（测试计量技术及仪器专业论文）真三维立体显示驱动电路设计.pdf

合肥工业大学 f 删 y 1 8 j 5 i 苓忖攀 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学硕 士学位论文质量要求。 答辩委员会签名：( 工作单位、职称) 主席： 勿糍奶张掀 委员：锄号今肛7 、业水f 多副研骖发 导师： 凯帕 独创性声明 本人声明所甲交的学何论文是本人在导师指导卜进行的研究i ：作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标忠和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得盒日墨! ：些厶：羔 或其他教育机构的学位或证1 5 而使用过的材料。与我一同i ：作 的同志对本研究所做的任何贡献均已住论文中作了明确的说明升表示谢意。 学位论文作者签字缈飞签字日期：纠f 年奸月及日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒墨! ：些厶堂有关保留、使朋学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部j 或机构送交论文的复印什利磁盘，允许论文被奄阅或借阅。本人授权佥墨! ：些厶 ! l 可以将学佗论文的全部或部分论文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、汇编学何论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权- 侈) 学何论文者签名：稀少飞 签字日期：饥( 年午月丛日 学位论文作者毕业斤彳玄向： i ：作单位： 通讯地址： 刷虢拟枇 签字日期：1 1 年够月7 歹日 电话： 邮编： 真三维立体显示驱动电路设计 摘要 真三维立体显示技术( t r u e3 dv 0 1u m e t r i cd is p a yt e c h n ic l u e ) 是显示 技术的最新研究方向。基于这种技术，可以直接观测到具有物理景深的三维空 f b j 图像。其具有广视角、可以多人同时观察等众多优点。本文的主要研究是在 国家8 6 3 高科技项目一新型真三维立体显示方法及原理( 2 0 0 7 a a 0 1 2 3 0 2 ) 的支持下完 成的。 本文完成的工作主要包括以下几个方面：介绍了真三维立体显示的实现方 式及国内外研究现状，说明本课题的研究意义和工作内容；从系统的整体构建 丌始，详细介绍真三维显示的实现方式一“固态体积式”；根据其实现原理及 项目实现要求，完成电路系统的总体构架设计，并介绍电路的实现方式；利用 p r o t e l d x p 电路设计软件，完成主控电路和各个驱动电路的原理图设计和p c b 设 计；使用q u a r t u si1 8 1 软件丌发平台对各个模块进行软件设计，并进行相关模 块的仿真测试；通过系统联合调试实现真三维立体显示。本设计软件部分采用 v h d l 语言代码，具有良好的移植性、扩展性和通用性，为进一步丌发奠定了良好 的基础。 本文的核心成果是研制出国内第一台基于固态体积式的真三维立体显示系 统样机，各项性能指标均达到了预期的设计和要求，为进一步研究真三维立体 显示提供经验和平台。 关键词：真三维立体；显示；驱动电路：固态体积式 t h ed r i v e rc i r c u i td e s i g nf o rt r u e3 d v o l um e t r i cd i s p l a y a b s t r a c t t r u e3 dv o l u m e t r i cd i s p l a yt e c h n i q u ep r e s e n t st h el a t e s tr e s e a r c ha r e ai nt h ed i s p l a y t e c h n i q u e t h r e e d i m e n s i o n a li m a g e sw i t hp h y s i c a ld e p t ho ff i e l dc a n b ed i r e c t l yo b s e r v e d w i t ht h eh e l po ft h i sn e wt e c h n i q u ew h i c hh a sag r e a tn u m b e ro fa d v a n t a g e si n c l u d i n g b r o a dv i s u a la n g l e ；b e s i d