立体液晶显示器的图像获取及显示

　　立体液晶显示器是近年来新出现的虚拟现实显示设备，它真实地再现场景的三维信息，显示具有纵深感的图像。其最大特点就是观察者无需使用任何附加设备，直接用肉眼就可看到屏幕上显示的立体图像。观测者可以更容易、更快速地理解真实的景深信息，更全面、更直观地洞察图像空间位置的实际分布状况。

　　目前，国内外的自由立体液晶显示方式通常采用计算机采集图像并存储，处理后输出到液晶屏驱动电路板，然后通过板载模数转换模块等处理后在液晶屏显示立体图像。这种方式主要由计算机进行图像采集和处理，其开发周期短，但成本较高，体积较大，且需要液晶屏厂商提供驱动电路板。因此，本文以FPGA为核心，设计并开发了一套专用于立体液晶显示的图像采集和显示系统，可广泛应用于立体显微、测绘领域、工程设计、军事指挥等各个方面，有望形成产业规模。

1 方案设计

　　人们通常是两眼同时观看物体。由于两只眼睛视轴的间距（约65mm）及同一物体在两眼的构像不一致形成的生理视差，使得左眼和右眼所接收到的视觉图像不同。而大脑通过眼球的运动、调整，综合这两幅图像的信息，产生立体感。本设计通过两个完全相同的摄像机，使两个图像平面位于同一平面Q，两机坐标轴平行，水平轴重合。通过两摄像头模拟人眼视差来恢复物体的深度信息。视差越大说明物体离透镜的距离越近；反之，则越远[1]。

　　立体图像获取及显示系统框图如图1所示。CMOS双摄像头严格水平放置，获取立体图像对。数字图像数据并行进入FPGA，利用片上RAM作帧缓存，然后由FPGA中的图像处理模块模拟大脑对两眼图像的综合处理，按照VGA时序输出到液晶屏显示。

　　采用松下10.4英寸工控液晶屏EDTCB03Q2F，其接口为TTL电平，可用FPGA直接驱动，分辨率为640×480像素，色彩为262K(6bit/color)，工作电压3.3V。

　　以OmniVision公司的OV9620这一较为典型的彩色1/2英寸CMOS图像传感器模块作为核心，实现双芯片成像系统。该芯片采用Bayer模式滤波，其中有1 310 720个有效像素，其他像素用于黑电平补偿和内插。它支持SXGA和VGA两种模式，支持摄像和快拍，带有光学黑电平校正、可编程/自动曝光和增益控制、可编程白平衡控制、水平和垂直次采样(4：2和4：2)，可编程设定成像窗口和帧传输速率。内部集成了SCCB控制接口便于访问其57个片内寄存器，以实现对图像传感器芯片各种工作状态参数的设定[2]。

　　采用FPGA实现数据的采集、处理及作为液晶屏的显示接口。相对普通微处理器，FPGA时钟频率高、接口多，满足高速数据传输需要；相对DSP而言，用户I/O较多，不需扩展即可实现数据实时采集和输出，且便于实现外加存储器扩展。采用Xilinx公司的spartan3系列XC3S1000，系统门级为1000K，片上分布式RAM为120Kbit，分块RAM为432Kbit。用户I/O共391个，片上锁相环（DCM）4个[3]。它输出红、绿、蓝各6位信号，时钟信号、行/场同步信号以及复合消隐信号在液晶屏显示。

2 系统实现

　2.1 双摄像头成像系统设计
　　该成像系统主要由两个CMOS图像传感器、外围控制电路和光学镜头组成。系统设计的主要任务是：(1)通过对管脚信号的控制设置成像系统的工作状态，输出VGA模式；(2)提供系统的工作时钟信号，保证两个摄像头工作时钟严格同步；(3)为系统提供稳定的工作电源和电平设置；(4)光学镜头的设计。

　　CMOS芯片为TTL电平接口，与FPGA兼容，其输出数据格式如表1所示。它输出10位并行红、绿、蓝信号，行、场同步信号，时钟信号供FPGA采集。

　　2.2 FPGA设计
　　FPGA作为整个图像系统的控制核心，实现数据采集接口及立体图像合成的功能。采用Top-down设计方法，首先划分为不同的功能模块，用VHDL语言进行行为级设计，然后采用原理图进行顶层设计，经过编程、综合、仿真和实现，最后在电路板上进行验证。