低成本真三维显示器的构建

　第４期２００９年７月华东师范大学学报（自然科学版）ＪｏｕｒｎａｌｏｆＥａｓｔＣｈｉｎａＮｏｒｍａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅ）Ｎｏ．４　Ｊｕｌｙ２００９文章编号：１０００５６４１（２００９）０４０１１５０９低成本真三维显示器的构建田　丰１，２，　徐稢敏１，　刘锦高１（１．华东师范大学电子科学技术系，上海　２０００６２；２．上海工程技术大学电子电气工程学院，上海　２０１６２０）摘要：通过分析已有的几种基于旋转的真三维显示方案，解释了基于可视体素的显示技术．针对现有旋转显示方案的局限性和缺点，提出基于ＣｏｒｔｅｘＭ３处理器的新型高速同步显示接口，利用其高速带宽实现体像素空间分布均匀化与体像素亮度均匀化，获得水平３６０°与垂直１８０°的视角范围和高亮度显示效果．关键词：真三维；　ｃｏｒｔｅｘＭ３处理器；　扫描输出；　同步输出中图分类号：ＴＮ６　　文献标识码：Ａ　收稿日期：２００８１０　基金项目：上海市科技攻关重点项目（０７５１１５００２）　第一作者：田丰，男，博士研究生，研究方向为立体显示．Ｅｍａｉｌ：[e-mail]．　通信作者：刘锦高，男，教授，研究方向为通信工程．Ｅｍａｉｌ：[e-mail]．犚犲犪犾犻狕犪狋犻狅狀狅犳犾狅狑犮狅狊狋狋狉狌犲３犇狏狅犾狌犿犲狋狉犻犮犱犻狊狆犾犪狔狊狔狊狋犲犿ＴＩＡＮＦｅｎｇ１，２，　ＸＵＪｉｅｍｉｎｇ１，　ＬＩＵＪｉｎｇａｏ１（１．犇犲狆犪狉狋犿犲狀狋狅犳犈犾犲犮狋狉狅狀犻犮狊犛犮犻犲狀犮犲犪狀犱犜犲犮犺狀狅犾狅犵狔，犈犪狊狋犆犺犻狀犪犖狅狉犿犪犾犝狀犻狏犲狉狊犻狋狔，犛犺犪狀犵犺犪犻　２０００６２，犆犺犻狀犪；２．犐狀狊狋犻狋狌狋犲狅犳犈犾犲犮狋狉犻犮犪犾犪狀犱犈犾犲犮狋狉狅狀犻犮犈狀犵犻狀犲犲狉犻狀犵，犛犺犪狀犵犺犪犻犝狀犻狏犲狉狊犻狋狔狅犳犈狀犵犻狀犲犲狉犻狀犵犪狀犱犜犲犮犺狀狅犾狅犵犺，犛犺犪狀犵犺犪犻　２０１６２０，犆犺犻狀犪）犃犫狊狋狉犪犮狋：　Ｂｙａｎａｌｙｓｉｓｏｆｅｘｉｓｔｅｄｐｒｏｐｏｓａｌｓｆｏｒｔｒｕｅ３Ｄｖｏｌｕｍｅｔｒｉｃｄｉｓｐｌａｙｓｂａｓｅｄｏｎｒｏｔａｔｉｏｎ，ｔｈｅｖｉｓｕａｌｖｏｘｅｌｄｉｓｐｌａｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｗａｓｅｘｐｌａｉｎｅｄ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｏｖｅｒｃｏｍｅｌｉｍｉｔａｔｉｏｎｓａｎｄｓｈｏｒｔｃｏｍｉｎｇｓｏｆｃｕｒｒｅｎｔｒｏｔａｔｉｏｎｐｒｏｐｏｓａｌｓ，ａｎｅｗｈｉｇｈｓｐｅｅｄｄｉｓｐｌａｙｉｎｔｅｒｆａｃｅｂａｓｅｄｏｎＡＲＭＣｏｒｔｅｘＭ３ｗａｓｒａｉｓｅｄ．Ｕｓｉｎｇｉｔｓｈｉｇｈｓｐｅｅｄｂａｎｄｗｉｄｔｈ，ｅｑｕａｌｉｔｙｏｆｖｏｘｅｌｖｏｌｕｍｅａｎｄｖｏｘｅｌｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓｗａｓｒｅａｌｉｚｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ３６０°，ｖｅｒｔｉｃａｌｖｉｓｕａｌ１８０°ｖｉｓｕａｌａｎｇｌｅｒａｎｇｅａｎｄｈｉｇｈｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓｄｉｓｐｌａｙｅｆｆｅｃｔｉｓｏｂｔａｉｎｅｄ．