劉 暢，蔡虹宇，魏天音，游望秋，夏 軍

(東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，南京211189)

多屏幕三維體顯示技術(shù)*

劉 暢，蔡虹宇，魏天音，游望秋，夏 軍*

(東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，南京211189)

現(xiàn)如今隨著科技的進(jìn)步，顯示技術(shù)已不僅僅局限于二維的平面中，各種三維的顯示技術(shù)層出不窮。本項(xiàng)目對(duì)基于多塊PDLC(聚合物摻雜液晶［1］)屏幕的立體顯示技術(shù)進(jìn)行了研究，利用了PDLC屏幕的開(kāi)關(guān)特性，采用多屏幕分時(shí)顯示，同步的全息投影的方法，顯示出三維的圖像。實(shí)驗(yàn)中分析了PDLC屏幕的響應(yīng)特性，設(shè)計(jì)了屏幕的驅(qū)動(dòng)電路的硬件、時(shí)序和波形，探討了基于Opencv的景深提取算法。最后獲得了有一定景深的三維圖像。

三維顯示;多屏幕分時(shí)顯示;同步全息投影;PDLC屏幕;Opencv;景深

近年來(lái)，裸眼3D顯示技術(shù)逐步發(fā)展，目前主流的裸眼3D顯示技術(shù)主要包括光柵3D顯示、集成成像3D顯示、體3D顯示和全息3D顯示［2］。PDLC屏幕是一種具有開(kāi)關(guān)特性的器件［1］——即當(dāng)屏幕不通電時(shí)不透明，此時(shí)可在屏幕上投影;當(dāng)通電時(shí)，則完全透明，無(wú)法投影。于是，我們可利用高壓的方波來(lái)分時(shí)的開(kāi)關(guān)這些屏幕，利用空間光調(diào)制器(SLM)［3］將經(jīng)過(guò)景深提取、分?jǐn)?shù)階傅里葉變換之后的圖像，同步的投影到屏幕上;屏幕快速切換，利用人眼的視覺(jué)暫留特性，便可以將二維圖像中包含的三維信息呈現(xiàn)于空間中，達(dá)到了裸眼3D的效果。

1 PDLC屏幕的特性

1.1 聚合物摻雜液晶的顯示原理

聚合物為光學(xué)上的各向同性材料，其折射率為np，而液晶為各向異性材料，它有平常光折射率no和非平常光折射率ne。在選擇這兩種材料時(shí)，一般總是讓聚合物的折射率np約等于液晶的平常光折射率no。但是，由于在零場(chǎng)時(shí)聚合物分散液晶中各液晶微滴指向矢的方向是隨機(jī)分布的，幾乎所有液晶微滴與母體聚合物之間都會(huì)出現(xiàn)折射率失配(是指np≠ne)，就導(dǎo)致光的散射。由于膜的厚度相對(duì)液晶微滴的尺寸要大得多，所以在光透出膜之前，將受到多次散射，這有點(diǎn)類(lèi)似與磨沙玻璃的情況，稱(chēng)為關(guān)態(tài)(Off State)［1］。處于零場(chǎng)關(guān)態(tài)的PDLC膜光散射狀態(tài)取決于膜中液晶的含量，微滴的大小，雙折射率的大小，以及膜的厚度等。PDLC的在電場(chǎng)情況下的顯示原理可用圖1來(lái)簡(jiǎn)單表示。

圖1(A)就表示零場(chǎng)關(guān)態(tài)時(shí)的光散射情況，由于光受到強(qiáng)烈的散射，其垂直透過(guò)率極低，表現(xiàn)為暗態(tài)。當(dāng)PDLC加上足夠的電壓時(shí)，液晶微滴中液晶分子受到電場(chǎng)的作用，其指向矢將沿著電場(chǎng)的方向，這同一般的液晶顯示器是一樣的，如圖1(B)所示。就單個(gè)液晶微滴而言，其尺寸是很小的，滿(mǎn)足光波導(dǎo)條件，另外由于液晶的平常光折射率no等于聚合物的折射率np，兩者的折射率相匹配，對(duì)入射光沒(méi)有散射，于是光就順著電場(chǎng)方向出射。這種加上足夠電壓就打開(kāi)的情況，稱(chēng)為開(kāi)態(tài)(on state)［1］。如果電壓充分大時(shí)，垂直透過(guò)率將達(dá)到最大，表現(xiàn)為明態(tài)?？梢?jiàn)，通過(guò)電場(chǎng)，就可以控制PDLC的光開(kāi)關(guān)作用，實(shí)現(xiàn)明暗顯示。