e s ，s e v e r a lp e o p l ec a no b s e r v es i m u l t a n e o u s l y t h i sa r t i c l ei s m a i n l yu n d e rt h es u p p o r to fn a t i o n a lh i g h t e c hr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tp r o g r a m ( “8 6 3 ”p r o g r a m ) - - n e wm e t h o d s a n dp r i n c i p l e so fn e wt r u e3 dv o l u m e t r i c d i s p l a y ( 2 0 0 7 a a 0 12 3 0 2 ) t h em a i nc o n t e n to ft h i sa r t i c l ei n c l u d e st h ef o l l o w i n ga s p e c t s ：f i r s t l y ，i t i n t r o d u c e st h ei m p l e m e n t a t i o na n dp r e s e n tr e s e a r c hs i t u a t i o no fh o m ea n da b r o a do f t h et r u e3 dv o l u m e t r i cd i s p l a y ，a n dd e s c r i b e st h es i g n i f i c a n c ea n dc o n t e n to ft h e r e s e a r c hp r o j e c t s ；s e c o n d l y ，s t a r t i n gf r o mt h ec o n s t r u c t i o no ft h ew h o l es y s t e m ，t h i s a r t i c l ed e s c r i b e si nd e t a i lt h e “s o l i d s t a t ev o l u m e t r i c ”w h i c hi st h ei m p l e m e n t a t i o n m o d eo ft r u e3 dv o l u m e t r i cd i s p l a y ；t h i r d l y ，t h ew h o l es y s t e ma r c h i t e c t u r ed e s i g n i sc o m p l e t e da n dt h ei m p l e m e n t a t i o nm o d eo fc i r c u i ti si n t r o d u c e da c c o r d i n gt oi t s p r i n c i p l e so fi m p l e m e n t a t i o na sw e l l a st h er e q u i r e m e n t so ft h ep r o j e c t ；f o u r t h l y ， d e s i g no ft h es c h e m a t i cd i a g r a mf o r t h em a i nc o n t r o lc i r c u i ta n dv a r i o u sd r i v e r c i r c u i t sa n dt h a to fp c bi sf i n i s h e db yu s i n gp r o t e l d x p ；f i f t h l y ，s o f t w a r ed e s i g no f e a c hm o d u l ea n ds i m u l a t i o nt e s tf o rr e l a t e dm o d u l e sa r ec a r r i e do u tb yu s i n g q u a r t u s i i8 1s o f t w a r ed e v e l o p m e n tp l a t f o r m ；t h e nt h e t r u e3 dv o l u m e t r i c d i s p l a yi sr e a l i z e dt h r o u g hj o i n td e b u g g i n go fs y s t e m f u r t h e r m o r e ，t h es o f t w a r eo f t h i sd e s i g ni sw r i t t e ni nv h d ll a n g u a g ec o d ew h i c hi s c h a r a c t e r i z e db y g o o d p o r t a b i l i t y ，s c a l a b i l i t ya n dv e r s a t i l i t y ，l a y i n gaf a v o r a b l ef o u n d a t i o nf o r af u r t h e r d e v e l o p m e n t t h em a i na c h i e v e m e n to ft h i sa r t i c l ei st h a tc h i n a sf i r s tp r o t o t y p ew i t ht h es o l i d v o l u m e t r i ct r u e3 dd i s p l a ys y s t e mi sd e v e l o p e dw i t ha l lt h ep e r f o r m a n c ei n d e x e sa c h i e v i n g t h ea n t i c i p a t i v ed e s i g na n dr e q u i r e m e n t s p r o v i d i n ge x p e r i e n c ea n dp l a t f o r mf o raf u r t h e r s t u d yo f t r u e3 dd i s p l a y k e y w o r d s ：t r u e3 dv o l u m e t r i c ：d i s p l a y ：d r i v ec i r c u i t ：s o l i d s t a t ev o l u m e t r i c ： 致谢 在本篇沦文即将完成之际，我滗向我在合肥工业大学求学的这些年来，曾 经关一心、支持、鼓励和帮助过我的老师、同学、朋友和我的家人致以最诚挚的 敬意和最真诚的感谢。 首先向我的导师吕国强教授表示衷心的感谢和崇高的敬意。从论文的选题 到定稿，都得到了吕老师的悉心指导和热情鼓励。吕老师给我提供了一个良好 的科研环境和学习平台，两年多以来，每当项目遇到困难时，吕老师给予细心 的指导，帮助、鼓励并督促我解决问题，吕老师渊博的知识、严谨的治学态度、 精益求精和一丝不苟的工作作风使我终生难忘，每当项目顺利进展的时候他告 诫我们要居安思危、戒骄戒躁。在今后的学习工作中，我将牢记吕老师对我的 教诲，继续发奋自茸进。 此外，我要感谢项目组方勇老师的指导和帮助。在他的指导和帮助下，我 顺利解决了课题研究中遇到的各个难题，学会了科学研究的基本方法，他严谨 朴实的科学作风和认真踏实的工作方法使我受益匪浅。 同时还要感谢我的同学张伟伟、李英杰以及给予我帮助的同学们。感谢他 们在科研工作中给予我无私的帮助，祝愿他们在自己的工作和学业中获得更大 的进步。 总之，非常荣幸能够在合肥工业大学光电技术研究院学习、研究，衷心感 谢所有帮助过我的老师和同学。 作者：韩少飞 2 0 11 年3 月 目录 第一章绪论1 1 1 引言1 i 。2 真三维显示的实现方式1 1 2 1 全息影像技术1 1 2 2 静态成像技术2 1 2 3 动态成像技术3 1 3真三维显示技术研究现状3 1 3 1 真三维显示技术国外研究现状3 1 3 2 真三维显示技术国内研究现状5 1 4 真三维显示的应用5 1 5 本课题的意义和任务6 第二章真三维立体显示电路系统7 2 1 真三维立体显示系统的实现方式7 2 2d l p 投影技术简介7 2 3 真三维立体显示电路及工作原理l o 2 4 主要部件介绍1 0 2 4 1f p g a 简介1 0 2 4 2s d r a m 与s s r a m 简介1 1 2 4 3 色轮简介1 l 2 4 4d m d 简介1 2 第三章真三维显示驱动电路设计与实现1 4 3 1 真三维立体显示驱动电路的总体设计1 4 3 2 主要芯片选型1 4 3 2 1 主控芯片f p g a 的选型与设计1 4 3 2 2 存储芯片的选型与设计1 8 3 2 3d m d 的选型与设计2 0 3 3 辅助电路设计2 3 3 3 1 液晶光阀驱动电路设计2 3 3 3 2 光阀隔离电路设计2 6 3 3 3 色轮驱动电路设计2 8 3 3 4f p g a 主控电路电源设计3 0 3 3 5 外部时钟源及复位电路设计3 3 3 4p c b 设计3 5 3 4 1 主控电路板设计3 5 3 4 2 辅助驱动板没汁f 6 第四章系统相关软件设计3 7 4 1 硬件设计语言及开发平台3 7 4 2 软件设计总体结构，3 9 4 3 软件的各个模块设计4 0 4 3 1 存储器读写控制单元。