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1、多屏幕三維體顯示技術(shù) 多屏幕三維體顯示技術(shù) 2014/08/16 《電子器件雜志》2014年第三期 1PDLC屏幕的特性 1．1屏幕特性的測(cè)試我們?cè)跍y(cè)試過(guò)程中將用一個(gè)高電平為60V左右的方波，加在屏幕的兩端，切換屏幕的同時(shí)，在屏幕的一邊放置一個(gè)發(fā)出穩(wěn)定的光強(qiáng)的儀器，在屏幕的另一端測(cè)定透過(guò)屏幕的光強(qiáng)，從而確定屏幕的散射狀態(tài)。在時(shí)間軸上對(duì)測(cè)定的數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖，比較，分析。通過(guò)調(diào)整這個(gè)方波的某些參數(shù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)屏幕特性的測(cè)試。如圖2，方波的高電平的時(shí)間為2A+3B，低電平的時(shí)間

2、為A，通過(guò)調(diào)整A、B的值，觀察屏幕能透過(guò)的光強(qiáng)，獲取屏幕的響應(yīng)特性。當(dāng)最開(kāi)始時(shí)，將A設(shè)為13ms，B=2ms，當(dāng)屏幕從開(kāi)態(tài)切換為關(guān)態(tài)時(shí)，由圖3可見(jiàn)，屏幕所透過(guò)的光強(qiáng)緩慢下降，在下一個(gè)開(kāi)態(tài)到來(lái)時(shí)，并不能下降到最低的狀態(tài)。對(duì)參數(shù)做出改動(dòng)，如圖4所示，A=19ms，B=2ms，此時(shí)的光強(qiáng)曲線依然緩慢下降，直到下一個(gè)開(kāi)態(tài)到來(lái)時(shí)，還是沒(méi)有穩(wěn)定在某一個(gè)低透過(guò)率的情況。而此時(shí)整個(gè)周期已達(dá)63ms，顯然已經(jīng)不能滿足后續(xù)試驗(yàn)所要求的50Hz的情況。 1．2結(jié)果分析由上文知，在普通的方波作用于PDLC屏幕時(shí)，屏幕恢復(fù)到關(guān)態(tài)的速度太慢，不能滿足本項(xiàng)目后續(xù)進(jìn)程的要求。因此，我們將對(duì)脈沖做些改動(dòng):我們每一次關(guān)屏幕時(shí)，

3、先將原來(lái)的電壓置零，再給一個(gè)反向的窄脈沖，這個(gè)反向窄脈沖將屏幕的電壓快速的拉下來(lái)，縮短了弛豫時(shí)間。從而在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)開(kāi)態(tài)到關(guān)態(tài)的切換(如圖6所示，單路輸出波形所示)。 2驅(qū)動(dòng)屏幕的硬件電路 2．1硬件電路概述本裝置中需要驅(qū)動(dòng)PDLC屏幕工作，基本要求為:電路的一端外接高壓電源，利用MOS管的開(kāi)關(guān)特性，將輸入的FPGA產(chǎn)生的方波變成高電平等于高壓源電壓(60V～100V)的，與原波形時(shí)序相同的方波。最終設(shè)計(jì)出如圖5的電路。 2．2硬件電路詳述數(shù)字的控制信號(hào)(一般可由FPGA產(chǎn)生)由YIN_1輸入，通過(guò)光耦開(kāi)關(guān)6N137［4］實(shí)現(xiàn)數(shù)字地與模擬地的隔離。在經(jīng)過(guò)一個(gè)集電極開(kāi)路(7406)的反相器

