立體顯示技術經過多年發展已經有了巨大的進步，目前市場上已經商用的立體顯示器大多需要佩戴配套的眼鏡才能看到立體影像，存在多種不便利因素。已經出現的裸眼立體顯示器基于光柵原理，雖然不需要佩戴眼鏡，但是水平方向分辨率會降為原始分辨率的一半。因此如何實現不需要佩戴任何輔助設備即可觀看全高清3D影像的自由立體顯示技術，正成為研究的熱點。

    在這一背景下，本文提出并實現了一種可控的指向性光學引擎。采用該光學引擎利用普通120 Hz液晶面板即可實現自由立體顯示技術。在不佩戴輔助設備的前提下，能達到同時多人觀看全高清3D影像的目的。光學引擎采用通過Spartan 3E FPGA控制高亮度LED陣列的指向性背光技術，通過從人眼跟蹤模塊[1]獲得的瞳孔坐標，控制LED驅動電路按照液晶屏的刷新時序準確將光線投射到人的左右眼中。與目前基于Atmega128單片機的光學引擎系統[2]相比，本系統在僅增加很少成本的前提下，具有能夠精確控制時序、同步性更好、適應于更大規模LED驅動電路等優勢，增加了系統的穩定性和可升級性。整套系統經測試，可在±30°視場角內實現1～5人的實時無輔助立體顯示，并能夠兼容傳統的2D平面顯示模式，達到商用標準，具有很好的應用前景。
1 自由立體顯示系統工作原理
    當場景中同一點在左右視圖中具有視差的兩點分別投射到對應人眼后，由大腦融合感覺到虛擬立體深度，從而產生立體感。在視差立體顯示中能夠觀看到舒適立體的必要條件主要如下：
    (1)左右眼看到的兩幅圖像各自刷新頻率高于46 Hz；
    (2)兩幅圖片的視差小于聚焦一輻輳的容許度；
    (3)單視角圖像的空間分辨率小于人眼的分辨極限。
    根據以上原則，采用商用刷新率為120 Hz、分辨率為1 920×1 080的全高清液晶面板，分別以60 Hz的刷新率顯示左右眼圖像，利用菲涅爾透鏡構成的光學成像系統[3]，在液晶屏上的左圖像刷新完成后，光學引擎將LED陣列上的對應于左眼位置的固定寬度一段LED點亮并投射到觀察者左眼中。同理下一幀右圖像刷新完成后，右眼對應位置的LED會將整個屏幕照亮并投射到觀察者右眼中。觀察者的左右眼將會分別看到以60 Hz刷新的1 920×1 080全高清左右圖像，經過大腦融合，就可以實現立體視覺。LED在人眼處投射的光帶寬度大致等于人眼的寬度，其余位置幾乎沒有光線出射。因此本系統的光學利用率極高，只需要幾顆高亮LED即可達到可觀看的亮度。當有多人觀看時，只要LED陣列對應位置不相互重疊，觀看者間就不會互相影響，如圖1所示。受限于水平方向±30°的視場角，本系統可同時供最多5人互不影響地觀看。當觀察者在視場角內左右移動時，瞳孔跟蹤模塊會實時將觀察者當前的瞳孔位置發送給光學引擎，由光學引擎實時更新LED位置，使觀察者始終能夠觀看到立體影像。系統可兼容傳統2D模式顯示，當系統工作在2D模式時，LED陣列以掃描背光模式工作，因此觀看者在任何位置看到的畫面都與傳統2D顯示器無異。

2 光學引擎系統設計
2.1 系統總體架構
    由上節所介紹的自由立體顯示系統原理可知，本系統中光學引擎的主要任務包括視頻左右幀同步信號的獲取、觀看者瞳孔位置坐標的獲取和對高亮度LED陣列的控制。目前光學引擎的主控部分采用AVR單片機來完成。受限于單片機的順序執行單線程架構，無法對系統的時序進行精確控制，很小的功能改變就會導致最終系統的時序錯亂，使整個系統的魯棒性和可定制性較差。并且由于單片機的時鐘最高僅能到12 MHz，再加上部分指令執行時間大于一個時鐘周期，單片機對TLC5927 LED驅動芯片的配置速率最高僅能達到800 kHz。由于TLC5927采用串行方式配置，當驅動芯片數量為50片時，完成所有驅動芯片的配置需要耗時達1 ms，已經無法滿足大規模LED陣列的驅動時序要求。因此本文采用基于FPGA的光學引擎系統。由于FPGA的并行特性，可以方便地對系統時序進行控制，增加和減少功能不會對已有時序產生影響，增強了系統的可定制性和魯棒性[4]。并且由于FPGA的高時鐘頻率，系統可以以LED驅動芯片的最大配置時鐘頻率30 MHz對其進行配置，在1 ms時間內最多可配置1 876片TLC5927，使系統的可擴展性大大增強。系統功能框圖如圖2所示，其中虛線內的部分由FPGA完成。

