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自由立体显示硬件电路设计 摘要 一般的二维显示系统只能把三维物体以二维平面图像的形式保存、记录下 来，同时丢掉三维深度的信息。这并不是人们所愿意的。自由立体显示技术可 以再现丢失的深度信息。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。自由立体显示技术是不需要佩戴辅助眼镜装置就能实现三维立体效果的 显示技术。 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。本文介绍了 f p g a 的概念，以及如何运用f p g a 实现对s d r a m 的控制来完成像素数据的 萨确读写，并最终实现自由立体显示硬件电路的完成。文中分别介绍了两种自 由立体显示的硬件电路设计：一种是双通道t t l 信号传输的自由立体显示的硬 件电路设计，另一种是单通道l v d s 信号传输的自由立体显示的硬件电路设计。 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，也详述了在两种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。 关键词：自由立体显示，硬件电路，f p g a ，s d r a m ，v h d l h 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 ed i s p l a y a b s t r a e t n o r m a l2 dd i s p l a ys y s t e mc a no n l ys a v ea n dr e c o r dt h r e e d i m e n s i o n a lo b j e c t w i t h o u td e p t hi n f o r m a t i o n ，w h i c hi so u to fe x p e c t i o no fp e o p l e a u t o s t e r e o s c o p i c d i s p l a yt e c h n o l o g yc a nr e d i s p l a y t h el o s t d e p t hi n f o r m a t i o n c o m b i n i n gt h e t 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 y c a n p r e s e n te a c hv i e w e ra tl e a s tap 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 n d h e l pa 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 ts p e c i a lg l a s s e s 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 n t 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 dh o wt ou s ef p g at o i m p l e m e n tt h ec o n t r o lo fp i x e ld a t ab yu s i n gs d r a ma n dc o m p l e t eh a r d w a r e c 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 yf i n a l l y t w om e t h o d so fh 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 cd i s p l a yh a v e b e e ni n t r o d u c e d o n ei sh a r d w a r ec i r c m t d 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 yw i t ht w oc h a n n e l sa n dt t ls i g n a l a n da n o t h e r i sh 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 yw i n lo n ec h a n n e la n dl v d s s i g n a l t h e r ea r ef o u rt 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 