4、之后，到達(dá)級(jí)聯(lián)的三級(jí)管的基極，三極管的輸出控制MOS管的柵極。MOS管的一端接的是近100V的高壓，三極管的輸出的變化范圍為9V，不可能提供接近高壓源的電壓去控制MOS管的通斷，所以需要一個(gè)DC－DC［5］來(lái)隔離地信號(hào)，從而使級(jí)聯(lián)的三極管工作在虛擬地上，而實(shí)際上相對(duì)于模擬地的電壓在電源電壓附近，從而使兩個(gè)級(jí)聯(lián)的三極管的輸出可控制MOS管的通斷。當(dāng)MOS管可以受控通斷時(shí)，就可使用MOS管的開(kāi)關(guān)特性來(lái)形成輸出的方波信號(hào)。在MOS管與三級(jí)管之間，接了一個(gè)電阻，電阻的作用是與MOS管中的寄生電容匹配，降低MOS管的時(shí)間常數(shù)，實(shí)現(xiàn)MOS管的快速響應(yīng)，在此電阻上并聯(lián)了一個(gè)快恢復(fù)二極管，作用是在電壓反相時(shí)構(gòu)

5、建電流通路，使得寄生電容上的電荷快速流失，提高響應(yīng)速度。在圖5中，之所以電路后半部分會(huì)有兩路類似的結(jié)構(gòu)，僅僅是為了提高電路的輸出功率。 3驅(qū)動(dòng)波形的時(shí)序 空間光調(diào)制器與PC使用DVI接口連接，在PC與空間光調(diào)制器傳輸圖像信息時(shí)，此DVI接口可發(fā)送給FPGA一個(gè)周期性的尖脈沖，此脈沖的周期，即為空間光調(diào)制器投影三張不同景深的圖片的其中一張所用的時(shí)間。我們?cè)诮㈦娐放c投影儀器的協(xié)同時(shí)，需要獲得此尖脈沖作為時(shí)鐘，而后將輸出3路給驅(qū)動(dòng)電路的信號(hào)，每一路信號(hào)將有控制正電源、正電源接地通路和負(fù)電源、負(fù)電源接地通路的總共4個(gè)I/O口輸出的波形，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)3個(gè)屏幕的驅(qū)動(dòng)。我們?cè)诰幊虝r(shí)，使用的是Altera

6、公司的DE0開(kāi)發(fā)板［6］，其上載有AlteraCycloneⅢ型fpga芯片［7］，上文提到我們要驅(qū)動(dòng)三塊屏幕，每塊屏幕需要4路信號(hào)，于是我們將分配12個(gè)I/O口。 3．1每一路的正負(fù)電壓的關(guān)系由于在實(shí)驗(yàn)中，對(duì)每一塊屏幕而言，它將受到60V到100V的驅(qū)動(dòng)電壓。因此，如果僅僅有正電壓的驅(qū)動(dòng)的話，在運(yùn)行過(guò)程中的平均電壓將高于周圍環(huán)境中的電壓，甚至平均電壓差有可能超過(guò)安全電壓，會(huì)造成安全隱患。所以我們將電路設(shè)計(jì)為正負(fù)電壓交替驅(qū)動(dòng)，這樣PDLC的屏幕將處于平均電壓為零的狀態(tài)。除此之外，根據(jù)對(duì)屏幕測(cè)試的結(jié)果可知，每一次屏幕從開(kāi)態(tài)切換到關(guān)態(tài)會(huì)有一個(gè)弛豫時(shí)間，導(dǎo)致切換速度變慢。因此我們每一次關(guān)屏幕時(shí)，先

7、將原來(lái)的電壓置零，再給一個(gè)反向的窄脈沖，這個(gè)反向窄脈沖將屏幕的電壓快速的拉下來(lái)，使屏幕快速回到關(guān)態(tài)，縮短了弛豫時(shí)間。因此，單獨(dú)對(duì)每一路而言，當(dāng)正負(fù)電壓疊加后的輸出波形如圖6所示。 3．2各塊屏幕間的時(shí)序現(xiàn)階段試驗(yàn)中，我們實(shí)現(xiàn)了三塊屏幕交替閃爍的關(guān)系。在投影某一塊屏幕時(shí)，它前面的屏幕必須透明，這樣空間光調(diào)制器才可以將此屏幕對(duì)應(yīng)的圖像投上去。于是我們?cè)O(shè)計(jì)了如下的時(shí)序:當(dāng)投影在屏幕一上的時(shí)候，屏幕一不透明，波形為低電平。當(dāng)投影在屏幕二上時(shí)，屏幕一透明，高電平，屏幕二不透明，低電平。當(dāng)投影在屏幕三上時(shí)，屏幕一、二透明，高電平，屏幕三不透明，低電平。于是就形成了:三路波形依次以一定的時(shí)間差顯示同一個(gè)波