犓犲狔狑狅狉犱狊：　ｔｒｕｅ３Ｄ；　ｃｏｒｔｅｘＭ３ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ；　ｓｗｅｐｔｅｘｐｏｒｔ；　ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎｅｘｐｏｒｔ０　引　　言视觉是人获知信息的一种方式，也是接受信息量最大的感知途径．人眼观看物体时，能清晰看清视场区域对应的分辨率为２１６９×１２１３，再算上上下左右比较模糊的区域，最后的分辨率在６０００×４０００［１］．尽管人的视神经厚度只有区区几毫米，但其每秒钟却能够向大脑传输大约２０ＭＢ的信息［２］．人们不断追求更完美的显示技术，一旦有新的基础理论发现，就华东师范大学学报（自然科学版）２００９年会被尝试用来设计创新的显示器．真三维显示是显示领域的终极目标之一．随着电子技术的快速发展，研制大带宽显示接口与真三维立体显示器成为可能．真三维立体显示技术包括静态体显示技术和体扫描显示技术［３］．体扫描显示技术是依靠显示设备周期性运动构造成像空间．体扫描技术中根据屏幕的运动方式分为：平移体扫描技术和旋转体扫描技术［３］．旋转扫描技术机械部件结构简单、易于集成和加工，故本文低成本体像素显示器也采用旋转扫描方案．本文论述了已制作的数代旋转显示方案，提出了基于Ｃｏｒｔｅｘ处理器的新型高速同步显示接口，介绍了系统的结构、性能、转速自测和体像素均匀分布．最后对比扫描输出与同步输出显示方案的具体性能指标，并讨论了需改进之处．１　真三维旋转显示器架构把ＬＥＤ（ＬｉｇｈｔＥｍｉｔｔｉｎｇＤｉｏｄｅ）点光源组成线光源，围绕固定轴旋转，可构成平面显示器．图１（ａ）是在电风扇叶片上绑定三组红绿蓝ＬＥＤ可控线光源，依托电扇高速旋转构成平面显示屏．（ｂ）是ＬＥＤ幻映彩球，同样在球内有三组ＬＥＤ可控线光源，围绕球体旋转一周构成一帧画面．利用人眼视觉残留现象，能够显示稳定的画面．旋转线光源能构成面显示，旋转面光源能形成三维显示．近几年，我们对真三维显示做了不少基础研究工作，如图１（ｃ）．我们首先采用基于ＴＦＴＬＣＤ（ＬｉｑｕｉｄＣｒｙｓｔａｌＤｉｓｐｌａｙ）屏的方案．栅驱动器与源驱动器是ＴＦＴＬＣＤ驱动矩阵的两个部分，栅驱动器实现ＴＦＴ行的导通和关断，源驱动器的作用是当栅驱动器通过栅极线使某行ＴＦＴ处于导通状态时，通过屏的源极施加到像素电极上显示相应亮度．它是一个选通扫描过程．常规的ＬＣＤ屏完成一次扫描需十几到几十毫秒．本文尝试使用ＬＣＤ作为显示部件，试验后发现人眼正面观看液晶光源作为体像素感觉不够亮，侧面几乎看不见，由于扫描时间过慢和高速旋转，立体画面已发生严重扭曲变形．ＬＣＤ不适用于体空间显示，故改用ＬＥＤ阵列，如图１（ｄ）．普通ＬＥＤ屏也为行列扫描方式，扫描速率较ＬＣＤ高一个数量级，屏幕旋转后，立体画面基本能被显示出来，但像素亮度太暗，只能在黑暗环境下观看．