（测试计量技术及仪器专业论文）自由立体显示器多尺寸通用型3d转换电路设计.pdf

自由立体显示器多尺寸通用型3 d 转换电路设计 摘要 与通常的传统的二维图像显示相比，立体显示技术能够显示深度信息，因 而能更正确的认识事物的形状和运动情形，获得身临其境的感觉。传统的立体 显示需要佩带偏振眼镜或头盔之类的辅助工具，十分不便。自由立体显示指的 是运用光学、微电子技术、计算机技术等在二维显示平面上再现获取的立体左 右眼图像对，以三维立体形式显示出来。自由立体显示技术无需佩带眼镜，具 有更大的灵活性和实用性。 本文研究的是基于f p g a 的自由立体显示的硬件电路设计，该电路适用于 双通道l v d s 接口的1 7 至2 0 英寸的立体液晶显示器。本文介绍了f p g a 及 s d r a m 的基础知识，在此基础上详细阐述了自由立体液晶显示的硬件电路设 计方法和f p g a 内部逻辑结构，并着重介绍了如何运用f p g a 对s d r a m 进行 乒乓操作来完成像素数据的正确读写。在自由立体显示设计中，共有四种不同 格式的图像，本文也对这四种图像源信号转换格式做了详细的介绍，并叙述了 在自由立体显示硬件电路设计中，如何实现每一种3 d 信号格式的转换。本设计 软件部分采用v h d l 语言实现代码，只要通过适当修改代码即可应用于1 7 至 2 0 英寸的立体显示器，具有较强的通用性。 关键词：自由立体显示，乒乓操作，f p g a ，s d m m ，l v d s ，v h d l u n i v e r s a lh a r d w a r ec i r c u i td e s i g nf o rb i gs c a l e a u t o s t e r e o s c o p i cd i s p l a y a b s t r a c t c o m p a r e dw i t hn o r m a l2 dd i s p l a ys y s t e m ，t h e3 dd i s p l a ys y s t e m c a ns a v ea n d r e c o r dt h r e e d i m e n s i o n a lo b j e c tw i t hd e p t hi n f o r m a t i o n , w h i c m sh e l p f u lf o r r e c o g n i z i n gt h es h a p ea n dm o v e m e n to ft h eo b j e c t t r a d i t i o n a l3 dd i s p l a yn e e d s a s s i s t a n td e v i c e s ( s p e c i a lg l a s s e s ， h e l m e t ，e t c ) ，s oi t sv e r yi n c o n v e n i e n t a u t o s t e r e o s c o p i cd i s p l a yt e c h n o l o g yc a l l r e d i s p l a yt h el o s td e p t hi n f o r m a t i o n c o m b i n i n g t h et e c h n o l o g yo fo p t i c s ， e l e c t r o n i c sa n dc o m p u t e r , a u t o s t e r e o s c o p i cd i s p l a yc a np r e s e n te a c hv i e w e ra tl e a s t ap a i ro fs t e r e o s c o p i ct h r e e - d i m e n s i o n a li m a g e s a u t o s t e r e o s c o p i cd i s p l a yh e l p s a c h i e v et h r e e d i m e n s i o n a ld i s p l a yw i t h o u ta s s i s t a n td e v i c e s ，8 0i t sm o r ef l e x i b l e a n dp r a c t i c a l f p g a - b a s e dh a r d w a r ec i r c u i td e s i g nf o ra u t o s t e r e o s c o p i cd i s p l a yi sp r e s e n t e d i nt h i sp a p e r t h i sp a p e ri n c l u d e st h ec o n c e p to