n d e t a i li nt h i sp a p e r a n dh 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 n t h et w oh a r d w a r et i r e u i td e s i g n sf o ra u t o s t e r e o s c o p i ci sa l s oi l l u m i n a t e d 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 自由立体显示应用领域 图2 一l 立体显示基本原理， 图2 2 显示屏前面形成的视区示意图 图2 3 液晶显示原理 图2 - 4t n 、s t n 及t f i 、型液晶显示器比较 图2 5 普通液晶显示器的背光系统 图2 - 6 数字驱动系统框图 图3 1 自由立体显示硬件电路框图 图3 2 典型的p l d 框图 图3 3 典型的p l d 结构( 部分) 图3 - 4 基于乘积项的c p l d 内部结构 图3 5 宏单元结构 图3 - 6 举例电路 图3 7 实现f 的组合逻辑 图3 - 8 四输入l u t 使用举例 图3 - 9f p g a 内部结构图 图3 1 0 l e 结构图 图3 1 ll b a n k 存储阵列示意图一 图3 1 2s d r a m 内部结构图 图3 1 3s d r a m 初始化时序图 图3 1 4 预充电时序图 图3 1 5 刷新时序图 图3 1 6 模式寄存器设置时序图 图3 1 7 模式寄存器参数意义 图3 1 8 行有效时序图 图3 一1 9 列寻址时序图 图3 2 0 数据写入喇序图 图3 2 1 数据读出时序图 图4 1s s 格式转换示意图 图4 2t b 格式转换示意图 图4 3f s 格式转换示意图 图4 - 4f r s 格式转换示意图 图5 1 命令序列发生器逻辑原理图一 _“_加m舶肌胛m mm以苈筋舶刀瑚圆加m卫m埘 图5 2 选通控制译码电路逻辑图 图5 3 双通道t t l 信号的硬件框图 图5 - 4 双通道直通方式时2 d 的工作模式 图5 5 双通道2 d 写入时的s d r a m 存储映象图 图5 - 6 双通道2 d 数据写入数据通道 图5 7 双通道2 d 读出日j 的s d r a m 存储映象图 图5 - 8 双通道2 d 数据读出数据通道 图5 - 9 双通道s s 格式读出控制图， 图5 1 0 l v d s 信号传输组成图 图5 1 1l v d s 与p e c l 电平示意图 图5 1 2l v d s 点到点结构 图5 1 3 单通道l v d s 信号的硬件框图 图5 1 4 单通道直通方式时2 d 的工作模式 图5 15 单通道3 d 数据读出内部逻辑示意图 图5 1 62 d 3 d 状态切换原理图 图5 1 72 d 3 d 状态切换实际电路原理图 图5 1 8r e s e t 信号发生逻辑图 图5 1 9 r e s e t 信号发生实际电路原理图 图5 2 0 双通道t t l 信号3 d 转换电路实物图 图5 2 1 单通道l v d s 信号3 d 转换电路实物图 图5 2 22 d 状态下s s 格式的左右视图 图5 2 3s s 格式的立体视图 图5 2 42 d 状态下t b 格式的左右视图 图5 2 5t b 格式的立体视图弘弛始如加钙躬舶钉们的卯鳃鼹鲫印甜 表格清单 表1 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 表5 1 选通控制译码电路逻辑真值表 表5 2 双通道s s 格式时的s d r a m 存储映象 表5 3 双通道t b 格式时的s d r a m 存储映象 表5 4 双通道t b 格式时s d r a m 读出时的帧数据流 表5 5 双通道t b 格式时s d r a m 读出第一行数据 表5 - 6 双通道f s 格式时的s d r a m 存储映象 表5 7 双通道f s 格式时s d r a m 渎出时的帧数据流 表5 _ 8 双通道f s 格式时s d r a m 读出第一行数据 表5 - 9 双通道f r s 格式时的s d r a m 存储映象 表5 1 0 双通道f r s 格式时s d r a m 读出时的帧数据流 表5 1 l 单通道s s 格式时的s d r a m 存储映象 表5 1 2 单通道s s 格式时s d r a m 读出时的数据流 表5 1 3 单通道t b 格式时的s d r a m 存储映象 表5 1 4 单通道t b 格式时s d r a m 读出时的帧数据流 表5 1 5 单通道t b 格式时s d r a m 读出第一行数据 表5 1 6 单通道f s 格式时的s d r a m 存储映象 表5 1 7 单通道f s 格式时s d r a m 读出时的帧数据流 