基于FPGA和LCOS技术的3D视频前端处理与显示系统设计 3D电视, 摄像头, 技术

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关键字：3D显示   FPGA   视频处理   LCOS  



目前，3D显示已逐渐融入到人们的生活当中，因其能再现真实的三维场景，受到了人们的广泛热爱，红蓝3D图像获取的基本原理如图1所示。摄像头采集同一场景的两路视频图像信号，对其中一路信号只提取图像信号的红色分量；另一路提取图像信号的蓝、绿色合成的青色分量。将两路信号采用同步色差合成算法合成红蓝3D视频图像。目前国内3D电视产业面临的主要问题在于：（1）3D电视芯片的缺少而导致3D片源的短缺；（2）视频处理的复杂度较高；（3）显示与观看效果不佳。为此本文对传统的视频处理过程中色度分量的提取、亮度的增强、红蓝3D眼镜的设计等方面进行了改进，并采用LCOS作为微显示器件，投影出红蓝3D视频图像。


图1 红蓝3D图像获取基本原理关键字：3D显示   FPGA   视频处理   LCOS  


3 FPGA红蓝3D视频获取及主观评价

FPGA选用的是Altera公司的Cyclone IV系列的EP4CE30F23C6N这款高速FPGA芯片，FPGA和DDR2之间的时钟频率可以达到200M，DDR2内部时钟频率达到400M，充分满足了两路视频处理的要求。通过对视频处理过程中模块的编写，编译后其消耗的的逻辑单元数为13615个，仅占总逻辑单元数的47%，如下图11所示，使视频处理过程更加简便高效。将以上各模块搭建、调试、下载到FPGA中，并采用镁光公司的LCOS芯片作为微显示器件，摄像头采集到的《阿凡达》2D电影的一个画面转换为3D换面效果如下图12所示，可以看到图面中的人物具有视差的红蓝两路图像，佩戴上红蓝3D眼镜，即可看到人物出屏的效果。
目前针对于3D显示的评价的方法主要还是主观的评价方法，按照2000年国际电信联盟发布的ITU-R BT.1438立体电视图像主观评价标准，分为5级，即优秀、良好、一般、不好、坏五个级别。以立体图片上的一点为中心，单眼左右移动时，图像会出现连续的跳跃，两次跳跃之间眼睛移动的角度为立体图像的视变角，视角越大，观看越舒适，但视角变大意味着立体感减弱。通过多人观看本文的3D视频，本设计主观评价在良好级别，达到了预期的设计效果。



图11 视频处理过程的硬件开销



图12 红蓝3D效果图


4 结束语

本文实现了一种结合Altera公司生产的Cyclone IV系列FPGA的3D视频前端处理与显示系统，具有设计周期短、结构简单、稳定可靠、实现效果逼真、节约设计成本的优点。高速图像采集系统中采用FPGA作为采集控制部分，不仅可以提高系统处理的速度，还可以提高系统的灵活性和适应性。弥补了当前3D电视芯片缺少的问题，对原有的视频处理过程及显示器件进行了改进，并提出了一种简便性和普适性的图像增强算法。该系统在安防监控、倒车影像、图像分析、影视拍摄和投影显示等方面都具有广泛的应用前景。

参考文献
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