ff p g aa n ds d r 舢订n 坨d e s i g n m e t h o do fh a r d w a r ec i r c u i tf u ra u t o s t e r e o s c o p i cd i s p l a ya n di n t e r n a ll o 百cs t r u c t u r e o f f p g aw e r ei n t r o d u c e di nd e t a i l na l s oi n t e r p r e t sh o wt ou s ef p g at oi m p l e m e n t p i n g p o n gc o n t r o lo fs d r a m t ow r i t ea n dr e a dp i x e ld a t ac o r r e c t l y t h e r ea r ef o u r t h r e e d i m e n s i o nd i s p l a yf o r m a t st h a tw e r ei n t r o d u c e di nd e t a i li nt h i sp a p e r a n d h o wt oi m p l e m e n te a c ht h r e e d i m e n s i o nd i s p l a yf o r m a ti nt h eh a r d w a r ec i r c u i t d e s i g nf o ra u t o s t e r e o s c o p i ci s a l s oi l l u m i n a t e d t h es o f t w a r eo ft h i sd e s i g nw a s w r i t t e nw i t hv h d l w h i c hc o u l db eu s e du n i v e r s a l l yi n t od e f f e r a n ts i z e ( 1 7t o2 0 i r i c h ) o fa u t o s t e r e o s c o p i cd i s p l a yt h r o u g hp r o p e rc h a n g e k e y w o r d ：a u t o s t e r e o s c o p i cd i s p l a y , h a r d w a r ec i r c u i t ，f p g a ，s d r a m ，v h d l 插图清单 图1 - 1 立体显示基本原理4 图1 屯视差照明法实现立体显示4 图卜3 立体t f tl c d 的基本结构示意图5 图1 - 4 液晶显示原理6 图卜5 普通液晶显示器的背光系统7 图1 - 6 数字驱动系统框图8 图2 一l 自由立体显示硬件实现示意图1 0 图2 2m 1 7 0 e n 0 5 输入信号时序定义1 1 图2 - 33 d 转换电路的硬件电路框图1 2 图2 - 4f l e x ，a c e x 系列芯片的结构1 3 图2 - 5s d r a m 内部结构图1 4 图2 6s d r a m 初始化时序图1 4 图2 7 突发读写后预充电时序图1 5 图2 - 8 自动刷新时序图1 6 图2 - 9 模式寄存器设置时序图1 6 图2 - 1 0 模式寄存器参数意义1 7 图2 一1 1 行有效及读写操作读出时序1 8 图2 - 1 2l v d s 信号传输组成图1 8 图3 13 d 转换电路整体硬件框图2 0 图3 - 2c y e l o n e 系列f p g ai o 引脚2 2 图3 3c y c l o n e 系列f p g a 时钟引脚2 3 图3 4h y 5 7 、，2 8 3 2 2 0 构功能示意图2 5 图3 - 5 帧存电路原理图2 6 图3 - 6s x g a 格式下r r l 信号输入的时序图2 7 图3 - 7t h c 6 3 l v d 8 2 3 8 2 4 的典型设计电路2 8 图3 - 8t h c 6 3 l v d 8 2 3 的设计电路原理图2 9 图3 - 9m p l 4 1 0 典型设计电路3 0 图3 1 0 电源部分设计原理图3 l 图3 1 1r e s e t 信号发生逻辑图3 1 图3 1 2r e s e t 信号产生实际电路原理图3 2 图3 1 32 d 3 d 状态切换原理图3 2 图3 1 42 d 3 d 状态切换实际电路原理图3 3 图3 一1 5 系统p c b 设计图3 4 图4 1s s 格式转换示意图3 6 图4 - 2t b 格式转换示意图3 7 图4 3f s 格式转换示意图3 8 图4 - 4f r s 格式转换示意图3 9 图4 5l c d 的时钟和数据的相对相位4 