自由立体显示背光系统的设计*

张瑞雪 王元庆 范科峰

(1.南京大学电子科学与工程学院，江苏南京 210093;2.中国电子技术标准化研究所，北京 100007)

1 引言

立体显示技术可以真实地重现客观世界的景像，表现图像的深度感、层次感和真实性［1］。常见的实现立体的方式有视差立体、体立体和全息立体。从技术性能以及可行性角度分析，综合考虑工艺性和可预期的未来市场需求，基于视差原理的立体显示方式是相对现实可行的方法。视差立体显示方式可以根据是否需要观看者佩戴眼镜、头盔等辅助工具，分为辅助式立体显示和无辅助式立体显示，即自由立体显示。

LED被称为第四代照明光源或绿色光源，具有节能、环保、寿命长、体积小等特点［2］。此外，LED还具备平面光源的特性，有优异的亮度均匀性;在色彩表现力和色阶过渡方面，也有显著的优势。LED正逐步取代冷阴极荧光管 (CCFL)，成为新一代液晶显示器 (LCD)背光源。

本文提出了一种以LCD为基础的平面兼容自由立体显示器背光设计方案，配合观看者的运动，操控LED背光改变立体窗口的空间位置，使3D影像也随着移动，实现自由立体显示，同时与平面显示兼容。

2 系统的工作原理

视差立体显示的关键是使左右眼分别观察各自的一幅图像，即实现“分像”［1］。为实现这一效果，我们在LCD的奇数行和偶数行分别显示左右图像，水平、垂直位置各不相同的一对光源经过特殊的光学部件后分别照亮屏幕的奇/偶行，并在屏幕前形成互不干扰的、分别只能看到左/右图像的视域［3］，如图1所示。此外，当出现多个观察者时，背光可以为每个观察者提供独立的视域，保证多个用户可以同时观看到立体效果，图1为有A、B两个观察者的情况。

当观察者移动时，上位机的人眼跟踪模块检测到观察者眼睛的位置并发送至下位机，后者控制更新LED阵列点亮的位置，保证始终为观察者提供正确的视域。

图1 立体显示的原理

在平面显示模式下，两组LED阵列全部点亮，LCD的显示内容为平面图像或文字。观察者的双眼可以同时观看到整个屏幕，如同普通的显示器。

3 系统硬件设计

3.1 可寻址LED阵列

可寻址LED阵列由高亮平面式白光LED等间距排列而成，工作电压3.3V，正常工作电流20mA。采用共阳极驱动，恒流驱动芯片选择16通道恒流LED驱动器MBI5026，数据以串入并出的方式传送，每一列LED的亮暗都可以独立控制，如图2所示。

图2 LED驱动模块的原理图

每组LED阵列的工作状态由固定格式的数据更新。例如如下的一组数据:03H、09H、05H、25H、10H、40H、08H，将使得LED阵列的状态变为第09H～0DH、25H～34H、40H～47H列点亮，其余列熄灭。

3.2PWM调光

IRF7410是一款常用的P沟道MOS场效应管。该器件的最大工作电流ID为－16A，开启电源VGS(th)最大值为0.9V［4，5］。图3为PWM调光的原理图，PWM信号由单片机产生，低电平期间IRF7410导通，VLED≈Vcc，高电平期间IRF7410截止，VLED≈0。

图3 PWM模块的电路图

3.3 主控制器的选择

AVR单片机是增强型内置FLASH的RISC(Reduced Instruction Set CPU)精简指令集高速8位单片机，硬件采用哈佛 (Harward)结构，达到一个时钟周期可以执行一条指令，绝大部分指令都为单周期指令［6］。ATmega128是MEGA系列中性能最好的一款，具有如下特点:128K字节的系统内可编程Flash、4K字节的EEPROM、4K字节的SRAM、53个通用I/O口线、32个通用工作寄存器、4个具有PWM功能的定时器/计数器、两路UART通讯口。单片机工作电压5V，在与上位机通信的过程中，需要采用MAX232来完成TTL电平和RS232电平之间的转换。

4 软件设计

下位机程序完成对LED阵列的控制，并通过串口与上位机通信。主程序实现对系统的初始化，包括端口设置、中断设置、串行口工作方式选择、系统各种变量的初值装入。初始化完成后，系统进入默认的立体工作模式，等待中断信号的到来。

外部中断请求信号INT0来自模式选择硬件开关电路，中断服务程序用于切换工作模式。若系统工作在立体模式，则关闭PWM功能，打开串口，等待串口中断的到来;若系统工作在平面模式，则关闭串口，向驱动电路输出全“1”数据，点亮全部LED，并开始 PWM调光，如图 4所示，其中，PWM信号由OC0(PB4)引脚输出。TC0工作在相位修正PWM模式，计数器双向计数，在升序计数时发生比较匹配将清零OC0，降序计数时发生比较匹配将置位OC0，高电平占空比由比较匹配寄存器OCR0的值与计数器上限值 (0xFF)之比决定。通过PWM调光，使得显示器在平面模式下具有一个合适的亮度，从而使观察者获得较好的观看体验。

