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)新出現的虛擬現實(shí)顯示設備，它真實(shí)地再現場(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(guān)察者無(wú)需使用任何附加設備，直接用肉眼就可看到屏幕上顯示的立體圖像。觀(guān)測者可以更容易、更快速地理解真實(shí)的景深信息，更全面、更直觀(guān)地洞察圖像空間位置的實(shí)際分布狀況。

　　目前，國內外的自由立體液晶顯示方式通常采用計算機采集圖像并存儲，處理后輸出到液晶屏驅動(dòng)電路板，然后通過(guò)板載模數轉換模塊等處理后在液晶屏顯示立體圖像。這種方式主要由計算機進(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(chǎng)商提供驅動(dòng)電路板。因此，本文以FPGA為核心，設計并開(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，可廣泛應用于立體顯微、測繪領(lǐng)域、工程設計、軍事指揮等各個(gè)方面，有望形成產(chǎn)業(yè)規模。

1 方案設計

　　人們通常是兩眼同時(shí)觀(guān)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)眼球的運動(dòng)、調整，綜合這兩幅圖像的信息，產(chǎn)生立體感。本設計通過(guò)兩個(gè)完全相同的攝像機，使兩個(gè)圖像平面位于同一平面Q，兩機坐標軸平行，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[1]。

　　立體圖像獲取及顯示系統框圖如圖1所示。CMOS雙攝像頭嚴格水平放置，獲取立體圖像對。數字圖像數據并行進(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直接驅動(dòng)，分辨率為640×480像素，色彩為262K(6bit/color)，工作電壓3.3V。

　　以OmniVision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)現雙芯片成像系統。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償和內插。它支持SXGA和VGA兩種模式，支持攝像和快拍，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)，可編程設定成像窗口和幀傳輸速率。內部集成了SCCB控制接口便于訪(fǎng)問(wèn)其57個(gè)片內寄存器，以實(shí)現對圖像傳感器芯片各種工作狀態(tài)參數的設定[2]。

　　采用FPGA實(shí)現數據的采集、處理及作為液晶屏的顯示接口。相對普通微處理器，FPGA時(shí)鐘頻率高、接口多，滿(mǎn)足高速數據傳輸需要；相對DSP而言，用戶(hù)I/O較多，不需擴展即可實(shí)現數據實(shí)時(shí)采集和輸出，且便于實(shí)現外加存儲器擴展。采用Xilinx公司的spartan3系列XC3S1000，系統門(mén)級為1000K，片上分布式RAM為120Kbit，分塊RAM為432Kbit。用戶(hù)I/O共391個(gè)，片上鎖相環(huán)（DCM）4個(gè)[3]。它輸出紅、綠、藍各6位信號，時(shí)鐘信號、行/場(chǎng)同步信號以及復合消隱信號在液晶屏顯示。

2 系統實(shí)現

　　2.1 雙攝像頭成像系統設計
　　該成像系統主要由兩個(gè)CMOS圖像傳感器、外圍控制電路和光學(xué)鏡頭組成。系統設計的主要任務(wù)是：(1)通過(guò)對管腳信號的控制設置成像系統的工作狀態(tài)，輸出VGA模式；(2)提供系統的工作時(shí)鐘信號，保證兩個(gè)攝像頭工作時(shí)鐘嚴格同步；(3)為系統提供穩定的工作電源和電平設置；(4)光學(xué)鏡頭的設計。

　　CMOS芯片為T(mén)TL電平接口，與FPGA兼容，其輸出數據格式如表1所示。它輸出10位并行紅、綠、藍信號，行、場(chǎng)同步信號，時(shí)鐘信號供FPGA采集。

　　2.2 FPGA設計
　　FPGA作為整個(gè)圖像系統的控制核心，實(shí)現數據采集接口及立體圖像合成的功能。采用Top-down設計方法，首先劃分為不同的功能模塊，用VHDL語(yǔ)言進(jìn)行行為級設計，然后采用原理圖進(jìn)行頂層設計，經(jīng)過(guò)編程、綜合、仿真和實(shí)現，最后在電路板上進(jìn)行驗證。