0 图4 - 6s d r a m 的时钟和数据的相对相位4 0 图4 7 输入时钟、l c d 输出时钟和s d r a m 输出时钟的关系4 0 图4 8 不经过s d r a m 器件的2 d 工作模式4 l 图4 9f p g a 内部逻辑示意图4 9 图4 1 0s d r a m 读写控制器p 一核功能框图4 9 图4 一1 1 控制信号产生模块符号图5 0 图4 一1 2 控制信号译码模块符号图5 0 图4 - 1 3 数据通路模块符号图5 1 图4 - t 4r ws w 信号逻辑框图5 l 图4 - 1 5s d r a i v l 操作状态机时序仿真波形5 4 图5 - i3 d 转换电路实物5 5 图5 - 2 “器件与引脚选项”窗口5 6 图5 3q u a n i l s1 1 4 2 中的全编译工具5 7 图5 4 顶层文件t o p时序分析报告57_level 图5 52 d 状态下s s 格式的左右视图5 8 图5 - 6s s 格式的立体视图5 9 表格清单 表卜1 近几年世界主要国家和地区在立体显示器方面的研究成果2 表卜2t n 、s t n 及t f t 型液晶显示器比较6 表2 1m 1 7 0 e n 0 5 时序参数儿 表3 一lc y c l o n e 系列f p g a 特性表2 l 表3 2c y c l o n e 系列f p g ai o 电压2 3 表3 - 3c y c l o n e 系列f p g a 配置统计2 4 表3 4 三种电源解决方案比较3 0 表4 - 12 d 模式s d r a m 写入时的存储器映象4 2 表4 22 d 模式时s d r a m 读出时的帧数据流4 2 表4 3s s 格式s d r a m 写入时的存储器映象4 3 表4 - 4s s 格式s d r a m 读出时的行数据流图4 4 表4 5t b 格式s d r a m 写入时的存储器映象4 4 表4 6t b 格式s d r a m 读出时的帧数据流图4 5 表4 - 7t b 格式s d r a m 读出时的行数据流4 5 表4 8f s 格式s d r a m 写入时的存储器映象4 6 表4 9f s 格式s d l 队m 读出时的帧数据流4 6 表4 一1 0f s 格式s d r a m 读出时的行数据流4 7 表4 一l lf r s 格式s d r a m 写入时的存储器映象4 8 表4 一1 2 f r s 格式s d r a m 读出时的帧数据流4 8 独创性申明 本人申明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究f 作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 和撰写过的研究成果，也不包含为获得金世= ! ：些左堂或其他教育机构的学位或证辂 而使用过的材料。与我一同一r 作的同志对本研究所做的任何贡献均以在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 、 学位论文作者签名：签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金妲王些左堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授 权佥毽e 些盔堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名 签字日期：年月日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名：槲 签字日期：，7 年，月5 日 电话： 邮编： 致谢 本文从题目的确定到框架的构建，直至最后定稿，整个论文撰写过程中无 不倾注着恩师吕国强教授的大量心血。吕教授博大精深的学识、精益求精的风 格、谦虚平易的作风给作者留下深刻的印象。两年多来，吕教授在学业上给作 者以悉心指导，使得作者不仅从中学到了许多专业知识，也领教了为人治学的 道理。同时吕教授还在思想、生活上给作者以无微不至的关怀。在此谨向吕教 授致以诚挚的谢意和崇高的敬意! 感谢彭良清、洪占勇、胡跃辉等老师在学习工作中给予的悉心指导! 感谢钱鑫、文江涛、张铧铧等各位同学在我课题期间以及完成论文的过程 中所给予的帮助! 作者：方勇 2 0 0 7 年4 月 第一章绪论 1 1 立体显示技术发展概述 众所周知，视觉是人类获取外界信息的主要途径。人在观看物体时，由于 左右眼之间存在距离，同一物体在左右眼中会产生稍有差别的两幅影像，这两 幅影像经过大脑的融合提炼就会使人产生深度感觉。传统的二维显示器，多数 只能显示平面图像，无法使观看者产生应有的深度感信息。要想获得真实的临 场感，再现真实三维场景，必须依靠立体显示技术。 