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        基于FPGA的多模式實時立體顯示系統(tǒng)設(shè)計

        2011-09-04 06:09:26劉來成周文暉
        關(guān)鍵詞:分色紅藍右圖

        劉來成,周文暉,樓 斌,鄭 寧

        (杭州電子科技大學(xué)計算機應(yīng)用技術(shù)研究所,浙江杭州310018)

        0 引言

        三維立體顯示有著廣泛的應(yīng)用前景。是未來發(fā)展的一種趨勢[1]。立體顯示技術(shù)通常分為戴眼鏡或裸眼兩類,雖然裸眼立體顯示技術(shù)具有不受觀看設(shè)備的限制,但目前裸眼立體顯示技術(shù)存在觀看距離受限,以及更易產(chǎn)生視覺疲勞等不足。因此當(dāng)前主流立體顯示技術(shù)通常是采用分時和分色技術(shù)[2]。采用FPGA實現(xiàn)分時/分色立體顯示具有占用空間小,設(shè)計靈活;可以脫機運行,相比于PC機更方便簡潔,易于移植;相比于DSP、ARM等有并行運算、速度快的優(yōu)勢。通過相關(guān)參數(shù)的修改,系統(tǒng)能適用于不同分辨率的顯示器,具有很好的適用性。近期Istavan Andorko和ZHANG Guangwei等人分別提出了基于FPGA的分時立體顯示系統(tǒng)[3,4]。但這些系統(tǒng)功能較為單一,只實現(xiàn)分時顯示。本系統(tǒng)針對當(dāng)前基于FPGA立體顯示系統(tǒng)的不足,提出一種基于FPGA的集分色和分時技術(shù)于一體的多模式立體顯示系統(tǒng)。

        1 立體顯示的工作原理

        人眼有分辨三維物體空間位置的能力,從而對現(xiàn)實世界的事物有形象的感知和判斷。形成深度感的主要因素是兩眼存在視差,觀察物體時兩眼存在一定間距,左右眼中成像略有差異,通過大腦的分析綜合,左右圖融合為單幅圖像而產(chǎn)生立體感[5]。立體顯示技術(shù)大致分為:分色、分時、分光以及光柵式顯示等。它們具有的共同點:左右眼分別看到左右視圖[6]。

        分色技術(shù)的原理是左圖紅分量經(jīng)過紅鏡片進入左眼,右圖藍綠分量經(jīng)過藍色鏡片進入右眼[7]。如圖1所示,分別將左圖紅分量和右圖藍綠提取,合成一張紅藍圖片,戴上紅藍眼鏡觀看時,左眼看到紅色的左圖,右眼看到藍綠的右圖,雙眼看到的不同圖像經(jīng)過融合在大腦中呈現(xiàn)出立體效果。分時立體顯示是將兩路圖像序列快速交替的顯示,通過液晶開關(guān)眼鏡,當(dāng)顯示器顯示左(右)圖像時左(右)鏡片透光而右(左)鏡片不透光,原理如圖2所示。

        紅藍眼鏡價格便宜,片源多,普通顯示器就能支持,但立體感及色彩較差。分時立體的質(zhì)量好,色彩保真度高,缺點是片源少,液晶開關(guān)眼鏡也較貴,對顯示器要求也高。實驗表明,幀頻為85Hz時,視頻的閃爍已經(jīng)很輕,達到100Hz時,可保證立體圖像清晰無閃爍[6]。

        圖1 分色立體顯示原理示意圖

        圖2 分時立體顯示原理示意圖

        2 多模式立體顯示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

        該系統(tǒng)使用自制雙目子卡采集視頻,子卡使用兩片Micro生產(chǎn)的MT9M111 CMOS感光芯片。通過I2C對芯片配置,獲得兩路幀率為15fps、RGB565格式,1 280×1 024分辨率的視頻。RGB565彩色模式一個象素占兩個字節(jié),在FPGA中拼接成一幅完整信息的圖片。左右兩幅視頻乒乓緩存到SDRAM中,分別將左圖的紅和右圖的藍綠分量提取出來合成實現(xiàn)分色顯示。將左右兩幅圖像序列交替顯示實現(xiàn)分時顯示。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