4 0 4 3 2 色轮电机驱动单元4l 4 3 3 显示体驱动单元4 3 4 3 4 异步时钟域处理4 3 第五章系统调试与分析4 6 5 1 系统硬件调试4 6 5 2 系统软件调试4 6 5 3 系统调试结果4 7 第六章总结与展望4 8 参考文献4 9 攻读硕士学位期间发表的论文5 1 插图清单 图1 1 全息影像技术原理2 图1 2 静态成像技术原理2 图1 3f e 】ix 体三维显示系统的原理示意图3 图1 4p e r s p e c t a t l v l3 ds y s t e m 原理示意图4 图1 5d e p th c u b e 系统原理示意图4 图1 6 南航真戛维显示系统样机5 图1 7 南航真三维图像5 图1 8 新型三维图像悬浮显示装置5 图1 9 合工大固念体积式显示效果图5 图2 1 真三维立体显示系统原理7 图2 2 单片d l p 工作原理8 图2 3 两片d l p 投影机工作原理9 图2 4 三片d l p 投影机工作原理9 图2 5 真三维立体显示驱动电路框图1 0 图2 62 倍速4 段式色轮1 2 图2 7d m d 结构图l 3 图2 8d m d 数据格式l 3 图3 1 硬件系统结构1 4 图3 2c y c l o n eiiif p g a 时钟网络l 6 图3 3f p g a 时钟电路原理图16 图3 4f p g a 下载电路原理图l 7 图3 5 存储芯片结构功能图一1 8 图3 6 存储芯片接口电路原理图2 0 图3 7d m dd is c o v e r y t m l l0 0 c o n tr ol le rb o a r d 2 l 图3 8d m d 接口电路原理图2 3 图3 9 单三极管驱动电路2 4 图3 10 单三极管驱动改进电路2 4 图3 1l 单臂h 桥电路2 5 图3 12 单臂半h 桥电路2 5 图3 13 高压驱动电路的结果对比2 5 图3 1 4 高压驱动光阀显示体电路原理图2 6 图3 1 5 高压驱动光阀显示体电路实物图2 6 图3 16t l p 5 2 l4 管脚2 7 图3 17 液晶光阀光电隔离电路2 7 图3 18 光电隔离实物图2 8 图3 19a 8 9 0 4 l s b 芯片图2 8 图3 2 0a 8 9 0 4 l s b 典型电路设计2 9 图3 2 la 8 9 0 4 控制色轮电机原理图3 0 图3 2 2 电机控制及反馈电路实物图3 0 图3 2 3t p s 5 4 6l6 芯片3 2 图3 2 43 3 v 电源设计原理图3 2 图3 2 52 5 v 电源设计3 2 图3 2 61 2 v 电源设计。3 3 图3 2 7c d c v f 2 5 0 8 4 芯片3 4 图3 2 8 时钟电路原理图3 4 图3 2 9 复位电路原理图3 4 图3 3 0 主控电路板p c b 3 5 图3 31 色轮驱动电路p c b 3 6 图3 3 2 液晶光阀驱动电路p c b 3 6 图3 3 3 光电隔离电路p c b 3 6 图4 1q u a r t u sii 设计流程3 8 图4 2q u a r t u si 工图形用户界面的功能3 8 图4 3e d a 工具设计流程3 9 图4 4q u a r t u sii 图形用户界面3 9 图4 5 程序总体逻辑框图3 9 图4 6s d r a m 读写程序框图4 0 图4 7s d r a m 读写程序仿真4 l 图4 8 定制色轮图4 2 图4 9 色轮驱动测试程序框图4 2 图4 10 色轮驱动程序仿真4 2 图4 1 l 色轮软件测试结果4 2 图4 12 显示体驱动程序设计框图4 3 图4 13 显示体驱动程序程序仿真4 3 图4 14 双锁存器法示意图4 4 图4 15 异步f i f 0 同步法4 4 图5 1 主控板实物图4 6 图5 2q u a r t u sii8 1 的编译工具4 7 图5 3 真三维立体显示器原型机4 7 图5 4 真三维显示效果图4 7 l v 表格清单 表3 1c y c l 。n e iiif p g a 系列参数1 5 表3 2c y c l 。n e iiif p f i a 的各种配置模式l 7 表3 3d m dd is c 。v e r y t m l 10 0c o n t f o n e rb o a r d 的高速i 0r 1 管脚2 2 表3 4a 8 9 0 4 l s b 芯片引脚说明2 9 表3 5 电源方案比较3 l v 第一章绪论 1 1 引言 显示( d is p l a y ) 通常指对视觉信息的展示。