立体显示技术主要是研究如何借助于各种软硬件设备使人在观察图像时产 生立体视觉，重新获得丢失的深度信息。立体显示与二维显示相比更加富有真 实感、临场感和参与性，是未来显示技术的发展方向。从应用角度来看，常见 的立体显示方式可以分为两大类：一类是需要佩带辅助观看装置( 如滤色眼镜 和液晶光阀眼镜) 的立体显示；一类是无需佩带任何辅助眼镜装置的自由立体 显示。相对于前一种方式，自由立体显示具有灵活方便、实用性强等优点，是 立体显示发展的主要方向。本文所研究的是自由立体显示技术。 国际上立体显示技术的研究主要从2 0 世纪9 0 年代开始，以三维显示器为 代表的立体显示系统逐渐成为各国研发的热点。以美国和日本为首的世界发达 国家都加入了三维显示器的研发。我国在这方面的研究起步较晚，但已引起国 家有关部门的重视，一些科研院所和高校已开展了这方面的研究工作并取得了 一些成果。 表1 - 1 所示i l 】列举了最近几年来世界主要国家和地区在立体显示器方面的 研究成果。 机构国别 技术成果技术特点 d 1 1 美国1 2 、1 5 英寸立体液晶显 采用视差照明( p a r a l l a xi l l u m i n a t i o n ) 示器原型机、1 8 英寸立的开关液晶技术，结构简易，容易实现。 体液晶显示器 三洋电机日本1 5 、1 8 、5 0 英寸立体液在画面上设计多个条状遮光“图像分 晶显示器 割棒”来实现立体效果。同时设置了检测 用户头部位置的“头部跟踪系统”，即使 观看者移动到了立体可视范围之外，也能 相应地改变图像分割棒的开口部使观看 者在移动后的位置上也能获得立体视觉 效果。 n t t日本色行模拟器立体投影系 根据全新的错视原理， 统 开发了d f d ( d e p t hf u s e d3 d ) 技术， 即景深融合型立体影像技术，利用两片 液晶显示器与半透型反射镜( h a l f m i r r o r ) ，开发不需特殊眼镜就可以观赏 的立体影像的技术。彻底解决用眼观看者 使用上的诸多不适等问题。 日立制作所 日本2 0 英寸立体显示器 融合小硝l e d 投影仪与“c d r 屏幕 ( c u r v e dd i r e c t i o n a lr e f l e c t i o n s c r e e n ) ”。 东芝日本平置型立体显示器( 2 4将彩色滤色器的r g b 排列由竖向排 英寸与1 5 4 英寸2 种)列变成了斜向排列，同时为了提高亮度， 采用了由多个半圆柱状透镜排列而成的 柱镜胶片。透镜的间隔为6 0 0 7 0 0l jn l 。 三星s d i韩国1 8 英寸立体液晶显示器 在投影仪和屏幕之间插入了其开发 的。l c l m a g e - s p l i t t e r ”，由此实现了自 由立体显示 着力于触摸技术的研究，在显示器中 p 1 1 i l i p s 研究 英国 融入 c r o s sc a p a c i t a p _ c cs e m m f 技术：用 实验室手一指画面上的物体就会改变方向 d v i新西兰 计划2 0 0 3 年开发出台式多层显示技术m l d ( m u l t i l a y e r 计算机用的立体显示器d i s p l a y ) 原型机 表卜1 近几年世界主要国家和地区在立体显示器方面的研究成果( 续) 立体显示技术的应用十分广泛，主要应用领域有【2 】： 1 、科学研究领域：利用立体显示器，科研人员可获得蛋白质、d n a 及各种 微观结构的直观图像以及测绘地质勘探等地理信息展示、c a d c a m 设计等；可对 大气、海洋及地表地层数据进行三维建模显示，可作为空气动力学、气象学、 天文学等学科研究的辅助工具，还可利用所开发的交互式软件进行远程工程控 制。 2 、军事、安全领域：它可以应用在国防军事飞行模拟、军事演习、武器操 控、宇航探测、太空训练等方面。例如在飞行模拟中大量使用立体显示系统， 与实际驾驶飞机飞行相比，虚拟技术的应用可以大大降低成本，而且更加方便， 可以通过设定各种条件在短时自j 内学到丰富的经验。 3 、建筑设计领域：城市规划、楼板展示、景观美化、内部装修等。自由立 体显示器可帮助产品的设计者或者是建筑的设计师就在三维空间展示他们的设 2 计，而不必花费时问制造昂贵的模型，降低了开发成本。 4 、医学成像领域：手术模拟培训、器官立体模拟成像、体内成像( 例如 m r i 、c t 、b 型超声) 、体内造影、虚拟人技术、蛋白质、分子模型显示等。在许 多场合，2 维平面图像显示不能完全表达出影象的全部信息，甚至会导致分析、 判断和操纵严重失误，而采用传统的体视显微镜，在工作效率和操作难度等方 面存在着缺陷。在这些场合，采用立体显示器是十分必要而且十分紧迫的。例 如，在眼科和脑外科手术中，迫切需要无须配戴眼镜即可观看立体图像的自由 立体显示器。 