiàn)在人眼時(shí)，也會(huì)形成不同的影像[3]。分色技術(shù)的色彩顯示度不夠好，但是立體影像的清晰度較高，與分色技術(shù)不同的是，分時(shí)立體技術(shù)色彩顯示度好，但是片源少，不容易形成清晰的影像。

2 立體顯示系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

目前，立體顯示系統(tǒng)被應(yīng)用于各行各業(yè)，起初只是應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，用于在軍事中3D圖像的制作，在軍事作戰(zhàn)中，立體顯示技術(shù)能將作戰(zhàn)區(qū)域的地理結(jié)構(gòu)圖用3D圖像展示出來，有助于在作戰(zhàn)中了解實(shí)際的地理地形位置。隨后，被應(yīng)用于投影技術(shù)，總體來說，在攝影、廣告行業(yè)、以及電影電視的制作方面，由于立體顯示技術(shù)超強(qiáng)的仿真效果也被應(yīng)用于娛樂行業(yè)，雖然應(yīng)用廣泛，但是立體顯示技術(shù)發(fā)展過程中也存在著很多問題，人們想要體驗(yàn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，比如觀看3D電影，就必須佩戴上3D眼鏡，而且消費(fèi)者長(zhǎng)期佩戴，會(huì)造成暈眩的感覺，影像的播放質(zhì)量也不佳，在觀看時(shí)影像都有重疊的現(xiàn)象。同時(shí)。雖雖然3D技術(shù)的應(yīng)用較為普遍，但價(jià)格還是有點(diǎn)高，所以，只有少部分人才能體會(huì)到立體顯示技術(shù)，而且3D技術(shù)如果長(zhǎng)期應(yīng)用的話也會(huì)給人的身體造成很大的傷害，所幸人們并不是長(zhǎng)期處于虛擬世界中[4]。因此，集體顯示系統(tǒng)的應(yīng)用還是存在很多問題，而這些問題也是今后集體顯示技術(shù)研究將要攻克的難題。

3 立體顯示系統(tǒng)的FPGA硬件設(shè)計(jì)

3.1 4端口SDRAM控制器

在立體顯示系統(tǒng)中應(yīng)用FPGA芯片技術(shù)，能有效改善立體顯示技術(shù)應(yīng)用中存在的各種問題，那么，在研發(fā)的過程中會(huì)應(yīng)用到哪些FPGA硬件設(shè)計(jì)呢？首先是4端口SDRAM控制器，SDRAM控制器本是應(yīng)用于通訊系統(tǒng)集成電路中，為了能與立體顯示系統(tǒng)有效的結(jié)合在一起，必須經(jīng)過特殊的技術(shù)處理過后才能應(yīng)用于系統(tǒng)中，同以往的SDRAM控制器不同，在應(yīng)用于立體顯示系統(tǒng)時(shí)，必須設(shè)置四個(gè)端口，兩個(gè)引進(jìn)端口，兩個(gè)引出端口，而且四個(gè)端口要能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)同步的功能，同時(shí)從四個(gè)端口內(nèi)部進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入時(shí)所需要的頻率也不同，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步功能。四個(gè)端口有不同的頻率，因此。在寫入數(shù)據(jù)時(shí)要進(jìn)行判斷，根據(jù)信號(hào)選擇合適的端口，在一個(gè)端口讀取數(shù)據(jù)之后再轉(zhuǎn)入另一個(gè)端口，就這樣一級(jí)一級(jí)往下讀取，最終四個(gè)端口內(nèi)都輸入了數(shù)據(jù)[5]。

3.2 分色、分時(shí)立體顯示系統(tǒng)

一般立體顯示系統(tǒng)中只能顯示一種功能，分色、分時(shí)系統(tǒng)之間不能轉(zhuǎn)換，而分色、分時(shí)技術(shù)各有各的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)，如果能將兩種技術(shù)綜合運(yùn)用，那么可以發(fā)揮立體顯示系統(tǒng)的核心技術(shù)。而在立體顯示系統(tǒng)中應(yīng)用FPGA芯片技術(shù)，就可以實(shí)現(xiàn)分時(shí)、分色兩種技術(shù)的賬戶轉(zhuǎn)換，這也是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最大的特點(diǎn)。而在應(yīng)用了FPGA芯片技術(shù)的立體顯示系統(tǒng)中，分時(shí)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)雙路之間的交換，分時(shí)技術(shù)的顏色顯示度高，唯一的缺點(diǎn)是不能形成清晰的影像，而在該立體顯示系統(tǒng)中，能同步兩只眼睛在顏色成像上的需求。而雙路切換也是通過信號(hào)之間相互轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)的，人為可以操作系統(tǒng)的應(yīng)用，操作一次，就可以讀取一次數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)次的操作之后，就能完整的實(shí)現(xiàn)雙路切換。分色技術(shù)最大的缺點(diǎn)是兩只眼睛會(huì)讀取不同的顏色，而當(dāng)應(yīng)用于FPGA芯片技術(shù)時(shí)，系統(tǒng)能夠同時(shí)讀取顏色的數(shù)據(jù)，將顏色數(shù)據(jù)形成同一幅影像，以彌補(bǔ)人們兩只眼睛看見不同顏色的缺陷。