8、形的循環(huán)結(jié)構(gòu)。如圖7所示(此處我們僅僅給出了正向的波形，負(fù)向的波形同理可知)。 4基于Opencv的二維圖像景深提取算法 本項(xiàng)目中，我們先對(duì)普通的圖片做基于Opencv的景深提取，獲得灰度圖，然后再利用分?jǐn)?shù)階傅里葉變換，將圖片中不同的景深的部分分層次顯示出來(lái)，在此處主要簡(jiǎn)述了基于Opencv的景深提取算法。 4．1何為景深景深是指在攝影機(jī)鏡頭或其他成像器前沿著能夠取得清晰圖像的成像景深相機(jī)器軸線所測(cè)定的物體距離范圍。 4．2關(guān)于OpencvOpencv是一個(gè)跨平臺(tái)計(jì)算機(jī)視覺(jué)庫(kù)。它實(shí)現(xiàn)了圖像處理和計(jì)算機(jī)視覺(jué)方面的很多通用算法［8］。Opencv擁有包括300多個(gè)C函數(shù)的跨平臺(tái)的中、高層A

9、PI。在這個(gè)項(xiàng)目中，我們僅使用Opencv的內(nèi)部庫(kù)，沒(méi)有自己編譯的Opencv庫(kù)。 4．3立體匹配與視差計(jì)算立體匹配主要是通過(guò)找出每對(duì)圖像間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，根據(jù)三角測(cè)量原理，得到視差圖;在獲得了視差信息后，根據(jù)投影模型很容易地可以得到原始圖像的深度信息和三維信息。 4．3．1SAD匹配代價(jià)疊加用以計(jì)算視差的圖像有兩幅，以水平前向的兩個(gè)攝像機(jī)為例，左邊攝像機(jī)拍攝到的為圖8，右邊的為圖9。匹配兩幅不同視圖的3D點(diǎn)，必須在它們重疊視圖內(nèi)的可視區(qū)域上才能被計(jì)算。因此一開(kāi)始，必須對(duì)兩幅視圖進(jìn)行雙目匹配。雙目匹配的算法主要有3種:SSD，SAD和NCC。這里我們選取SAD算法。SAD，即絕對(duì)誤差累計(jì)的最小

10、窗口，它用灰度值來(lái)表征兩幅圖像之間的差異。將左右兩幅視圖每個(gè)像素點(diǎn)的灰度值逐一相減取絕對(duì)值，再橫向縱向相加求得總和。算法對(duì)于兩幅圖像的亮度差異進(jìn)行預(yù)處理，使得兩圖在匹配之前能夠有相近的亮度從而減小誤差，也增強(qiáng)了圖像文理。這個(gè)過(guò)程通過(guò)在整幅圖像上移動(dòng)窗口，即匹配塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖8和圖9對(duì)齊之后，就開(kāi)始在同一行搜索。對(duì)于圖8的某一點(diǎn)，搜索圖9的同一行。以該點(diǎn)為中心，取一個(gè)匹配塊(比如99)，再在圖9搜索等大的匹配塊，計(jì)算兩個(gè)塊之間的SAD值。SAD值最小的，代表它們灰度值的差異最小，那么兩個(gè)中心點(diǎn)就匹配起來(lái)了。也就是說(shuō)，只有當(dāng)一定區(qū)域內(nèi)的灰度值差異相同，才能保證這兩點(diǎn)是匹配的。匹配塊窗口大小，最小為5