5 、娱乐游戏领域：立体游戏、立体影片及三维动画等；自由立体显示器使 得不带立体眼镜进行立体游戏、观赏立体影片及动画成为可能，为消费者带来 前所未有的视觉享受。随着自由立体显示技术的发展和生产成本的降低，其在 娱乐领域具有巨大的应用前景。 6 、教育文化领域：立体显示技术在教学中可用于辅助教学，例如帮助学 生理解空间几何概念或物理微观粒子结构时，利用立体图像要比利用二维图像 的教学更加直观和易于理解。另外，可以利用自由立体显示系统展示具有立体 感的艺术品、动植物标本等，让学生获得更加生动活泼的教育。 随着立体显示器软硬件的不断开发完善和技术的升级，立体显示设备必将 获得更加广泛的应用。 1 2 自由立体显示器原理及结构简介 自由立体显示器的工作原理是人的双眼视差特性：将一对左右眼视图( 立 体图像对) 同时投射到同一显示平面上，通过光栅和特定照明方法的作用使左眼 只能看左眼视图、右眼只能看右眼视图。由于空间一点在左右眼视图中成像， 必然会有一定的位置差异，这个位置差异便会在人眼中形成双眼的视差，使原本 一对二维平面图像经过大脑的融合被重构成一幅具有深度感的空间立体图像， 观看者便感觉图像突出到显示屏外部或在或陷入到显示屏内部，从而产生立体 感。如图1 - 1 所示，o ( x ，y ) 和e ( x ，y ) 分别表示某空间点在显示平面上的位置坐 标，同时它们也分别位于左右眼视图对的两幅图像上。当观看者观看显示平面 时，o ( x ，y ) 和e ( x ，y ) 便会融合产生为点a 。因为图像上各点位差大小和方向不 同，整幅图像便会产生一定的深度感。基于上述原理设计的立体显示器，观看 者在观看时不需要佩带辅助眼镜的设备，裸眼即可在一定位置观看到立体图像， 故称为自由立体显示器1 3 i 4 j 。 3 图卜1 立体显示基本原理 在本课题中，实现自由立体显示器采用的是视差照明法。基于视差照明法 的立体显示器是在l e d 的像素层后使用线光源提供背光照明。这种线光源的宽 度极小，并与液晶屏的列像素平行。这种密集的线光源照明可以使奇、偶列像素 的图像传输路径分离，从而形成独立的左右眼视区。l c d 的全部像素被分为奇、 偶列像素交错的两大显示区域，分别用来显示具有视差的一对立体图像对。经照 明板分离后，视差图像就能分别到达对应的眼睛，如图卜2 。这种显示技术不仅 结构简易，容易制造，而且由于使用了可控的光栅板，可以选择平面显示和立体 显示。缺点是在立体显示时，由于形成阻挡区，因而显示器的整体亮度将会有所 降低。 图卜2 视差照明法实现立体显示 ) 图i - 3 是采用线光源照明法的立体t f tl c d 的基本结构示意图【5 1 0 图中1 至 5 分别表示前偏振膜、前玻璃基板、液晶层、后玻璃基板、后偏振膜；9 至1 1 4 e ， l o 嵯 分别表示保护膜、增亮膜、扩散膜等背光处理薄膜；1 2 至1 4 分别为导光板、冷 阴极射线管( c o l dc a t h o d ef l u o r e s c e n ti a m p ) c c f l 背光灯和反射层。其中1 、 2 、3 、4 、5 层组成普通的液晶盒。 图卜3 立体t f tl c d 的基本结构示意图 因此，本课题中设计的自由立体显示器主要包括以下几大部分： l 、普通平面显示器件：图卜3 中所示为吓液晶盒。 2 、线光源部分：线光源的产生是立体显示技术的关键，线光源类似于光栅 结构也可称为照明光栅。线光源的间距决定视图分离效果，像素层与照明面的 距离影响观看区域的位置。为保证显示质量，还需要研究精密的安装工艺以保 证光源与像素几何位置的可靠配合。 3 、背光源：只有液晶显示器才有背光源。由于光栅会阻隔显示器光束，降 低显示器亮度，因此，需要适当提高背光源的亮度，只有液晶显示器可以做到 这一点，这也是液晶显示器的优点所在。其它平面显示器没有背光源，无法借 助背光源提高亮度。 4 、控制电路：包括本课题设计的3 一d 转换电路、视频电路、测量控制电路 和辅助电路等。 ( 1 ) 液晶显示 液晶显示器的原理与c r t 显示器大不相同，主要特色在于体积小、薄。重 量轻，低辐射等。液晶显示是一种被动的显示，它不能发光，只能使用背光源 或周围环境的光。液晶显示器的原理是利用液晶的物理性：在通电时导通，使 液晶分子排列变得有秩序，使光线容易通过；不通电时，排列则变得混乱，阻 止光线通过，如图卜4 所示。 5 图l - 4 液晶显示原理 液晶显示按物理结构，可分为t n ( t w i s t e dn e u m a t i c 扭曲向列型) 、s t n ( s u p e rt w i s t e dn e u m a t i c 超扭曲向列型) 、d s t n ( d u a ls c a nt o r t u o s i t y n o m o g r a p h 双层超扭曲向列型) 和t f t ( t h i nf i l m t r a n s i s t o r 薄膜式晶体管型) 四类【6 】川。