多屏幕三維體顯示技術(shù)*

劉 暢，蔡虹宇，魏天音，游望秋，夏 軍

(東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，南京211189)

多屏幕三維體顯示技術(shù)*

劉 暢，蔡虹宇，魏天音，游望秋，夏 軍*

(東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，南京211189)

現(xiàn)如今隨著科技的進步，顯示技術(shù)已不僅僅局限于二維的平面中，各種三維的顯示技術(shù)層出不窮。本項目對基于多塊PDLC(聚合物摻雜液晶［1］)屏幕的立體顯示技術(shù)進行了研究，利用了PDLC屏幕的開關(guān)特性，采用多屏幕分時顯示，同步的全息投影的方法，顯示出三維的圖像。實驗中分析了PDLC屏幕的響應(yīng)特性，設(shè)計了屏幕的驅(qū)動電路的硬件、時序和波形，探討了基于Opencv的景深提取算法。最后獲得了有一定景深的三維圖像。

三維顯示;多屏幕分時顯示;同步全息投影;PDLC屏幕;Opencv;景深

近年來，裸眼3D顯示技術(shù)逐步發(fā)展，目前主流的裸眼3D顯示技術(shù)主要包括光柵3D顯示、集成成像3D顯示、體3D顯示和全息3D顯示［2］。PDLC屏幕是一種具有開關(guān)特性的器件［1］——即當屏幕不通電時不透明，此時可在屏幕上投影;當通電時，則完全透明，無法投影。于是，我們可利用高壓的方波來分時的開關(guān)這些屏幕，利用空間光調(diào)制器(SLM)［3］將經(jīng)過景深提取、分數(shù)階傅里葉變換之后的圖像，同步的投影到屏幕上;屏幕快速切換，利用人眼的視覺暫留特性，便可以將二維圖像中包含的三維信息呈現(xiàn)于空間中，達到了裸眼3D的效果。

1 PDLC屏幕的特性

1.1 聚合物摻雜液晶的顯示原理

聚合物為光學(xué)上的各向同性材料，其折射率為np，而液晶為各向異性材料，它有平常光折射率no和非平常光折射率ne。在選擇這兩種材料時，一般總是讓聚合物的折射率np約等于液晶的平常光折射率no。但是，由于在零場時聚合物分散液晶中各液晶微滴指向矢的方向是隨機分布的，幾乎所有液晶微滴與母體聚合物之間都會出現(xiàn)折射率失配(是指np≠ne)，就導(dǎo)致光的散射。由于膜的厚度相對液晶微滴的尺寸要大得多，所以在光透出膜之前，將受到多次散射，這有點類似與磨沙玻璃的情況，稱為關(guān)態(tài)(Off State)［1］。處于零場關(guān)態(tài)的PDLC膜光散射狀態(tài)取決于膜中液晶的含量，微滴的大小，雙折射率的大小，以及膜的厚度等。PDLC的在電場情況下的顯示原理可用圖1來簡單表示。

圖1(A)就表示零場關(guān)態(tài)時的光散射情況，由于光受到強烈的散射，其垂直透過率極低，表現(xiàn)為暗態(tài)。當PDLC加上足夠的電壓時，液晶微滴中液晶分子受到電場的作用，其指向矢將沿著電場的方向，這同一般的液晶顯示器是一樣的，如圖1(B)所示。就單個液晶微滴而言，其尺寸是很小的，滿足光波導(dǎo)條件，另外由于液晶的平常光折射率no等于聚合物的折射率np，兩者的折射率相匹配，對入射光沒有散射，于是光就順著電場方向出射。這種加上足夠電壓就打開的情況，稱為開態(tài)(on state)［1］。如果電壓充分大時，垂直透過率將達到最大，表現(xiàn)為明態(tài)?？梢?，通過電場，就可以控制PDLC的光開關(guān)作用，實現(xiàn)明暗顯示。

圖1 PDLC開、關(guān)態(tài)的原理示意圖

1.2 屏幕特性的測試

我們在測試過程中將用一個高電平為60 V左右的方波，加在屏幕的兩端，切換屏幕的同時，在屏幕的一邊放置一個發(fā)出穩(wěn)定的光強的儀器，在屏幕的另一端測定透過屏幕的光強，從而確定屏幕的散射狀態(tài)。在時間軸上對測定的數(shù)據(jù)進行繪圖，比較，分析。通過調(diào)整這個方波的某些參數(shù)，來實現(xiàn)對屏幕特性的測試。

