立體液晶顯示器的圖像獲取及顯示

　　立體液晶顯示器是近年來(lái)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(wú)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(guò)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)行圖像采集和處理，其開(kāi)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(kāi)發(fā)了一套專(zhuān)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(jué)圖像不同。而大腦通過(guò)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(guò)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(guò)兩攝像頭模擬人眼視差來(lái)恢復(fù)物體的深度信息。視差越大說(shuō)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。

　　采用松下10.4英寸工控液晶屏EDTCB03Q2F，其接口為T(mén)TL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1 310 720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(wèn)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XC3S1000，系統(tǒng)門(mén)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(guò)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T(mén)TL電平接口，與FPGA兼容，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(yǔ)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(guò)編程、綜合、仿真和實(shí)現(xiàn)，最后在電路板上進(jìn)行驗(yàn)證。