表卜2 对t n 型、s t n 型、d s t n 型和t f t 型四种液晶显示作出了比 较。 讯蜘lm m 嚏m 噬蕞昌昱示比较 类别 铘 d 册 m 墩昌分子蔽昌分子 蔽昌分子 浓品分子 原理 扭转废 扭转1 8 0 - 2 7 0 度扭转l 锄删度 扭转度以上 黑白、彩色万色) 黑白、彩色拍万色) 彩色1 6 6 7 万色 曩白簟色 矬 低对比，较疆隹 低对比度，效果较s t h 隹 商对比较姗隹 低对比( ：i 4 0 ：l 2 5 ：l ， ( 铷：l ， 全色彩化否青否可靛美c 盯之全彩色 动画显示否否否可与c 盯接美 视角装事3 0 度以下狭窄( 4 0 度以下较窄c6 0 度以下较宽( 度以下) 磁尺寸l - 了d 1 - 1 2 寸 1 - 1 2 寸 6 _ 2 时及l ，址 屯子衰、计篁器、简单的电子字典、移动电话、 电嗣典、移动屯话、 彩色笔记本电魔k 投影 应用范围 掌t 特戏机商务遥、低档笔记本电扁p d 氮早期笔记车电扁机壁挂式彩电 表1 - 2t n 、s t n 及t f t 型液晶显示器比较 由比较可知，t f t - l c d 是目i ； 最好的l c d 彩色显示设备之一，具有屏幕反应 速度快、对比度和亮度都较高、屏幕可视角度大、色彩丰富、分辨率高等特点， 是目前桌面型l c d 显示器和笔记本电脑l c d 显示屏的主流显示设备，适合实现 6 自由立体显示器。 ( 2 ) 照明光栅 照明光栅是基于线光源照明法原理的自由立体显示器的关键部件。该照明 光栅被放在背光照明板和液晶屏之间，通过形成垂直微视障条纹，实现左右眼 图像的分离。照明光栅的设计制造是以视差立体显示匹配的双目视觉模型为基 础，经过相关参数的推导、计算和仿真来实现。每个光学部件的安装要进行精 确定位，这是影响最终观看效果的关键因素。 照明光栅的制造过程是在不透明的黑色平板上刻划出宽度极小的狭长缝 隙，这些缝隙可以让光源透过。在液晶的面光源照射下，缝隙对光源按缝隙间 距进行离散，可以产生出高亮度的线状光源照亮对相应像素列。也可以使用激 光雕刻的方法在金属、有机化合物平板上刻划等间距的平行狭缝，或用其他的 精密制造工艺加工出符合要求的线光源狭缝1 8 l 。 ( 3 ) 背光系统 由于液晶面板是非发光显示器件，因此需要使用背光源照亮【叭。背光源一 般需要具备显示图像所必需的亮度和均匀性、视角、显色性能；低功耗、低噪 声；轻薄、耐冲击性好等性能。而对于照明光栅式自由立体显示，由于形成阻 挡区，使用普通背光源会使显示器的整体亮度低较，因此设计特殊的背光系统是 实现理想的自由立体显示的关键。图1 5 所示的是一种普通的液晶显示器的背 光系统。 c = = = = = = = = = = = = = = = = = j 一扩散援 匕! ! ! ! ! ! ：= ! ! ! ! = = j 棱镜片 图卜5 普通液晶显示器的背光系统 从结构上来看，背光源一般可以分为正下方型和侧灯型。正下方型的好处 是可以设置很多光源来提高亮度，但会导致厚度难以减小，很难实现薄型化。 侧灯型是在液晶面板正下方设置导光板，在导光板边缘设置光源，用导光板射 出的散射光照亮液晶面板。侧灯型的特点正下方型相反，可以通过把导光板做 得很薄来现背光源的薄型化，但由于光源设置空间受限制，很难实现高亮度和 大型化【”l ，具体使用那一种方式要看系统设计的要求。 ( 4 ) 控制电路 t f t 液晶面板的驱动系统分为模拟驱动和数字驱动，两者的主要区别在于 7 其数据驱动是模拟的还是数字的，并没有本质的区别l 。大型t f t 液晶显示 一般均采用数字驱动系统驱动。 数字驱动系统采用源极( 列) 驱动器( s o u r c ed r i v e r ) 和栅极( 行) 驱动 器( g a t ed r i v e r ) 去控制l c d 场效应晶体管f e t 的源极与栅极。源极驱动器也 称为数据驱动器( d a t ad r i v e r ) ，它的作用是接收显示数据对信号线施加目标 电压来驱动l c d 列显示；栅极驱动器的作用是起开关的导通和断开，控制逐行 扫描。由于加在液晶层上的显示电压可存储于各像素的存储电容，可以使液晶 层能稳定地工作。数据驱动器大致可分为模拟驱动和数字驱动。模拟驱动器是 输入模拟图像信号，记忆原模拟信号并输出。而数字驱动器则是输入并记忆数 字图像信号，转换为模拟电压输出。图卜6 表示了数字驱动系统的框图。 图卜6 数字驱动系统框图 图像数据和各种控制信号( 垂直同步信号v 。、水平同步信号h 。、数据传 输时钟d c k 以及允许数据传输信号d e n b ) 从计算机主机输入a s i c 控制器，然 后传输到数据驱动器。数据控制器产生各种控制信号驱动列显示。栅极电源产 生栅极控制器的输出电压( v g 。，v 乩) 来对显示行进行开关操作，实现行扫描。 灰度电源将数字数据转换为基准电压( 灰度电压：v 。) 