LED顯示屏多視區(qū)裸眼 3D 的播放系統(tǒng)

    裸眼 3D 顯示技術是指將原有 3D 信號流通過硬件控制分離出左右眼信號，然后應用雙目視差原理，不用佩戴眼鏡和頭盔就可以直接呈現(xiàn)立體效果的一種顯示技術。

    目前流行的幾種 3D 技術都是需要額外佩戴觀看用具，通過觀看用具區(qū)分出左右眼不同畫面， 從而得到觀賞 3D 的效果。 觀看用具主要有眼鏡和頭盔兩種，長時間佩戴會讓人覺得疲憊和頭疼， 特別是對于需要佩戴近視眼鏡的人而言以這種方式觀看 3D 視頻，負擔更重。 裸眼 3D 的出現(xiàn)解決了這一問題。

    目前市場上出現(xiàn)的裸眼 3D 大都以液晶顯示器為載體 ，但是 LCD 想要做成大尺寸 ，造價高難度大。 近年來，大屏幕顯示系統(tǒng)發(fā)展迅猛，其中效果最理想的應用范圍最廣泛的當屬 LED顯示系統(tǒng)。 本文旨在解決用大屏幕 LED 顯示屏來播放裸眼 3D 視頻的問題。

    LED 顯示屏由陣列排布的 LED 芯片組成，其顯示的畫面由 PC 機傳送過來，可以顯示視頻，音頻等文件。 傳統(tǒng)的 LED顯示屏播放系統(tǒng)主要由 PC 機，插在計算機總線插槽上的通訊卡，LED 控制接口芯片，譯碼驅動電路等組成。 其工作原理是將 PC 機作為上位機，將 LED 大屏幕上要顯示的多媒體信息及其控制信息由插在計算機總線插槽上的通訊卡截取，再經由通訊電纜傳到 LED 顯示屏控制器上，經過視頻控制器實時完成數(shù)據(jù)處理并傳送到行、列驅動電路，從而產生行列時序和灰度信號對 LED 顯示屏進行顯示控制。

    對于裸眼 3D 視頻的播放，傳統(tǒng)的 LED 顯示屏播放系統(tǒng)不再適用。 3D LED 顯示屏需要同時承載區(qū)分的左右眼信號，也就是意味著 3D 視頻信號從 PC 機傳出后，必須能夠解碼成左右眼信號。 通過解碼系統(tǒng)出來的信號，并不一定能保證同步，需要進行信號的采集和處理，來保證左右眼信息的同步，最終將左右眼信號傳輸?shù)?LED 控制器來實現(xiàn) LED 顯示屏的3D 播放。 為了優(yōu)化 3D 效果 ，采用多視區(qū)播放系統(tǒng) ，使得 3D效果的觀察更加平滑。

    1  設計方案

    1.1  總體設計方案

    多視區(qū)裸眼 3D 的播放系統(tǒng)由視頻解碼系統(tǒng)和視頻顯示系統(tǒng)兩部分組成。 整體設計方案如圖 1 所示。

    3D 片源的信息流模擬信號通過上位機電腦輸出后 ，產生數(shù)字 DVI 信號。 數(shù)字信號經過視頻解碼系統(tǒng)輸出左右眼信號，信號經過視頻顯示模塊的處理后加載到 LED 屏上，通過雙目視差原理，觀看者便可以看到 3D 效果。

    視頻解碼系統(tǒng)和視頻顯示系統(tǒng)的功能如下：

    1）視頻解碼系統(tǒng) ：上位機通過顯卡直接輸出 3D 視頻的DVI 信號 ，而后將信號高速緩存并采用視頻分離芯片將左右眼圖像信號分離， 通過高速視頻無損時鐘同步分割技術，同步輸出雙通道的 LVDS 信號。 實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速率，低噪聲，遠距離，高準確度的傳輸[3]。

    2）視頻顯示系統(tǒng) ：將雙通道的 LVDS 信號轉換為全數(shù)字輸出的 DVI-D 信號，數(shù)字信號通過分頻器分別將左眼信號分成 N 路（由于是多視區(qū)路數(shù)可以設定）同時將右眼信號分成N路，通過網卡發(fā)送到同步 LED 控制系統(tǒng)，可對 LED 顯示屏進行高精度逐點亮度校正，實現(xiàn)高刷新率、高灰度和高亮度控制。

    1.2視頻解碼系統(tǒng)設計方案

    視頻解碼單元基于 FPGA 技術，采用 SDRAM 作為數(shù)據(jù)圖像的緩存器，對立體視頻的像素數(shù)據(jù)進行分割存儲和同步輸出如圖 2 所示。