表5 1 8 单通道f s 格式时s d r a m 读出第一行数据 表5 1 9 单通道f r s 格式时的s d r a m 存储映象 表5 2 0 单通道f r s 格式时s d r a m 读出时的帧数据流 ，2 3 5 3 9 ，4 0 4 1 4 l 4 2 4 2 4 3 4 3 4 4 4 9 5 0 5 l 5 1 5 2 5 3 5 3 5 4 5 5 5 5 5 4 12 d 3 d 选择输入信号产生电路 5 4 2 r e s e t 信号电路 5 5 调试实现 5 5 13 d 转换电路实物图 5 5 1 1 双通道t t l 信号3 d 转换电路 5 5 1 2 单通道l v d s 信号3 d 转换电路 5 5 2 硬件调试实现 5 5 2 1s s 格式实现 5 5 2 2t b 格式实现 第六章总结与展望 6 1 总结 6 2 展望 参考文献 6 2 6 2 6 2 ，6 3 m卯卯卯卯鳃”盼 独创性申明 本人申明所键交的学位论文是本人在导师指导卜i 进行的研究i ：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 干撰写过的研究成果，也不包含为获得 金艘e 些厶堂或其他教育机构的学位或证档 而使j j 过的材料。与我一同l ：作的同忠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：羹芳论签字日期：撖年，川2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解佥墅羔些太堂有关保留、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 权盒旦l 些厶堂可以将学位论文的全部或部分内弈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抒) 学位论文作者签名：堡# 静 导师签名 签字日期：函咕年，月p 日 签字日期：护6 年，月，汨 学1 1 i ) = 论文作者毕业后去向 1 ：作单位： 通讯地蚺： 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，无不倾注着恩师吕国强 教授的大量一e l , 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精心指导，使得 作者从中学到了许多为人治学的道理，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! 感谢彭良清老师、洪占勇老师给予的指导! 感谢众师兄弟姐妹们的帮助! 感谢我的父母和家人，是他们给予我的爱和关怀使我能够不断前进! 谨以此文献给所有关心、帮助过我的老师、父母、家人和朋友们! 作者：龚书涛 2 0 0 6 年4 月 第一章概论 1 1 概述 视觉信息是人类信息最主要的束源，人类同常生活中接受到的信息有6 0 以上是靠视觉接受的。视觉信息具有直观、可靠、翔实的特点，因此，基于视 觉信息处理与显示的现代显示技术得到了空前的发展i lj 。 所谓显示，一般是指商品等陈列、展示。但在本文中的“显示”主要是指 对信息的表示，可以定义为：将某种外界的刺激传给人们的视觉感知器官并在 大脑中形成结果。在信息显示学会( s i d ：s o c i e t yo f i n f o r m a t i o nd i s p l a y ) 1 9 6 3 年发表的文献资料中，也给出了关于显示的定义1 2 1 ：信息显示，是为了将特定 的信息向人们展示而使用的全部方法和手段。 但是，当前在信息工程学领域中，把显示技术限定在基于电子手段产生的 视觉效果上，即根据视觉可识别的亮度、颜色，将信息内容以电信号的形式传 达给眼睛产生视觉效果。 众所周知，人的视觉是立体视觉，在观看物体时观察者既能感觉到物体之 间的距离，也能感觉到物体与观察者之间的距离，这就是所谓的深度感，是正 常人眼的重要的生理功能。但是目前的显示器，多数只能显示二维平面的图像。 要想充分发挥人类视觉感知的强大功能，发展能再现真实三维场景的立体显示 器是一条重要的途径。 1 2 立体显示的方式 立体显示比二维显示信息量更大，感染力更强，更逼真，更富实感性、参 与性。作为下一代映像显示技术具有更太的吸引力。立体显示有很多种方式， 按照其原理，其显示方式主要可以分为两大类：需要佩带辅助眼镜装置( 如滤 色眼镜和液晶光阀眼镜) 的立体显示和无需佩带任何辅助眼镜装罱的自由立体 显示1 3 1 。此外，立体显示还可以分为头固定型和头跟踪型：头固定型是观察者 的头相对于显示屏的位雹是固定不变的，如头盔式立体显示器，这种显示器普 遍地运用在模拟训练装置中：头跟踪型不要求观察者的头与显示屏的相对位置 固定，但可能要求观察者随身佩带一定的装置，如红外传感器，用来告诉显示 屏观察者的头位于何处。