图１　（ａ）电扇平面显示器；（ｂ）幻彩球；（ｃ）自主开发的ＬＣＤ旋转显示器；（ｄ）第一代ＬＥＤ旋转显示器；（ｅ）第二代ＬＥＤ旋转显示器Ｆｉｇ．１　（ａ）Ｆｌａｔｐａｎｅｌｄｉｓｐｌａｙｂａｓｅｄｏｎｆａｎ；（ｂ）Ｓｙｍｐｈｏｎｙｂａｌｌ；（ｃ）ＰｒｏｔｏｔｙｐｅｂａｓｅｄｏｎＬＣＤ；（ｄ）ＴｈｅｆｉｒｓｔｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｏｆＬＥＤｒｏｔａｔｉｎｇｄｉｓｐｌａｙ；（ｅ）ＴｈｅｓｅｃｏｎｄｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｏｆＬＥＤｒｏｔａｔｉｎｇｄｉｓｐｌａｙ本文为解决行列扫描引来的亮度问题，提出了基于新型ＡＲＭＣｏｒｔｅｘＭ３处理器与ＳＯＣ（ＳｙｓｔｅｍＯｎＣｈｉｐ）的高速同步显示接口．如图２，ＬＥＤ显示屏由高速马达驱动旋转．体显示器由搭载ＳＯＣ的底板与搭载ＬＥＤ的Ａ显示板构成．旋转面位于显示板上的ＬＥＤ中心．由ＰＣ处理好的点云数据通过ＵＳＢ传入ＮＩＯＳＩＩ能寻址的ＳＤＲＡＭ上，再由ＮＩＯＳＩＩ调６１１第４期田丰，等：低成本真三维显示器构建度发送给ＳＰＩ群，新型ＡＲＭＣｏｒｔｅｘ作为显示单元的核心，通过ＳＰＩ方式手牵手连接．在Ｃｏｒｔｅｘ内部的ＳＲＡＭ中打开ＰｉｎｇＰａｎｇ结构，利用处理器提供的ＤＭＡ获得了高通信带宽．一帧画面由行列扫描形成，定义为行列扫描真三维显示；而同步显示是最原始的显示方式，一帧画面几乎在同一时刻完全输出并保持．处理器的一个引脚对应一个ＬＥＤ．一块面板有１０２４个ＬＥＤ，共有１６个ＳＴＭ３２Ｃｏｒｔｅｘ处理器．如此高密度的布局对硬件设计提出了挑战．ＬＥＤ面板与第二代ＬＥＤ旋转显示器如图３．图２　（ａ）旋转屏幕架构；（ｂ）数据传输流程Ｆｉｇ．２　（ａ）Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｒｏｔａｒｙｓｃｒｅｅｎ；（ｂ）Ｄａｔａｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｆｌｏｗ图３　１０２４点阵模块（反面和正面）和第三代ＬＥＤ旋转显示器（搭载２个模块的Ａ板）Ｆｉｇ．３　Ｂｏａｒｄｏｆ１０２４ＬＥＤａｎｄｔｈｅｔｈｉｒｄｇｅｎｅｒａｔｉｏｎＬＥＤｄｉｓｐｌａｙ２　体像素研究与像素均匀化２．１　关键部件选择旋转屏采用ＬＥＤ发光二极管作为核心显示部件．ＬＥＤ是由ⅢＩＶ族化合物半导体制成，其核心为ＰＮ结．在多种ＬＥＤ产品中，我们需选用各项性能指标都能满足立体显示需求的产品．小功率ＬＥＤ有多种封装，由于立体显示所需像素小，故本文选择０６０３型表面贴装器件（１．６ｍｍ×０．８ｍｍ×０．６ｍｍ）．体像素要求能从各个角度被观察，视角接近１８０°，故在用于封装的环氧树脂中加大量无色散射剂．不同材料制得的ＬＥＤ响应时间各不相同，如ＧａＡｓ（砷化镓）和ＧａＡｓＰ（磷砷化镓）其响应时间小于１０－９ｓ，ＧａＰ（磷化镓）为１０－７ｓ，因此它们可用在１０～１００ＭＨｚ高频系统．我们选用具有高速响应时间的红色ＬＥＤ，它基于Ｅｐｉｓｔａｒ７１１华东师范大学学报（自然科学版）２００９年公司提供的晶元芯片，采用ＧａＡｓ材料制成，具有１００ＭＨｚ开关响应时间．