“3D視力”電影院液晶眼鏡設計方案

汪南　張文文

摘? 要：文章以某電子儀器半導體公司的MCU芯片為核心部件，以3D技術成像原理為基礎，對電影院3D液晶眼鏡系統方案進行了詳細的設計，主要介紹了3D液晶眼鏡系統方案的整體結構與設計原理，重點對3D眼鏡模塊的原理與控制方式，背光控制電路的原理與設計進行設計，最后通過3D效果評價標準對本設計方案進行可行性驗證，為該項目后期的進一步孵化奠定基礎。

關鍵詞：3D眼鏡;透明液晶;3D顯示;MCU

中圖分類號：TN27;TN949.192? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）05-0050-03

Design Scheme of LCD Glasses for “3D Vision” Cinema

WANG Nan，ZHANG Wenwen

（Xian Peihua University，School of Intelligent Science and Information Engineering，Xian? 710125，China）

Abstract：Based on the MCU chip of an electronic instrument semiconductor company and the 3D technology imaging principle，this paper designs the 3D liquid crystal glasses system scheme of the cinema in detail，mainly introduces the overall structure and design principle of the 3D liquid crystal glasses system scheme，focuses on the principle and control mode of the 3D glasses module，the principle and design of the backlight control circuit. Finally，the feasibility of the design scheme is verified by 3D effect evaluation standard，which lays the foundation for further incubation in the later stage of the project.

Keywords：3D glasses;transparent liquid crystal;3D display;MCU

0? 引? 言

隨著當今社會科技水平的不斷提高和發展突破，3D立體影視效果、虛擬仿真、三維數字建模等技術不斷取得突破性的發展，并且伴隨著3D技術的不斷完善，目前各類電子設備制造廠商、電影影視公司等相繼進行3D技術的開發研究，此項技術正在潛移默化地影響和改變人們的日常生活、閑暇娛樂及工作方式。目前，如果在電影院觀看3D電影，必須佩戴3D眼鏡，但不能用于其他生活項目。針對于此，為節約成本、充分使用以及提高人們的生活質量，特此進行研究“3D視力”電影院液晶眼鏡的設計。從而實現，佩戴此款“3D視力”液晶眼鏡時，當鏡片接收到信號時，即眼鏡的左右鏡關閉光線通過，實現3D效果;當沒有接收到信號，即如同正常眼鏡一樣，可以透過光線，正常使用。

基于西安培華學院“3D視力”電影院項目的研究，本文主要研究的內容是3D液晶眼鏡的系統方案，其主要核心部件是MSP430系列MCU芯片，根據系統結構設計、紅外接收技術原理、背光電路控制原理、材料選擇以及3D效果標準及評價做了詳細闡述。文章將從以下幾個方面進行對此項3D液晶眼鏡的方案設計進行系統的闡述，希望今后對此項3D液晶眼鏡的研發能有一定的價值作用。

1? 3D顯示技術成像原理

3D顯示技術，就是肉眼在觀看一幅圖像時，通過人的左右眼產生雙眼視差，使兩眼接收到不同的畫面，最終在大腦中合成，讓人們感受到立體的顯示效果。我們平時看到身邊的事物就是一個立體的空間，每一個事物都有三個維度：寬度（X）、長度（Y）、高度（Z），如圖1所示。

由于在傳統顯示器或者平面上，我們只能看到二維空間。根據調查研究顯示人的眼睛有4～6 cm的瞳距，人的雙眼在觀察物體的時候由于觀察角度存在略微不同。正因如此，每只眼睛所看到的物像都會呈現略微的差異，但是大腦會自動將這些物像處理為立體視覺，因此，我們才能看到有距離感的圖像。而生活中的3D電影影視效果也是如此，相對于2D視覺，3D視覺更加具有視覺沖擊力，也正是如此3D效果更加深受喜愛。

基于此，采用3D技術實現的三維視覺是當前社會的一種潮流，一種趨勢。圖2是3D成像原理示意圖，當兩只眼睛同時看到某一個物體的時候，左眼會看到較多偏左的畫面、右眼看到較多偏右的畫面，所以此時在我們眼睛里呈現的就是相對來說較遠的立體圖像，同理，左眼偏右、右眼偏左即給我們展現的是相對靠近的立體的圖像。因此針對于快門式3D眼鏡的顯示也是如此，當佩戴3D眼鏡確保左眼睛看到的是左圖像、右眼睛看到的是右圖像，當左右雙眼看到的不同影像融合在大腦即實現了3D效果。

2? 3D液晶眼鏡系統總體設計

2.1? 系統物理結構設計

本系統方案主要采用分層結構設計。層次分別為：最高層是各個軟件的管理模塊，即實現使用者對整個系統的總體控制;中間層為系統接口和硬件驅動模塊的實現;最底層就是實現硬件設備。