圖1 PDLC開(kāi)、關(guān)態(tài)的原理示意圖

1.2 屏幕特性的測(cè)試

我們?cè)跍y(cè)試過(guò)程中將用一個(gè)高電平為60 V左右的方波，加在屏幕的兩端，切換屏幕的同時(shí)，在屏幕的一邊放置一個(gè)發(fā)出穩(wěn)定的光強(qiáng)的儀器，在屏幕的另一端測(cè)定透過(guò)屏幕的光強(qiáng)，從而確定屏幕的散射狀態(tài)。在時(shí)間軸上對(duì)測(cè)定的數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖，比較，分析。通過(guò)調(diào)整這個(gè)方波的某些參數(shù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)屏幕特性的測(cè)試。

如圖2，方波的高電平的時(shí)間為2A+3B，低電平的時(shí)間為A，通過(guò)調(diào)整A、B的值，觀察屏幕能透過(guò)的光強(qiáng)，獲取屏幕的響應(yīng)特性。

圖2 測(cè)試用的波形及其參數(shù)

當(dāng)最開(kāi)始時(shí)，將A設(shè)為13 ms，B=2 ms，當(dāng)屏幕從開(kāi)態(tài)切換為關(guān)態(tài)時(shí)，由圖3可見(jiàn)，屏幕所透過(guò)的光強(qiáng)緩慢下降，在下一個(gè)開(kāi)態(tài)到來(lái)時(shí)，并不能下降到最低的狀態(tài)。對(duì)參數(shù)做出改動(dòng)，如圖4所示，A=19 ms，B=2 ms，此時(shí)的光強(qiáng)曲線(xiàn)依然緩慢下降，直到下一個(gè)開(kāi)態(tài)到來(lái)時(shí)，還是沒(méi)有穩(wěn)定在某一個(gè)低透過(guò)率的情況。而此時(shí)整個(gè)周期已達(dá)63 ms，顯然已經(jīng)不能滿(mǎn)足后續(xù)試驗(yàn)所要求的50 Hz的情況。

圖3 光強(qiáng)與時(shí)間的關(guān)系圖

圖4 光強(qiáng)與時(shí)間的關(guān)系圖

1.3 結(jié)果分析

由上文知，在普通的方波作用于PDLC屏幕時(shí)，屏幕恢復(fù)到關(guān)態(tài)的速度太慢，不能滿(mǎn)足本項(xiàng)目后續(xù)進(jìn)程的要求。因此，我們將對(duì)脈沖做些改動(dòng):我們每一次關(guān)屏幕時(shí)，先將原來(lái)的電壓置零，再給一個(gè)反向的窄脈沖，這個(gè)反向窄脈沖將屏幕的電壓快速的拉下來(lái)，縮短了弛豫時(shí)間。從而在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)開(kāi)態(tài)到關(guān)態(tài)的切換(如圖6所示，單路輸出波形所示)。

2 驅(qū)動(dòng)屏幕的硬件電路

2.1 硬件電路概述

本裝置中需要驅(qū)動(dòng)PDLC屏幕工作，基本要求為:電路的一端外接高壓電源，利用MOS管的開(kāi)關(guān)特性，將輸入的FPGA產(chǎn)生的方波變成高電平等于高壓源電壓(60 V～100 V)的，與原波形時(shí)序相同的方波。最終設(shè)計(jì)出如圖5的電路。

