基于兩視點視頻融合技術的裸眼3D顯示的研究

鄒 虹，曾 鑫，溫 鑫

(重慶郵電大學 通信與信息工程學院，重慶 400065)

1 引 言

3D顯示的視頻圖像是在平面顯示的基礎上，增加了景物的深度信息及左右眼的視差信息，使其顯示效果更具立體感和真實感，更能滿足人們對事物真實性的追求[1]。其中，基于柱鏡光柵的裸眼3D顯示，相對于其他助視3D顯示，觀看方便且3D效果好，使其成為3D顯示發展的一個趨勢[2-4]。

基于柱鏡光柵的裸眼3D顯示，多視點視頻圖像的融合是非常重要的一個步驟。而視頻圖像融合的實現，目前很多都是采用純軟件的方式，編程實現播放器的功能，通過設置各種光學參數，并在播放器中打開視頻圖像源，在播放器中實現多視點視頻圖像的融合和融合后視頻圖像的播放[5]。很多播放器都需要安裝，而且由于3D片源相對于一般的視頻片源要求的容量更大，播放器在實現視頻融合播放時的速率要求很高，這就對電腦主機的配置要求及內存占用非常高，在系統配置一般的電腦上播放3D片源時可能會出現卡屏的現象，視頻播放不流暢直接影響裸眼3D顯示效果。

對此文中提出了一種通過軟硬件結合，實現將有左右視差的兩視點視頻圖像融合的方案。在硬件方面采用集成芯片做成電路板，利用低壓差分信號LVDS (Low-Voltage Differential Signaling)和嵌入式顯示接口eDP (Embedded Display Port)格式的信號來傳輸兩視點視頻信號及融合后的視頻信號，可實現視頻信號的高速傳輸[6]。軟件方面通過對各集成芯片下載程序，使它們共同實現視頻圖像的融合及信號傳送。視頻信號到達顯示器后，顯示器上能直接顯示融合后的視頻信號，配合柱鏡光柵，一起實現裸眼3D視頻圖像的實時顯示，從而觀看到流暢的裸眼3D顯示效果[7]。

2 系統整體架構設計

系統的功能架構如圖1所示，高速視頻信號處理的轉板上輸入的信號是由主控驅動板提供的eDP信號，該信號是有左右視差的兩視點視頻信號，通過eDP連接線將信號接到轉板的信號輸入接口。信號在轉板上處理后，通過轉板的eDP信號輸出接口輸出，輸出的信號為經過融合后的視頻信號，然后以eDP連接線的方式接入顯示屏上，最終在顯示屏上看到的是融合后的視頻圖像。

圖1 系統整體架構Fig.1 Structure of the system

3 高速視頻信號轉板的硬件電路設計

3.1 高速視頻信號處理轉板的框架

如圖2所示，在該信號處理轉板上，主要用到3種芯片，分別是將輸入的eDP數據信號轉換成LVDS數據信號的芯片ANX1122；對兩視點視頻信號進行排圖處理，實現兩視點視頻融合的芯片SPD2900GS；將LVDS格式的數據信號轉換成eDP信號輸出的芯片IT6251。

轉板上的DC/DC電壓轉換電路主要功能是為以上的各個芯片提供工作電壓。采用多種穩壓芯片及DC/DC電路實現各種電壓之間的轉換，得到包括5 V、3.3 V、2.5 V、1.2 V等電壓，根據各芯片工作電壓的需要，分別給它們提供對應的電壓，使它們都能夠進行正常工作。

圖2 高速視頻信號處理轉板框架圖Fig.2 Frame diagram of the high speed video signal processing board

3.2 高速差分信號線連接方式

各種芯片之間通過PCB板上的LVDS信號走線和eDP信號走線進行視頻信號的傳輸。

LVDS和eDP信號走線采用的都是低壓差分信號走線方式，在信號走線中，每一個數據傳輸通道或時鐘傳輸通道的輸出都為兩個信號(正輸出端和負輸出端)。信號接收端只根據差分對的電壓差來判定高低電平，差分對信號走線受到的干擾在接收端相減抵消，因而它們的抗干擾能力強，有很高的噪聲抑制能力，能夠實現高速率、遠距離、高可靠性的信號傳輸，它們被廣泛應用于液晶屏接口；其中eDP是一種嵌入式數碼音頻視訊傳輸接口，它的速率比LVDS的傳輸速率更高，在高分辨率面板傳輸接口居于主流地位，它是一種主要適用于平板電腦、筆記本等高分辨率顯示屏的數字接口[8]。