如圖2，方波的高電平的時間為2A+3B，低電平的時間為A，通過調(diào)整A、B的值，觀察屏幕能透過的光強，獲取屏幕的響應(yīng)特性。

圖2 測試用的波形及其參數(shù)

當最開始時，將A設(shè)為13 ms，B=2 ms，當屏幕從開態(tài)切換為關(guān)態(tài)時，由圖3可見，屏幕所透過的光強緩慢下降，在下一個開態(tài)到來時，并不能下降到最低的狀態(tài)。對參數(shù)做出改動，如圖4所示，A=19 ms，B=2 ms，此時的光強曲線依然緩慢下降，直到下一個開態(tài)到來時，還是沒有穩(wěn)定在某一個低透過率的情況。而此時整個周期已達63 ms，顯然已經(jīng)不能滿足后續(xù)試驗所要求的50 Hz的情況。

圖3 光強與時間的關(guān)系圖

圖4 光強與時間的關(guān)系圖

1.3 結(jié)果分析

由上文知，在普通的方波作用于PDLC屏幕時，屏幕恢復(fù)到關(guān)態(tài)的速度太慢，不能滿足本項目后續(xù)進程的要求。因此，我們將對脈沖做些改動:我們每一次關(guān)屏幕時，先將原來的電壓置零，再給一個反向的窄脈沖，這個反向窄脈沖將屏幕的電壓快速的拉下來，縮短了弛豫時間。從而在短時間內(nèi)實現(xiàn)開態(tài)到關(guān)態(tài)的切換(如圖6所示，單路輸出波形所示)。

2 驅(qū)動屏幕的硬件電路

2.1 硬件電路概述

本裝置中需要驅(qū)動PDLC屏幕工作，基本要求為:電路的一端外接高壓電源，利用MOS管的開關(guān)特性，將輸入的FPGA產(chǎn)生的方波變成高電平等于高壓源電壓(60 V～100 V)的，與原波形時序相同的方波。最終設(shè)計出如圖5的電路。

2.2 硬件電路詳述

數(shù)字的控制信號(一般可由FPGA產(chǎn)生)由YIN _1輸入，通過光耦開關(guān)6N137［4］實現(xiàn)數(shù)字地與模擬地的隔離。在經(jīng)過一個集電極開路(7406)的反相器之后，到達級聯(lián)的三級管的基極，三極管的輸出控制MOS管的柵極。MOS管的一端接的是近100 V的高壓，三極管的輸出的變化范圍為9 V，不可能提供接近高壓源的電壓去控制MOS管的通斷，所以需要一個DC-DC［5］來隔離地信號，從而使級聯(lián)的三極管工作在虛擬地上，而實際上相對于模擬地的電壓在電源電壓附近，從而使兩個級聯(lián)的三極管的輸出可控制MOS管的通斷。當MOS管可以受控通斷時，就可使用MOS管的開關(guān)特性來形成輸出的方波信號。在MOS管與三級管之間，接了一個電阻，電阻的作用是與MOS管中的寄生電容匹配，降低MOS管的時間常數(shù)，實現(xiàn)MOS管的快速響應(yīng)，在此電阻上并聯(lián)了一個快恢復(fù)二極管，作用是在電壓反相時構(gòu)建電流通路，使得寄生電容上的電荷快速流失，提高響應(yīng)速度。在圖5中，之所以電路后半部分會有兩路類似的結(jié)構(gòu)，僅僅是為了提高電路的輸出功率。

圖5 驅(qū)動電路圖

3 驅(qū)動波形的時序

空間光調(diào)制器與PC使用DVI接口連接，在PC與空間光調(diào)制器傳輸圖像信息時，此DVI接口可發(fā)送給FPGA一個周期性的尖脈沖，此脈沖的周期，即為空間光調(diào)制器投影三張不同景深的圖片的其中一張所用的時間。我們在建立電路與投影儀器的協(xié)同時，需要獲得此尖脈沖作為時鐘，而后將輸出3路給驅(qū)動電路的信號，每一路信號將有控制正電源、正電源接地通路和負電源、負電源接地通路的總共4個I/O口輸出的波形，從而實現(xiàn)對3個屏幕的驅(qū)動。我們在編程時，使用的是Altera公司的DE0開發(fā)板［6］，其上載有Altera CycloneⅢ型fpga芯片［7］，上文提到我們要驅(qū)動三塊屏幕，每塊屏幕需要4路信號，于是我們將分配12個I/O口。

