交错光栅型3D-LED显示系统的设计.doc

交错光栅型3D-LED显示系统的设计

福州大学 杨倩，杜世远，林志贤，郭太良
（1．福州大学 光电显示技术研究所，福建 福州，350002；
2．福州大学 光电显示技术研究所，福建 福州，350002）基金项目：国家863计划重大专项（2008AA03A313）；福建省自然科学基金项目（2010J01333）；福建省自然科学基金资助项目（2011J01347）；福建省教育厅资助重点项目(JA09003)；福建省教育厅科技项目（NO.JA11014）
作者简介：杨倩（1988-），女，山西太原人，研究生，主要从事信息显示技术及驱动电路的研究。

林志贤 副教授
摘 要：随着高亮度蓝色和绿色LED的发展，LED显示得到了快速发展和广泛应用。由于LED具有亮度高、可视性好、寿命长等优点，将3D显示技术应用到LED显示上将是LED显示的研究热点和方向。本文采用交错光栅实现LED三维立体显示，从而可以显著减少莫尔条纹，并且具有较大的可视区域。同时，提出了光栅型LED三维立体显示的系统实现，采用ARM+FPGA的构架，ARM作为系统的视频源，FPGA实现3D数据预处理和数据存储控制，该构架充分利用了ARM的丰富的接口和强大的处理能力，同时也易于更新和升级。
关键词：3D-LED、交错光栅、ARM、FPGA
Design of Staggered Barrier Type 3D-LED Display System
YANG Qian, DU Shi-yuan, LIN Zhi-xian, GUO Tailiang
(Photoelectronic Information Technology of Fuzhou University，Fuzhou 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 long 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 realization 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 rich interfaces and processing power of ARM and it is easy to be updated and upgraded.
Keywords: 3D-LED、staggered barrier、ARM、FPGA

1、 引言
由于LED具有亮度高、可视性好、寿命长等优点，LED显示屏在近年来得到了快速发展并且广泛应用于户外显示，并且，LED显示屏也使得在户外观看三维立体显示成为可能，因此，将3D显示技术应用到LED显示上将是LED显示的研究热点和方向。
助视3D显示器由于要求观众佩戴头盔或眼镜，不仅给观众带来不便，而且也不利于户外观看。裸视3D显示器不需要观众佩戴头盔或者是眼镜等助视设备就可以实现3D显示，因而非常适合于户外的三维立体显示。其中，光栅型3D显示器由于结构简单、性能好、造价低等优点而备受关注。
2、 交错光栅的设计
2.1狭缝光栅基本结构与工作原理
狭缝光栅位于LED显示屏与观看者之间，狭缝光栅的透光条和挡光条相间排列，由于挡光条对光的遮挡作用和透光条对光的透过作用，结合LED显示屏上与之对应排列的左右视差图像，实现了在左右视差图像的光线的分离[1]。例如，在两视点3D显示中，由于狭缝光栅挡光条的遮挡，观看者的一只眼睛透过一条狭缝只能观看到一列像素，若LED显示屏奇偶列像素分别显示了左右视差图像，那么，观看者就可以观看到立体图像[2]。
2.2交错型光栅的设计
由于LED显示屏的像素是由有序列的周期性矩阵结构，其发出的光场也具有周期性矩阵结构，这样的光场与同样具有周期性结构的垂直狭缝光栅相互干涉，形成莫尔条纹，使得3D效果变差，甚至会导致图像无法正常显示[3]。
为了减小莫尔条纹，采用垂直交错光栅，将传统的垂直光栅的狭缝按照一个像素的高度进行分段，如图1所示，当眼睛左右移动时，使部分狭缝对准子像素间黑矩阵时，另一部分狭缝将不会完全对准子像素间的黑矩阵，这样就不会看到整个黑幕，尽管这样会导致屏幕的亮度降低，但是由于LED屏的亮度可以达到很高，所以并不会影响正常的观看。

图1 交错型光栅的结构
需要注意的是狭缝的分段长度也需要选择在一定的范围内，若狭缝分段长度过长则双眼图像过渡区将不是平滑过渡，而将会显示两幅行交错图像，因此狭缝的长度以像素高度的1/2以下较为适合。交错型光栅与垂直光栅的莫尔条纹拍摄结果如图2所示，从图中可以清楚看到，交错型光栅产生的莫尔条纹相对于普通垂直光栅要减小很多。

（a）垂直光栅莫尔条纹

（b）交错光栅莫尔条纹
图2 交错型光栅与垂直光栅的莫尔条纹
3、 LED三维立体显示系统的设计
3.1 系统总体设计
3D-LED视频显示系统由三部分组成，如图3所示。考虑到视频系统数据量大、要求控制速度快、数据处理复杂等特点，系统的主控部分采用ARM+FPGA的硬件构架，并使用ARM系统代替传统LED视频系统中的PC机作为视频源。