根據LVDS信號及eDP信號的特點及各種芯片的信號輸入輸出方式和引腳定義，確定了它們之間的差分信號線連接方式如圖3所示。

圖3 差分信號電路的連接方式Fig.3 Connection mode of differential signal circuit

該轉板上信號方向為從左到右，eDP輸入信號包括3對(ANX_D0+、ANX_D0-、ANX_D1+、ANX_D1-、ANXP、ANXN)，分別表示2通道數據信號和1通道時鐘控制信號，輸入到ANX1122芯片中，將eDP信號轉換成LVDS信號；ANX1122芯片輸出的LVDS信號包括10對(LVDS_TX_UxN、LVDS_TX_UxP (x=0、1、2、3)、LVDS_TX_CLKUN、LVDS_TX_CLKUP、LVDS_TX_LxN、LVDS_TX_LxP (x=0、1、2、3)、LVDS_TX_CLKLN、LVDS_TX_CLKLP)，分別表示2通道的4對數據信號和分別控制2通道的時鐘控制信號，它們分別連接到SPD2900GS芯片的輸入端，在該芯片中實現兩視點視頻信號的融合；SPD2900GS芯片輸出的LVDS信號有9對(Tx0N、Tx1N、Tx0P、Tx1P(x=A、B、C、D)、TCLK0N、TCLK0P)，分別表示2通道的4對數據信號和控制所有數據傳輸的時鐘信號，輸入IT6251芯片，將LVDS信號轉換成eDP信號；最后輸出的3對eDP信號(D0+/-、D1+/-、AUX+/-)，分別表示2通道數據信號和1通道時鐘控制信號，這3對信號可通過eDP信號線連接到顯示屏上，實現視頻的實時顯示。

3.3 高速差分對信號的PCB走線方式

由于LVDS和eDP都是差分信號，也都是高速傳輸的數字信號，為保證顯示器端接收到的視頻信號不受到外界的干擾，是正確無誤的，在設計PCB板上的LVDS差分走線和eDP走線時，都需要采取必要的措施，以保證信號的完整性。

eDP高速信號線上的速率比LVDS信號線上的速率更高，故其對等長要求更加嚴格，信號走線的長度差距會使接收端收到的信號產生偏移導致數據不對，產生錯誤，而且相對于等距，差分信號線對等長的要求更加嚴格，所以，在走線過程中盡量使每根信號線等長[9]。對于不能做到等長的差分對走線，可以通過繞線及圓滑微調等方式來實現等長。

各對信號走線之間通過覆地相互隔離，防止信號線之間相互干擾，當差分對之間、差分對和其他信號之間的間距大于走線寬度的4倍時，差分對受到的干擾幾乎可以忽略，故走線間距大于4倍走線寬度即可。當差分線對不可避免的受到干擾時，盡量使2根線受到相同的干擾，共模干擾在接收端相減被抵消，使接收端收到的信號數據沒有差錯[10]。

根據各芯片上分配的信號輸入輸出接口的位置、芯片引腳之間走線的連接情況及板子上各元器件的布局情況，轉板上的信號線都采用過孔的方式，將大部分差分信號走線放在底層。

以轉板的PCB layout中的eDP信號線為例，圖4所示為在PADS router軟件中的差分信號走線長度的測量結果，綠色背景欄中的數值表示實際的走線長度，綠色表示該長度在設置的最小長度和最大長度的范圍之內。從圖中可以看出eDP信號輸入的走線長度都為 22.987 mm，eDP輸出信號由兩部分組成，它們的走線長度分別為24.511 mm和4.807 mm，最終使得eDP輸出信號線總長都為29.318 mm。

圖4 eDP信號走線的長度(單位：mil)Fig.4 The length of eDP signal routing(unit:mil)

4 兩視點視頻融合的實現

文中采用支持視頻信號格式轉換及兩視點視頻信號融合功能的芯片，根據各芯片的功能及實現原理進行編程，并下載程序到對應芯片中，再將芯片貼到PCB板上，實現兩視點視頻信號的實時融合。