2.2 硬件電路詳述

數(shù)字的控制信號(hào)(一般可由FPGA產(chǎn)生)由YIN _1輸入，通過(guò)光耦開(kāi)關(guān)6N137［4］實(shí)現(xiàn)數(shù)字地與模擬地的隔離。在經(jīng)過(guò)一個(gè)集電極開(kāi)路(7406)的反相器之后，到達(dá)級(jí)聯(lián)的三級(jí)管的基極，三極管的輸出控制MOS管的柵極。MOS管的一端接的是近100 V的高壓，三極管的輸出的變化范圍為9 V，不可能提供接近高壓源的電壓去控制MOS管的通斷，所以需要一個(gè)DC-DC［5］來(lái)隔離地信號(hào)，從而使級(jí)聯(lián)的三極管工作在虛擬地上，而實(shí)際上相對(duì)于模擬地的電壓在電源電壓附近，從而使兩個(gè)級(jí)聯(lián)的三極管的輸出可控制MOS管的通斷。當(dāng)MOS管可以受控通斷時(shí)，就可使用MOS管的開(kāi)關(guān)特性來(lái)形成輸出的方波信號(hào)。在MOS管與三級(jí)管之間，接了一個(gè)電阻，電阻的作用是與MOS管中的寄生電容匹配，降低MOS管的時(shí)間常數(shù)，實(shí)現(xiàn)MOS管的快速響應(yīng)，在此電阻上并聯(lián)了一個(gè)快恢復(fù)二極管，作用是在電壓反相時(shí)構(gòu)建電流通路，使得寄生電容上的電荷快速流失，提高響應(yīng)速度。在圖5中，之所以電路后半部分會(huì)有兩路類(lèi)似的結(jié)構(gòu)，僅僅是為了提高電路的輸出功率。

圖5 驅(qū)動(dòng)電路圖

3 驅(qū)動(dòng)波形的時(shí)序

空間光調(diào)制器與PC使用DVI接口連接，在PC與空間光調(diào)制器傳輸圖像信息時(shí)，此DVI接口可發(fā)送給FPGA一個(gè)周期性的尖脈沖，此脈沖的周期，即為空間光調(diào)制器投影三張不同景深的圖片的其中一張所用的時(shí)間。我們?cè)诮㈦娐放c投影儀器的協(xié)同時(shí)，需要獲得此尖脈沖作為時(shí)鐘，而后將輸出3路給驅(qū)動(dòng)電路的信號(hào)，每一路信號(hào)將有控制正電源、正電源接地通路和負(fù)電源、負(fù)電源接地通路的總共4個(gè)I/O口輸出的波形，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)3個(gè)屏幕的驅(qū)動(dòng)。我們?cè)诰幊虝r(shí)，使用的是Altera公司的DE0開(kāi)發(fā)板［6］，其上載有Altera CycloneⅢ型fpga芯片［7］，上文提到我們要驅(qū)動(dòng)三塊屏幕，每塊屏幕需要4路信號(hào)，于是我們將分配12個(gè)I/O口。

3.1 每一路的正負(fù)電壓的關(guān)系

由于在實(shí)驗(yàn)中，對(duì)每一塊屏幕而言，它將受到60 V到100 V的驅(qū)動(dòng)電壓。因此，如果僅僅有正電壓的驅(qū)動(dòng)的話(huà)，在運(yùn)行過(guò)程中的平均電壓將高于周?chē)h(huán)境中的電壓，甚至平均電壓差有可能超過(guò)安全電壓，會(huì)造成安全隱患。所以我們將電路設(shè)計(jì)為正負(fù)電壓交替驅(qū)動(dòng)，這樣PDLC的屏幕將處于平均電壓為零的狀態(tài)。

除此之外，根據(jù)對(duì)屏幕測(cè)試的結(jié)果可知，每一次屏幕從開(kāi)態(tài)切換到關(guān)態(tài)會(huì)有一個(gè)弛豫時(shí)間，導(dǎo)致切換速度變慢。因此我們每一次關(guān)屏幕時(shí)，先將原來(lái)的電壓置零，再給一個(gè)反向的窄脈沖，這個(gè)反向窄脈沖將屏幕的電壓快速的拉下來(lái)，使屏幕快速回到關(guān)態(tài)，縮短了弛豫時(shí)間。

