用于裸眼3D LED显示的多视区3D视频播放系统

苏萍，曹聪，2，马建设，毛杰

（1.清华大学 深圳研究生院，广东 深圳 518055；2.清华大学 精密仪器系，北京　100084；3.上海环鼎影视科技有限公司 上海　201203）

用于裸眼3D LED显示的多视区3D视频播放系统

苏萍1，曹聪1，2，马建设1，毛杰3

（1.清华大学 深圳研究生院，广东 深圳 518055；2.清华大学 精密仪器系，北京100084；3.上海环鼎影视科技有限公司 上海201203）

文中提出了一种用于裸眼3D LED显示的多视区3D播放系统。此播放系统由视频解码单元和视频显示单元组成，该视频解码单元将复合的多视区3D视频信号流解析出左右眼两路信号，同步传送到视频显示单元。视频显示单元分别将对应左眼和右眼的两路信号分频转换成多路，并加载到LED显示屏上，进行LED屏裸眼3D播放。这种方法可以实现用于裸眼3D LED屏的多视区3D视频的流畅播放。

裸眼3D显示；LED显示；视频播放系统；双视区播放系统

裸眼3D显示技术是指将原有3D信号流通过硬件控制分离出左右眼信号，然后应用双目视差原理，不用佩戴眼镜和头盔就可以直接呈现立体效果的一种显示技术［1］。

目前流行的几种3D技术都是需要额外佩戴观看用具，通过观看用具区分出左右眼不同画面，从而得到观赏3D的效果。观看用具主要有眼镜和头盔两种，长时间佩戴会让人觉得疲惫和头疼，特别是对于需要佩戴近视眼镜的人而言以这种方式观看3D视频，负担更重。裸眼3D的出现解决了这一问题

目前市场上出现的裸眼3D大都以液晶显示器（Liquid Crystal Display，LCD）为载体，但是LCD想要做成大尺寸，造价高难度大。近年来，大屏幕显示系统发展迅猛，其中效果最

理想的应用范围最广泛的当属LED（Light-emitting Diode，发光二极管）显示系统。本文旨在解决用大屏幕LED显示屏来播放裸眼3D视频的问题。

LED显示屏由阵列排布的LED芯片组成，其显示的画面由PC机传送过来，可以显示视频，音频等文件。传统的LED显示屏播放系统主要由PC机，插在计算机总线插槽上的通讯卡，LED控制接口芯片，译码驱动电路等组成。其工作原理是将PC机作为上位机，将LED大屏幕上要显示的多媒体信息及其控制信息由插在计算机总线插槽上的通讯卡截取，再经由通讯电缆传到LED显示屏控制器上，经过视频控制器实时完成数据处理并传送到行、列驱动电路，从而产生行列时序和灰度信号对LED显示屏进行显示控制［2］。

对于裸眼3D视频的播放，传统的LED显示屏播放系统不再适用。3D LED显示屏需要同时承载区分的左右眼信号，也就是意味着3D视频信号从PC机传出后，必须能够解码成左右眼信号。通过解码系统出来的信号，并不一定能保证同步，需要进行信号的采集和处理，来保证左右眼信息的同步，最终将左右眼信号传输到LED控制器来实现LED显示屏的3D播放。为了优化3D效果，采用多视区播放系统，使得3D效果的观察更加平滑。

1　设计方案

1.1总体设计方案

多视区裸眼3D的播放系统由视频解码系统和视频显示系统两部分组成。整体设计方案如图1所示。

图1　系统设计方案Fig.1　System design

3D片源的信息流模拟信号通过上位机电脑输出后，产生数字DVI信号。数字信号经过视频解码系统输出左右眼信号，信号经过视频显示模块的处理后加载到LED屏上，通过双目视差原理，观看者便可以看到3D效果。

视频解码系统和视频显示系统的功能如下：

1）视频解码系统：上位机通过显卡直接输出3D视频的DVI信号，而后将信号高速缓存并采用视频分离芯片将左右眼图像信号分离，通过高速视频无损时钟同步分割技术，同步输出双通道的LVDS信号。实现数据的高速率，低噪声，远距离，高准确度的传输［3］。

2）视频显示系统：将双通道的LVDS信号转换为全数字输出的DVI-D信号，数字信号通过分频器分别将左眼信号分成N路（由于是多视区路数可以设定）同时将右眼信号分成N路，通过网卡发送到同步LED控制系统，可对LED显示屏进行高精度逐点亮度校正，实现高刷新率、高灰度和高亮度控制。

1.2视频解码系统设计方案

视频解码单元基于FPGA技术，采用SDRAM作为数据图像的缓存器，对立体视频的像素数据进行分割存储和同步输出如图2所示。

图2　视频解码设计方案Fig.2　Video decoder unit design

视频处理模块由FPGA完成，按照画面分割的要求，对数字立体视频数据进行提取，分割存储和同步输出处理。通过对视频的处理得到左右眼视频图像数据，通过FIFO时钟同步模块的控制按照一定的时序同步输出左右眼影像［4］。硬件部分采用Altera CycloneⅡ系列的EP2C 35F484C8作为主控芯片，对视频数据进行提取、分割和同步输出等视频处理。采用的4片SDRAM的型号为MT48LC4M3282。作为左右眼影像存储模块，共有4片SDRAM分成两组，每组中一片用于左眼影像缓存，另一片用于右眼图像缓存，两组之间进行乒乓操作，即一组进行对一帧图像的读操作时，另一组进行对下一帧图像写操作［5］。左右眼信号分离输出后，通过输出模块如图3所示，发出视频显示单元所需的LVDS信号。