2.2 同步信號接收模塊設計
    從120 Hz液晶面板配套的液晶開關眼鏡中可以提取出左右液晶鏡片的驅動波形，如圖3中lon、loff、ron、roff所示。將該波形經過電平匹配后即可輸入FPGA內部的同步信號接收模塊，將這4路信號兩兩異或，即可得到左眼和右眼的同步信號lbuff和rbuff。兩路信號的周期均為60 Hz，且相位相差180°。該信號僅僅表示液晶刷新的使能信號，由于液晶翻轉需要時間，因此左圖和右圖LED點亮使能信號需要延時液晶的翻轉時間τ，才能輸出給主控制器供LED驅動器使用。最后同步信號接收模塊輸出的波形為圖3中的lenable和renable。利用該信號驅動LED驅動器，即可在液晶面板顯示左圖時點亮左眼LED，顯示右圖時點亮右眼LED，液晶面板刷新過程中LED不亮。

2.3 串口通信模塊設計
    為了使光學引擎能夠實時更新人眼跟蹤模塊的瞳孔位置坐標，FPGA使用RS232串口與人眼跟蹤模塊的DSP通信。右眼的瞳孔位置可以根據左眼瞳孔位置+瞳孔間距得到，在觀看者瞳孔間距基本一致的情況下，串口僅需發送左眼瞳孔坐標即可，這樣可以大大減少串口的數據量，提高實時性。串口每幀傳輸10 bit數據，包括一位起始標志位和一位結束標志位[5]。串口通信模塊狀態機如圖4所示。DSP首先發送一個開始字節，內容為56 h，表明新的坐標數據傳輸開始。第二個字節中傳輸當前檢測到的瞳孔對數（即觀看者數量）。根據光學成像系統的參數視場角θ=±30°，最佳觀看距離d=1.2 m，人臉寬度w≈0.22 m，可以計算出最大同時觀看人數n=[2×(d×tanθ)/w]=6。第三個字節開始傳輸左眼瞳孔的坐標位置，當串口通信模塊獲得了所有的瞳孔坐標后，會將這些坐標發送給主控模塊，主控模塊以這些位置為地址即可從預置在FPGA中的對應表獲得顯示左圖時需要點亮的LED的對應位置。在該地址上加一個偏移量，就可以從同一個對應表中得到顯示右圖時需要點亮的LED的對應位置。主控模塊將這兩個位置存放在寄存器中，直到下一次DSP通過串口更新瞳孔位置信息。

    在3D顯示模式下，LED由主控提供的Enable信號按照120 Hz的幀率刷新，每幀LED熄滅后，LED驅動控制模塊從主控獲取下一幀的LED位置信息。由于采用8驅動管腳并聯的工作方式，因此可以將LED位置信息通過SDI口以3.75 MHz的速率發送給TLC5927陣列，同時以同步方式輸出30 MHz的CLK，即可實現每8個CLK周期同步一個SDI電平。SDI信息寫入完成后，LED驅動器控制模塊發送一個LE信號對TLC5927進行鎖存，并在下一次Enable信號到來時將OE信號拉低點亮對應的LED。時序如圖6所示。

    在實驗中，光學引擎系統以Spartan 3E FPGA作為控制處理器，通過RS232串口與DSP瞳孔跟蹤模塊實時通信，并根據液晶面板同步信號控制大功率LED驅動電路實現對應瞳孔坐標的指向性照明。采用FPGA作為控制處理器實現了對LED驅動芯片時序的精確控制和快速配置，使系統的魯棒性和可升級性明顯提升。實驗測試證明，本系統性能達到了市場化要求，具有較好的商業應用前景。
參考文獻
[1] Yan Chao，Wang Yuanqing，Zhang Zhaoyang.Robust real-time multi-user pupil detection and tracking under various illumination and large-scale head motion[J].Computer Vision and Image Understanding，2011，115(8)：1223-1238.
[2] 張瑞雪，王元慶，張兆揚.基于AVR單片機的自由立體顯示背光控制系統[J].現代電子技術，2011，34(23)：149-151.
[3] 汪洋，王元慶.多用戶自由立體顯示技術[J].液晶與顯示，2009，24(3)：434-437.
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[5] 王希朝，張毅，程鵬，等.面向物聯網應用的UART-WIFI 網關設計[J].微型機與應用，2013，32(8)：45-47.
[6] BRAR R S，SURMAN P，SEXTON I，et al.Helium3D：a  laser-based 3D display with′3D+′Capability[C].2010 Conference on Visual Media Production(CVMP)，IEEE，2010：123-130.
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[8] Texas Instruments.TLC5916 one-wire control-eliminating microprocessor control for LED driver[DB/OL].（2009-07-xx）[2013-07-15].http://www.ti.com/lit/an/slva346/slva346.pdf.