立體液晶顯示器的圖像獲取及顯示

1、立體液晶顯示器的圖像獲取及顯示作者：潘向昱，王元慶   時(shí)間：2008-07-22  來源:電子技術(shù)應(yīng)用立體液晶顯示器是近年來新出現(xiàn)的虛擬現(xiàn)實(shí)顯示設(shè)備，它真實(shí)地再現(xiàn)場(chǎng)景的三維信息，顯示具有縱深感的圖像。其最大特點(diǎn)就是觀察者無需使用任何附加設(shè)備，直接用肉眼就可看到屏幕上顯示的立體圖像。觀測(cè)者可以更容易、更快速地理解真實(shí)的景深信息，更全面、更直觀地洞察圖像空間位置的實(shí)際分布狀況。目前，國(guó)內(nèi)外的自由立體液晶顯示方式通常采用計(jì)算機(jī)采集圖像并存儲(chǔ)，處理后輸出到液晶屏驅(qū)動(dòng)電路板，然后通過板載模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊等處理后在液晶屏顯示立體圖像。這種方式主要由計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像采集和

2、處理，其開發(fā)周期短，但成本較高，體積較大，且需要液晶屏廠商提供驅(qū)動(dòng)電路板。因此，本文以FPGA為核心，設(shè)計(jì)并開發(fā)了一套專用于立體液晶顯示的圖像采集和顯示系統(tǒng)，可廣泛應(yīng)用于立體顯微、測(cè)繪領(lǐng)域、工程設(shè)計(jì)、軍事指揮等各個(gè)方面，有望形成產(chǎn)業(yè)規(guī)模。1 方案設(shè)計(jì)人們通常是兩眼同時(shí)觀看物體。由于兩只眼睛視軸的間距（約65mm）及同一物體在兩眼的構(gòu)像不一致形成的生理視差，使得左眼和右眼所接收到的視覺圖像不同。而大腦通過眼球的運(yùn)動(dòng)、調(diào)整，綜合這兩幅圖像的信息，產(chǎn)生立體感。本設(shè)計(jì)通過兩個(gè)完全相同的攝像機(jī)，使兩個(gè)圖像平面位于同一平面Q，兩機(jī)坐標(biāo)軸平行，水平軸重合。通過兩攝像頭模擬人眼視差來恢復(fù)物體的深度信息。視差越

3、大說明物體離透鏡的距離越近；反之，則越遠(yuǎn)1。立體圖像獲取及顯示系統(tǒng)框圖如圖1所示。CMOS雙攝像頭嚴(yán)格水平放置，獲取立體圖像對(duì)。數(shù)字圖像數(shù)據(jù)并行進(jìn)入FPGA，利用片上RAM作幀緩存，然后由FPGA中的圖像處理模塊模擬大腦對(duì)兩眼圖像的綜合處理，按照VGA時(shí)序輸出到液晶屏顯示。液晶屏EDTCB03Q2F，其接口為TTL電平，可用FPGA直接驅(qū)動(dòng)，分辨率為640×480像素，色彩為262K(6bit/color)，工作電壓3.3V。以O(shè)mniVision公司的OV9620這一較為典型的彩色1/2英寸CMOS圖像傳感器模塊作為核心，實(shí)現(xiàn)雙芯片成像系統(tǒng)。該芯片采用Bayer模式濾波，其中有1

4、310 720個(gè)有效像素，其他像素用于黑電平補(bǔ)償和內(nèi)插。它支持SXGA和VGA兩種模式，支持?jǐn)z像和快拍，帶有光學(xué)黑電平校正、可編程/自動(dòng)曝光和增益控制、可編程白平衡控制、水平和垂直次采樣(4：2和4：2)，可編程設(shè)定成像窗口和幀傳輸速率。內(nèi)部集成了SCCB控制接口便于訪問其57個(gè)片內(nèi)寄存器，以實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像傳感器芯片各種工作狀態(tài)參數(shù)的設(shè)定2。采用FPGA實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、處理及作為液晶屏的顯示接口。相對(duì)普通微處理器，F(xiàn)PGA時(shí)鐘頻率高、接口多，滿足高速數(shù)據(jù)傳輸需要；相對(duì)DSP而言，用戶I/O較多，不需擴(kuò)展即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集和輸出，且便于實(shí)現(xiàn)外加存儲(chǔ)器擴(kuò)展。采用Xilinx公司的spartan3系列

