“3D視力”電影院液晶眼鏡設(shè)計(jì)方案

汪南　張文文

摘? 要：文章以某電子儀器半導(dǎo)體公司的MCU芯片為核心部件，以3D技術(shù)成像原理為基礎(chǔ)，對(duì)電影院3D液晶眼鏡系統(tǒng)方案進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)，主要介紹了3D液晶眼鏡系統(tǒng)方案的整體結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)原理，重點(diǎn)對(duì)3D眼鏡模塊的原理與控制方式，背光控制電路的原理與設(shè)計(jì)進(jìn)行設(shè)計(jì)，最后通過(guò)3D效果評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)本設(shè)計(jì)方案進(jìn)行可行性驗(yàn)證，為該項(xiàng)目后期的進(jìn)一步孵化奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：3D眼鏡;透明液晶;3D顯示;MCU

中圖分類號(hào)：TN27;TN949.192? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(dāng)今社會(huì)科技水平的不斷提高和發(fā)展突破，3D立體影視效果、虛擬仿真、三維數(shù)字建模等技術(shù)不斷取得突破性的發(fā)展，并且伴隨著3D技術(shù)的不斷完善，目前各類電子設(shè)備制造廠商、電影影視公司等相繼進(jìn)行3D技術(shù)的開發(fā)研究，此項(xiàng)技術(shù)正在潛移默化地影響和改變?nèi)藗兊娜粘Ｉ睢㈤e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(xiàng)目。針對(duì)于此，為節(jié)約成本、充分使用以及提高人們的生活質(zhì)量，特此進(jìn)行研究“3D視力”電影院液晶眼鏡的設(shè)計(jì)。從而實(shí)現(xiàn)，佩戴此款“3D視力”液晶眼鏡時(shí)，當(dāng)鏡片接收到信號(hào)時(shí)，即眼鏡的左右鏡關(guān)閉光線通過(guò)，實(shí)現(xiàn)3D效果;當(dāng)沒有接收到信號(hào)，即如同正常眼鏡一樣，可以透過(guò)光線，正常使用。

基于西安培華學(xué)院“3D視力”電影院項(xiàng)目的研究，本文主要研究的內(nèi)容是3D液晶眼鏡的系統(tǒng)方案，其主要核心部件是MSP430系列MCU芯片，根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、紅外接收技術(shù)原理、背光電路控制原理、材料選擇以及3D效果標(biāo)準(zhǔn)及評(píng)價(jià)做了詳細(xì)闡述。文章將從以下幾個(gè)方面進(jìn)行對(duì)此項(xiàng)3D液晶眼鏡的方案設(shè)計(jì)進(jìn)行系統(tǒng)的闡述，希望今后對(duì)此項(xiàng)3D液晶眼鏡的研發(fā)能有一定的價(jià)值作用。

1? 3D顯示技術(shù)成像原理

3D顯示技術(shù)，就是肉眼在觀看一幅圖像時(shí)，通過(guò)人的左右眼產(chǎn)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(shí)看到身邊的事物就是一個(gè)立體的空間，每一個(gè)事物都有三個(gè)維度：寬度（X）、長(zhǎng)度（Y）、高度（Z），如圖1所示。

由于在傳統(tǒng)顯示器或者平面上，我們只能看到二維空間。根據(jù)調(diào)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(shí)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(huì)呈現(xiàn)略微的差異，但是大腦會(huì)自動(dòng)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(duì)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(shù)實(shí)現(xiàn)的三維視覺是當(dāng)前社會(huì)的一種潮流，一種趨勢(shì)。圖2是3D成像原理示意圖，當(dāng)兩只眼睛同時(shí)看到某一個(gè)物體的時(shí)候，左眼會(huì)看到較多偏左的畫面、右眼看到較多偏右的畫面，所以此時(shí)在我們眼睛里呈現(xiàn)的就是相對(duì)來(lái)說(shuō)較遠(yuǎn)的立體圖像，同理，左眼偏右、右眼偏左即給我們展現(xiàn)的是相對(duì)靠近的立體的圖像。因此針對(duì)于快門式3D眼鏡的顯示也是如此，當(dāng)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(dāng)左右雙眼看到的不同影像融合在大腦即實(shí)現(xiàn)了3D效果。