因此，單獨(dú)對(duì)每一路而言，當(dāng)正負(fù)電壓疊加后的輸出波形如圖6所示。

圖6 單路輸出

3.2 各塊屏幕間的時(shí)序

現(xiàn)階段試驗(yàn)中，我們實(shí)現(xiàn)了三塊屏幕交替閃爍的關(guān)系。在投影某一塊屏幕時(shí)，它前面的屏幕必須透明，這樣空間光調(diào)制器才可以將此屏幕對(duì)應(yīng)的圖像投上去。于是我們?cè)O(shè)計(jì)了如下的時(shí)序:

當(dāng)投影在屏幕一上的時(shí)候，屏幕一不透明，波形為低電平。當(dāng)投影在屏幕二上時(shí)，屏幕一透明，高電平，屏幕二不透明，低電平。當(dāng)投影在屏幕三上時(shí)，屏幕一、二透明，高電平，屏幕三不透明，低電平。于是就形成了:三路波形依次以一定的時(shí)間差顯示同一個(gè)波形的循環(huán)結(jié)構(gòu)。如圖7所示(此處我們僅僅給出了正向的波形，負(fù)向的波形同理可知)。

圖7 各屏幕之間的時(shí)序

4 基于Opencv的二維圖像景深提取算法

本項(xiàng)目中，我們先對(duì)普通的圖片做基于Opencv的景深提取，獲得灰度圖，然后再利用分?jǐn)?shù)階傅里葉變換，將圖片中不同的景深的部分分層次顯示出來(lái)，在此處主要簡(jiǎn)述了基于Opencv的景深提取算法。

4.1 何為景深

景深是指在攝影機(jī)鏡頭或其他成像器前沿著能夠取得清晰圖像的成像景深相機(jī)器軸線(xiàn)所測(cè)定的物體距離范圍。

4.2 關(guān)于Opencv

Opencv是一個(gè)跨平臺(tái)計(jì)算機(jī)視覺(jué)庫(kù)。它實(shí)現(xiàn)了圖像處理和計(jì)算機(jī)視覺(jué)方面的很多通用算法［8］。

Opencv擁有包括300多個(gè)C函數(shù)的跨平臺(tái)的中、高層API。在這個(gè)項(xiàng)目中，我們僅使用Opencv的內(nèi)部庫(kù)，沒(méi)有自己編譯的Opencv庫(kù)。

4.3 立體匹配與視差計(jì)算

立體匹配主要是通過(guò)找出每對(duì)圖像間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，根據(jù)三角測(cè)量原理，得到視差圖;在獲得了視差信息后，根據(jù)投影模型很容易地可以得到原始圖像的深度信息和三維信息。

4.3.1 SAD匹配代價(jià)疊加

用以計(jì)算視差的圖像有兩幅，以水平前向的兩個(gè)攝像機(jī)為例，左邊攝像機(jī)拍攝到的為圖8，右邊的為圖9。

圖8 左邊攝像機(jī)拍到的圖像

圖9 右邊攝像機(jī)拍到的圖像

匹配兩幅不同視圖的3D點(diǎn)，必須在它們重疊視圖內(nèi)的可視區(qū)域上才能被計(jì)算。因此一開(kāi)始，必須對(duì)兩幅視圖進(jìn)行雙目匹配。雙目匹配的算法主要有3種:SSD，SAD和NCC。這里我們選取SAD算法。

SAD，即絕對(duì)誤差累計(jì)的最小窗口，它用灰度值來(lái)表征兩幅圖像之間的差異。將左右兩幅視圖每個(gè)像素點(diǎn)的灰度值逐一相減取絕對(duì)值，再橫向縱向相加求得總和。公式如下:

