用于裸眼3D LED顯示的多視區(qū)3D視頻播放系統(tǒng)

蘇萍，曹聰，2，馬建設，毛杰

（1.清華大學 深圳研究生院，廣東 深圳 518055；2.清華大學 精密儀器系，北京　100084；3.上海環(huán)鼎影視科技有限公司 上海　201203）

用于裸眼3D LED顯示的多視區(qū)3D視頻播放系統(tǒng)

蘇萍1，曹聰1，2，馬建設1，毛杰3

（1.清華大學 深圳研究生院，廣東 深圳 518055；2.清華大學 精密儀器系，北京100084；3.上海環(huán)鼎影視科技有限公司 上海201203）

文中提出了一種用于裸眼3D LED顯示的多視區(qū)3D播放系統(tǒng)。此播放系統(tǒng)由視頻解碼單元和視頻顯示單元組成，該視頻解碼單元將復合的多視區(qū)3D視頻信號流解析出左右眼兩路信號，同步傳送到視頻顯示單元。視頻顯示單元分別將對應左眼和右眼的兩路信號分頻轉(zhuǎn)換成多路，并加載到LED顯示屏上，進行LED屏裸眼3D播放。這種方法可以實現(xiàn)用于裸眼3D LED屏的多視區(qū)3D視頻的流暢播放。

裸眼3D顯示；LED顯示；視頻播放系統(tǒng)；雙視區(qū)播放系統(tǒng)

裸眼3D顯示技術是指將原有3D信號流通過硬件控制分離出左右眼信號，然后應用雙目視差原理，不用佩戴眼鏡和頭盔就可以直接呈現(xiàn)立體效果的一種顯示技術［1］。

目前流行的幾種3D技術都是需要額外佩戴觀看用具，通過觀看用具區(qū)分出左右眼不同畫面，從而得到觀賞3D的效果。觀看用具主要有眼鏡和頭盔兩種，長時間佩戴會讓人覺得疲憊和頭疼，特別是對于需要佩戴近視眼鏡的人而言以這種方式觀看3D視頻，負擔更重。裸眼3D的出現(xiàn)解決了這一問題

目前市場上出現(xiàn)的裸眼3D大都以液晶顯示器（Liquid Crystal Display，LCD）為載體，但是LCD想要做成大尺寸，造價高難度大。近年來，大屏幕顯示系統(tǒng)發(fā)展迅猛，其中效果最

理想的應用范圍最廣泛的當屬LED（Light-emitting Diode，發(fā)光二極管）顯示系統(tǒng)。本文旨在解決用大屏幕LED顯示屏來播放裸眼3D視頻的問題。

LED顯示屏由陣列排布的LED芯片組成，其顯示的畫面由PC機傳送過來，可以顯示視頻，音頻等文件。傳統(tǒng)的LED顯示屏播放系統(tǒng)主要由PC機，插在計算機總線插槽上的通訊卡，LED控制接口芯片，譯碼驅(qū)動電路等組成。其工作原理是將PC機作為上位機，將LED大屏幕上要顯示的多媒體信息及其控制信息由插在計算機總線插槽上的通訊卡截取，再經(jīng)由通訊電纜傳到LED顯示屏控制器上，經(jīng)過視頻控制器實時完成數(shù)據(jù)處理并傳送到行、列驅(qū)動電路，從而產(chǎn)生行列時序和灰度信號對LED顯示屏進行顯示控制［2］。

對于裸眼3D視頻的播放，傳統(tǒng)的LED顯示屏播放系統(tǒng)不再適用。3D LED顯示屏需要同時承載區(qū)分的左右眼信號，也就是意味著3D視頻信號從PC機傳出后，必須能夠解碼成左右眼信號。通過解碼系統(tǒng)出來的信號，并不一定能保證同步，需要進行信號的采集和處理，來保證左右眼信息的同步，最終將左右眼信號傳輸?shù)絃ED控制器來實現(xiàn)LED顯示屏的3D播放。為了優(yōu)化3D效果，采用多視區(qū)播放系統(tǒng)，使得3D效果的觀察更加平滑。

1　設計方案

1.1總體設計方案

多視區(qū)裸眼3D的播放系統(tǒng)由視頻解碼系統(tǒng)和視頻顯示系統(tǒng)兩部分組成。整體設計方案如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)設計方案Fig.1　System design