2? 3D液晶眼鏡系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1? 系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)方案主要采用分層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。層次分別為：最高層是各個(gè)軟件的管理模塊，即實(shí)現(xiàn)使用者對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的總體控制;中間層為系統(tǒng)接口和硬件驅(qū)動(dòng)模塊的實(shí)現(xiàn);最底層就是實(shí)現(xiàn)硬件設(shè)備。

2.2? 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的核心硬件為MCU單片機(jī)控制。軟件程序工作結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。在按下這一款3D液晶眼鏡控制開機(jī)的按鈕之后，MCU隨即進(jìn)行響應(yīng)，緊接著便進(jìn)入正常工作的狀態(tài)。MCU單片機(jī)的控制定時(shí)器，它的主要作用是捕捉脈寬，從而計(jì)算出鏡片開關(guān)的時(shí)間，并且產(chǎn)生響應(yīng)的鏡片開關(guān)的時(shí)序。在此項(xiàng)操作之后接收紅外同步信號(hào)時(shí)將及時(shí)校準(zhǔn)鏡片的開關(guān)時(shí)序。

3? 3D眼鏡模塊控制方式設(shè)計(jì)

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(fā)射部分的電路原理結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。其工作原理為當(dāng)主芯片發(fā)出載波信號(hào)給紅外發(fā)射板，產(chǎn)生的sync信號(hào)進(jìn)行傳遞，由紅外發(fā)射管以紅外信號(hào)發(fā)射到空間中去。當(dāng)眼鏡端的電路檢測(cè)到該信號(hào)后會(huì)立即關(guān)閉左鏡片，打開右鏡片，再經(jīng)過(guò)極短時(shí)間關(guān)閉右鏡片，打開左鏡片。

眼鏡的左右鏡片由具有開關(guān)兩種狀態(tài)的透明液晶顯示屏組成，當(dāng)沒有通過(guò)電流的時(shí)候可以透過(guò)光線，一旦有電流通過(guò)即關(guān)閉光線通過(guò)。由于部分3D片源有L/R、R/L的方式，為了避免出現(xiàn)反向情況，高低電平周期發(fā)生轉(zhuǎn)變。所以，在此發(fā)射電路上將設(shè)計(jì)安裝一個(gè)極性切換按鈕，如果在使用過(guò)程中，一旦出現(xiàn)竄亂現(xiàn)象，使用者可以通過(guò)使用控制切換按鈕，使得信號(hào)發(fā)射電路做出相應(yīng)信號(hào)，從而來(lái)解決此項(xiàng)可能存在的問(wèn)題。目前市面上常用的、頻率為38 kHz的載波信號(hào)發(fā)出時(shí)，所接收到這個(gè)信號(hào)時(shí)就會(huì)自動(dòng)打開左鏡片，關(guān)閉右邊鏡片，經(jīng)過(guò)極短時(shí)間又會(huì)關(guān)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(fā)射出去。

4? 背光控制電路設(shè)計(jì)

背光控制電路主要由MSP430系列單片機(jī)芯片實(shí)現(xiàn)。MSP430系列單片是一個(gè)16位的數(shù)據(jù)寬度、40 ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器，可以實(shí)現(xiàn)乘加運(yùn)算相配合，并且能實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理的某些算法，具有處理能力強(qiáng)、運(yùn)算速度快、超低功耗、片內(nèi)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(hào)位3D_SYNC和3D_EN兩個(gè)，當(dāng)進(jìn)行工作時(shí)，3D_EN產(chǎn)生的使能信號(hào)將由圖像處理模塊傳送到MCU中，然后開啟3D效果模式。此時(shí)系統(tǒng)中的背光控制電路需要提取圖像模塊傳送給MCU，此時(shí)產(chǎn)生的這個(gè)信號(hào)將與Glass_vsync信號(hào)同步，使得眼鏡的開關(guān)與畫面顯示為同步。