算法對(duì)于兩幅圖像的亮度差異進(jìn)行預(yù)處理，使得兩圖在匹配之前能夠有相近的亮度從而減小誤差，也增強(qiáng)了圖像文理。這個(gè)過(guò)程通過(guò)在整幅圖像上移動(dòng)窗口，即匹配塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖8和圖9對(duì)齊之后，就開(kāi)始在同一行搜索。對(duì)于圖8的某一點(diǎn)，搜索圖9的同一行。以該點(diǎn)為中心，取一個(gè)匹配塊(比如9×9)，再在圖9搜索等大的匹配塊，計(jì)算兩個(gè)塊之間的SAD值。SAD值最小的，代表它們灰度值的差異最小，那么兩個(gè)中心點(diǎn)就匹配起來(lái)了。

也就是說(shuō)，只有當(dāng)一定區(qū)域內(nèi)的灰度值差異相同，才能保證這兩點(diǎn)是匹配的。

匹配塊窗口大小，最小為5×5，最大為21×21，這里我們?nèi)?×9，可以達(dá)到較好的匹配效果和較短的運(yùn)行時(shí)間。

4.3.2 SGBM算法的狀態(tài)參數(shù)設(shè)置

SGBM作為一種全局匹配算法，立體匹配的效果明顯好于局部匹配算法，但是同時(shí)復(fù)雜度上也要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于局部匹配算法。

由于SGBM算法已經(jīng)集成，并且其調(diào)用的庫(kù)函數(shù)也相當(dāng)成熟，因此我們只關(guān)心算法的外部接口，也就是狀態(tài)參數(shù)的設(shè)置

匹配過(guò)程通過(guò)SAD滑動(dòng)窗口來(lái)完成。對(duì)圖8上的每個(gè)特征而言，搜索圖9中的對(duì)應(yīng)行以找到最佳匹配。對(duì)于兩個(gè)水平前向平行的攝像機(jī)，圖9上的匹配位置一定會(huì)在圖8的相同行上。

以下為滑動(dòng)窗口的相關(guān)參數(shù):

(1)控制匹配搜索的第1個(gè)參數(shù)是minDisparity，它說(shuō)明了匹配搜索從哪里開(kāi)始，默認(rèn)值為0。

(2)程序在numberofDisparities設(shè)置的視察內(nèi)開(kāi)始搜索，默認(rèn)值為64。

(3)通過(guò)限制同一行上匹配點(diǎn)的搜索長(zhǎng)度來(lái)減少搜索的視差個(gè)數(shù)，從而減縮計(jì)算時(shí)間。

由于視差和景深成反比，因此，通過(guò)設(shè)置最小視差和搜索的視差個(gè)數(shù)，就可以建立起一個(gè)雙眼視界，這個(gè)3D體被立體算法的搜索范圍所覆蓋。

運(yùn)行效果如圖10、圖11所示，圖11為運(yùn)行結(jié)果。

圖10 未提取景深的原圖

圖11 灰度圖

結(jié)果說(shuō)明:灰度圖的視覺(jué)范圍與雙目視覺(jué)圖像中的左視圖保持一致。灰度圖像上，顏色越淺，表示該處與人眼的距離越近;反之則越遠(yuǎn)。

從運(yùn)行出來(lái)的灰度圖可以看出，SGBM具有一定的準(zhǔn)確性，圓錐、人臉和柵欄的輪廓均有所體現(xiàn)，由淺到深表現(xiàn)出的由遠(yuǎn)及近也大致準(zhǔn)確。但算法自身仍存在以下缺陷:

(1)精確度不夠 原圖中，人臉有凹凸的五官。也就是說(shuō)，鼻梁(凸起)和與其處在同一水平位置的臉頰相比，顯然，鼻梁與觀察者的距離比臉頰要遠(yuǎn)。但是灰度圖上整張臉呈現(xiàn)均勻的灰色，沒(méi)有凹凸感，即沒(méi)有體現(xiàn)精密的景深。

