一種眼鏡式3D電視系統的設計

摘要：文章提出一種眼鏡式3D電視系統的設計，詳細闡述了系統的原理、軟硬件以及關鍵技術實現。系統基于高集成度TV SoC芯片和嵌入式Linux操作系統，可快速應用于偏光式3D和快門式3D電視產品，具有廣泛的應用價值。本文網絡版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/248890.htm

關鍵詞：眼鏡式3D；電視系統；快門式3D；偏光式3D

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2014.6.005

由于人雙眼觀察物體的角度略有差異，每只眼睛看到的圖像會有細微不同，大腦會將左右眼看到的圖像進行處理呈現出立體視覺[1]。利用人眼立體視覺原理的3D顯示技術于20世紀初已經開始得到研究[2]，近幾年更是得到飛躍式的發展，基于3D顯示的3D電視終端得到了大規模市場化應用[3]。

一般來說3D電視可分為眼鏡式和裸眼式，眼鏡式分為快門式、偏光式和色差式等[4]，裸眼式分為視差屏障式、柱狀透鏡式和全息式等[5]，現有市場上主流的3D電視以快門式和偏光式為主。快門式3D電視的原理是將左、右眼圖像幀交替顯示在屏上，同時發射同步信號控制快門眼鏡左右鏡片的開或關，使得左右眼圖像分別送入人的左右眼睛，從而呈現立體視覺。偏光式3D電視則是將左右眼圖像采用行交錯方式輸出到屏上，偏光眼鏡使得左右眼圖像分別送入人的左右眼，從而呈現立體視覺。快門式3D電視可保持畫面原有分辨率，但刷新率要求在100/120Hz以上才能保證觀看時沒有明顯閃爍感，且存在眼鏡成本高等不足；偏光式3D電視對刷新率沒有特殊要求、不存在閃爍問題，但畫面分辨率和亮度將損失一半。

目前大多3D電視方案是針對快門式3D電視或偏光式3D電視進行單獨設計。本文設計出一種眼鏡式3D電視系統，在同一硬件平臺和軟件系統上可兼容實現快門式3D電視或偏光式3D電視，能夠進行快速推廣和應用。

1 系統原理

眼鏡式3D電視系統原理如圖1所示。系統基于單顆高集成度的TV SoC芯片來搭建3D電視硬件平臺、包括接口電路和外圍電路，以硬件平臺為基礎開發出3D軟件系統。

TV SoC通過接口電路接收到電視信號后，自動識別是3D信號還是2D信號。3D顯示時：對3D信號進行解碼、3D格式識別和格式轉換、圖像增強等處理，通過LVDS輸出3D RGB圖像信號驅動3D屏，用戶佩戴3D眼鏡來分離左右眼圖像，實現3D顯示；對2D信號進行解碼，將2D信號轉換成3D信號后進行相應的處理，實現3D顯示。2D顯示時：對2D信號進行解碼、圖像增強等處理后，通過LVDS輸出2D RGB圖像信號驅動3D屏，實現2D顯示；對3D信號則先解碼，將3D信號轉換成2D信號后進行相應的2D處理，實現2D顯示。

該3D電視系統在同一硬件平臺和軟件系統上，采用差異設置可快速應用于偏光式3D電視或快門式3D電視。

2 硬件平臺實現

眼鏡式3D電視系統的硬件框圖如圖2所示。硬件平臺基于高集成度的TV SoC單芯片，接口電路包括模擬音視頻接口、HDMI接口、USB接口、網絡接口、Tuner接口，外圍電路包括DDR、EMMC、電源管理模塊、同步信號Sync輸出、IR和LED等。

TV SoC的CPU內核為ARM CortexA9，最高1GHz時鐘頻率，支持Linux和Android操作系統；GPU為ARM Mali-400 3D GPU，支持OPENGL ES 2.0和OPENVG 1.1，具有三維圖像加速性能。幀存儲及數據緩存采用1Gbytes DDR3-1333，程序存儲及數據存儲采用4Gbytes EMMC。具有AV和YPbPr等模擬音視頻接口、三路HDMI輸入和三路USB輸入接口、有線和無線網絡接口、模數一體電視Tuner接口；喇叭功放采用TPA5707；電源管理模塊將12V輸入電壓轉換成1.2V、1.5V等電壓輸出，為系統提供各種電壓。

硬件平臺中，有線網絡的網絡MAC和PHY由TV SoC系統集成，無線網絡通過WIFI模塊實現，簡化了網絡設計和保證了網絡的穩定性；采用數模一體Tuner實現了模擬電視、DVB-C和DTMB數字電視，模擬電視信號經過Tuner調諧處理后直接以IF中頻信號給到TV SoC，DVB-C和DTMB則在調諧處理并經過Demod、CA處理后輸出TS流信號給到TV SoC。同時，TV SoC具有兩組1080P的LVDS輸出接口，可以驅動1080P@120Hz 3D屏。

硬件平臺提供了豐富的接口，系統可通過多種途徑獲取3D內容，例如藍光DVD、移動存儲設備、互聯網3D視頻、3D數字廣播，提高和擴大了系統的適用性和應用范圍。

3 軟件系統實現

眼鏡式3D電視系統的軟件框架邏輯圖如圖3所示。軟件系統基于嵌入式Linux操作系統，按照不同功能分為六個邏輯層，包括嵌入式硬件平臺層、系統引導和驅動層、內核管理層、中間件層、文件系統和API層、以及應用程序層。