2.2? 系統軟件結構設計

本系統的核心硬件為MCU單片機控制。軟件程序工作結構圖如圖3所示。在按下這一款3D液晶眼鏡控制開機的按鈕之后，MCU隨即進行響應，緊接著便進入正常工作的狀態。MCU單片機的控制定時器，它的主要作用是捕捉脈寬，從而計算出鏡片開關的時間，并且產生響應的鏡片開關的時序。在此項操作之后接收紅外同步信號時將及時校準鏡片的開關時序。

3? 3D眼鏡模塊控制方式設計

3D眼鏡主要由紅外接收頭、可充電式聚合物鋰電池以及兩塊PCB板組成。紅外發射部分的電路原理結構圖如圖4所示。其工作原理為當主芯片發出載波信號給紅外發射板，產生的sync信號進行傳遞，由紅外發射管以紅外信號發射到空間中去。當眼鏡端的電路檢測到該信號后會立即關閉左鏡片，打開右鏡片，再經過極短時間關閉右鏡片，打開左鏡片。

眼鏡的左右鏡片由具有開關兩種狀態的透明液晶顯示屏組成，當沒有通過電流的時候可以透過光線，一旦有電流通過即關閉光線通過。由于部分3D片源有L/R、R/L的方式，為了避免出現反向情況，高低電平周期發生轉變。所以，在此發射電路上將設計安裝一個極性切換按鈕，如果在使用過程中，一旦出現竄亂現象，使用者可以通過使用控制切換按鈕，使得信號發射電路做出相應信號，從而來解決此項可能存在的問題。目前市面上常用的、頻率為38 kHz的載波信號發出時，所接收到這個信號時就會自動打開左鏡片，關閉右邊鏡片，經過極短時間又會關閉左邊鏡片，打開右邊鏡片。但是為了減少干擾，我們采用的則是20 kHz的頻率將紅外載波發射出去。

4? 背光控制電路設計

背光控制電路主要由MSP430系列單片機芯片實現。MSP430系列單片是一個16位的數據寬度、40 ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器，可以實現乘加運算相配合，并且能實現數字信號處理的某些算法，具有處理能力強、運算速度快、超低功耗、片內資源豐富等功能。

在3D液晶眼鏡模式下，背光電路控制原理圖如圖5所示，輸入信號位3D_SYNC和3D_EN兩個，當進行工作時，3D_EN產生的使能信號將由圖像處理模塊傳送到MCU中，然后開啟3D效果模式。此時系統中的背光控制電路需要提取圖像模塊傳送給MCU，此時產生的這個信號將與Glass_vsync信號同步，使得眼鏡的開關與畫面顯示為同步。

在背光電路控制過程中，MCU輸出信號分別是3D_LED、Glass_vsync和6個PWM信號。Glass_vsync是液晶眼鏡的同步信號，產生的信號將由MCU傳遞給紅外發射模塊再到眼鏡;3D_LED是產生的背光信號并且經過MCU發送給背光控制模塊，主要用于通過此信號調節燈條電流;PWM是產生的脈沖信號，當脈沖處于高電平表示背光燈條處于點亮狀態，背光的效果也通過此模塊調節。

5? 3D效果標準及評價

5.1? 3D效果標準

針對目前所運用的快門式3D技術，如若做到3D的效果，一般需要滿足以下兩個條件：第一，左右眼呈現出來的物像需要完全分離，做到最大限度地消除串擾引起的重影，導致視覺效果不佳;第二，快門式3D液晶鏡片的響應時間刷新速率要足夠快，以此減少圖像的拖影現象，一般刷新頻率不低于100 Hz，較少畫面的抖動。正因如此，當使用者佩戴3D液晶鏡片時看到的快速切換的不同畫面，在經由大腦處理之后，便會產生一定意義上的錯覺，這時我們可以看到立體影像。

5.2? 3D效果評價

快門眼鏡式3D立體效果呈現的優劣，除了取決于液晶屏響應時間的長短、速度的快慢，背光設計、3D下圖像處理等技術也決定了3D立體效果的好壞，系統設計時需從圖像處理、液晶屏、時序控制等方面優化。3D效果的評價需要從主觀和客觀兩個方面來進行。

6? 結? 論

本文主要圍繞快門式3D液晶鏡片系統設計方案的總體結構、部分電路工作原理、部分核心元器件的選擇做了詳細的說明，為今后3D立體產品的設計提供部分建議，起到一定的介紹和借鑒作用。如今，各項技術不斷完善和發展，諸多的3D立體技術已經涉及到多個領域。伴隨著各項技術的迅速發展，今后影視作品、動畫、游戲等娛樂領域將會更加豐富，3D立體的電子產品為人們帶來了全新體驗及享受。

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作者簡介：汪南（1999.08-），男，漢族，陜西安康人，本科，學士學位，研究方向：計算機系統開發、嵌入式開發;張文文（1999.10-），男，漢族，陜西榆林人，本科在讀，研究方向：軟件工程。