5、XC3S1000，系統(tǒng)門級(jí)為1000K，片上分布式RAM為120Kbit，分塊RAM為432Kbit。用戶I/O共391個(gè)，片上鎖相環(huán)（DCM）4個(gè)3。它輸出紅、綠、藍(lán)各6位信號(hào)，時(shí)鐘信號(hào)、行/場(chǎng)同步信號(hào)以及復(fù)合消隱信號(hào)在液晶屏顯示。2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)2.1 雙攝像頭成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)該成像系統(tǒng)主要由兩個(gè)CMOS圖像傳感器、外圍控制電路和光學(xué)鏡頭組成。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是：(1)通過對(duì)管腳信號(hào)的控制設(shè)置成像系統(tǒng)的工作狀態(tài)，輸出VGA模式；(2)提供系統(tǒng)的工作時(shí)鐘信號(hào)，保證兩個(gè)攝像頭工作時(shí)鐘嚴(yán)格同步；(3)為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的工作電源和電平設(shè)置；(4)光學(xué)鏡頭的設(shè)計(jì)。CMOS芯片為TTL電平接口，與FPGA兼容

6、，其輸出數(shù)據(jù)格式如表1所示。它輸出10位并行紅、綠、藍(lán)信號(hào)，行、場(chǎng)同步信號(hào)，時(shí)鐘信號(hào)供FPGA采集。2.2 FPGA設(shè)計(jì)FPGA作為整個(gè)圖像系統(tǒng)的控制核心，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集接口及立體圖像合成的功能。采用Top-down設(shè)計(jì)方法，首先劃分為不同的功能模塊，用VHDL語言進(jìn)行行為級(jí)設(shè)計(jì)，然后采用原理圖進(jìn)行頂層設(shè)計(jì)，經(jīng)過編程、綜合、仿真和實(shí)現(xiàn)，最后在電路板上進(jìn)行驗(yàn)證。 VGA控制信號(hào)的產(chǎn)生模塊參照VESA VGA標(biāo)準(zhǔn)，像素時(shí)鐘頻率為25.175MHz，行頻為31.469kHz，每行包括800點(diǎn)，其中有效顯示640點(diǎn)，行同步時(shí)間96點(diǎn)，行消隱前肩16點(diǎn)，行消隱后肩48點(diǎn)，共160點(diǎn)行消隱期；場(chǎng)頻（刷新率）

7、為59.94Hz，每場(chǎng)有525行，其中有效顯示480行，場(chǎng)同步時(shí)間2行，場(chǎng)消隱前肩11行，場(chǎng)消隱后肩32行，共45行4。像素時(shí)鐘由FPGA外接50MHz晶振二分頻得到，作為液晶屏驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)發(fā)生的基準(zhǔn)，行頻和場(chǎng)頻相與得到數(shù)據(jù)有效信號(hào)（DE）。 脈沖噪聲處理數(shù)字圖像的噪聲主要來源于圖像的獲取和傳輸過程。在成像階段，因?yàn)槌上裣到y(tǒng)的散焦、成像中的短暫停留、成像器材的固有缺陷等帶來傳感器噪聲；在傳輸過程中的噪聲主要因?yàn)殡娮与娐吩肼曇约皵?shù)據(jù)傳輸環(huán)境的不理想。這樣，造成圖像退化的主要因素為脈沖噪聲（椒鹽噪聲），在數(shù)字傳輸結(jié)束后，總是以最大值表現(xiàn)出來。即負(fù)脈沖以黑點(diǎn)（胡椒點(diǎn)）出現(xiàn)，正脈沖以白點(diǎn)（鹽點(diǎn)）出現(xiàn)，