本文主要研究不需要戴眼镜的立体显示技术，即自由 立体显示技术。 1 3 立体显示器的发展现状 国际上立体显示技术的研究主要从2 0 世纪9 0 年代丌始，以只本和美国为 首，其它发达国家纷纷跟进。研究经费主要来源于军事工程费用、政府科研基 会和大型企业商业性研发等三个方面。 美国每年都有大量科研经费用于新型显示器项目的研究。近年来，美国对 于诸如真实感立体显示器( r e a l3 - dd i s p l a y ) 、有机电致发光显示器( o l e d ) 、 零场反射液晶显示器( r l c d ) 、加固型显示器( r u g g e dd i s p l a y ) 都十分重视。 美国国防部发布的2 0 0 2 财政年度预算中，对于功能材料与设备的专项，投入 4 3 0 3j j - 美元经费，该专项共有十个子项目，其中就有真实感立体显示器。我国 的科研人员也开展了这方面的研究工作1 4 l 。 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如表1 一l 所示 年份( 年)机构国别技术成果 1 9 9 2 正n h k 日本1 2 英寸p d p 立体显示器、9 英寸e l 立体显 示器 1 9 9 3 缸d t l 美国1 2 英寸l c d 立体显示器( 用于座舱模拟器) 1 9 9 4 年 s a n y o 日本4 、6 、1 0 英寸立体液晶显示器 1 9 9 6 盘 p h i l i p s 研究实验窒 英国1 4 5 英寸立体液晶显示器 1 9 9 8 艇 d t i 美国1 2 、1 5 英寸立体液晶显示器原型机、1 8 英寸 立体液晶显示器( 用于虚拟诊断) 三洋电机日本1 5 、1 8 英寸立体液晶显示器 2 0 0 0 盆 d r e s d e n 技术大学德国1 0 4 、2 0 1 英寸立体液品监视器，2 】英寸立 计算机科学系体p d p 监视器 d t l美国 飞行模拟器立体投影系统 邮电通信省通信研 日本 4 0 、7 0 英寸立体显示系统 2 0 0 1 年 究实验室 e m a g i n 美国基丁：l c d p d p 的全彩色s v g a 立体微型显 示器 v r e x美国1 8 英寸立体液晶显示器 三星s d l韩国 1 8 英寸立体液晶显示器 国立汉城火学韩国立体摄影系统 三星电子韩国可以显示立体图像的特殊光学零部件 日立制作所日本2 0 英寸立体显示器 2 0 0 2 年 着力于触摸技术的研究，在显示器中融入 p h i l i p s 研究实验室 英国 “c r o s sc a p a c i t a n c es e n s i n g 技术：朋手一指 画面上的物体就会改变方向 r e a l i t yv i s i o n 英国多视点8 0 0 6 0 0 d v i 新婀兰 计划2 0 0 3 年开发出台式计算机用的立体显 示器原型机 表1 1 近儿年世界土要国家和地区在立体显示器方面的研究成果( 续) 2 1 4 自由立体显示技术的应用 目前，数字图像技术及计算机和图形卡等数字图像处理硬件已经相当发达， 数据处理速度已相当快，三维图像信息处理也就变得可能了。伴随着自由立体 技术的发展，各种博览会和主题公园中几乎毫无例外的都要放映立体图像。此 外，自由立体显示技术可以用于以下一些主要方面 4 1 ：军事( 模拟训练、侦察) 、 医疗( 检测、诊断、治疗) 、数据可视化( 建模、染色体、分子模型、气象预报) 、 工程( 产品设计、虚拟原形、制造、景观、建筑) 、娱乐( 视频游戏、影视动画) 、 虚拟商务贸易( 电子展览室) 、教育( 实验演示、多媒体教学) 等。如图1 1 所 不。 圈1 - 1 自由立体显示鹿用领域 要求采用立体图像的原因在于与通常的二维图像相比，立体显示器能显示 深度信息，因而能更j 下确的认识事物的形状和运动情形，其结果是获得了身临 其境的感觉。 1 4 1 军事领域 自由立体显示技术发展与其在军事领域的重要应用是分不丌的。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，要经济 得多。而且可以通过设定各种条件在短时间内学到丰富的经验。d t i ( d i m e n s i o n t e c h n o l o g i e si n c ) 在这一领域表现得十分出色。d t i 在1 9 9 3 年为美国 w r i g h t - p a t t e r s o n 空军基地设计并且制造了驾驶座舱自由立体显示器，主要用于 飞行员的模拟训练。1 9 9 4 年为n a s a ( 美国国家航空航天局) 设计并制造了全 动态全息3 d 显示器。1 9 9 5 年d t l 立体显示器被用于遥控机器人设备中，这些 设备一般用于处理辐射性废料、深层采掘等危险领域。1 9 9 8 年d t l 2 0 1 8 x l l 8 ”3 一d 显示器被n a s a 采纳为虚拟诊断系统的显示设备。