        圖3 系統(tǒng)的硬件框圖

        FPGA芯片為Altera低成本、高密度Cyclone?II系列的EP2C70。邏輯單元(LE)68 416個,250個M4K嵌入存儲器區(qū)塊,嵌入RAM 1.1Mb,每個區(qū)塊有4 096位存儲器,150個嵌入乘法器,有4個用于系統(tǒng)時鐘管理的PLL。SDRAM的數(shù)據(jù)總線寬度為16bits,最高支持166MHz的讀寫頻率。輸出端D/A芯片為3通道10 bits高速數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片ADV7123,最高支持分辨率1 600×1 200,100Hz刷新頻率。

        3 立體顯示系統(tǒng)的FPGA硬件設(shè)計

        3.14端口SDRAM控制器

        該系統(tǒng)使用兩片32MB SDRAM分別作為兩路視頻數(shù)據(jù)的乒乓?guī)妫⑼ㄟ^4端口SDRAM控制器使用。4端口SDRAM控制器包括兩個寫入端FIFO和兩個讀出端FIFO,如圖4所示(虛線框),本設(shè)計中所使用的FIFO的大小為512×16bit。4個異步FIFO主要用于實現(xiàn)不同時鐘域數(shù)據(jù)同步的功能。寫入端有FIFO A和FIFO B,進入FIFO的時鐘為27MHz,從FIFO中讀入到SDRAM的時鐘為166MHz;在控制器的讀出端有FIFO C和FIFO D,它們寫入FIFO的時鐘為166MHz,從FIFO中讀出時鐘為VGA控制模塊的時鐘108MHz。

        圖4 4端口SDRAM控制器

        該系統(tǒng)中,將SDRAM分配兩個獨立的1 280×1 024×2字節(jié)的地址空間,并分別結(jié)合兩個寫FIFO和兩個讀FIFO,實現(xiàn)兩幀數(shù)據(jù)的乒乓緩存與讀取。

        寫入數(shù)據(jù)時,相鄰兩幀乒乓寫入到FIFO A和FIFO B中,根據(jù)選擇信號Sel_write進行判斷相應(yīng)的FIFO是否滿256字寫入SDRAM中。在讀出端,根據(jù)選擇信號Sel_read判斷FIFO A和FIFO B乒乓讀取,判斷到讀滿256字后切換到另外的FIFO,實現(xiàn)乒乓操作。并將讀到FIFO中的數(shù)據(jù)送到下一級VGA Controller進行處理。

        3.2 分色、分時立體顯示系統(tǒng)

        在分時顯示方案中,使用雙路圖像序列交替控制模塊,實現(xiàn)雙路讀取的切換以及單路中A、B兩個幀地址空間的切換。

        同步信號發(fā)射器,通過開發(fā)板上的USB口供電,接受FPGA處理后的視頻信號作為輸入;連接CRT顯示器上顯示,通過輸出端口連接到主動式快門3D分時立體眼鏡上。同步信號發(fā)射器上有一個左/右眼互換鍵,可以將立體眼鏡的左/右眼影像對調(diào)互換,每按鍵一次即左/右眼對調(diào)一次,用來同步立體眼鏡與顯示器上的信號。

        雙路切換:通過判斷幀信號的上升沿實現(xiàn)rFont信號的反轉(zhuǎn),使用rFcont信號來控制切換左右路的讀取操作。具體為,rFcont為0時,讀取左路一幀數(shù)據(jù),即向左路發(fā)送讀有效信號;反之,為1時,讀取右路一幀數(shù)據(jù)。從而實現(xiàn)左右圖的分時讀取操作,時序如圖5所示。

        分色顯示方案中左圖紅分量和右圖藍綠分量合成為一幅圖像。通過VGA控制模塊發(fā)出的讀有效信號,實現(xiàn)左右兩路幀緩存的同步讀取,將左路R分量低位補0,拼接為8bit數(shù)據(jù)賦給VGA控制模塊的R通道;同時,將右路G、B分量分別補零拼接為8bit數(shù)據(jù),分別賦給VGA控制模塊的G通道和B通道。最終顯示一幀包含左圖的R分量和右圖的G、B分量的立體圖像,如圖6所示Signal Tap II采集的波形。