嵌入式硬件平臺層基于TV SoC的CPU內核，包括DDR、EMMC等，是軟件系統的最底層和整個軟件系統依賴的最基礎層。系統引導和驅動層包括嵌入式Linux操作系統引導程序Bootloader、Linux系統底層驅動、多媒體硬件驅動；Bootloader啟動和引導軟件系統運行；Linux系統底層驅動和多媒體硬件驅動是Linux內核訪問硬件的唯一接口，部分驅動采用加載方式實現、例如攝像頭設備。內核為Linux2.6，內核管理層包含內核運行所必須的進程管理、內存管理、文件系統管理、設備管理和內核API等模塊。中間件層包括各種播放接口，如數字電視、瀏覽器，實現了各種接口統一。文件系統和API層中，文件系統負責文件在外部存儲器上的管理，提供存取、共享、保護等；而API則為系統運行提供接口、以及為上層應用程序提供接口，例如H.264和MPEG 4等編解碼API、JPEG和OSD菜單等應用程序接口。應用程序層是軟件系統的最頂層，是人機交互的窗口、如UI界面；也是用戶編寫應用程序的窗口，可方便集成各種特色應用功能，如音樂相冊、下載搜索、網絡鄰居等。

1. 偏光和快門3D共平臺技術

3D電視系統通過軟件設置使LVDS輸出行交錯格式的3D RGB信號驅動偏光3D屏，讓左右眼圖像以行交錯的形式輸出在液晶屏上，其中奇數行像素顯示左（右）眼圖像，偶數行則顯示右（左）眼圖像；用戶佩戴偏光眼鏡實現左右眼圖像分離，呈現3D顯示。而通過軟件設置使LVDS輸出幀系列格式的3D RGB信號驅動快門3D屏，讓左右眼圖像以連續幀的形式輸出在液晶屏上，其中奇數幀顯示左（右）眼圖像，偶數幀則顯示右（左）眼圖像，并通過紅外信號IR發送幀同步信號Sync，用戶佩戴快門眼鏡實現左右眼圖像分離，呈現3D顯示。

同時，系統對3D圖像信號先進行插值平滑處理后、再進行了邊界增強處理，有效解決了偏光式3D圖像隔行出現的邊緣鋸齒及圖像失真、并保證清晰度不降低；以及通過Over Driver提升液晶屏的響應時間、并進行分區控制LED背光的狀態，有效降低了快門式3D圖像的串擾和重影問題。

2. 3D格式自動識別及轉換技術

無論藍光DV D、U S B設備、還是網絡點播3 D視頻，其格式一般為side-by-side、Top and bottom、Line alternating、Frame sequential、Field alternating、2D+depth、或Frame packing等。3D電視系統能夠自動識別接收的3D視頻信號格式，并自動轉換成行交錯或幀系列格式輸出。

3. 2D到3D、3D到2D信號轉換技術

3D電視系統通過對2D視頻信號的運動視差、色彩、紋理、光影等信息，估算出每個像素點的深度信息并形成深度圖，根據深度圖中各個像素點的深度信息，重新繪制具有深度信息的像素點來形成立體圖像，實現2D轉3D。

在3D轉2D中，3D電視系統僅僅獲取左眼或右眼圖像信息，并進行動態估算和插值，形成完整的2D圖像，實現2D轉3D。

4. 景深調節技術

不合理的3D顯示將嚴重影響3D顯示效果以及影響人們的身心健康，例如3D顯示太過強烈將對人的眼睛尤其是對兒童的眼睛造成傷害，3D顯示太過輕微則立體感不明顯。一般來說景深越大3D顯示越強烈，而景深越小3D顯示越輕微。3D電視系統按照用戶實際觀看距離、影片類型、視覺感受要求等情況，并依據3D視頻內容的色彩、運動速度等信息來動態調整景深，實現改變3D電視的3D顯示效果，為電視用戶提供舒適的3D體驗。

5 應用情況

目前采用該系統的多個偏光式3D電視產品和多個快門式3D電視產品已經量產上市，涵蓋32英寸至65英寸，其中偏光式3D電視產品包括E83、E750等系列，快門式3D電視產品包括E65、E70等系列，市場銷售規模達到百萬臺。

6 結束語

本文提出一種基于高集成度TV SoC和嵌入式Linux操作系統的眼鏡式3D電視系統的設計，詳細闡述了其3D電視系統原理、硬件和軟件的實現、以及系統中的關鍵技術實現。系統可快速應用于偏光式和快門式3D電視產品，具有可擴展性和延續性，能夠帶給用戶良好的3D體驗，具有廣泛的應用價值。采用該系統的3D電視產品目前已經大規模產業化應用，帶來了良好的社會經濟效益。

參考文獻：

[1]王瓊華.3D顯示技術與器件[M].北京：科學出版社，2011

[ 2 ]中國投影網.從3 D顯示技術發展歷程及現狀看其走勢[EB/OL].（2012-02-03）.http：//www.ty360. com/2012/2/2012_1_47550_1.htm

[3]中國3D產業研究院.全球3D產業發展八大趨勢[J].中國新通訊，2011，13（10）：100-103

[ 4 ] J a v i d i B ， O k a n o F . T h r e e - D i m e n s i o n a l Television，Video，and Display Technologies[M].New York，USA：Spring，2002

[5]張興，鄭成武，李寧.液晶材料與3D顯示[J].液晶與顯示，2012，27（4）：448-455