新型液晶立体显示屏驱动电路的研制
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摘要:为了制作不需要立体眼镜的自动立体显示器,文章对显示屏驱动电路进行了研究,并调查了多种立体显示屏上像素和图像的排列规律及立体输入信号的具体格式,制作了立体信号变换电路,该电路主要由FPGA和QDR SRAM构成,放在Scaler和LVDS电路之间,对输入信号进行处理,最终发送到显示屏中相应的像素上。此电路可以适应多种液晶立体显示屏,并兼容多种立体信号源。通过实验表明整体技术和方案是成功的,可用于改进各种车辆、舰船和飞机的显示系统。
关键词:驱动电路;自动立体显示器;视频信号;QDR SRAM
中图分类号:TN27;TN141.9 文献标识码:A
The New Driver for Autostereoscopic LCD Panels
ZHU Xiang-bing, NI Jian, CHEN Jin
(The College of Physics and Electronic Information, Anhui Normal University, Wuhu Anhui 241000, China)
Abstract: The driving circuits for autostereoscopic displays have been developed. With autostereoscopic displays, the three dimension images would be displayed, and no headgears needed. Some kinds of stereo video signals have been investigated, and after analysis of some optical technologies of auto stereoscopic displays, the transformation of images and pixels has been designed. The new circuit board has been developed, the board includes two FPGAs and QDR SRAMs. The new board is inserted in the driving circuits of ordinary LCD, between the scaler and the LVDS interface. It receives the signals, stores the images for right eyes to RAMs, and other images to another RAMs, then transforms them, transports the new signals to the LVDS interface and the LCD panel. The drive circuit is suitable for kinds of autostereoscopic displays and stereo video signals, and its functions can be easily extended and changed by VHDL codes. They can be used in vehicles, ships and planes.
Keywords: driving circuits; autostereoscopic display; video signal; QDR SRAM
引 言
自动立体显示器使用户不需要立体眼镜,裸眼就能看到立体图像。这种显示器是普通显示器的替代产品,是显示技术发展的必然方向[1]。以美国麻省理工学院、纽约大学、英国剑桥大学、日本东京大学为首的几十家国外大学一直在进行这方面的研究,每年SPIE会议中都会有一些文章,甚至有专题会议[2~6]。此外,国外一些著名的大企业也共同成立了3D联盟,针对自动立体显示器进行研究、开发和市场推广,待条件成熟将制定一些标准,控制市场和压制其它企业,其中飞利浦、夏普、Dimension Technologies Inc. (DTI)甚至推出样品[7,8]。从上世纪八十年代开始,美国军方长期资助该类显示器的研究,将在潜艇和新型战斗机中装备该类显示器。国内从事自动立体显示器研究的人很少,朱向冰等人在2004年3月研制出了国内第一台15in的自动立体显示器,并在同年5月21日通过安徽省信息产业厅的鉴定。另外,南京大学也在2005年底制作出了自动立体显示器。
目前的自动立体显示器有几种不同的光学原理,配套电路也不一样。我们研究了多种立体显示器的光学原理,得到了图像变换关系,并研究和测量了计算机发出的立体视频信号,得出了立体视频信号的详细格式。在此基础上,用FPGA和QDR SRAM制作了一种通用电路,能够接受和处理各种计算机发出的立体视频信号,同多种立体显示屏配套,构成立体显示器,从而产生立体效果。通过实验表明该方案是可行的。
1 基本功能
电路是和光学元器件协同工作的,它的具体功能和采用的光学技术方案有关。在众多自动立体显示技术方案中,比较成熟的技术有两种,且这两种方案都已经做出了样品。第一种技术以飞利浦公司为代表,和立体印刷技术类似,将两幅稍有差别的图像分割成很多列,交错印在纸上,所有的奇数列图像是一幅图像,偶数列图像是另一幅图像,在印好的图片上覆盖一排半径很小的柱透镜,每列柱透镜对应两列图像,合理选择柱透镜的参数,把图片放在适当的位置,所有奇数列图像会被右眼看到,偶数列图像会被左眼看到,由于两眼看到的图像不一样,从而产生立体感。飞利浦公司和4D公司对这种方案进行了改进,将一排柱透镜放在液晶屏前面,对于早期的黑白显示屏,仍然是每个柱透镜对应两列像素,在进一步研究中,改用彩色液晶屏,由于彩色液晶屏中每个像素包含3个子像素(Sub-pixel),分别是红、绿、蓝,为了防止颜色混乱,每列柱透镜对应2列子像素。按照习惯,从左向右,用R0G0B0表示液晶屏第0列像素的3列子像素,同样,R2nG2nB2n为第2n列像素的子像素,和柱透镜相对应,R0G0是一对,B0R1是下一对,依次类推。电路实际上是将一幅图像送到液晶屏的R2nB2nG2n+1列子像素中,将另一幅图像送到G2nR2n+1B2n+1列子像素中,n=0,1,2……,R2nB2nG2n+1具备3种颜色,和输入信号中的一列像素对应。在后续的研究工作中,飞利浦公司发展了多幅图像技术和Slanted Lenticular技术,图像和子像素的具体分配方案有所变化,但基本原理是一致的。