国际信，自。显示学会( s o c ie t yo f i n f o r m a ti0 1 3d is p l a v ，s id ) 在l9 6 3 年发表的文献资料中将信息显示定义为： 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与手段。 众所周知，人的视觉是立体视觉，由于人两跟之i 、口j 有4 6 c m 的距离，所以 实际上我们看物体时两只限睛中的图像是有差别的。两幅不同的图像输送到大 脑后，我们看到的是有景深的图像，这就是所谓的深度感，这是j 下常人眼重要 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，不能真实的 反映物体的物理深度。要想充分发挥人类视觉的强大功能再现真实世界的三维 立体感，发展能再现物理景深的三维立体显示器是一条重要的途径。 现有的三维显示大都基于双目视差立体视觉原理实现立体图像1 2 j ，不同的 视差图像分离方式形成了互补色立体显示，偏振立体显示，分时立体显示，棱 镜立体显示，光栅立体显示等多种立体显示机制【3 】。它们大多需要佩戴专门的 立体眼镜爿能实现，眼镜的佩戴很不方便，而且需调节基于双目视差和睫状肌 会聚的心理和生理两个深度感觉，容易导致与其它景深暗示的混淆以及适应性 和运动性视差问的错位，这种混淆和错位导致人体疲劳、头晕，不便长时问观 看。因此，无需佩戴任何附属设备即可观看的自由立体显示系统的概念和需求 也就应运而生【4 1 。但是由于大多自由立体显示具有视角固定，分辨率低、三维 立体效果不明显等缺点。因此不需要佩戴眼睛，无立体视角盲点的真三维立体 显示成为现代新型显示技术必然的发展方向。 1 2 真三维显示的实现方式 真三维显示是一种能够在一个真f 具有宽度、高度和深度的真实三维空间 内进行图像信息再现的技术，也称空间加载显示( s p a c e f i1 lin gd is p l a y ) 1 5 1 。 它以体素( v o x e l ) 作为图像信息显示的基本要素，因而能够具有真实体积和深度 又称为“体三维显示”。真三维显示目自，j 的实现方式主要有：全息影像技术、 静态成像技术和动态成像技术。 1 2 1 全息影像技术 o l 全息技术是利用干涉和衍射原理记录并再现物体真实的三维图像的记录 和再现的技术。简单的说就是利用光学原理，影像在空中浮现，呈现立体效果。 全息技术主要通过全息摄影、全息影像显示两个重要环节束实现影像的动态立 体显示。 全息摄影是指一种利用干涉原理汜录被摄物体反射波的振幅和位相等全 部光波信息的新型摄影技术，也即为全息技术的拍摄过程。全息摄影采用激光 作为照明光源，并将激光发出的光分成两柬，一束经被摄物的反射后再射向感 光片，另一束直接射向感光片。两束光在感光片上叠加产生干涉，感光底片上 各点的感光程度随物体光波上各点的位相和振幅不同而变化，从而利用干涉条 纹的反差和i 兀隔记录物体的全部光波信息。 全息影像的显示，主要是利用衍射原理再现物体光波信息，也即为全息技 术的成像过程。通过使用一束频率和传输方向与参考光束完全一样的光源，照 射到全息图上，就可以再现物体的三维立体图像。 通过下面的张原理图( 图1 1 ) 向大家介绍全息影像的技术原理：全息影 像的周围是由透明膜( 透明度高的介质均可) 构成的多棱锥，全息影像通过电 脑传输到投影机中，然后投射到透明膜上，最后通过不同角度光线的衍射从而 形成了立体影像。由于物体各个角度的全部信息被同时显示，因此人眼望去， 在视线所及的范围内就像看到了真实的物体一样，从而实现立体显示效果。 图1 1 全息影像技术原理 1 2 2 静念成像技术 在一个由特殊材料制造的透明立体空问罩，一个激励源把两柬激光照到成 像空间上，经过折射，两束光相交到一点，便形成了组成立体图像的具有自身 物理景深的最小单位一体素，每个体素点对应构成真实物体的一个实际的点， 当这两束激光束快速移动时，在成像空问中就形成了无数交叉点，这样，无数 个体素点就构成了具有真正物理景深的真三维立体图像1 7j 。这就是真三维立体 显示的静念成像技术原理如图1 2 。 “。4 i 噩空椰 i - ，i l 啊- 工一， 一：一i 。 髓艄鼬 ：4 图1 2 静态成像技术原理 2 1 2 3 动态成像技术 动态成像顾名思义是针对静态而言的，它主要依靠显示体周期性运动或动 态扫描成像。目前主要分为激光扫描旋转螺旋式显示和固态体积式显示。 ( 1 ) 激光扫描旋转式显示 这种显示方法是将一束激光扫描在个可旋转的螺旋面上。螺旋面的反射 可在三维窄j 、日j 中产生可见光点。