图3 系统总体设计框图
3.2 ARM控制模块
嵌入式系统为整个视频LED显示系统提供一个稳定可靠的视频源，本次设计采用Samsung S3C2440开发板，以Linux作为操作系统，从而实现操作界面、视频播放和通信接口，3D视频源则存储在系统中的SD存储卡中，同时，此模块为后级提供了视频显示的数据以及HSYNC(行同步)、VSYNC(帧同步)、VDE(数据使能)和VCLK(时钟)等必要的控制信号。
ARM控制模块的软件部分由Boot loader、设备驱动(包括帧缓存frame buffer驱动 )、嵌入式Linux内核、文件系统、Qtopia的用户图形界面系统组成[4]，系统软件平台结构如图4所示。

图4 系统软件平台结构
S3C2440的LCD控制寄存器主要包括LCDCONl、LCDCON2、LCDCON3、LCDCON4和 LCDCON5寄存器。这些寄存器的配置与显示屏时序和数据传输格式密切相关，设计中必须根据显示设备的具体信息正确设置这些寄存器才能使S3C2440正常控制驱动不同的显示屏。而在本系统中以FPGA实现视频时序转换控制，LED屏为显示终端。虽然LED屏的显示原理与LCD显示屏不同，但为了保证视频源的稳定性、系统的兼容性，本设计按照LCD TFT屏的典型时序[5]设置LCD控制寄存器的相关参数，LCD TFT屏的典型时序如图5所示。

图5 LCD TFT屏的典型时序
3.3 3D像素预处理模块
采用光栅实现3D显示，需要单独控制其像素或子像素，从而使得相邻像素或者子像素显示的信息来自于不同的视差图像。由于本系统采用的是交错光栅实现LED三维立体显示，因此，为了能够在一幅图像中显示出左右视差图像，需要在接收到3D视频源中的左右视差图像后将其像素进行重组，使得在LED显示屏上奇（偶）列像素显示左视差图像，偶（奇列像素显示右视差图像，也即显示屏的奇偶列像素分别显示一对立体图像对中的左右视差图像，如图6所示。这样，通过光栅看到显示屏时，左眼只看到显示屏上的奇（偶）数列像素，而偶（奇）数列像素相对于左眼全是黑的，同时，右眼只看到显示屏上的偶（奇）数列像素，而奇（偶）数列像素相对于右眼是全黑的。
图6 左右视差图像在LED屏上的排列示意图
3.4驱动电路模块
驱动电路模块作为整个系统的核心，主要负责对显示数据进一步的转换、处理，产生符合3D-LED显示屏灰度级显示的数据，送入驱动电路。
FPGA中固化的数字逻辑负责屏幕显示控制[6]，包括数据的存储、行列信号的产生等。数据的缓存和处理采用乒乓机制，存储在两片SRAM中，即在一帧读的同时另一帧写，两帧交替读写保证输入输出双方时间的连续性；LED屏灰度的实现采用专用的LED灰度显示芯片TLC5902，它是一个集移位寄存器、数据锁存器、带有电流值调整的横流电路以及采用脉冲宽度控制的256级灰度显示的恒流驱动器。3D-LED屏行译码的部分将74HC138芯片以及74HC139芯片结合使用，行驱动则是采用专用的LED行驱动芯片74HC4953。
4、 结论
本设计采用了交错光栅实现LED三维立体显示，从而显著减少了莫尔条纹，改善三维立体视觉效果。同时，本文提出了光栅型LED三维立体显示的系统实现，采用ARM+FPGA的构架，ARM作为系统的视频源，FPGA实现3D数据预处理和数据存储控制，充分利用了ARM的丰富的接口和强大的处理能力，同时也易于更新和升级。

作者简介
杨倩（1988-），女，山西太原人，研究生，主要从事信息显示技术及驱动电路的研究。
杜世远（1988-），男，福建泉州人，硕士研究生，主要研究信息显示技术和电子纸驱动电路设计。
林志贤（1975-），男，福建泉州人，博士，副教授，主要从事FED显示器、信息显示技术研究工作。
郭太良（1963-），男，福建莆田人，研究员，博士研究生导师，主要从事场致发射阴极材料及器件研究。

参考文献
[1] 朱燕, 陈瑞, 谢佳等. 光栅式自由立体显示器中莫尔条纹的形成规律[J]. 液晶与显示, 2009,24(6):911-915.
[2] 赵仁亮, 赵悟翔, 王琼华等. 狭缝光栅自由立体显示器立体可视区域的研究[J]. 光子学报,2008,37(5):960-963
[3] 陈黔, 朱秋东. 视差栅型自由立体显示器的研制[D]. 北京:北京理工大学, 2007, 31~33.
[4] 龚兆岗. 基于ARM处理器的LED可变情报板嵌入式控制器.现代显示[J]. 液晶与显示, 2006, 64(6): 163~16.
[5] 魏永明, 骆刚, 姜君等. Linux设备驱动程序(第二版)[M]. 北京:中国电力出版社， 2002.
[6] 俞彬杰. 基于FPGA的全彩色LED同步显示屏控制系统的设计[D]. 上海: 上海交通大学, 2008.