图3　视频解码输出系统设计方案Fig.3　Video decoder unit output design

将左眼输出的DVI信号过渡存储在写数据缓冲模块，然后数据位数转换模块转换写数据缓冲模块存储的数据的位数大小以符合SDRAM的标准。将数据存入SDRAM控制器后再通过读数据缓冲模块将SDRAM的数据转换成3D影像所需要的LVDS信号，发送到LVDS发生器。各模块的功能通过FPGA的控制来实现。写数据缓冲模块主要用于实现时钟域的有效过渡，两块FPGA时钟可能会不同步，必须写进去再读出来实现时钟的过渡。读数据缓冲模块主要用来缓冲分割后的左右眼视频信号，转换成LVDS信号，发送给LVDS发生器。

1.3视频显示系统设计方案

视频显示单元包括两路信号传递线，分别是右眼信号传递线和左眼信号传递线，每路信号传递线都包括依次信号连接的信号转换器、信号分频器、LED控制器和外部接口，该两路信号传递线接收由视频解码单元输出的两路LVDS信号。系统结构如图4所示。

图4　视频显示方案设计Fig.4　Display unit design

目前设置播放系统为双视区播放系统，所以原有的左右眼LVDS信号通过信号转换器转换为DVI-D信号，通过分频器分为两路。分路后的DVI-D信号通过LED控制器，控制LED显示屏的点亮［6］。

2　实验结果分析

在设计观察距离，用分布光度计对LED屏进行了光强分布测试，分别采用单视区播放系统和双视区播放系统的控制。通过数据分析可以明显的看出，采用双视区播放系统，视区更密集。

2.1单视区播放系统

对采用单视区播放系统的LED屏进行红光，绿光，蓝光，的光照测试，通过光照测试的数据来反映视区的分布。测试结果如图5所示。

图5　单视区依次红绿蓝光照分析图Fig.5　Single viewport RGBanalysis chart

测试结果，可以反映出在单视区播放系统的情况下，红绿蓝（RGB）的视区分布密集程度。

2.2双视区播放系统

同样对采用双视区播放系统的LED屏进行红光，绿光，蓝光，白光的光强分布测试，测试结果如图6所示。

从测试结果可以看出在60到80度范围内，采用双视区播放系统，视区分布的密集程度密集。

3　结　论

图6　双视区依次红绿蓝光照分析图Fig.6　Double viewport RGBanalysis chart

文中提出了一种双视区播放系统的解决方案，能够让观看效果更加平滑，避免视觉黑区。本文成功实现了双视区播放系统控制LED进行3D效果的显示。采用时钟同步无损技术分离原视频流中的左右眼信号，而后分频并进行同步播放。目前的控制系统是将两个视区复制以同样的信息，未来在户外LED屏分辨率提高的情况下，可以分别控制视区，在不同的角度可以看不同的视频源。实现真正意义上的双视区。

文中的设计方案，增强了户外LED大屏幕的裸眼3D显示的效果，具有广阔的应用前景。

［1］张兆杨，安平，张之江.二维和三维视频处理及立体显示

技术［M］．北京：科学出版社，2010.

［2］刘丽莎，朱桦，韩秀清．基于网口传输的LED同步屏控制系统及其FPGA实现［J］．电子工程师，2010（2）：63-64.

［3］宋炳生，花瑞.基于DVI接口的LED视频控制系统研究［J］.电子设计应用，2008（1）：85-87.

［4］陈鼎如，苏萍，马建设.基于FPGA的立体视频画面分割模块的设计与实现［D］.深圳：清华大学深圳研究生院，2012.

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Multi-view 3D display system for autostereoscopic LED displays

SU Ping1，CAO Cong1，2，MA Jian-she1，MAO Jie3
（1.Shenzhen graduate school of Tsinghua University，Shenzhen 518055，China；2.Department of precision instruments，Tsinghua University，Beijing 100084，China；3.Shanghai Huanding Television Technology CO.，Ltd.，Shanghai 201203，China）

This paper presents a kind of multi-view 3D display system applied in autostereoscopic LED displays.This display system includes a video decoder unit and a display unit.The video decoding unit decomposes the left and right eye video signals from the composite multi-view 3D video.The video display unit transforms the left and right eye video signals into multi-channel signal，which will be loaded to the LED screen.This approach realizes smoothly playing of multi-view 3D videos in autostereoscopic 3D LED display.

autostereoscopic；LED display；video display system；double viewpoint display system

TN0

A

1674－6236（2016）03-0160-03

2015-03-16稿件编号：201503212

青年科学基金项目（20149110092）；深圳市基础研究项目（JCYJ20140417115840236）

苏 萍（1984—），女，河南浚县人，博士，讲师。研究方向：三维显示、二元光学元件及光学检测。