日本夏普公司和美国DTI公司采用另外一种光学技术制作自动立体显示屏,从公开发表的资料来看,电路和飞利浦公司类似,也是在一块液晶屏上同时显示两幅图像,液晶屏上的子像素分成两部分,分别显示各自的图像。
因此电路的主要功能是接受两幅(或者多幅)图像,把它们分别发送到相应的子像素上,由于光学技术上的差别,子像素的具体分配方案有所差别,由于器件可以灵活的编程,所以可以方便地适应不同方案的要求。虽然实际电路可以满足多种要求,但为了方便起见,本文只针对飞利浦显示屏进行介绍。
在了解电路的功能后,必须要分析输入信号和输出信号。
1.1 立体信号
国外很多企业都长期研究立体显示器,他们提出了很多种立体视频信号,如:Side-by-Side,Frame Sequential,Field Sequential,Top Down等。Nvidia公司为了配合立体眼镜,从几年前开始生产的GPU就能输出立体视频信号,实际使用的是Page Flipped和Anaglyph stereo type格式,目前大部分计算机显卡都以该公司的GPU为核心,或者兼容他们的技术,这两种格式比较常见。限于篇幅不能介绍所有的格式,而Anaglyph stereo type格式的信号没有完整的色彩信息,本文主要介绍Page Flipped格式。
我们对这种显卡的信号进行了仔细的测量,这种格式的立体视频信号是对普通平面视频信号的扩充,并和普通平面视频信号兼容。图像一帧一帧地依次输送给显示器,奇数帧全部是给左眼看的图像,偶数帧全部是给右眼看的图像,通过D-sub口的一个引脚发出同步方波信号,指明哪一帧是为哪只眼准备的。
2 整体结构
如图1所示,驱动电路包括A/D转换、SCALER、立体信号变换电路(stereo-card)、LVDS接口电路、CCFL驱动电路(逆变器)、控制电路等部分。
由于计算机输出的是模拟信号,液晶屏需要数字信号,所以首先通过A/D转换;又由于液晶屏的分辨率是固定的,而输入信号的分辨率未必等于液晶屏的分辨率,所以要使用SCALER转换,从而得到液晶屏所有像素的信号;输入的立体视频信号要发送到指定的子像素,必须改变顺序,所以用立体信号变换电路调换数字信号的顺序;绝大多数液晶屏是LVDS接口的,所以要加LVDS接口电路;CCFL电路用来驱动液晶屏背光(CCFL灯管);控制电路主要用来接收和处理各种控制信号,如亮度、对比度、位相、水平垂直位置、立体视频信号中的同步信号等。
除立体信号变换电路以外,普通液晶屏中包含其它所有部分。为了简化电路设计,降低难度,减少开发周期和费用,其它电路全部采用成熟的模块。使用台湾融程电讯公司的R7X100液晶屏接口板,该板包含了A/D转换、SCALER、控制电路,具有LVDS和TTL等输出接口,能够根据显示屏的参数调节输出信号。CCFL驱动电路为TLI-04-0302。我们主要研制立体信号变换电路。
3 立体信号变换电路
如图2所示,本电路的主要作用是按照要求适时的调整图像,发送指定的内容到指定的像素。
就Page Flipped格式而言,两帧图像一组,一帧是给左眼的,一帧是给右眼的,两帧输入信号总共有1,024×768×2个像素。液晶屏显示的每一幅画面都包含了左右眼的图像,每一幅画面大小都是1,024×768个像素。为了使两者匹配,从每组的第一帧图像中提取R2nB2nG2n+1(n=0,1,2……)列子像素的内容,从另一帧图像中提取G2nR2n+1B2n+1列子像素的内容,两者合在一起构成一幅画面,送给显示屏;然后再将剩下的内容调整顺序,构成另一幅图像,再发给显示屏。保证第一帧内容始终在显示屏的R2nB2nG2n+1子像素中,第二帧始终在显示屏的G2nR2n+1B2n+1子像素中。液晶屏的刷新率与输入信号相同。液晶屏上任何一个像素在任何瞬间显示的内容都包含RGB三种颜色,通过上面的分析,可以发现它们来自于两帧信号中的两个像素。为了实现该功能,立体信号变换电路中应该有存储器和读写控制功能,至少将两帧输入信号存储起来。
电路采用FPGA和SRAM完成,主要有两片FPGA和两组SRAM,分别用0和1标记。每组SRAM能够存储一帧的内容,其中SRAM0储存左眼图像,SRAM1储存右眼图像。FPGA1接收R7X100发出的同步信号(vertical sync、horizontal sync)和时钟信号,产生读写地址,并且接收计算机显卡上的立体同步信号和显示器面板上的按钮信号,控制FPGA0的工作状态,将输入的同步信号延时。FPGA0接收输入的RGB信号,并转发这些信号。
当R7X100发送左眼图像时,FPGA0每收到一个像素,就把它存储到SRAM 0中,同时从SRAM 1中读取一个右眼的像素,由这两个像素生成一个新的混合像素,通过 LVDS接口,把新像素发给液晶屏。同样,如果R7X100发送右眼图像时,就将它们存储到SRAM 1中,从SRAM 0中读取相应的内容,共同产生新的内容,发送给液晶屏。立体信号变换电路发出去的同步信号、时钟信号和输入的一样。
有时候由于各种原因,计算机输出的信号中左右眼图像反了,应该是一只眼的图像,而实际发送的是另一只眼的图像。用户在观看立体显示器时,产生错误的立体感,或者没有立体感,这时候用户可以感觉到,用面板上的按钮通知显示器,电路可以很方便地将它们调整过来。
有时候计算机输出的是普通平面视频信号,没有立体同步信息。对于这样的信号,立体信号变换电路不做任何调换,信号经过FPGA 0,直接把它们送出去。根据FPGA 1接收到的显卡输出的立体同步信号,可以判断是不是这种信号。通过面板上的按钮也可以强制切换到这种方式,忽略立体同步信号的影响。