激光器的丌关时序和扫描方式与螺旋面的旋转 位雷同步，便可在三维空| 日中显示出真i 维图像哺l 。 ( 2 ) 固念体积式 固态体积式，也称为“深度立方”( d e p t hc u b e ) ，它是一种固态的背投，立 体显示是由两个主要部分组成：一个高速视频投影机和由高速液晶光阀平板堆 积构成的多平面光学原件显示体，平板之间由薄薄一层空气问隙分隔。高速视 频投影机将包含深度信息的3 d 切片图像高速有序投射到液晶光阀显示体上。并 且采用平滑二维图像中锯齿状边缘的“反锯齿算法”( a n ti a li a s in ga l g o r it h m ) 优化图像序列产生连续的真三维图像【9j 。 1 3真三维显示技术研究现状 1 3 1 真三维显示技术国外研究现状 ( 1 ) f e l ix 真三维显示系统 德国d b a h r 等利用三色激光器扫描一个快速旋转的螺旋屏 8 1 ，当旋转的 足够快时旋转面就看上去透明了，然后有r g b 三束激光束会聚成一束色度光线 经过光学定位系统打在螺旋面上，产生一个彩色亮点( 图1 3 ) ，而这个亮点则仿 佛是悬浮在空中一样，成为了一个体象素( 空间象素，v o x e l ) ，多个这样的v o x e l 便能构成一个体直线、体面，直到构成一个3 d 物体。 这种基于螺旋屏加激光扫描的f e l ix 体三维显示系统仉b 】，与平面相比， 不需要复杂的转向光学部件即可巧妙地避免体素重叠死区。但缺点是激光扫描 器的速度有限，系统只能以串行方式传输数据流，一次只能产生一个体素，这 对于传送体三维显示的海量数据来说是远远不够的。 o 辨w m 鲈 羽 眨黧嬲一。 x 竹s “4 州 ， 一 ： l n h b c t - 鼍啪 o # h m h ， 豌糯础糍咣蚴# 微rr l 卅；件 k 函k m o 巾l l a 伸f 图1 3f e l i x 体二维显示系统的原理示意幽 ( 2 ) p e r s p e c t a 侧3 ds y s t e m 系统 2 0 01 年美固a c t u a i i t y s y s t e m s 公司研究的p e r s p e c t a t m3 ds y s t e m 系统 i 1 4 8 1 ( 图1 4 ) 利用高速d l p 投影仪，将二维截面序列投射到一个快速旋转的 散射屏上，利用视觉暂留而融合为空间三维图像。该系统外部是一个透明的聚 碳酸酯圆顶，内部是直径为l0 英寸的圆形屏幕，它能以每分钟9 0 0 转的速度 高速转动。p e r s p e c t a 将首先通过软件生成这个物体的1 9 8 张剖面图( 沿z 轴旋 转，平均每旋转不到2 。截取一张垂直于x y 平面的纵向剖面) ，每张剖面分辨 率为7 9 8 7 9 8 象素，投影屏平均每旋转2 0 不到，p e r s p e c t a 便换一张剖面图投 影在屏上，投影屏高速旋转、多个剖面被轮流高速投影到屏上，从而显示出 个可以全方位观察的自然3 d 物体。2 0 0 5 年美国拉什大学医学中心首次试行将 美国a c t u a l i t ys y s t e m 公司推出的最新p e r s p e c t a s p a t i a l3 d 显示器用于辅助癌 症患者的放射治疗诊断。 图1 4p e r s p e c t a t m3 ds y s t e m 原理示意图图1 5d e p t h c u b e 系统原理示意图 ( 3 ) s o l i d f e l i x 系统 f e lix 3 d 公司的s o lid f e lix i 旧】，主要采用一整块立方体水晶作为显示介质， 在水晶中掺杂了稀土元素，当两束相干红外线激光在水晶内部的某空削点处相 交时，它们将激发该点发光，目自仃这套系统仍处于实验室阶段。 ( 4 ) d e p t h c u b e 系统一1 “深度立方”则是另一种交互式立体显示器，是由美国康涅狄格州诺沃克市 的l i g h t s p a c e 科技公司研制( 图1 5 ) 。它使用2 0 块液晶屏层叠而成，任何时刻只 有一块屏工作，其他都是透明的，而图像也只投射到工作的显示屏上。d e p t h c u b e 在这2 0 块屏上快速切换显示3 d 物体截面从而产生纵深感。它还采用了一种名为 “三维深度反锯齿”( 3 9d e p t ha n t i - a 1i 3 s i n g ) 的显示技术来扩大这2 0 个屏所 能表现的纵深感。 4 1 3 2 真三维显示技术国内研究现状 国内对体三维显示领域的关注始于2 0 世纪9 0 年代术，近年来真三维显示 技术有了快速发展，有些单位已经推出原理性样机。