“3D视力”电影院液晶眼镜设计方案

汪南　张文文

摘  要：文章以某电子仪器半导体公司的MCU芯片为核心部件，以3D技术成像原理为基础，对电影院3D液晶眼镜系统方案进行了详细的设计，主要介绍了3D液晶眼镜系统方案的整体结构与设计原理，重点对3D眼镜模块的原理与控制方式，背光控制电路的原理与设计进行设计，最后通过3D效果评价标准对本设计方案进行可行性验证，为该项目后期的进一步孵化奠定基础。

关键词：3D眼镜;透明液晶;3D显示;MCU

中图分类号：TN27;TN949.192      文献标识码：A 文章编号：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

随着当今社会科技水平的不断提高和发展突破，3D立体影视效果、虚拟仿真、三维数字建模等技术不断取得突破性的发展，并且伴随着3D技术的不断完善，目前各类电子设备制造厂商、电影影视公司等相继进行3D技术的开发研究，此项技术正在潜移默化地影响和改变人们的日常生活、闲暇娱乐及工作方式。目前，如果在电影院观看3D电影，必须佩戴3D眼镜，但不能用于其他生活项目。针对于此，为节约成本、充分使用以及提高人们的生活质量，特此进行研究“3D视力”电影院液晶眼镜的设计。从而实现，佩戴此款“3D视力”液晶眼镜时，当镜片接收到信号时，即眼镜的左右镜关闭光线通过，实现3D效果;当没有接收到信号，即如同正常眼镜一样，可以透过光线，正常使用。

基于西安培华学院“3D视力”电影院项目的研究，本文主要研究的内容是3D液晶眼镜的系统方案，其主要核心部件是MSP430系列MCU芯片，根据系统结构设计、红外接收技术原理、背光电路控制原理、材料选择以及3D效果标准及评价做了详细阐述。文章将从以下几个方面进行对此项3D液晶眼镜的方案设计进行系统的阐述，希望今后对此项3D液晶眼镜的研发能有一定的价值作用。

1  3D显示技术成像原理

3D显示技术，就是肉眼在观看一幅图像时，通过人的左右眼产生双眼视差，使两眼接收到不同的画面，最终在大脑中合成，让人们感受到立体的显示效果。我们平时看到身边的事物就是一个立体的空间，每一个事物都有三个维度：宽度（X）、长度（Y）、高度（Z），如图1所示。

由于在传统显示器或者平面上，我们只能看到二维空间。根据调查研究显示人的眼睛有4～6 cm的瞳距，人的双眼在观察物体的时候由于观察角度存在略微不同。正因如此，每只眼睛所看到的物像都会呈现略微的差异，但是大脑会自动将这些物像处理为立体视觉，因此，我们才能看到有距离感的图像。而生活中的3D电影影视效果也是如此，相对于2D视觉，3D视觉更加具有视觉冲击力，也正是如此3D效果更加深受喜爱。

基于此，采用3D技术实现的三维视觉是当前社会的一种潮流，一种趋势。图2是3D成像原理示意图，当两只眼睛同时看到某一个物体的时候，左眼会看到较多偏左的画面、右眼看到较多偏右的画面，所以此时在我们眼睛里呈现的就是相对来说较远的立体图像，同理，左眼偏右、右眼偏左即给我们展现的是相对靠近的立体的图像。因此针对于快门式3D眼镜的显示也是如此，当佩戴3D眼镜确保左眼睛看到的是左图像、右眼睛看到的是右图像，当左右双眼看到的不同影像融合在大脑即实现了3D效果。

2  3D液晶眼镜系统总体设计

2.1  系统物理结构設计

本系统方案主要采用分层结构设计。层次分别为：最高层是各个软件的管理模块，即实现使用者对整个系统的总体控制;中间层为系统接口和硬件驱动模块的实现;最底层就是实现硬件设备。

2.2  系统软件结构设计

本系统的核心硬件为MCU单片机控制。软件程序工作结构图如图3所示。在按下这一款3D液晶眼镜控制开机的按钮之后，MCU随即进行响应，紧接着便进入正常工作的状态。MCU单片机的控制定时器，它的主要作用是捕捉脉宽，从而计算出镜片开关的时间，并且产生响应的镜片开关的时序。在此项操作之后接收红外同步信号时将及时校准镜片的开关时序。

