摘 要：隨著高亮度藍色和綠色LED的發展，LED顯示得到了快速發展和廣泛應用。由于LED具有亮度高、可視性好、壽命長等優點，將3D顯示技術應用到LED顯示上將是LED顯示的研究熱點和方向。本文采用交錯光柵實現LED三維立體顯示，從而可以顯著減少莫爾條紋，并且具有較大的可視區域。同時，提出了光柵型LED三維立體顯示的系統實現，采用ARM+FPGA的構架，ARM作為系統的視頻源，FPGA實現3D數據預處理和數據存儲控制，該構架充分利用了ARM的豐富的接口和強大的處理能力，同時也易于更新和升級。
關鍵詞：3D-LED、交錯光柵、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、可視性好、壽命長等優點，LED顯示屏在近年來得到了快速發展并且廣泛應用于戶外顯示，并且，LED顯示屏也使得在戶外觀看三維立體顯示成為可能，因此，將3D顯示技術應用到LED顯示上將是LED顯示的研究熱點和方向。
助視3D顯示器由于要求觀眾佩戴頭盔或眼鏡，不僅給觀眾帶來不便，而且也不利于戶外觀看。裸視3D顯示器不需要觀眾佩戴頭盔或者是眼鏡等助視設備就可以實現3D顯示，因而非常適合于戶外的三維立體顯示。其中，光柵型3D顯示器由于結構簡單、性能好、造價低等優點而備受關注。
2、 交錯光柵的設計
2.1狹縫光柵基本結構與工作原理
狹縫光柵位于LED顯示屏與觀看者之間，狹縫光柵的透光條和擋光條相間排列，由于擋光條對光的遮擋作用和透光條對光的透過作用，結合LED顯示屏上與之對應排列的左右視差圖像，實現了在左右視差圖像的光線的分離[1]。例如，在兩視點3D顯示中，由于狹縫光柵擋光條的遮擋，觀看者的一只眼睛透過一條狹縫只能觀看到一列像素，若LED顯示屏奇偶列像素分別顯示了左右視差圖像，那么，觀看者就可以觀看到立體圖像[2]。
2.2交錯型光柵的設計
由于LED顯示屏的像素是由有序列的周期性矩陣結構，其發出的光場也具有周期性矩陣結構，這樣的光場與同樣具有周期性結構的垂直狹縫光柵相互干涉，形成莫爾條紋，使得3D效果變差，甚至會導致圖像無法正常顯示[3]。
為了減小莫爾條紋，采用垂直交錯光柵，將傳統的垂直光柵的狹縫按照一個像素的高度進行分段，如圖1所示，當眼睛左右移動時，使部分狹縫對準子像素間黑矩陣時，另一部分狹縫將不會完全對準子像素間的黑矩陣，這樣就不會看到整個黑幕，盡管這樣會導致屏幕的亮度降低，但是由于LED屏的亮度可以達到很高，所以并不會影響正常的觀看。
圖1 交錯型光柵的結構
需要注意的是狹縫的分段長度也需要選擇在一定的范圍內，若狹縫分段長度過長則雙眼圖像過渡區將不是平滑過渡，而將會顯示兩幅行交錯圖像，因此狹縫的長度以像素高度的1/2以下較為適合。交錯型光柵與垂直光柵的莫爾條紋拍攝結果如圖2所示，從圖中可以清楚看到，交錯型光柵產生的莫爾條紋相對于普通垂直光柵要減小很多。
（a）垂直光柵莫爾條紋
（b）交錯光柵莫爾條紋
圖2 交錯型光柵與垂直光柵的莫爾條紋
3、 LED三維立體顯示系統的設計
3.1 系統總體設計
3D-LED視頻顯示系統由三部分組成，如圖3所示。考慮到視頻系統數據量大、要求控制速度快、數據處理復雜等特點，系統的主控部分采用ARM+FPGA的硬件構架，并使用ARM系統代替傳統LED視頻系統中的PC機作為視頻源。
圖3 系統總體設計框圖
3.2 ARM控制模塊
嵌入式系統為整個視頻LED顯示系統提供一個穩定可靠的視頻源，本次設計采用Samsung S3C2440開發板，以Linux作為操作系統，從而實現操作界面、視頻播放和通信接口，3D視頻源則存儲在系統中的SD存儲卡中，同時，此模塊為后級提供了視頻顯示的數據以及HSYNC(行同步)、VSYNC(幀同步)、VDE(數據使能)和VCLK(時鐘)等必要的控制信號。
ARM控制模塊的軟件部分由Boot loader、設備驅動(包括幀緩存frame buffer驅動 )、嵌入式Linux內核、文件系統、Qtopia的用戶圖形界面系統組成[4]，系統軟件平臺結構如圖4所示。
圖4 系統軟件平臺結構