ANX1122是高性能、低功耗的eDP到LVDS的信號轉換芯片，它支持VESA(Video Electronics Standards Association) eDP v1.3的視頻數據輸入和單、雙通道的8位LVDS數據輸出，單、雙通道支持高速差分信號輸入的速率可達5.4 Gbits/s[11]，并兼容3D視頻格式。該芯片處理的eDP視頻信號主要來自其接收端的主通道上，包括數據信號及時鐘信號，它可以將收到的eDP信號按VESA格式標準轉換成 LVDS信號，再通過雙通道的LVDS輸出接口將視頻信號輸出。

SPD2900GS是一種可以實現將有左右視差的兩視點視頻圖像融合成單幅視頻圖像的排圖處理芯片，融合后的視頻用于3D顯示[2]。該芯片采用雙通道LVDS輸入、輸出，可達到6.16 Gbits/s的視頻圖像處理速率。將ANX1122輸出的LVDS信號輸入到該芯片中，根據顯示屏上貼的柱鏡光柵的各種參數如柱鏡的寬度、每個柱鏡下子像素的個數、柱鏡光柵的傾斜角度、水平偏移量等，通過排圖處理，實現視頻信號融合。將融合后的3D視頻圖像通過LVDS輸出端輸出到IT6251芯片的信號輸入端。

IT6251是將LVDS信號轉換成eDP信號的轉換芯片，內部帶有LVDS接收器和eDP發送器，可以將接收到的LVDS信號轉換為eDP信號輸出[13]，最后通過eDP信號線輸入到顯示屏上，使融合后的視頻信號能夠配合柱鏡光柵的分光折射作用，一起實現3D顯示。

5 視頻融合效果

為驗證文中設計的高速視頻信號處理板方案的可行性，以系統配置為1 920×1 080@60 Hz的筆記本電腦為例，該筆記本電腦的R、G、B三基色都以6 bits二進制數據表示。在顯示屏上顯示的效果如圖5所示：(a)為在播放器中顯示的兩個有左右視差的視頻圖像。將高速視頻信號處理轉板放到主控驅動板和貼有柱鏡光柵的筆記本電腦的顯示屏之間，并通過eDP連接線分別連接，連接方式如前面圖1所示。(b)為經過視頻信號處理，將兩視點視頻融合成單幅視頻圖像后，顯示屏上顯示的效果。從顯示效果可以看出，文中設計的高速視頻信號處理轉板實現了兩視點視頻圖像融合成3D視頻的實時轉換，實現了3D視頻的實時播放，通過柱鏡光柵的分光作用，可以看到效果非常好的3D立體顯示。

根據筆記本電腦的系統配置，顯示屏上有1 920×1 080個像素，每個像素有R、G、B三個子像素，每個子像素用6 bits二進制數據表示，則每一幀有1 920×1 080×(3×6) bits數據，以60 Hz刷新屏幕，那么，高速視頻信號處理轉板的視頻信號處理的能力有1 920×1 080×(3×6) ×60 bits/s≈2.24 Gbits/s，可見，系統中設計的轉板能夠對筆記本電腦的主控驅動板上輸出的有左右視差的兩視點視頻信號進行高速的視頻融合處理及信號的高速傳輸，實現了裸眼3D視頻的實時顯示。

(a) 有視差的兩視點視頻圖像(a) two-view video image with optical parallax

(b) 經視頻融合處理后的視頻圖像(b) video image after video synthesize 圖5 兩視點視頻圖像融合前后的效果圖Fig.5 Two-view video image before and after video synthesize

6 結 論

文中針對現有的采用純軟件編程實現的播放器中進行視頻圖像融合及播放3D視頻，對電腦主機配置要求高，一般配置的電腦在播放3D視頻圖像時可能出現卡屏等現象，提出了一種軟硬件結合的、適用于筆記本電腦等小尺寸顯示器的兩視點視頻信號融合方案。方案中利用兩視點視頻融合處理芯片及視頻信號格式轉換芯片，制作出一片高速視頻信號處理轉板。經測試，該轉板的視頻信號處理能力達2.24 Gbits/s，配合貼有柱鏡光柵的顯示屏上即可看到很好的裸眼3D顯示效果。該方案可用于各種小尺寸的帶eDP接口的顯示器上，實現兩視點視頻信號的實時高效的融合處理及裸眼3D視頻的流暢播放。

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