3  3D眼镜模块控制方式设计

3D眼镜主要由红外接收头、可充电式聚合物锂电池以及两块PCB板组成。红外发射部分的电路原理结构图如图4所示。其工作原理为当主芯片发出载波信号给红外发射板，产生的sync信号进行传递，由红外发射管以红外信号发射到空间中去。当眼镜端的电路检测到该信号后会立即关闭左镜片，打开右镜片，再经过极短时间关闭右镜片，打开左镜片。

眼镜的左右镜片由具有开关两种状态的透明液晶显示屏组成，当没有通过电流的时候可以透过光线，一旦有电流通过即关闭光线通过。由于部分3D片源有L/R、R/L的方式，为了避免出现反向情况，高低电平周期发生转变。所以，在此发射电路上将设计安装一个极性切换按钮，如果在使用过程中，一旦出现窜乱现象，使用者可以通过使用控制切换按钮，使得信号发射电路做出相应信号，从而来解决此项可能存在的问题。目前市面上常用的、频率为38 kHz的载波信号发出时，所接收到这个信号时就会自动打开左镜片，关闭右边镜片，经过极短时间又会关闭左边镜片，打开右边镜片。但是为了减少干扰，我们采用的则是20 kHz的频率将红外载波发射出去。

4  背光控制电路设计

背光控制电路主要由MSP430系列单片机芯片实现。MSP430系列单片是一个16位的数据宽度、40 ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器，可以实现乘加运算相配合，并且能实现数字信号处理的某些算法，具有处理能力强、运算速度快、超低功耗、片内资源丰富等功能。

在3D液晶眼镜模式下，背光电路控制原理图如图5所示，输入信号位3D_SYNC和3D_EN两个，当进行工作时，3D_EN产生的使能信号将由图像处理模块传送到MCU中，然后开启3D效果模式。此时系统中的背光控制电路需要提取图像模块传送给MCU，此时产生的这个信号将与Glass_vsync信号同步，使得眼镜的开关与画面显示为同步。

在背光电路控制过程中，MCU输出信号分别是3D_LED、Glass_vsync和6个PWM信号。Glass_vsync是液晶眼镜的同步信号，产生的信号将由MCU传递给红外发射模块再到眼镜;3D_LED是产生的背光信号并且经过MCU发送给背光控制模块，主要用于通过此信号调节灯条电流;PWM是产生的脉冲信号，当脉冲处于高电平表示背光灯条处于点亮状态，背光的效果也通过此模块调节。

5  3D效果标准及评价

5.1  3D效果标准

针对目前所运用的快門式3D技术，如若做到3D的效果，一般需要满足以下两个条件：第一，左右眼呈现出来的物像需要完全分离，做到最大限度地消除串扰引起的重影，导致视觉效果不佳;第二，快门式3D液晶镜片的响应时间刷新速率要足够快，以此减少图像的拖影现象，一般刷新频率不低于100 Hz，较少画面的抖动。正因如此，当使用者佩戴3D液晶镜片时看到的快速切换的不同画面，在经由大脑处理之后，便会产生一定意义上的错觉，这时我们可以看到立体影像。

5.2  3D效果评价

快门眼镜式3D立体效果呈现的优劣，除了取决于液晶屏响应时间的长短、速度的快慢，背光设计、3D下图像处理等技术也决定了3D立体效果的好坏，系统设计时需从图像处理、液晶屏、时序控制等方面优化。3D效果的评价需要从主观和客观两个方面来进行。

6  结  论

本文主要围绕快门式3D液晶镜片系统设计方案的总体结构、部分电路工作原理、部分核心元器件的选择做了详细的说明，为今后3D立体产品的设计提供部分建议，起到一定的介绍和借鉴作用。如今，各项技术不断完善和发展，诸多的3D立体技术已经涉及到多个领域。伴随着各项技术的迅速发展，今后影视作品、动画、游戏等娱乐领域将会更加丰富，3D立体的电子产品为人们带来了全新体验及享受。

参考文献：

[1] 李学伟.快门式3D液晶电视眼镜系统方案设计与实现 [J].电子产品世界，2012，19（4）：54-56.

[2] 杨杰.快门眼镜式3D液晶显示背光控制系统的设计与实现 [D].青岛：中国海洋大学，2012.

[3] 刘壮壮.快门眼镜式3D变速扫描显示系统的设计与实现 [D].青岛：中国海洋大学，2014.

[4] 张兴，郑成武，李宁，等.液晶材料与3D显示 [J].液晶与显示，2012，27（4）：448-455.

作者简介：汪南（1999.08-），男，汉族，陕西安康人，本科，学士学位，研究方向：计算机系统开发、嵌入式开发;张文文（1999.10-），男，汉族，陕西榆林人，本科在读，研究方向：软件工程。