在背光電路控制過(guò)程中，MCU輸出信號(hào)分別是3D_LED、Glass_vsync和6個(gè)PWM信號(hào)。Glass_vsync是液晶眼鏡的同步信號(hào)，產(chǎn)生的信號(hào)將由MCU傳遞給紅外發(fā)射模塊再到眼鏡;3D_LED是產(chǎn)生的背光信號(hào)并且經(jīng)過(guò)MCU發(fā)送給背光控制模塊，主要用于通過(guò)此信號(hào)調(diào)節(jié)燈條電流;PWM是產(chǎn)生的脈沖信號(hào)，當(dāng)脈沖處于高電平表示背光燈條處于點(diǎn)亮狀態(tài)，背光的效果也通過(guò)此模塊調(diào)節(jié)。

5? 3D效果標(biāo)準(zhǔn)及評(píng)價(jià)

5.1? 3D效果標(biāo)準(zhǔn)

針對(duì)目前所運(yùn)用的快門式3D技術(shù)，如若做到3D的效果，一般需要滿足以下兩個(gè)條件：第一，左右眼呈現(xiàn)出來(lái)的物像需要完全分離，做到最大限度地消除串?dāng)_引起的重影，導(dǎo)致視覺效果不佳;第二，快門式3D液晶鏡片的響應(yīng)時(shí)間刷新速率要足夠快，以此減少圖像的拖影現(xiàn)象，一般刷新頻率不低于100 Hz，較少畫面的抖動(dòng)。正因如此，當(dāng)使用者佩戴3D液晶鏡片時(shí)看到的快速切換的不同畫面，在經(jīng)由大腦處理之后，便會(huì)產(chǎn)生一定意義上的錯(cuò)覺，這時(shí)我們可以看到立體影像。

5.2? 3D效果評(píng)價(jià)

快門眼鏡式3D立體效果呈現(xiàn)的優(yōu)劣，除了取決于液晶屏響應(yīng)時(shí)間的長(zhǎng)短、速度的快慢，背光設(shè)計(jì)、3D下圖像處理等技術(shù)也決定了3D立體效果的好壞，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需從圖像處理、液晶屏、時(shí)序控制等方面優(yōu)化。3D效果的評(píng)價(jià)需要從主觀和客觀兩個(gè)方面來(lái)進(jìn)行。

6? 結(jié)? 論

本文主要圍繞快門式3D液晶鏡片系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的總體結(jié)構(gòu)、部分電路工作原理、部分核心元器件的選擇做了詳細(xì)的說(shuō)明，為今后3D立體產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供部分建議，起到一定的介紹和借鑒作用。如今，各項(xiàng)技術(shù)不斷完善和發(fā)展，諸多的3D立體技術(shù)已經(jīng)涉及到多個(gè)領(lǐng)域。伴隨著各項(xiàng)技術(shù)的迅速發(fā)展，今后影視作品、動(dòng)畫、游戲等娛樂領(lǐng)域?qū)?huì)更加豐富，3D立體的電子產(chǎn)品為人們帶來(lái)了全新體驗(yàn)及享受。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李學(xué)偉.快門式3D液晶電視眼鏡系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) [J].電子產(chǎn)品世界，2012，19（4）：54-56.

[2] 楊杰.快門眼鏡式3D液晶顯示背光控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) [D].青島：中國(guó)海洋大學(xué)，2012.

[3] 劉壯壯.快門眼鏡式3D變速掃描顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) [D].青島：中國(guó)海洋大學(xué)，2014.

[4] 張興，鄭成武，李寧，等.液晶材料與3D顯示 [J].液晶與顯示，2012，27（4）：448-455.

作者簡(jiǎn)介：汪南（1999.08-），男，漢族，陜西安康人，本科，學(xué)士學(xué)位，研究方向：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)開發(fā)、嵌入式開發(fā);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。