        圖6 紅藍拼接模塊

        3.3 兩種模式之間的切換

        分時、分色兩種模式之間可以通過模式寄存器來切換,如圖7所示。切換信號到來時,不一定發(fā)生在下一幀圖片剛開始的時候,此時切換就會造成畫面混亂。通過檢測幀開始來解決。切換信號到來后,檢測到下一幀信號開始就轉(zhuǎn)到另一種模式。如果顯示器的刷新頻率不足85Hz,采用紅藍立體顯示模式觀看效果較好,否則就用液晶開關(guān)眼鏡觀看分時立體視頻。

        圖7 分時與分色兩種模式切換的時序圖

        4 實驗結(jié)果及分析

        為達到更佳顯示效果,雙目光心的距離(基線)不宜過大,一般選取人雙眼的間距65mm。分色顯示:顯示器分辨率為1 280×1 024,戴上紅藍眼鏡能得到明顯立體效果。分時顯示時調(diào)整分辨率為1 280×1 024,刷新頻率為74Hz時,屏幕有稍微的閃爍;調(diào)整分辨率為640×480,刷新頻率為84Hz時,屏幕閃爍明顯減輕。對比文獻3中提出的系統(tǒng),使用的是Xilinx生產(chǎn)的Virtex 4 FPGA,該系統(tǒng)使用的Cyclone II系列的FPGA,占用資源少,性價比更高。

        FPGA的型號為EP2C70F896C6,資源使用情況如表1所示:該芯片中有68 416個LE資源,其中4%在這個工程中使用,3%用于實現(xiàn)組合邏輯,3%用于實現(xiàn)寄存器,即時序邏輯;組合邏輯與時序邏輯的使用比例是1:1。引腳總數(shù)為622個,使用了232個,占了37%。該器件的片內(nèi)存儲器總大小是1 152 000bits,在該工程中使用了858 112bits,使用率是74%。

        表1 FPGA的使用資源

        5 結(jié)束語

        該文就當(dāng)前立體顯示中最被廣泛使用的分時和分色技術(shù),基于FPGA平臺進行了設(shè)計與實現(xiàn)。設(shè)計中將分時和分色兩種方案集成在一個系統(tǒng)中,減少了重復(fù)工作,并實現(xiàn)了通過模式寄存器高效切換。另外,該系統(tǒng)還具備雙目場景的同步抓取,實現(xiàn)了簡單的立體相機功能。通過實際的演示觀看,能達到很好的實時立體效果。系統(tǒng)可作為立體顯示的原型樣機,同時FPGA芯片豐富的資源給后續(xù)算法、功能的加入提供了空間。

        [1] 李小方,王瓊?cè)A.自由立體顯示器觀看視疲勞[J].液晶與顯示,2008,23(4):464-467.

        [2] 王瓊?cè)A,王愛華.三維立體顯示綜述[J].計算機應(yīng)用,2010,30(3):579-581.

        [3] Istvan Andorko,Peter Corcoran,Petronel Bigioi.Hardware implementation of a real-time 3D video acquisition system[C].Basov:National University of Ireland,2010:920-925.

        [4] Zhang Guangwei,An Zhiyong.FPGA-based hardware to achieve the stereoscopic display[C].Beijing:Changchun University of science and technology,2008:1 732-1 735.

        [5] 張宇輝,呂國強,胡躍輝,等.立體顯示的雙目模型算法及實現(xiàn)[J].計算機工程與應(yīng)用,2006,42(5):65-67.

        [6] 康立民.立體照片的拍攝及合成[J].北京機械工業(yè)學(xué)院學(xué)報,1996,11(2):30-42.

        [7] 李娟,關(guān)祥宏.基于微機的三維真立體顯示技術(shù)評述[J].鐵路勘察,2005,31(2):24-27.

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