11、5，最大為2121，這里我們?nèi)?9，可以達(dá)到較好的匹配效果和較短的運(yùn)行時(shí)間。 4．3．2SGBM算法的狀態(tài)參數(shù)設(shè)置SGBM作為一種全局匹配算法，立體匹配的效果明顯好于局部匹配算法，但是同時(shí)復(fù)雜度上也要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于局部匹配算法。由于SGBM算法已經(jīng)集成，并且其調(diào)用的庫(kù)函數(shù)也相當(dāng)成熟，因此我們只關(guān)心算法的外部接口，也就是狀態(tài)參數(shù)的設(shè)置匹配過(guò)程通過(guò)SAD滑動(dòng)窗口來(lái)完成。對(duì)圖8上的每個(gè)特征而言，搜索圖9中的對(duì)應(yīng)行以找到最佳匹配。對(duì)于兩個(gè)水平前向平行的攝像機(jī)，圖9上的匹配位置一定會(huì)在圖8的相同行上。以下為滑動(dòng)窗口的相關(guān)參數(shù):(1)控制匹配搜索的第1個(gè)參數(shù)是minDisparity，它說(shuō)明了匹配搜索從哪里開(kāi)

12、始，默認(rèn)值為0。(2)程序在numberofDisparities設(shè)置的視察內(nèi)開(kāi)始搜索，默認(rèn)值為64。(3)通過(guò)限制同一行上匹配點(diǎn)的搜索長(zhǎng)度來(lái)減少搜索的視差個(gè)數(shù)，從而減縮計(jì)算時(shí)間。由于視差和景深成反比，因此，通過(guò)設(shè)置最小視差和搜索的視差個(gè)數(shù)，就可以建立起一個(gè)雙眼視界，這個(gè)3D體被立體算法的搜索范圍所覆蓋。運(yùn)行效果如圖10、圖11所示，圖11為運(yùn)行結(jié)果。結(jié)果說(shuō)明:灰度圖的視覺(jué)范圍與雙目視覺(jué)圖像中的左視圖保持一致?；叶葓D像上，顏色越淺，表示該處與人眼的距離越近;反之則越遠(yuǎn)。從運(yùn)行出來(lái)的灰度圖可以看出，SGBM具有一定的準(zhǔn)確性，圓錐、人臉和柵欄的輪廓均有所體現(xiàn)，由淺到深表現(xiàn)出的由遠(yuǎn)及近也大致準(zhǔn)確。但

13、算法自身仍存在以下缺陷:(1)精確度不夠原圖中，人臉有凹凸的五官。也就是說(shuō)，鼻梁(凸起)和與其處在同一水平位置的臉頰相比，顯然，鼻梁與觀察者的距離比臉頰要遠(yuǎn)。但是灰度圖上整張臉呈現(xiàn)均勻的灰色，沒(méi)有凹凸感，即沒(méi)有體現(xiàn)精密的景深。(2)圖像輪廓有所畸變。(3)左右兩幅視圖必須底部對(duì)齊且大小相同，沒(méi)有自動(dòng)校正。 5小結(jié) 本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了一個(gè)基于PDLC屏幕的多屏幕三維立體顯示系統(tǒng)，并研究了基于Opencv的景深提取算法。通過(guò)以上研究，我們可以成功的將一幅二維的圖像中的三維景深信息提取出來(lái)，并轉(zhuǎn)化為不同景深的圖片供空間光調(diào)制器呈現(xiàn)出全息投影投影;而PDLC屏幕將與投影同步切換，從而使圖像成像于與其景深相對(duì)應(yīng)的屏幕之上，達(dá)到了三維立體顯示的效果。其裝置實(shí)物圖如圖12所示。本顯示系統(tǒng)已經(jīng)具備了三維顯示的要素，投影成像清晰穩(wěn)定，屏幕的切換速度達(dá)到要求，開(kāi)態(tài)與關(guān)態(tài)的對(duì)比明顯，屏幕間的時(shí)序合理;算法也能夠正確的提取景深。但因其尚在試驗(yàn)階段，尚有許多提升的空間，以待后續(xù)的研究進(jìn)展去完善之。 作者：劉暢蔡虹宇魏天音游望秋夏軍單位：東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院 上一個(gè)文章： DM642的人臉檢測(cè)下一個(gè)文章： Buffer單元單粒子效應(yīng)研究