    視頻處理模塊由 FPGA 完成，按照畫面分割的要求，對數(shù)字立體視頻數(shù)據(jù)進行提取，分割存儲和同步輸出處理。 通過對視頻的處理得到左右眼視頻圖像數(shù)據(jù)，通過 FIFO 時鐘同步模塊的控制按照一定的時序同步輸出左右眼影像[4]。 硬件部分采用 Altera CycloneⅡ系列的 EP2C 35F484C8 作為主控芯片，對視頻數(shù)據(jù)進行提取、分割和同步輸出等視頻處理。 采用的 4 片 SDRAM 的型號為 MT48LC4M3282。 作為左右眼影像存儲模塊，共有 4 片 SDRAM 分成兩組，每組中一片用于左眼影像緩存，另一片用于右眼圖像緩存，兩組之間進行乒乓操作，即一組進行對一幀圖像的讀操作時，另一組進行對下一幀圖像寫操作[5]。 左右眼信號分離輸出后，通過輸出模塊如圖3 所示，發(fā)出視頻顯示單元所需的 LVDS 信號。

    將左眼輸出的 DVI 信號過渡存儲在寫數(shù)據(jù)緩沖模塊，然后數(shù)據(jù)位數(shù)轉換模塊轉換寫數(shù)據(jù)緩沖模塊存儲的數(shù)據(jù)的位數(shù)大小以符合 SDRAM 的標準。 將數(shù)據(jù)存入 SDRAM 控制器后再通過讀數(shù)據(jù)緩沖模塊將 SDRAM 的數(shù)據(jù)轉換成 3D 影像所需要的 LVDS 信號，發(fā)送到 LVDS 發(fā)生器。 各模塊的功能通過 FPGA 的控制來實現(xiàn)。 寫數(shù)據(jù)緩沖模塊主要用于實現(xiàn)時鐘域的有效過渡，兩塊 FPGA 時鐘可能會不同步，必須寫進去再讀出來實現(xiàn)時鐘的過渡。 讀數(shù)據(jù)緩沖模塊主要用來緩沖分割后的左右眼視頻信號，轉換成 LVDS 信號，發(fā)送給 LVDS 發(fā)生器。

    1.3視頻顯示系統(tǒng)設計方案

    視頻顯示單元包括兩路信號傳遞線，分別是右眼信號傳遞線和左眼信號傳遞線，每路信號傳遞線都包括依次信號連接的信號轉換器、信號分頻器、LED 控制器和外部接口，該兩路信號傳遞線接收由視頻解碼單元輸出的兩路 LVDS 信號。系統(tǒng)結構如圖 4 所示。

    目前設置播放系統(tǒng)為雙視區(qū)播放系統(tǒng)，所以原有的左右眼 LVDS 信號通過信號轉換器轉換為 DVI-D 信號，通過分頻器分為兩路。 分路后的 DVI-D 信號通過 LED 控制器，控制LED顯示屏的點亮[6]。

    2實驗結果分析

    在設計觀察距離，用分布光度計對 LED 屏進行了光強分布測試，分別采用單視區(qū)播放系統(tǒng)和雙視區(qū)播放系統(tǒng)的控制。通過數(shù)據(jù)分析可以明顯的看出，采用雙視區(qū)播放系統(tǒng)，視區(qū)更密集。

    2.1 單視區(qū)播放系統(tǒng)

    對采用單視區(qū)播放系統(tǒng)的LED屏進行紅光綠光藍光，的光照測試，通過光照測試的數(shù)據(jù)來反映視區(qū)的分布。測試結果如圖 5 所示。

    測試結果 ，可以反映出在單視區(qū)播放系統(tǒng)的情況下，紅綠藍（RGB）的視區(qū)分布密集 程度 。

    2.2 雙視區(qū)播放系統(tǒng)

    同樣對采用雙視區(qū)播放系統(tǒng)的LED屏進行紅光 ，綠光，藍光，白光的光強分布測試，測試結果如圖6 所示。

    從測試結果可以看出在60到80度范圍內，采用雙視區(qū)播放系統(tǒng)，視區(qū)分布的密集程度密集 。

3 結論

    文中提出了一種雙視區(qū)播放系統(tǒng)的解決方案，能夠讓觀看效果更加平滑，避免視覺黑區(qū)。 本文成功實現(xiàn)了雙視區(qū)播放系統(tǒng)控制LED進行3D效果 的顯 示 。 采用時鐘 同步無損技術分離原視頻流中的左右眼信號，而后分頻并進行同步播放。 目前的控制系統(tǒng)是將兩個視區(qū)復制以同樣的信息，未來在戶外LED屏分辨率提高的情況下，可以分別控制視區(qū)，在不同的角度可以看不同的視頻源。實現(xiàn)真正意義上的雙視區(qū)。

來源：電子設計工程 2016 年 2 月

作者：蘇 萍 ，曹 聰，馬建設，毛 杰