3D片源的信息流模擬信號通過上位機電腦輸出后，產(chǎn)生數(shù)字DVI信號。數(shù)字信號經(jīng)過視頻解碼系統(tǒng)輸出左右眼信號，信號經(jīng)過視頻顯示模塊的處理后加載到LED屏上，通過雙目視差原理，觀看者便可以看到3D效果。

視頻解碼系統(tǒng)和視頻顯示系統(tǒng)的功能如下：

1）視頻解碼系統(tǒng)：上位機通過顯卡直接輸出3D視頻的DVI信號，而后將信號高速緩存并采用視頻分離芯片將左右眼圖像信號分離，通過高速視頻無損時鐘同步分割技術，同步輸出雙通道的LVDS信號。實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速率，低噪聲，遠距離，高準確度的傳輸［3］。

2）視頻顯示系統(tǒng)：將雙通道的LVDS信號轉(zhuǎn)換為全數(shù)字輸出的DVI-D信號，數(shù)字信號通過分頻器分別將左眼信號分成N路（由于是多視區(qū)路數(shù)可以設定）同時將右眼信號分成N路，通過網(wǎng)卡發(fā)送到同步LED控制系統(tǒng)，可對LED顯示屏進行高精度逐點亮度校正，實現(xiàn)高刷新率、高灰度和高亮度控制。

1.2視頻解碼系統(tǒng)設計方案

視頻解碼單元基于FPGA技術，采用SDRAM作為數(shù)據(jù)圖像的緩存器，對立體視頻的像素數(shù)據(jù)進行分割存儲和同步輸出如圖2所示。

圖2　視頻解碼設計方案Fig.2　Video decoder unit design

視頻處理模塊由FPGA完成，按照畫面分割的要求，對數(shù)字立體視頻數(shù)據(jù)進行提取，分割存儲和同步輸出處理。通過對視頻的處理得到左右眼視頻圖像數(shù)據(jù)，通過FIFO時鐘同步模塊的控制按照一定的時序同步輸出左右眼影像［4］。硬件部分采用Altera CycloneⅡ系列的EP2C 35F484C8作為主控芯片，對視頻數(shù)據(jù)進行提取、分割和同步輸出等視頻處理。采用的4片SDRAM的型號為MT48LC4M3282。作為左右眼影像存儲模塊，共有4片SDRAM分成兩組，每組中一片用于左眼影像緩存，另一片用于右眼圖像緩存，兩組之間進行乒乓操作，即一組進行對一幀圖像的讀操作時，另一組進行對下一幀圖像寫操作［5］。左右眼信號分離輸出后，通過輸出模塊如圖3所示，發(fā)出視頻顯示單元所需的LVDS信號。

圖3　視頻解碼輸出系統(tǒng)設計方案Fig.3　Video decoder unit output design

將左眼輸出的DVI信號過渡存儲在寫數(shù)據(jù)緩沖模塊，然后數(shù)據(jù)位數(shù)轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換寫數(shù)據(jù)緩沖模塊存儲的數(shù)據(jù)的位數(shù)大小以符合SDRAM的標準。將數(shù)據(jù)存入SDRAM控制器后再通過讀數(shù)據(jù)緩沖模塊將SDRAM的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成3D影像所需要的LVDS信號，發(fā)送到LVDS發(fā)生器。各模塊的功能通過FPGA的控制來實現(xiàn)。寫數(shù)據(jù)緩沖模塊主要用于實現(xiàn)時鐘域的有效過渡，兩塊FPGA時鐘可能會不同步，必須寫進去再讀出來實現(xiàn)時鐘的過渡。讀數(shù)據(jù)緩沖模塊主要用來緩沖分割后的左右眼視頻信號，轉(zhuǎn)換成LVDS信號，發(fā)送給LVDS發(fā)生器。

1.3視頻顯示系統(tǒng)設計方案

視頻顯示單元包括兩路信號傳遞線，分別是右眼信號傳遞線和左眼信號傳遞線，每路信號傳遞線都包括依次信號連接的信號轉(zhuǎn)換器、信號分頻器、LED控制器和外部接口，該兩路信號傳遞線接收由視頻解碼單元輸出的兩路LVDS信號。系統(tǒng)結(jié)構如圖4所示。

