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- 男
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摘 要： 实现了一种用于自由立体显示系统的光学引擎。该系统采用FPGA作为控制处理器，通过RS232串口与DSP瞳孔跟踪模块实时通信，并根据液晶面板同步信号控制大功率LED驱动电路实现对应瞳孔坐标的指向性照明。该系统与目前基于单片机的光学引擎比较，在成本提升很小的前提下具有能够精确控制时序、同步性更好、适应更大规模的LED驱动电路等优势，提高了系统的稳定性和可升级性，具有良好的应用前景。
关键词： FPGA；自由立体显示；LED阵列；光学引擎
立体显示技术经过多年发展已经有了巨大的进步，目前市场上已经商用的立体显示器大多需要佩戴配套的眼镜才能看到立体影像，存在多种不便利因素。已经出现的裸眼立体显示器基于光栅原理，虽然不需要佩戴眼镜，但是水平方向分辨率会降为原始分辨率的一半。因此如何实现不需要佩戴任何辅助设备即可观看全高清3D影像的自由立体显示技术，正成为研究的热点。
在这一背景下，本文提出并实现了一种可控的指向性光学引擎。采用该光学引擎利用普通120 Hz液晶面板即可实现自由立体显示技术。在不佩戴辅助设备的前提下，能达到同时多人观看全高清3D影像的目的。光学引擎采用通过Spartan 3E FPGA控制高亮度LED阵列的指向性背光技术，通过从人眼跟踪模块[1]获得的瞳孔坐标，控制LED驱动电路按照液晶屏的刷新时序准确将光线投射到人的左右眼中。与目前基于Atmega128单片机的光学引擎系统[2]相比，本系统在仅增加很少成本的前提下，具有能够精确控制时序、同步性更好、适应于更大规模LED驱动电路等优势，增加了系统的稳定性和可升级性。整套系统经测试，可在±30°视场角内实现1～5人的实时无辅助立体显示，并能够兼容传统的2D平面显示模式，达到商用标准，具有很好的应用前景。
1 自由立体显示系统工作原理
当场景中同一点在左右视图中具有视差的两点分别投射到对应人眼后，由大脑融合感觉到虚拟立体深度，从而产生立体感。在视差立体显示中能够观看到舒适立体的必要条件主要如下：
(1)左右眼看到的两幅图像各自刷新频率高于46 Hz；
(2)两幅图片的视差小于聚焦一辐辏的容许度；
(3)单视角图像的空间分辨率小于人眼的分辨极限。
根据以上原则，采用商用刷新率为120 Hz、分辨率为1 920×1 080的全高清液晶面板，分别以60 Hz的刷新率显示左右眼图像，利用菲涅尔透镜构成的光学成像系统[3]，在液晶屏上的左图像刷新完成后，光学引擎将LED阵列上的对应于左眼位置的固定宽度一段LED点亮并投射到观察者左眼中。同理下一帧右图像刷新完成后，右眼对应位置的LED会将整个屏幕照亮并投射到观察者右眼中。观察者的左右眼将会分别看到以60 Hz刷新的1 920×1 080全高清左右图像，经过大脑融合，就可以实现立体视觉。LED在人眼处投射的光带宽度大致等于人眼的宽度，其余位置几乎没有光线出射。因此本系统的光学利用率极高，只需要几颗高亮LED即可达到可观看的亮度。当有多人观看时，只要LED阵列对应位置不相互重叠，观看者间就不会互相影响，如图1所示。受限于水平方向±30°的视场角，本系统可同时供最多5人互不影响地观看。当观察者在视场角内左右移动时，瞳孔跟踪模块会实时将观察者当前的瞳孔位置发送给光学引擎，由光学引擎实时更新LED位置，使观察者始终能够观看到立体影像。系统可兼容传统2D模式显示，当系统工作在2D模式时，LED阵列以扫描背光模式工作，因此观看者在任何位置看到的画面都与传统2D显示器无异。
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