1 9 9 9 年到2 0 0 0 年d t i 赢得 了为美国海军丌发高清晰度投影系统的合同，这系统主要用于模拟飞行。 1 4 2 医疗领域 x 射线c t ( c o m p u t e dt o m o g r a p h y ) 和m r i ( m a g n e t i cr e s o n a n c ei m a g i n g ) 给医疗领域的图像诊断技术带来了划时代的变革，即在诊断中可以利用三维数 据。但是显示装置还是二维的，没有纵深感，病灶形状的正确把握仍然很难， 因而对立体显示器的潜在需求很大。现f 在全力以赴的进行这方面的研究和开 发。立体显示器在医疗领域的应用包括作为手术支援设备使手术过程更准确， 作为诊断设备使诊断结果精度更高，以及作为现场教学设备使教学更直观等。 1 4 3 数据可视化领域 当i i i 人们需要理解的数据量越来越庞大，数据可视化方便了人们对所获得 数据的理解。甚至在有些情况下，缺少了数据可视化技术，人们理解获得的数 据变得不可能。传统的二维平面显示丢失了纵深感，使得数据可视化的巨大作 用没有得到充分的发挥。有了自由立体显示器，人们能更加灵活、深刻地理解 数据信息。在建模方面，数据可视化可以极大的帮助研究人员理解模型的各种 状态的详细信息。在蓬勃发展的生命科学方面，染色体的结构是非常复杂的， 有了数据的立体可视化，科学家们能更好地深入研究生命的奥秘。 1 4 4 娱乐领域 立体电影的震撼效果使观众久久不能忘怀，自由立体电视的出现使人们可 以独自在家欣赏栩栩如生的立体电影及电视节目。另一方面，自由立体显示使 传统的三维游戏的精美画面和身临其境的感觉发挥到了极致。随着自由立体显 示技术的发展和生产成本的降低，其在娱乐领域蕴含着巨大的商机。 1 4 5 教育文化领域 立体显示技术在教学中可用于提高学习效率。例如在帮助中小学生理解图 形、平面等空间概念知识或物理现象之类的原理时，利用立体图像要比利用二 维图像的认识程度高，理解程度深。我们还可以把我们平时难得一见的高价美 术作品、工艺品、文物等制成立体图像节目，通过立体显示器提供给观众。展 示贵薰物品时，安全保卫是个很大的问题，其举办管理费用很高，因而相当多 的人无缘目睹，用立体显示的技术可以使这些贵重物品广为公开。此外，有了 自由立体显示系统，就能让很多人很方便的及时看到具有立体感的艺术品，这 对于没有接触过艺术品的孩子来说，是一种特别有效的欣赏教育手段。 1 5 本课题的意义和任务 图像显示器是人类接受外部信息的重要手段，立体图像显示器能将场景的 三维信息完全地再现出来，使观看者可以看出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。立体显示器作为新型显示器件， 在军事、商业、科研等领域有重要作用。 根据美国国家航空航天局( n a s a ) 郎雷( l a n g l e y ) 研究中心飞行管理部 的报告，立体疑示器可以大大提高飞行员对本机与敌机空间位置的判断能力， 使飞行员的应急反应速度提高近一倍。美国空军计划为新一代战机装备一种多 功能液晶显示器，可以在二维显示方式和立体显示方式中任意选择。当选用立 体显示方式时，可以显示地形的立体图像，并可以从不同角度观察敌方周围环 境。 传统的立体图像显示需要佩带偏振眼镜、互补眼镜、液晶眼镜或头盔之类 的辅助工具，人眼除了观看屏幕外，做其他工作十分不便。自由立体图像显示 技术无需佩带眼镜，能与其它二维显示器相兼容，具有更大的灵活性和实用性。 本课题来源于合肥工业大学光电技术研究院与国家特种显示工程技术研究 中心合作进行的项目全彩色立体显示技术研究。本论文作者研究的是自由立 体显示硬件电路设计，是该项目的一个辅助部分。 课题内容主要包括以下几个方面： ( 1 ) 研究驱动电路输出信号的逻辑和时序关系：研究液晶屏接收信号的逻 辑和时序关系。 ( 2 ) 设计一块完整的3 - d 转换电路。该3 d 转换电路将接收到的m 信 号进行处理，再以l v d s 信号的形式输出或者直接以t t l 信号输出，最终完成 四种不同格式( 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 ) 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 终调试出实现四种格式的图像源的立体显示。 第二章自由立体显示原理 2 1 立体显示的原理 所谓人眼的立体感受，就是它们能将视场( 即眼睛所观看到的景物区域) 中的物体区别出远近。视场中远近不同的物点之所以在左、右眼中形成微小的 差别，是因为各物点相对于双眼的视差角不同。而这个微小的差别就叫做视差。 大脑根据景物空间各物点在视网膜上的影像相对于黄斑点的线视差就可以决定 物点在空臼j 中的位景。可见，视差是立体视觉中十分重要的参数。而在机器人 立体视觉中，如何从二维图像中获得景物空阳j 的三维信息，视差仍然是一个十 分重要的判定景物空问分布的因素1 5 l 。 