(2)圖像輪廓有所畸變。

(3)左右兩幅視圖必須底部對(duì)齊且大小相同，沒(méi)有自動(dòng)校正。

5 小結(jié)

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了一個(gè)基于PDLC屏幕的多屏幕三維立體顯示系統(tǒng)，并研究了基于Opencv的景深提取算法。通過(guò)以上研究，我們可以成功的將一幅二維的圖像中的三維景深信息提取出來(lái)，并轉(zhuǎn)化為不同景深的圖片供空間光調(diào)制器呈現(xiàn)出全息投影投影;而PDLC屏幕將與投影同步切換，從而使圖像成像于與其景深相對(duì)應(yīng)的屏幕之上，達(dá)到了三維立體顯示的效果。其裝置實(shí)物圖如圖12所示。

圖12 實(shí)驗(yàn)裝置圖

本顯示系統(tǒng)已經(jīng)具備了三維顯示的要素，投影成像清晰穩(wěn)定，屏幕的切換速度達(dá)到要求，開(kāi)態(tài)與關(guān)態(tài)的對(duì)比明顯，屏幕間的時(shí)序合理;算法也能夠正確的提取景深。但因其尚在試驗(yàn)階段，尚有許多提升的空間，以待后續(xù)的研究進(jìn)展去完善之。

［1］ 曾勃.聚合物分散液晶的制備及電光特性研究［D］.成都:電子科技大學(xué)，2006.

［2］ 王瓊?cè)A.3D顯示技術(shù)與器件［M］.北京:科學(xué)出版社，2011: 135-182.

［3］ 王永強(qiáng)，劉太剛.空間光調(diào)制器簡(jiǎn)介及其應(yīng)用［J］.焦作大學(xué)學(xué)報(bào)，2007(3):82-84.

［4］ 8 Pin Dip High Speed 10 Mbit/s Logic Gate Photocoupler 6N137 Datasheet［R］.2009:1-15.

［5］ Minmax.MIW1100series Datasheet［R］.2005:1-3.

［6］ Altera.DE0 User Manual［S］.2009:30-32.

［7］ Altera.CycloneⅢDevice Datasheet［R］.2008:1-6.

［8］ Gary Bradski，Adrian Kaehler.學(xué)習(xí)opencv［M］.于仕琪，劉瑞禎，譯.北京:清華大學(xué)出版社，2009:441-452.

劉 暢(1992- )，男，漢族，重慶梁平人，東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，本科生，neverstepbackliuc@gmail.com;

夏 軍(1974- )，男，漢族，江蘇泰興人，東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院顯示技術(shù)研究中心副教授，研究方向?yàn)槿S顯示、柔性顯示，xiajun@seu.edu.cn。

Multi-Screen 3D Volumetric Displaying Technology*

LIU Chang，CAI Hongyu，WEI Tianyin，YOU Wangqiu，XIA Jun*
(School of Electronic Science and Engineering，Southeast University，Nanjing 211189，China)

Nowadays，displaying technologies are developing rapidly，they have not only confined to the two-dimensional plane，many kinds of three-dimentional displaying technologies have been emerged.This program did some research on volumetric displaying technology based on multi PDLC(Polymer Dispersed Liquid Crystals)-screens，we took advantage of the switching character of PDLC-screens，used the method of time-divided displaying of multi screens and synchronized holographic projection to display a 3D graph.In this program，we analysed the response characteristics of PDLC screens，and designed the hardware of the circuit，the synchronization timing of PDLC-driving and projection，and the signal waveform of the PDLC-driving circuit.Furthermore we discussed the depth-of-field extraction algorithm based on Opencv.Finally we get 3D-graphs with different depth-of-field.

3D displaying;time-divided multi-screen displaying;synchronized holographic projection;PDLC-screens;Opencv;depth-of-field

10.3969/j.issn.1005－9490.2014.02.008

TN27

A

1005－9490(2014)02－0204－06

項(xiàng)目來(lái)源:國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目(1210286031)

2013-05-29修改日期:2013-06-20

EEACC:7260