。 对于自由立体显示，因为要实现左右视图的分离以及兼容变换不同的立体 图像格式，所以在驱动电路之前还需要加入本论文将要研究的3 d 转换电路。 1 3 本课题的意义和任务 相对于传统二维平面显示器，立体显示器能将场景的三维信息完全地再现 出来，使观看者得到场景中各物体的远近、纵深和图像的现实分布状况，从而 获得更加全面的信息。而在立体显示技术中，自由立体显示技术比起其它需要 偏振眼镜、头盔之类的辅助工具的传统立体显示技术又有着明显的优势，它无 需辅助工具，使用方便，且能与其它二维显示器相兼容，具有更大的灵活性和 实用性。 对于自由立体显示器而言，同样条件下大的显示面积将会产生更好的立体 效果，带来更加真实的临场感。目前市场上主流的液晶显示器物理分辨率多为 s x g a 至u x g a ( 常见的有1 7 、1 9 和2 0 英寸) 。本文研究的多尺寸通用型自由立 体显示硬件电路设计，其目的是研制出可通用于这些不同尺寸的自由立体液晶 显示器的3 d 转换电路。该3 d 转换电路在硬件接口与这些主流尺寸l c d 兼容， 只要适当修改f p g a 内部代码，即可在不同尺寸的自出立体液晶显示器上应用， 灵活性和实用性很强，也具有很好的市场前景和经济效益。 本课题内容主要包括以下几个方面： ( 1 ) 研究不同规格液晶显示器内部a d 驱动板输出信号和液晶屏接收信号 的逻辑和时序关系。 ( 2 ) 根据设计要求选定元器件，利用e d ai 具开发出一块完整的3 - d 转换 电路。该3 一d 转换电路的功能是将接收到的双通道l v d s 信号进行处理，再以l v d s 信号的形式输出给液晶屏，最终完成四种不同3 d 格式( 即s s 格式、t b 格式、 f s 格式和f r s 格式) 的图像源的转换。 ( 3 ) 利用v h d l 语言设计出相应得f p g a 内部逻辑程序代码，进行仿真和优 化，使其满足系统工作要求。 ( 4 ) 通过硬件调试，检验3 d 转换电路和f p g a 内部逻辑的正确性，并最终 实现正确的系统功能。 9 第二章3 d 转换电路系统构建 2 1 自由立体显示的实现要求 为实现自由立体显示，我们要将一对立体图像( 立体图像对) 同时显示在 屏幕上，使左眼只能看到左视图，右眼只能看到右视图。3 d 转换电路的功能就 是将立体图像对的左视图完全显示在液晶显示屏的奇列上，将立体图像对的右 视图完全显示在液晶显示屏的偶列上。再通过光学部分的设计，使左眼只看到 液晶显示屏奇数列的图像，而使右眼只看到液晶显示屏偶数列的图像，这样就 可以满足立体显示的要求，图2 - 1 所示。 图2 一l 自由立体显示硬件实现示意图 2 2 输入视频信号分析 从图2 1 可以看出，3 d 转换电路的输入信号要求也就是液晶屏的输入信号 要求。我们知道，在目前主流的t f t 液晶显示器中，1 7 、1 9 英寸为s x g a 规格。 其像素矩阵为1 0 2 4 ( 行) 1 2 8 0 ( 列) ；2 0 英寸为u x g a 规格，其像素矩阵为1 2 0 0 ( 行) 1 6 0 0 ( 列) 。信号的传送方式一般均采用双通道l v d s 信号传输。相同的信号接 口为设计多尺寸通用型3 d 转换电路提供了可能。以我们的实验屏m 1 7 0 e n 0 5 为 例，其输入信号时序定义和时序参数分别如图2 2 、表2 - 1 所示，图中h s y n c 是行同步信号，v s y n c 是帧同步信号【i ”。 1 0 图2 - 2m i t o e n 0 5 输入信号时序定义 s i q n a i l t e m s y m b o l m 槲t y pm a xu n i t 日n kf 确f d c k5 06 7 57 0m h z j 吼k c v d e诎 1 4 21 4 82 0 + v - s y n cf r a m er a t e1 ，r v5 6 2 57 57 7吨 + v - s v n cc v d et v1 31 3 3 31 7 7 8 + v - s y n cc v d e t v1 0 3 51 6 2 d 4 7 l i n e s + v - s v n c a c t i v ef e v e l 33i n e s + v - s y n c v - b a c kp o r c h砧73 8日i r e s + v - s v n cv - f r o n tp o r c hm11u n e s + d s p t gv - l i m1 q 2 4i n e s + l - k s v n cs c a nr a e1 ，t h8 a 0 6 + h - s v n c c y d e t h o 8 4 4 1 0 碱 + h - s v n c , a d i v el , v e i t 一l 45 6诎 + 叶 ；y mb a 咄p o c h t h e * 1 ) 41 2 4h k + h - s v r tf r o n to o c h刖 4 2 4诎 + d s 盯 g“s 删a vp i x e t s鲫融 表2 - 1m 1 7 0 e n 0 5 时序参数 2 33 d 转换电路结构及工作原理 要在数十兆的时钟频率下实现4 8 位数据信号的实时转换，比较通用而可行 的做法是构建以f p g a 为核心，以s d i 认m 作为图像帧存储器的转换系统。