FPGA 1也控制面板上的LED,表明显示器的工作状态:直接传送、调整位置、左右眼交换,而用S/S、F/S、P/F、A/S、T/D等指示灯分别表示电路针对不同的立体信号格式进行处理。
SRAM选用赛普拉斯公司的四片CY7C1303- AV25,两片构成一组,这是一款高速度的QDR型静态存贮器,容量为18Mb(1M × 18),时钟达到167MHz。一帧图像有1,024×768个像素,16位、18位、24位、32位颜色的图像都能放得下,实际上选用的液晶屏只接受24位颜色的图像。FPGA采用Xilinx公司的XC2S,50,176个用户管脚。使用这两种集成块的一个重要原因是可以利用以前的工作基础,并对以前的电路和VHDL代码进行修改。
根据液晶屏LVDS接口的参数,采用THC63L- VDM83A制作了LVDS电路。
将这些电路组装起来后,经过调试和实验,证明这些电路是可行的。
4 结 论
通过对自动立体显示屏的研究,得到了图像在这种显示屏上的分布规律,并通过对显卡的调查,得到了立体视频信号的格式。这些研究结果对所有类型的立体显示技术都具有参考价值,对于改进各种军用飞机和潜艇的显示系统也具有一定的意义。
采用FPGA和QDR SRAM等完成了关键电路的研制,和其它电路共同组成了立体显示器的驱动电路,将不同的图像按照要求分别发送到液晶屏相应的像素。通过对自动立体显示屏和普通液晶屏的测试,立体图像完全按照要求分布在屏上,证明该方案是可行且可靠的。
该电路可以接收和处理多种立体视频信号和平面信号,兼容不同的立体显示屏和信号源,还可以扩展功能,FPGA和RAM的功能尚没有充分利用,根据技术的发展,可以方便地修改代码、增加功能、提高时钟频率。
参考文献
[1] Joshua M. Cobb. Autostereoscopic desktop display: an evolution of technology[C]. Stereoscopic Displays and Virtual Reality Systems XII. San Jose, CA, USA. 17 January 2005. Proc. SPIE. Vol. 5664, 139-149.
[2] Vladimir Markov, Stephen A. Kupiec, Adrian R. L. Travis. Recent advances in temporally multiplexed and point aspect autostereoscopic displays[C]. Defense, Security, Cockpit, and Future Displays II.Orlando (Kissimmee), FL, USA, May. 22, 2006. Proc. SPIE. Vol. 6225. 198-208.
[3] Armin Schwerdtner. Autostereoscopic 3D Display[C].Stereoscopic Displays and Virtual Reality Systems XIII.San Jose, CA, USA. Jan. 31, 2006. Proc. SPIE. Vol.6055, 270-279.
[4] F. Knocke, R. de Jongh, M. Fromel. Concept, design and analysis of a large format autostereoscopic display system[C]. Optical Design and Engineering II. Jena, Germany.13 September 2005. Proc. SPIE. Vol. 5962, 850-860.
[5] Stephen Daniell. Correction of aberrations in lens-based 3D displays[C]. Stereoscopic Displays and Virtual Reality Systems XII. San Jose, CA, USA. 17 January 2005. Proc. SPIE. Vol. 5664, 175-185.
[6] Zoran Mihajlovic. Method for formal design synthesis of autostereoscopic displays[C]. Three-Dimensional TV, Video, and Display III, Philadelphia, PA, USA. 26 October 2004 Proc. SPIE. Vol. 5599, 135-152.
[7] Jesse Eichenlaub. Lightweight, compact 2D/3D autostereoscopic LCD backlight for games, monitor, and notebook applications[C]. Stereoscopic Displays and Virtual Reality Systems V, ed. M T Bolas, S S Fisher, J O Merritt (Apr 1998); Proc. of SPIE Vol. 3295: 180-185.
[8] Jesse B. Eichenlaub. An autostereoscopic display with high brightness and power efficiency[C].Stereoscopic Displays and Virtual Reality Systems, ed. S S Fisher, J O Merritt, M T Bolas (Apr 1994). Proc. of SPIE Vol. 2177, 4-15.
作者简介:朱向冰(1973- ),男,安徽芜湖人,中国科学技术大学博士研究生,副教授,主要从事光电技术研究,E-mail:。