目前见诸报道的有中科院 自动化所、中科院长春光机所、南京航空航天大学、浙江大学和合肥工业大学。 雷翻 ：嚣辕蝴嗍 图1 6 南航真二维显示系统样机图1 7 南航真二维图像 浙江大学于2 0 0 3 年提出“l e d 体三维显示系统” 2 0 - 2 5 j ，取得了较好的体 三维显示效果。在科技部8 6 3 计划项目的资助下，2 0 0 8 年中国科学院自动化研 究所和南京航空航天大学联合研制出了“真三维高清晰度显示系统样机”【2 6 j ( 见图1 6 ) ，能够产生清晰的真三维图像( 见图1 7 ) 。中科院长春光机所于 2 0 1 0 年研制出新型三维图像悬浮显示装置1 2 7 】( 见图1 8 ) 。 合肥工业大学光电技术研究院与其依托单位一安徽华东光电技术研究所展 开了长时间的前期原理性研究工作，做了一定的基础试验。在三维立体图片生 成技术、三维立体图像汜录技术方面取得了一定成果。同时，三维立体图像处 理、传输、输出方面获得了第一手实验数据和理论模型，并于2 0 0 4 年开发出国 内首台1 5 英寸真讵的裸眼彩色三维立体l c d 显示器【2 引。在此基础上合肥工业大 学光电技术研究院又丌始了真三维显示的研究，在科技部8 6 3 计划项目的资助 下，于2 叭0 年研制出固态体积式真三维显示系统样机，其效果图如图1 9 。 图1 8 新型三维图像悬浮显示装置 图i 9 合f ：人同态体积式显示效果幽 1 4 真三维显示的应用 真三维显示可以应用到如下领域： ( 1 ) 娱乐行业。真三维立体显示可以给人身临其境的感觉，给消费者完美的 视觉冲击。 ( 2 ) 医疗行业。真三维立体显示可以用于手术模拟，器官立体成像，也通过 视频图像传输可以实时传递现场3 d 图像为远程视频医疗支持提供更准确逼真的 图像以便做出更合适的方案等。 ( 3 ) 科学研究领域。利用真三维立体显示器，科研人员可以得到直观真实的 d n a 、蛋白质立体图像；可以对大气、海洋及国土资源进行三维立体建模等。 ( 4 ) 此外真三维还可以广泛应用到军事领域( 如仿真训练、卫星成像分析、 驾驶控制显示) 、工业及建筑设计领域( 三维立体展示其建筑设计方案) 、广告等 领域，随着真三维立体显示不断发展，其必将有广泛的应用空间。 1 5 本课题的意义和任务 本课题源于合肥工业大学光电技术研究院、教育部重点实验室的国家8 6 3 计划( 2 0 0 7 a a 0 12 3 0 2 ) 项目一新型真三维立体显示方法及原理。它从真正意义上 实现了真三维立体显示，全方位立体成像，宽视角显示，填补国内在这一领域 ( 固态体积式) 的空白。本论文作者研究的是真三维显示驱动电路设计，是该 项目的重要组成部分。 课题研究主要包括以下几个方面： ( 1 ) 根据系统要求，完成硬件电路总体方案论证、设计。 ( 2 ) 根据设计要求选定元器件，设计一块完整的3 d 驱动电路。该3 d 驱动电 路的功能是将接收到的具有深度编码信息的r g b 数字信号，经过s d r a m 的一级缓 存，并进行层次化处理和s s r a m 的二级缓存，最后通过d m d 接口传输给d m d 器件， 通过投影光路，完成3 d 显示。 ( 3 ) 完成相关辅助电路设计一高速高压显示体电路驱动设计、色轮驱动电路， 速度采样电路设计。 ( 4 ) 利用v h d l 语言设计出相应模块的f p g a 逻辑程序代码，并进行仿真和优 化，使其满足整个系统工作要求。 ( 5 ) 通过硬件调试，检验三维驱动电路的可行性和程序设计的讵确性，并 最终完成三维立体图像的显示。 6 第二章真三维立体显示电路系统 2 1 真三维立体显示系统的实现方式 真三维立体显示技术目前包括旋转体积式和固态体积式两种方式，本技术 方案即属于固念体积式。真三维立体显示技术基本特征是空问立体成像，在显 示系统的可视区域范围内具有立体视角连续即不存在立体视角盲点，在可视区 域范围内，任意立体角双目观察到的立体图像对与待显示目标在该立体角方向 投影对相吻合。上述2 个特征是真三维立体显示技术区别于目前裸眼自由立体平 板显示技术( 即基于视障原理的立体显示技术) 的基本特征，是视障式立体显 示技术所无法达到的。在本技术方案中，显示目标的待显示各体素v ( x ，y ，z ) 被投射在一组z 坐标不同，x ，y x _ 4 垒标相同的等间距平行排列的高速液晶光阀组所 构成的显示体上，从而实现了立体空问成像。其z 方向分别率取决于显示体的光 阀数目，其x ，y 方向分别率取决于投影光学引擎的显示分辨率。系统总体原理 设计如图2 ，1 。 