圖4　視頻顯示方案設計Fig.4　Display unit design

目前設置播放系統(tǒng)為雙視區(qū)播放系統(tǒng)，所以原有的左右眼LVDS信號通過信號轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為DVI-D信號，通過分頻器分為兩路。分路后的DVI-D信號通過LED控制器，控制LED顯示屏的點亮［6］。

2　實驗結(jié)果分析

在設計觀察距離，用分布光度計對LED屏進行了光強分布測試，分別采用單視區(qū)播放系統(tǒng)和雙視區(qū)播放系統(tǒng)的控制。通過數(shù)據(jù)分析可以明顯的看出，采用雙視區(qū)播放系統(tǒng)，視區(qū)更密集。

2.1單視區(qū)播放系統(tǒng)

對采用單視區(qū)播放系統(tǒng)的LED屏進行紅光，綠光，藍光，的光照測試，通過光照測試的數(shù)據(jù)來反映視區(qū)的分布。測試結(jié)果如圖5所示。

圖5　單視區(qū)依次紅綠藍光照分析圖Fig.5　Single viewport RGBanalysis chart

測試結(jié)果，可以反映出在單視區(qū)播放系統(tǒng)的情況下，紅綠藍（RGB）的視區(qū)分布密集程度。

2.2雙視區(qū)播放系統(tǒng)

同樣對采用雙視區(qū)播放系統(tǒng)的LED屏進行紅光，綠光，藍光，白光的光強分布測試，測試結(jié)果如圖6所示。

從測試結(jié)果可以看出在60到80度范圍內(nèi)，采用雙視區(qū)播放系統(tǒng)，視區(qū)分布的密集程度密集。

3　結(jié)　論

圖6　雙視區(qū)依次紅綠藍光照分析圖Fig.6　Double viewport RGBanalysis chart

文中提出了一種雙視區(qū)播放系統(tǒng)的解決方案，能夠讓觀看效果更加平滑，避免視覺黑區(qū)。本文成功實現(xiàn)了雙視區(qū)播放系統(tǒng)控制LED進行3D效果的顯示。采用時鐘同步無損技術分離原視頻流中的左右眼信號，而后分頻并進行同步播放。目前的控制系統(tǒng)是將兩個視區(qū)復制以同樣的信息，未來在戶外LED屏分辨率提高的情況下，可以分別控制視區(qū)，在不同的角度可以看不同的視頻源。實現(xiàn)真正意義上的雙視區(qū)。

文中的設計方案，增強了戶外LED大屏幕的裸眼3D顯示的效果，具有廣闊的應用前景。

［1］張兆楊，安平，張之江.二維和三維視頻處理及立體顯示

技術［M］．北京：科學出版社，2010.

［2］劉麗莎，朱樺，韓秀清．基于網(wǎng)口傳輸?shù)腖ED同步屏控制系統(tǒng)及其FPGA實現(xiàn)［J］．電子工程師，2010（2）：63-64.

［3］宋炳生，花瑞.基于DVI接口的LED視頻控制系統(tǒng)研究［J］.電子設計應用，2008（1）：85-87.

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［5］程芳敏，黃啟俊，向守坤.基于FPGA的高速SDRAM控制器的視頻應用［J］.電子技術，2009，（07）：22-24.

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Multi-view 3D display system for autostereoscopic LED displays

SU Ping1，CAO Cong1，2，MA Jian-she1，MAO Jie3
（1.Shenzhen graduate school of Tsinghua University，Shenzhen 518055，China；2.Department of precision instruments，Tsinghua University，Beijing 100084，China；3.Shanghai Huanding Television Technology CO.，Ltd.，Shanghai 201203，China）

This paper presents a kind of multi-view 3D display system applied in autostereoscopic LED displays.This display system includes a video decoder unit and a display unit.The video decoding unit decomposes the left and right eye video signals from the composite multi-view 3D video.The video display unit transforms the left and right eye video signals into multi-channel signal，which will be loaded to the LED screen.This approach realizes smoothly playing of multi-view 3D videos in autostereoscopic 3D LED display.

autostereoscopic；LED display；video display system；double viewpoint display system

TN0

A

1674－6236（2016）03-0160-03

2015-03-16稿件編號：201503212

青年科學基金項目（20149110092）；深圳市基礎研究項目（JCYJ20140417115840236）

蘇 萍（1984—），女，河南浚縣人，博士，講師。研究方向：三維顯示、二元光學元件及光學檢測。