假设屏幕上显示的3 个特征点a 、b 、c ( 如图2 1 ) ，每一个特征点具有左、 右两个图像对a j 、a f ，b 1 、b r ，c 1 、c ，并且a 1 、b l 、c l 由左画面屏幕显示， a ，、b ，、c ，由右画面屏幕显示 6 1 。 掣 t 、 ，i ， 、 幽2 - 1 立体显示基本原理 当双眼观看屏幕时，由于a 点的左右图像a l 、a r 都处在屏幕上，左、右眼 观看到的是同一个图像点，因此大脑会认为图像a 处于与屏幕重合的位景a 处，而对于b 、c 两点图像来说，情况则不同，由于b 、c 两点在屏幕上不重合， 如果采取一定的方法，使得左跟只能看见图像b 、c 的左图像b i 、c l ，而右跟 只能看见图像b 、c 的右图像b 。、c 。那么，观看者的视觉系统会融合形成图 像b 、c 的空问图像b 和c ，并生成具有深度感的图像。 2 2 基于视差障栅原理的自由立体显示 在本课题中，采用的是视差障栅原理来实现立体显示的。 基于视差障栅原理的自由立体显示技术利用了一个开关液晶屏、一个偏振 6 膜和个高分子液晶层，用个液晶层和一层偏振膜制造出一系列的旋光方向 成9 0 度的垂直条纹。这些条纹宽几十微米，这样通过这些条纹的光就形成了垂 直的细条栅模式，这些细条栅被称为“视差障栅”。在自由立体显示模式时，哪 只眼睛能看到液晶显示屏上的哪些像素就出这些视差障栅束控制。应该由左眼 看到的图像显示在液晶屏上时，不透明的条纹会遮挡右眼看到它；同理，应该 由右眼看到的图像显示在液晶屏上时，不透明的条纹会遮挡左眼看到它。如果 把液晶视差障栅开关关掉，显示器就能成为普通的二维显示器。把视差障栅原 理的方法用在自由立体显示上有着悠久的历史，在电子显示时代到来之前人们 就已利用照相技术实现过。 利用这种原理实现的自由立体显示在显示屏前面的空间形成一定排列的视 区空间，如图2 2 所示。观察者观赏画面时必须处于最适当的位置，否则就会 接受不到理想的立体图像。 圈2 - 2 显示屏前面形成的视区示意图 如果左眼在右眼视区接受到右眼图像，右眼在左眼视区接受到左眼图像， 就会形成不正常的立体效果。总之，立体图像观察者必须固定在一定的观察位 置才能接受到理想的立体图像对。 2 3 自由立体液晶显示器的组成 自由立体液晶显示系统主要由液晶显示面板、背光系统和控制变换电路组 成。 2 3 1 液晶显示 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。它显示图案或字符只需要很小的能量。证因为低功耗和小型化，使液晶显 示成为较佳的显示方式。液晶显示所用的液晶材料是一种兼有液态和固态双重 性质的有机物，它的棒状结构在液晶盒内一般平行排列，但在电场作用下能改 变其排列方向，如图2 - 3 所示。液晶显示按液晶分子的工作方式分类，可分为 t n ( t w i s t e d n e u m a t i e 扭曲向列型) 、s t n ( s u p e r t w i s t e d n e u m a t i c 超扭曲向列 型) 和t f t ( t h i n f i l m t r a n s i s t o r 薄膜式晶体管型) 三大类叽 酗2 - 3 液晶显示原理 t n 型的液晶显示技术是液晶显示中最基本的，而之后其它种类的液晶显 示器可说是以t n 型为原型来加以改良的。不加电场的情况下，入射光经过偏 光板后通过液晶层，偏光被分子扭转排列的液晶层旋转9 0 度，离开液晶层时， 其偏光方向恰与另一偏光板的方向一致，因此光线能顺利通过，整个电极面呈 光亮。当加入电场的情况下，每个液晶分子的光轴转向与电场方向一致，液晶 层失去了旋光的能力，结果来自入射偏光片的偏光，其偏光方向与另一偏光片 的偏光方向成垂直的关系，并无法通过，电极面呈现黑暗的状态。其显像原理 是将液晶材料置于两片贴附光轴垂直偏光板之透明导电玻璃间，液晶分子会依 配向膜的细沟糟方向依序旋转排列，如果电场未形成光线会顺利的从偏光板 射入，依液晶分子旋转其行进方向，然后从另一边射出。如果在两片导电玻璃 通电之后，两片玻璃问会形成电场，进而影响其间液晶分子的排列，使其分子 棒进行扭转，光线便无法穿透，进而遮住光源。 s t n 型的显示原理与t n 相类似，不同的是t n 型向列场效应的液晶分子 是将入射光旋转9 0 度，而s t n 型向列场效应是将入射光旋转1 8 0 2 7 0 度。要 在这里说明的是，单纯的t n 型液晶显示器本身只有明暗两种情形( 或称黑白) ， 并没有办法做到色彩的变化。而s t n 型液晶显示器牵涉液晶材料的关系，以 及光线的干涉现象，因此，显示的色调都以淡绿色与橘色为主。但如果在传统 单色s t n 型液晶显示器上加一彩色滤光片( c o l o rf i l t e r ) ，并将单色显示矩阵之 任一像素( p i x e l ) 分成三个子像素( s u b p i x e l ) ，分别通过彩色滤光片显示红、 绿、蓝三原色，再经由三原色比例之调和，也可以显示出全彩模式的色彩。