i i ， - l i ， i l v g a ，d v 工接口! _ - - i i f ， i 图2 1 真二维立体显示系统原理 系统简介：立体图像( 包含有深度信息的图像) 经过立体图像处理系统转 化为2 0 幅具有深度信息的切片( 即深度z 方向) 图像，然后通过高速d l p 高速投 影系统把切片图像依次循环投射n 2 0 层显示体上，使其立体成像。 2 2d l p 投影技术简介 d l p ( 数字光处理) 投影技术是t i ( 美国德州仪器公司) 的专利技术。其成像 部件为d m d ( d ig it a lm ic r o m ir r o rd e v i c e ) ，即数字微镜器件，其它主要部件 7 还有u h p ( u l t r ah i g hp e r f o r m a n c e ) 灯泡、透镜、r o d ( 方棒) 、投影镜头和色轮 ( c o l o rw h e e l ) 。其工作原理是：将通过u h p = j = j 。泡发射出的冷光源通过冷凝透 镜，然后通过r o d 将光均匀化，通过色轮将光分成r g b 三色( 或r g b w 等更多 颜色) 经透镜投射至f j d m d 芯片上，d m d 芯片上由数十万乃至上百万微镜所组成( 若 分辨率是8 0 0 6 0 0 ，则d m d 芯片上有4 8 万个微镜) ，每个镜片下面都有个微机械 装置使镜片能够在12 。之间自山旋转，由电子信号控制其转向的角度，信号 输入经过数字处理后作用于d m d 芯片，进而控制镜片的偏转角度，入射光线在经 过d m d 镜片的反射后到投影镜头投影成像。 d m d 只有e p r o m j 1 3 么大，每一个微镜对应一个像素点，d l p 投影机的物理分辨 率就是由微镜的数目决定的。d l p 投影机是一种继l c d 后发展起来的投影显示技 术，是一种全数字反射式投影技术。其优点有：第一、使用寿命长，d l p 晶片( d m d ) 寿命在1 0 万小时以上；第二、可靠性高，d l p 数字化特点使产品不受潮湿或震动 等环境因素的干扰匦面质量稳定，再加上d m d 通过了所有的标准半导体资格测 试，整个系统制造非常严格，需要经过一连串的测试，所有元件均经过挑选证 实可靠才能被用作制造数码电子部分驱动d m d ；第三、使用反射器件d m d ，以镜 片为基础提高了光通效率，使其比其它显示有更高的对比度、亮度和色彩均匀 度；第四、色彩更加逼真，d l p 不仅仅是简单地投影图像，在它的处理过程中， 首先将源图像数字化为8 到10 位每色的灰度图像。然后，这些二进制图像数据输 入进d m d ，在那罩它们与来自光源并经过仔细过滤的彩色光相结合。这些图像离 开d m d 后就成像到屏幕上，保持了源图像所有的光亮和微妙之处。 根据d m d 的数目多少将d l p 投影机分为：单片d m d 机、两片d m d 机，和三片d m d 机。 目前市场上出现的d l p 投影机，有许多都属于单片机，这种单片d l p 投影机 需要使用一个色轮来产生全彩色图像。色轮以6 0 h z ( 或12 0 h z 等更高) 速度转动， 白光通过色轮过滤产生红、绿、蓝光，顺序打銎j d m d 的表面上。通过调节微镜的 丌关及“开 或“关”时间，去控制图像的色彩和亮度。人体视觉系统将连续 投射的红、绿、蓝混在一起，便看到一个全彩色图像。单片d l p i 作原理如图2 2 。 图2 2 单片d l pi ： 乍原理 8 两片d l p 投影机使用了两片d m d 芯片，其中一片用柬单独控制红色光，另一 片用来控制蓝、绿色光的反射，与单片d l p 投影机相同，都使用了高速旋转的色 轮来产生全彩色的投影图像。两片d l p 投影机工作原理如图2 3 。 图2 3 两片d l p 投影机l ：作原理 三片d l p 投影机使用三片d m d 芯片，每个d m d 芯片反射三原色中的一种颜色， 因此不需要再使用色轮来滤光了；用三片d l p 投影系统的主要原因是为了增加亮 度，使用三片d m d 芯片制造的投影机亮度最高可达1 2 0 0 0 a n s i 流明；三片d m d 造价 昂贵它常常用于对亮度要求非常高的特殊场合下。三片d l p 投影机工作原理如图 2 4 。 图2 4 二片d l p 投影机j ：作原理 通过以上对投影技术的简单介绍，相信大家对d l p 技术有了更进一步的了 解。三片d m d 亮度高、结构复杂、成本高；单片d m d ，亮度较低、结构简单、成 本低：两片d m d ，介于两者之间。通过使用高亮度的光源，单片d m d 亮度完全可 9 以满足系统要求，因此基于成本和结构考虑，我们选择使用单片1 ) m d ，进行系统 设计。 2 3 真三维立体显示电路及工作原理 要在上百兆的频率下实现2 4 b it 数据的实时转换处理，目前比较普遍的做法 是构建以f p g