图4 INT0中断服务程序流程图

串口通信仅发生在立体模式下，用于接收上位机发来的人眼位置信息，及时刷新LED阵列中需要点亮的位置，以实现可视区域的随动。给上下位机设置适当的通讯协议是保证上下位机能正常通讯的基础［7］。系统采用全双工异步通讯模式，通讯协议设置如下:波特率采用115200bps，数据格式采用8位数据位，1位起始位，1位停止位。握手协议采用软件实现上下位机的握手，上位机要往下位机发送数据时，先发送一个请求发送的握手信号:FFH;下位机收到后回发一个允许发送的应答信号:FEH，表示已经做好数据接收准备，上位机收到应答信号后开始发送数据。作为一个实时系统，当发生通信故障时，上位机不断发出请求信号，直到收到下位机的答复后，才将当下最新的人眼位置数据发出。

5 实验

实验中采用LG-PHILIPS的17寸液晶屏LM170E01，分辨率 1280×1024，有效显示面积338mm×270mm，显示内容选择NASA的航拍视差图像对。LED采用宁波升谱光电有限公司的SS-170WW-06G，外形尺寸为2.0mm×1.25mm×1.1mm，发光强度为320mcd，每组LED阵列包括256列，亮度2.6×104cd/m2。在屏幕前490～550 mm的位置处获得良好的立体效果，在屏幕前300～1000mm的范围内有良好的平面效果，立体视角±25°，平面视角±40°。选择屏幕的5个典型区域，如图5所示，在暗室条件下测量单人立体模式下的光照强度，左图为只有该区域纯白、其余全黑的图片，右图为全黑图片，观看距离550mm。此外，还测量了左图全白、右图全黑的情况，具体数据见表1。照度计使用台湾泰仕公司的TES-1336A，传感面积0.0652m2。同时，选择Viewsonic时分立体显示器vx2268wm进行对比测试，测量透过液晶眼镜后的光照强度，即人眼观看到的照度，具体数据见表2。

图5 显示面板上的5个典型区域

表1 立体模式光照度

表2 vx2268wm光照度

从表1、表2中可以看出，在LCD表面进行测量时，光照强度与显示区域的大小无关，vx2268wm的出射光通量约是实验样机的7倍。在观看位置处，照度计接收到的光通量为屏幕上各个区域出射光通量的叠加，对于vx2268wm，由于要保证较大的视角范围，光照度减小至 (9.5/39.4)×100%=24.1%;对于实验样机，由于光学部件的水平汇聚作用和垂直展开作用，从LCD出射的光线在人眼位置处形成宽65mm、高约1m的光带，其余地方没有光照。忽略近距离光传播的衰减，人眼观看到的理想照度E=6.5×(338/65)×(270/1000)=9.126lx，由于光学部件不理想等原因，实际照度为5.6 lx。

实验结果表明，本系统达到了市场化立体显示器的亮度水平，且有不错的亮度均匀性。同时，配合现有的上位机人眼检测模块，系统的总体反应速度约为30ms，主要包括人眼检测算法执行的时间、串口数据传输的时间和单片机更新LED阵列的时间。

6 结语

立体显示是一门新兴的、有着广阔应用前景的技术，兼容性是立体显示器的主要技术指标。本文所介绍的头跟踪式自由立体显示器，基于一种可寻址LED阵列照明技术，通过与特殊的光学部件的配合，可以获得良好的立体效果，同时，还可以显示平面图像。作为一台原理型样机，该系统还存在一些可以改进的地方，下一步的研究将围绕缩短反应时间、压缩系统结构等进行。

［1］孙超．几种立体显示技术的研究 ［J］．计算机仿真，2008，25(4):213～217．

［2］贾冬颖．基于STC单片机LED智能照明系统的设计［J］．照明工程学报，2010，21(2):71～73．

［3］汪洋，王元庆．多用户自由立体显示技术 ［J］．液晶与显示，2009，24(3):434～437．

［4］宋飞，胡世平，姚信安．基于LT1641的双路热插拔电路设计 ［J］．电子元器件应用，2008，10(4):4～7．

［5］常玉臣，郭其一．基于Modbus协议的液晶显示控制模块设计［J］．工业仪表与自动化装置，2010，(1):48～51．

［6］徐振方，孟艳花，王艳．基于AVR单片机的LED显示屏控制系统的研究 ［J］．照明工程学报，2010，21(2):77～80．

［7］廖平，陈峰，马洪秋．Delphi环境下PC机与AVR单片机的串行通讯［J］．现代电子技术，2008，(2):123～125．