S3C2440的LCD控制寄存器主要包括LCDCONl、LCDCON2、LCDCON3、LCDCON4和 LCDCON5寄存器。這些寄存器的配置與顯示屏時序和數據傳輸格式密切相關，設計中必須根據顯示設備的具體信息正確設置這些寄存器才能使S3C2440正常控制驅動不同的顯示屏。而在本系統中以FPGA實現視頻時序轉換控制，LED屏為顯示終端。雖然LED屏的顯示原理與LCD顯示屏不同，但為了保證視頻源的穩定性、系統的兼容性，本設計按照LCD TFT屏的典型時序[5]設置LCD控制寄存器的相關參數，LCD TFT屏的典型時序如圖5所示。
圖5 LCD TFT屏的典型時序
3.3 3D像素預處理模塊
采用光柵實現3D顯示，需要單獨控制其像素或子像素，從而使得相鄰像素或者子像素顯示的信息來自于不同的視差圖像。由于本系統采用的是交錯光柵實現LED三維立體顯示，因此，為了能夠在一幅圖像中顯示出左右視差圖像，需要在接收到3D視頻源中的左右視差圖像后將其像素進行重組，使得在LED顯示屏上奇（偶）列像素顯示左視差圖像，偶（奇）列像素顯示右視差圖像，也即顯示屏的奇偶列像素分別顯示一對立體圖像對中的左右視差圖像，如圖6所示。這樣，通過光柵看到顯示屏時，左眼只看到顯示屏上的奇（偶）數列像素，而偶（奇）數列像素相對于左眼全是黑的，同時，右眼只看到顯示屏上的偶（奇）數列像素，而奇（偶）數列像素相對于右眼是全黑的。
圖6 左右視差圖像在LED屏上的排列示意圖
3.4驅動電路模塊
驅動電路模塊作為整個系統的核心，主要負責對顯示數據進一步的轉換、處理，產生符合3D-LED顯示屏灰度級顯示的數據，送入驅動電路。
FPGA中固化的數字邏輯負責屏幕顯示控制[6]，包括數據的存儲、行列信號的產生等。數據的緩存和處理采用乒乓機制，存儲在兩片SRAM中，即在一幀讀的同時另一幀寫，兩幀交替讀寫保證輸入輸出雙方時間的連續性；LED屏灰度的實現采用專用的LED灰度顯示芯片TLC5902，它是一個集移位寄存器、數據鎖存器、帶有電流值調整的橫流電路以及采用脈沖寬度控制的256級灰度顯示的恒流驅動器。3D-LED屏行譯碼的部分將74HC138芯片以及74HC139芯片結合使用，行驅動則是采用專用的LED行驅動芯片74HC4953。
4、 結論
本設計采用了交錯光柵實現LED三維立體顯示，從而顯著減少了莫爾條紋，改善三維立體視覺效果。同時，本文提出了光柵型LED三維立體顯示的系統實現，采用ARM+FPGA的構架，ARM作為系統的視頻源，FPGA實現3D數據預處理和數據存儲控制，充分利用了ARM的豐富的接口和強大的處理能力，同時也易于更新和升級。
作者簡介
楊倩（1988-），女，山西太原人，研究生，主要從事信息顯示技術及驅動電路的研究。
杜世遠（1988-），男，福建泉州人，碩士研究生，主要研究信息顯示技術和電子紙驅動電路設計。
林志賢（1975-），男，福建泉州人，博士，副教授，主要從事FED顯示器、信息顯示技術研究工作。
郭太良（1963-），男，福建莆田人，研究員，博士研究生導師，主要從事場致發射陰極材料及器件研究。
參考文獻
[1] 朱燕, 陳瑞, 謝佳等. 光柵式自由立體顯示器中莫爾條紋的形成規律[J]. 液晶與顯示, 2009,24(6):911-915.
[2] 趙仁亮, 趙悟翔, 王瓊華等. 狹縫光柵自由立體顯示器立體可視區域的研究[J]. 光子學報,2008,37(5):960-963
[3] 陳黔, 朱秋東. 視差柵型自由立體顯示器的研制[D]. 北京:北京理工大學, 2007, 31~33.
[4] 龔兆崗. 基于ARM處理器的LED可變情報板嵌入式控制器.現代顯示[J]. 液晶與顯示, 2006, 64(6): 163~16.
[5] 魏永明, 駱剛, 姜君等. Linux設備驅動程序(第二版)[M]. 北京:中國電力出版社， 2002.
[6] 俞彬杰. 基于FPGA的全彩色LED同步顯示屏控制系統的設計[D]. 上海: 上海交通大學, 2008.
基金項目：國家863計劃重大專項（2008AA03A313）；福建省自然科學基金項目（2010J01333）；福建省自然科學基金資助項目（2011J01347）；福建省教育廳資助重點項目(JA09003)；福建省教育廳科技項目（NO.JA11014）
作者簡介：楊倩（1988-），女，山西太原人，研究生，主要從事信息顯示技術及驅動電路的研究。
關注我們
公眾號：china_tp
微信名稱：亞威資訊
顯示行業頂級新媒體
掃一掃即可關注我們