在众多ＡＲＭ产品中，本文选择ＳＴ公司的基于ＣｏｒｔｅｘＭ３的ＳＴＭ３２Ｆ１０３处理器．采用基于架构先进的ＣｏｒｔｅｘＭ３内核，使得模块控制核心具有低功耗（０．１５ｍＷ／ＭＨｚ）、高性能（ＣＰＵ＝７２Ｍ×１．２５ＭＩＰＳ／Ｍ＝９０ＭＩＰＳ）、多种通信接口和低成本（２０元人民币）等优势．它的功耗是常规ＡＲＭ７的一半，而性能提高了３０％．常规的ＡＲＭ７的ＧＰＩＯ只能进行１ＭＨｚ左右的操作（ＡＲＭ９２００为４ＭＨｚ），而ＳＴＭ３２Ｆ１０３的所有ＧＰＩＯ可基于高速ＡＰＢ２总线，它能进行１８ＭＨｚ操作．系统必须获取电机转速，本文选用ＡｌｌｅｇｒｏＭｉｃｒｏＳｙｓｔｅｍｓ公司的Ａ１１０２霍尔器件来测定转速、计算输出图像的时间间隔和确定初始相位．２．２　扫描型与同步型体显示器性能分析由于在行列扫描一幅图像的时候旋转屏已转过一个小角度，虽然所有点阵像素总处于同一平面内，但像素扫描的不同步和点阵的旋转运动将导致前、后两个扫描瞬间产生的体像素不在同一转角方位上．因此当二维平面内的点阵像素均被扫描一次后，在空间内各自产生的瞬态体像素将不再处于同一平面内．所显示的画面也会类似液晶屏一样发生扭曲变形，但由于ＬＥＤ进行的高速扫描，使得扭曲变形较小，如图４（ｂ）（ｃ）．设屏幕旋转周期犜ｖｉｓｉｏｎ约为１／１５ｓ；显示１幅图像所需时间为狋狆；三维体分割的图像数目为犔．ＳＴＭ３２Ｃｏｒｔｅｘ处理器有６４个通用ＩＯ，可扫描３２×３２个点阵ＬＥＤ．也可分块使用多个处理器扫描，例如１６×１６或８×８．处理器运行在７２ＭＨｚ，操作一组１６个ＬＥＤ需读ＳＲＡＭ数据然后输出．读ＳＲＡＭ指令需３个指令周期，程序运行在主频为２４ＭＨｚ的ＦＬＡＳＨ中；操作ＩＯ需９个指令周期．Ｃｏｒｔｅｘ完成一次１６ｂｉｔ输出时间为犜１６，一个３２×３２模块扫描的时间为狋狆，最大切片数为犔ｍａｘ：犜１６＝犜ｒｅａｄＳＲＡＭ＋犜ｉｏ＝１７２×３×７２２４＋１７２×９＝０．２５μｓ，（１）狋狆ｓｃａｎ３２×３２＝（犜１６×２＋犜ｉｏ＋犜ｃｙｃｌｅｃｏｄｅ）×３２＝０．２５×２＋９７２＋１７２×７２（）２４×３２＝２１．３μｓ，（２）犔ｓｃａｎ－ｍａｘ＝犜ｖｉｓｉｏｎ／狋狆ｓｃａｎ３２×３２＝６６６６６／２１．３＝３１３０．（３）　　图４（ａ）为理想的ＬＥＤ体像素分配图，图４（ｂ）和４（ｃ）为行、列扫描体像素分布．由于Ｃｏｒｔｅｘ处理器的优异性能，２１．３μｓ就能完成３２×３２构成的１０２４点阵扫描，犔理论最大值为３１３０．同理，由４组１６×１６构成的１０２４点阵，其犔为９９９２，由１６组８×８构成的１０２４点阵，犔为１９９８４．图４（ｄ）为每像素对应单个ＩＯ的同步输出分布图．本文模块由１６组８×８构成１０２４点阵．完成一次同步输出的最大切片数计算如下：狋狆ｓｙｎ８×８＝犜１６×４＋犜ｃｙｃｌｅＣｏｄｅ＝０．２５×４＋１７２×７２２４＝１．０４μｓ，（４）犔ｓｙｓ－ｍａｘ＝犜ｖｉｓｉｏｎ／狋狆ｓｙｎ８×８＝６６６６６／１．０４＝６４１０２．（５）　　高性能的处理器带来大显示带宽，大大提高分割图像数犔，扭曲变形已控制在最小范围，同步输出的像素偏移可忽略．软件设置每列或每行偏移角度为α，完成３２次扫描已偏移３