8、且具有小面積的特點(diǎn)。由于FPGA片上存儲(chǔ)資源有限，以及視頻流固有的限制，只能參考當(dāng)前像素之前的像素進(jìn)行處理?？紤]到距離較遠(yuǎn)的像素相關(guān)性較小，如圖2所示：以像素5為當(dāng)前像素，選取1，2，3，4像素作為參考。標(biāo)定后，脈沖噪聲總是以數(shù)字化最大值表現(xiàn)出來，即黑椒點(diǎn)為0，鹽點(diǎn)為255。當(dāng)色彩數(shù)據(jù)進(jìn)入FPGA時(shí)，首先判斷其數(shù)值：如果是椒鹽點(diǎn)，則該數(shù)據(jù)取1，2，3，4像素的該色彩分量平均值；如果不是椒鹽點(diǎn)，則送入色彩識(shí)別模塊。 色彩識(shí)別模塊如表1所示，CMOS攝像頭輸出格式為：第一行BGBGBG，第二行GRGRGR，即RGB信號(hào)按此順序串行輸出，而液晶屏接收RGB信號(hào)并行輸入，必須識(shí)別出輸入數(shù)據(jù)屬于何種色彩

9、分量，經(jīng)組合后輸出到數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行處理。采用ModelSim對(duì)色彩識(shí)別模塊進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖3所示。攝像頭幀頻(vsIn)輸出一個(gè)脈沖表示一幀到來時(shí)，若行頻(hsIn)有效，則第一行開始，數(shù)據(jù)端口(dataIn)中的數(shù)據(jù)依次輸出到藍(lán)色分量端口(bOut)、綠色分量端口(gOut)；若行頻無效，則無數(shù)據(jù)輸出；第二行依次按照綠色分量端口（gOut）、紅色分量端口（rOut）如此循環(huán)，使得相鄰四個(gè)像素共享藍(lán)色和紅色分量，橫向相鄰的兩個(gè)像素共享綠色分量。數(shù)據(jù)經(jīng)過判斷組合后，RGB信號(hào)并行存儲(chǔ)到片上RAM，加快處理速度，便于實(shí)時(shí)輸出至液晶屏。 圖像合成模塊液晶屏上采用光柵對(duì)圖像進(jìn)行空分處理，實(shí)現(xiàn)雙眼視

10、差，只需對(duì)其輸入相應(yīng)數(shù)據(jù)即可實(shí)現(xiàn)立體顯示。兩個(gè)攝像頭的圖像數(shù)據(jù)并行讀入（由于液晶屏接收RGB各6位進(jìn)行顯示，故只讀入攝像頭的高6位），經(jīng)噪聲處理及色彩識(shí)別并組合后放入片上RAM進(jìn)行緩存。在VGA控制信號(hào)中的行、場(chǎng)頻控制下，計(jì)算RAM地址，從片上RAM中讀出數(shù)據(jù)并輸出至液晶屏，輸出效果如圖4。其中黑色表示左攝像頭數(shù)據(jù)，白色表示右攝像頭數(shù)據(jù)，以像素為單位交替出現(xiàn)，即奇數(shù)列為左攝像頭數(shù)據(jù)，偶數(shù)列為右攝像頭數(shù)據(jù)。本設(shè)計(jì)采用雙CMOS攝像頭模擬人眼獲取圖像。以FPGA為核心設(shè)計(jì)了圖像采集、處理和顯示接口，其圖像數(shù)據(jù)可直接輸出到TTL接口的液晶屏顯示。對(duì)于目前市場(chǎng)上大部分LVDS接口的液晶屏，只需修改FPGA的I/O屬性即可，無需液晶屏廠家提供驅(qū)動(dòng)電路板，實(shí)現(xiàn)了立體液晶顯示圖像采集和顯示系統(tǒng)的最小化設(shè)計(jì)，目前已成功