另 外，当t n 型液晶显示器的屏幕做的越大，其屏幕对比度就会显得越差，不 过藉由s t n 的改良技术，则可以弥补对比度不足的情况。 t f t 型的液晶显示器较为复杂，主要由：萤光管、导光板、偏光板、滤光 板、玻璃基板、配向膜、液晶材料和薄膜式晶体管等构成。首先，液晶显示器 必须先利用背光源，也就是萤光灯管投射出光源，这些光源会先经过一个偏光 板后再经过液晶。这时液晶分子的排列方式就会改变穿透液晶的光线角度，然 后这些光线还必须经过前方的彩色的滤光膜与另一块偏光板。因此，我们只要 改变刺激液晶的电压值就可以控制最后出现的光线强度与色彩，这样就能在液 晶面板上变化出有不同色调的颜色组合。t f t 型的液晶显示器的每个像素点都 是由集成在自身上的t f t 来控制的，它们是有源像素点，不但反应时间可以 极大地加快，对比度和亮度也可以得到很大提高。 图2 - 4 对t n 型、s t n 型和t f t 型三种液晶显示器作出了比较。 t l l , 耵i 爰t t 照蕞基里示鼍之啦较表 类别 t hs t ht f t 液品分子液昌奸渡品分子 原理 扭转度扣转2 4 0 。2 - i , o 度扣转度以上 黑白、彩色( 2 6 万色)彩色t e 6 y k i 色， 黑白、单色 特性低对比，鞍腑高对比，较s t 雉 低对比c2 0 ：1 ， ( 4 0 ：1 1 ( 3 ：i ) 全色彩化 否吾 可辖羹四t 之全彩色 动画复示 否否 可与c 盯娥羹 视角狭窄( 3 0 度以下)狭窄( 柏度以下)较宽tb 0 度以下) 面扳尺寸l 寸 1 “l z q - 6 1 7 寸 电子袭、计篡器、简单的电子字典移动电话、 彩色笔记本窀瞒、投影 瘦用范围 掌上游戏机商务遁、低挡笔记本脑机、壁挂式彩电 图2 - 4 t n 、s t n 及t f t 跫液品显示器比较 经过上述分析比较，t f t 型液晶显示器具有高对比度、高亮度、色彩全、 大面板尺寸等优点，因此最适合于自由立体显示设计的需要。 2 3 2 背光系统 对于一般的普通二维显示用途，使用非发光显示器件液晶面板的显示 装置需要背光源作为其光源。背光源需具备如下三方面的性能：光学方面，要 有显示图像所必需的亮度和亮度均匀性、视角、显色性能；在电学方面，要低 功耗、低噪声；在机械方面，要轻薄、耐冲击性好。而对于自出立体显示用途， 9 特殊的背光系统是实现理想的自由立体显示的关键。立体显示系统的背光板需 要特殊的设计以实现左右视图的分离。图2 5 所示的是一种普通的液晶显示器 的背光系统。 亡= = = ：= = = = = = = ：= = = = = = = = = 扩艘雅 匕2 1 兰1 2 1 2 芝j 一锹啦 幽2 - 5 普通液晶显示器的背光系统 背光源从其结构大致分为正下方型和侧灯型。后者是在液晶面板正下方设 置导光板，在导光板边缘设霞光源，用导光板射出的散射光照亮液晶面板。正 下方型可以设置很多光源，因此，很容易达到高亮度，但薄型化很难。侧灯型 通过把导光板做得很薄，可以实现背光源的薄型化，但光源设置空间受限制， 很难实现高亮度和大型化蝉j 。 视差障栅板是基于视差障栅原理的自由立体显示器的关键部件。根据建立 的视差立体显示匹配的双日视觉模型，以及相关参数的推导、计算和仿真结果， 设计并制造了微视障栅板。该视差障栅板被放在背光照明板和液晶屏之间。每 个光学部件的精确定位是该项技术的关键。视差障栅板形成垂直微视障条纹， 实现左右眼图像的分离。 2 3 3 控制电路 t f t 液晶面板的驱动系统中有模拟驱动系统和数字驱动系统。模拟驱动系 统主要用于中小型电视用液晶显示，而数字驱动系统几乎全用于大型高清晰度 面板的驱动，两者的最大区别在于其数据驱动是模拟的还是数字的，并没有本 质的区别一j 。 将驱动液晶面板的l s i c ( l a 曜es c a l ei n t e g r a t e dc i r c u i t ) 称为驱动器。一 般连接到液晶面板上面或下面的是数据驱动器：连接到左边和右边的是栅极驱 动器。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。数字驱动器的像素数据有三位、六位和八位的。 图2 - 6 数字驱动系统框图 图2 - 6 表示了数字驱动系统的框图。从计算机主机送来的图像数据输入 a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t ) 控制器，并传输到数据驱动器。 控制器以主机送来的垂直同步信号v 。，n 、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 ) 位，产生各种控制信号。 灰度电源将数字数据转换为电压时的基准电压( 灰度电压：v n ) 。栅极电 源产生栅极驱动器的输出电压( v g h ，v g l ) 。 