3.3 兩種模式之間的切換

從分色技術(shù)切換到分時(shí)技術(shù)，一般情況下，由于兩種技術(shù)不同的數(shù)據(jù)讀取技術(shù)，則會(huì)造成畫面紊亂的現(xiàn)象，以往，兩種模式之間的切換需要依靠模式寄存器，從一種技術(shù)切換到另一種技術(shù)時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)檢測(cè)到信號(hào)，從一幀信號(hào)切換到另一幀信號(hào)。而且系統(tǒng)在自動(dòng)識(shí)別時(shí)如果顯示器的頻率達(dá)不到切換要求的切換頻率，那么系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)選擇高效的觀看方式。分時(shí)、分色技術(shù)兩種模式可以實(shí)現(xiàn)有效的切換是該系統(tǒng)應(yīng)用FPGA芯片技術(shù)最大的優(yōu)勢(shì)，兩種模式之間的切換可以滿足不同數(shù)據(jù)信號(hào)的讀取需求，以及對(duì)于顏色、影像清晰度的需求，現(xiàn)代信息技術(shù)發(fā)展的速度出現(xiàn)了很多信息產(chǎn)品，層出不窮的信息產(chǎn)品對(duì)立體顯示系統(tǒng)技術(shù)水平也提出了新的要求，只有滿足于不同信息產(chǎn)品讀取數(shù)據(jù)的需求，才能真正提升立體顯示系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展應(yīng)用水平[6]。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

在將FPGA芯片技術(shù)應(yīng)用于立體顯示系統(tǒng)中之后，對(duì)該系統(tǒng)的運(yùn)行模式以及運(yùn)行效果進(jìn)行了檢驗(yàn)，通過一系列實(shí)驗(yàn)研究的發(fā)現(xiàn)，在立體顯示系統(tǒng)中應(yīng)用FPGA技術(shù)能有效的提升虛擬世界技術(shù)的仿真水平。同時(shí)，通過一系列試驗(yàn)的發(fā)現(xiàn)，對(duì)于應(yīng)用FPGA芯片技術(shù)的立體顯示系統(tǒng)也有一定的要求，立體顯示器的分辨率要在一定范圍之內(nèi)，而且也一定的頻率要求[7]。在應(yīng)用立體顯示系統(tǒng)時(shí)，對(duì)于分色、分時(shí)兩種技術(shù)的切換頻率，在達(dá)到一定頻率范圍時(shí)才能實(shí)現(xiàn)兩種技術(shù)的切換。而為了達(dá)到更好的觀影效果，雙目光心之間的距離不宜過大，在對(duì)立體系統(tǒng)的顯示頻率、分辨率經(jīng)過特殊的設(shè)置之后，戴上紅藍(lán)眼鏡才能達(dá)到最佳的觀看效果。同時(shí)，F(xiàn)PGA芯片技術(shù)有多種應(yīng)用類型，在挑選芯片類型時(shí)，要能夠切合立體顯示系統(tǒng)的發(fā)展水平，要使FPGA占用的資源空間少，也能達(dá)到最佳的應(yīng)用效果[8]。

5 立體顯示系統(tǒng)未來的發(fā)展應(yīng)用前景

現(xiàn)代信息技術(shù)的高速發(fā)展推動(dòng)了各行各業(yè)的發(fā)展腳步，立體顯示系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用不應(yīng)當(dāng)僅僅局限于影視攝影行業(yè)的應(yīng)用，對(duì)立體顯示系統(tǒng)的發(fā)展技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的研究與發(fā)展，可以讓立體顯示系統(tǒng)應(yīng)用于多方面，包括在建筑施工行業(yè)、工業(yè)制造方面、零部件銷售與制造行業(yè)以及機(jī)器設(shè)備的維修等行業(yè)，都可以有所發(fā)展。立體顯示技術(shù)提供的3D影像畫面，能幫助設(shè)備維修提供人為不能接觸到的地區(qū)[9]。而目前，在設(shè)備維修方面已經(jīng)大量應(yīng)用了現(xiàn)代3D技術(shù)，在總控制中心能提供設(shè)備3維立體影像，尤其是在醫(yī)學(xué)方面，3D立體顯示技術(shù)能探測(cè)到人體中各項(xiàng)器官的發(fā)展?fàn)顩r，提供人體內(nèi)部構(gòu)造清晰的圖畫影像。因此，未來立體顯示技術(shù)的發(fā)展可以結(jié)合現(xiàn)代信息技術(shù)的應(yīng)用，為各行業(yè)的發(fā)展提供智能化、三維立體化的影像，使人們能夠了解其內(nèi)部構(gòu)造[10]。

6 結(jié)論

現(xiàn)代信息技術(shù)革命的出現(xiàn)，立體顯示技術(shù)的應(yīng)用，就是將以前人們不敢想象而無法描繪出來的畫面通過一系列的數(shù)字代碼展現(xiàn)出來。以往，立體顯示系統(tǒng)的應(yīng)用不能實(shí)現(xiàn)分時(shí)、分色兩種技術(shù)的共同應(yīng)用，而兩種技術(shù)的特點(diǎn)可以相互彌補(bǔ)，使呈現(xiàn)出來的畫面更具有真實(shí)性，本文將FPGA半集成電路技術(shù)應(yīng)用于立體顯示系統(tǒng)中，可以實(shí)現(xiàn)分色、分時(shí)兩種技術(shù)共同存在于一個(gè)立體顯示系統(tǒng)中，使呈現(xiàn)出來的虛擬畫面更具有真實(shí)性。而且，兩種技術(shù)的共同存在并不會(huì)增加占據(jù)空間，反而會(huì)使立體系統(tǒng)的應(yīng)用更具簡(jiǎn)潔與房產(chǎn)。最后，進(jìn)行多項(xiàng)試驗(yàn)的反復(fù)測(cè)試，最終證明立體顯示系統(tǒng)中應(yīng)用FPGA技術(shù)會(huì)更加方便快捷，通過對(duì)比試驗(yàn)的進(jìn)行，比較了兩種立體顯示系統(tǒng)，更加突出基于FPGA的立體顯示系統(tǒng)的強(qiáng)大性。