3.1 每一路的正負電壓的關(guān)系

由于在實驗中，對每一塊屏幕而言，它將受到60 V到100 V的驅(qū)動電壓。因此，如果僅僅有正電壓的驅(qū)動的話，在運行過程中的平均電壓將高于周圍環(huán)境中的電壓，甚至平均電壓差有可能超過安全電壓，會造成安全隱患。所以我們將電路設(shè)計為正負電壓交替驅(qū)動，這樣PDLC的屏幕將處于平均電壓為零的狀態(tài)。

除此之外，根據(jù)對屏幕測試的結(jié)果可知，每一次屏幕從開態(tài)切換到關(guān)態(tài)會有一個弛豫時間，導(dǎo)致切換速度變慢。因此我們每一次關(guān)屏幕時，先將原來的電壓置零，再給一個反向的窄脈沖，這個反向窄脈沖將屏幕的電壓快速的拉下來，使屏幕快速回到關(guān)態(tài)，縮短了弛豫時間。

因此，單獨對每一路而言，當正負電壓疊加后的輸出波形如圖6所示。

圖6 單路輸出

3.2 各塊屏幕間的時序

現(xiàn)階段試驗中，我們實現(xiàn)了三塊屏幕交替閃爍的關(guān)系。在投影某一塊屏幕時，它前面的屏幕必須透明，這樣空間光調(diào)制器才可以將此屏幕對應(yīng)的圖像投上去。于是我們設(shè)計了如下的時序:

當投影在屏幕一上的時候，屏幕一不透明，波形為低電平。當投影在屏幕二上時，屏幕一透明，高電平，屏幕二不透明，低電平。當投影在屏幕三上時，屏幕一、二透明，高電平，屏幕三不透明，低電平。于是就形成了:三路波形依次以一定的時間差顯示同一個波形的循環(huán)結(jié)構(gòu)。如圖7所示(此處我們僅僅給出了正向的波形，負向的波形同理可知)。

圖7 各屏幕之間的時序

4 基于Opencv的二維圖像景深提取算法

本項目中，我們先對普通的圖片做基于Opencv的景深提取，獲得灰度圖，然后再利用分數(shù)階傅里葉變換，將圖片中不同的景深的部分分層次顯示出來，在此處主要簡述了基于Opencv的景深提取算法。

4.1 何為景深

景深是指在攝影機鏡頭或其他成像器前沿著能夠取得清晰圖像的成像景深相機器軸線所測定的物體距離范圍。

4.2 關(guān)于Opencv

Opencv是一個跨平臺計算機視覺庫。它實現(xiàn)了圖像處理和計算機視覺方面的很多通用算法［8］。

Opencv擁有包括300多個C函數(shù)的跨平臺的中、高層API。在這個項目中，我們僅使用Opencv的內(nèi)部庫，沒有自己編譯的Opencv庫。

4.3 立體匹配與視差計算

立體匹配主要是通過找出每對圖像間的對應(yīng)關(guān)系，根據(jù)三角測量原理，得到視差圖;在獲得了視差信息后，根據(jù)投影模型很容易地可以得到原始圖像的深度信息和三維信息。

4.3.1 SAD匹配代價疊加

用以計算視差的圖像有兩幅，以水平前向的兩個攝像機為例，左邊攝像機拍攝到的為圖8，右邊的為圖9。

圖8 左邊攝像機拍到的圖像

圖9 右邊攝像機拍到的圖像

匹配兩幅不同視圖的3D點，必須在它們重疊視圖內(nèi)的可視區(qū)域上才能被計算。因此一開始，必須對兩幅視圖進行雙目匹配。雙目匹配的算法主要有3種:SSD，SAD和NCC。這里我們選取SAD算法。