对于自由立体显示，除了对传统的液晶面板的控制外，还要实现左右视图 的分离以及兼容变换不同的立体图像格式。因此，自由立体显示的控制电路除 了上述部分外，还包含实现左右视图分离的3 一d 转换电路。在后面会做详细介 绍。 第三章自由立体显示硬件电路设计的相关知识 3 1 自由立体显示的要求与实现 首先考虑到必须利用双眼视差呈现给观察者至少一对立体视差图像对，自 由立体显示要求在显示屏上显示至少一对立体图像( 简称立体图像对) ，使左眼 只能看到左视图，右眼只能看到右视图。而通过光学部分的设计，我们可以实 现：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。因此，若使人们能够看到一幅完整的立体视图，只需要满足：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。而硬件电路设计的目的就是为了满足上述要求。 硬件电路框图如图3 1 所示。 图3 - 1 自由立体显示硬件电路框图 园 上述硬件框图的工作过程为：2 d 图像写入地址格式发生器先将驱动电路输 出的r g b 数据存储到s d r a m 存储器中，接着3 d 图像读出地址格式发生器就 将s d r a m 中存储的r g b 数据按照一定的顺序读出，然后输出到液晶屏。其中 2 d 图像写入地址格式发生器和3 d 图像读出地址格式发生器均由f p g a 来实现， 而整个过程就是f p g a 对s d r a m 的操作，完成像素数据的存储与读出，并最 终实现立体显示。因此，f p g a 和s d r a m 是自由立体显示硬件电路中很重要 的两个器件，下面我们做个简单介绍。 3 2f p 6 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) 与c p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l et m g i ed e v i c e ，复杂可编程逻辑器件) 都是可编程逻辑 1 2 器件，它们是在p a l ( p r o g r a m m a b l ea r r a yl o g i c ) ，g a l ( g e n e r i ca r r a yl o g i c ) 等逻辑器件的基础之上发展起来的。同以往的p a l ，g a l 等相比较，f p g a c p l d 的规模比较大，它可以替代几十甚至几千块通用i c 芯片。 尽管f p g a ，c p l d 和其它类型p l d 的结构各有其特点和长处，但概括起 来，它们是由三大部分组成的：个二维的逻辑块阵列，构成了p l d 器件的逻 辑组成核心；输入输出块连接逻辑块的互连资源：连线资源由各种长 度的连线线段组成，其中也有一些可编程的连接开关，它们用于逻辑块之间、 逻辑块与输入输出块之间的连接。图3 2 为典型的p l d 框图。 图3 - 2 典溅的p l d 框图 对用户而苦，c p l d 与f p g a 的内部结构稍有不同，但用法一样，所以多 数情况下，不加以区分。 f p g a c p l d 芯片都是特殊的a s i c 芯片，它们除了具有a s i c 的特点之外， 还具有以下几个优点： ( 1 ) 随着v l s i ( v e r yl a r g es c a l ei c ，超大规模集成电路) 工艺的不断提 高，单一芯片内部可以容纳上百万个晶体管，f p g a c p l d 芯片的规模也越来越 大，其单片逻辑门数已达到上百力门，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 c p l d 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卑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 t c p l d 的资盒投入小，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 p g a c p l d 试制样片，能以最快的速 度占领市场。f p g a c p l d 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 c p i d 的优势。电路设计人员使用f p g a c p 乙d 进行电路设计时，不需要 具备专门的i c ( 集成电路) 深层次的知识，f p g a c p l d 软件易学易用，可以 使设计人员更能集中精力进行电路设计，快速将产品推向市场。 3 2 1 可编程逻辑器件的发展历程及概述 当今社会是数字化的社会，是数字集成电路广泛应用的社会。数字集成电 路本身在不断地更新换代。它出早期的电子管、晶体管、小中规模集成电路、 发展到超大