以上述 思想为基础设计的3 d 转换电路的硬件电路框图如图2 3 所示。 “：i ：i 强。l + l ! ；艇冀| 气：c 妻_ 附一壶专劈d莲哆嚣附一曩睁劈 ；嚣；| 。t t _ 玉二 ii 懿觚删帧翻 l - - ； 3 d 转换电路主要由f p g a 、s d r a m 、l v d s 接收器发送器等部分组成，其工作 过程为：首先l v d s 接收器接收来自a d 板的输入信号，将其解码为2 路t t l 数据进入f p g a ；然后在同步信号的控制下，对s d r a m 进行乒乓读写操作；最后， 将从s d r a m 读出的数据进行缓冲，输出到l v d s 发送器，由其将数据与同步信号 输送给液晶屏进行显示。 可见，此系统的功能主要有两部分：一是l v d s 信号与1 v r l 信号的转换，这 是由l v d s 芯片完成的；二是f p g a 对s d r a m 的读写操作，完成数据立体格式的 转换，这是由f p g a 芯片和s d r a m 芯片共同完成的。下面对这几个主要部件加以 介绍。 2 3 1f p g a 概述 f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ，现场可编程门阵列) 是在c p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ，复杂可编程逻辑器件) 基础上发展起 来的新型高性能可编程逻辑器件1 1 3 l i l4 】。它一般采用s r a m 工艺，也有一些专用器 件采用f l a s h 工艺或反融丝工艺等。f p g a 集成度很高，器件密度从数万系统门 到数千万系统门不等，可以完成极其复杂的时序与逻辑组合电路，适用于高速、 高密度的高端数字逻辑电路设计领域。f p g a 的基本组成部分有可编程输入输出 单元、基本可编程逻辑单元、嵌入式块r a m 、丰富的布线资源、底层嵌入功能单 元、内嵌专用硬核等。目前f p g a 的主要供应商有a l t e r a 、x i l i n x 、l a t t i c e 等。 图2 - 4 为a l t e r a 的f l e x a c e x 等系列芯片的结构： 1 2 图2 - 4f l e x a c 隧系列芯片的结构 f p g a 芯片都是特殊的a s i c 芯片，它除了具有a s i c 的特点之外，还具有以 下几个优点： ( 1 ) f p g a 芯片的规模也越来越大，单一芯片内部可以容纳上百万个晶体管， 其单片逻辑门数已达到上百万门，它所能实现的功能也越来越强，同时也可以 实现系统集成。 ( 2 ) f p g a 芯片在出厂之前都做过百分之百的测试，不需要设计人员承担投 片风险和费用，设计人员只需在自己的实验室里就可以通过相关的软硬件环境 来完成芯片的最终功能设计。所以，f p g a 的资金投入小，节省了许多潜在的花 费。 ( 3 ) 用户可以反复地编程、擦除、使用或者在外围电路不动的情况下用不 同软件就可实现不同的功能。所以，用f f g a 试制样片，能以最快的速度占领市 场。f p g a 软件包中有各种输入工具和仿真工具，及版图设计工具和编程器等全 线产品，电路设计人员在很短的时间内就可完成电路的输入、编译、优化、仿 真，直至最后芯片的制作。当电路有少量改动时，更能显示出f p g a 的优势。 2 3 2s d p , 删溉述 s d r a m ( s y n c h r o n o u sd y n a m i cr a m ) 同步动态随机存储器是e o d 、d r a m 之 后的主流动态存储器，它具有大容量、高速和价格低廉的突出优点，因而在高 速数字系统如视频处理中得到广泛的应用15 1 。但与s r a m 相比，s d r a m 控制逻 辑较为复杂并且对时序要求严格。f p g a 可满足s d r a m 控制器的特点。采用v h d l 语言实现s d r a m 控制器直观而占用资源较少，对需要大容量存储器的应用是较 经济的设计方法。 s d r a m 内部全部存储空间平均划分为若干个b a n k ( 一般为2 个或4 个) ， 每一个b a n k 相当于一个矩形存储阵列，通过行列来寻址。b a n k 的数量以及行 列地址的位数主要取决于存储器的容量。以4