SAD，即絕對誤差累計的最小窗口，它用灰度值來表征兩幅圖像之間的差異。將左右兩幅視圖每個像素點的灰度值逐一相減取絕對值，再橫向縱向相加求得總和。公式如下:

算法對于兩幅圖像的亮度差異進行預(yù)處理，使得兩圖在匹配之前能夠有相近的亮度從而減小誤差，也增強了圖像文理。這個過程通過在整幅圖像上移動窗口，即匹配塊來實現(xiàn)。

圖8和圖9對齊之后，就開始在同一行搜索。對于圖8的某一點，搜索圖9的同一行。以該點為中心，取一個匹配塊(比如9×9)，再在圖9搜索等大的匹配塊，計算兩個塊之間的SAD值。SAD值最小的，代表它們灰度值的差異最小，那么兩個中心點就匹配起來了。

也就是說，只有當一定區(qū)域內(nèi)的灰度值差異相同，才能保證這兩點是匹配的。

匹配塊窗口大小，最小為5×5，最大為21×21，這里我們?nèi)?×9，可以達到較好的匹配效果和較短的運行時間。

4.3.2 SGBM算法的狀態(tài)參數(shù)設(shè)置

SGBM作為一種全局匹配算法，立體匹配的效果明顯好于局部匹配算法，但是同時復(fù)雜度上也要遠遠大于局部匹配算法。

由于SGBM算法已經(jīng)集成，并且其調(diào)用的庫函數(shù)也相當成熟，因此我們只關(guān)心算法的外部接口，也就是狀態(tài)參數(shù)的設(shè)置

匹配過程通過SAD滑動窗口來完成。對圖8上的每個特征而言，搜索圖9中的對應(yīng)行以找到最佳匹配。對于兩個水平前向平行的攝像機，圖9上的匹配位置一定會在圖8的相同行上。

以下為滑動窗口的相關(guān)參數(shù):

(1)控制匹配搜索的第1個參數(shù)是minDisparity，它說明了匹配搜索從哪里開始，默認值為0。

(2)程序在numberofDisparities設(shè)置的視察內(nèi)開始搜索，默認值為64。

(3)通過限制同一行上匹配點的搜索長度來減少搜索的視差個數(shù)，從而減縮計算時間。

由于視差和景深成反比，因此，通過設(shè)置最小視差和搜索的視差個數(shù)，就可以建立起一個雙眼視界，這個3D體被立體算法的搜索范圍所覆蓋。

運行效果如圖10、圖11所示，圖11為運行結(jié)果。

圖10 未提取景深的原圖

圖11 灰度圖

結(jié)果說明:灰度圖的視覺范圍與雙目視覺圖像中的左視圖保持一致?；叶葓D像上，顏色越淺，表示該處與人眼的距離越近;反之則越遠。

從運行出來的灰度圖可以看出，SGBM具有一定的準確性，圓錐、人臉和柵欄的輪廓均有所體現(xiàn)，由淺到深表現(xiàn)出的由遠及近也大致準確。但算法自身仍存在以下缺陷:

(1)精確度不夠 原圖中，人臉有凹凸的五官。也就是說，鼻梁(凸起)和與其處在同一水平位置的臉頰相比，顯然，鼻梁與觀察者的距離比臉頰要遠。但是灰度圖上整張臉呈現(xiàn)均勻的灰色，沒有凹凸感，即沒有體現(xiàn)精密的景深。

(2)圖像輪廓有所畸變。

(3)左右兩幅視圖必須底部對齊且大小相同，沒有自動校正。

5 小結(jié)

本項目設(shè)計了一個基于PDLC屏幕的多屏幕三維立體顯示系統(tǒng)，并研究了基于Opencv的景深提取算法。通過以上研究，我們可以成功的將一幅二維的圖像中的三維景深信息提取出來，并轉(zhuǎn)化為不同景深的圖片供空間光調(diào)制器呈現(xiàn)出全息投影投影;而PDLC屏幕將與投影同步切換，從而使圖像成像于與其景深相對應(yīng)的屏幕之上，達到了三維立體顯示的效果。其裝置實物圖如圖12所示。

圖12 實驗裝置圖

本顯示系統(tǒng)已經(jīng)具備了三維顯示的要素，投影成像清晰穩(wěn)定，屏幕的切換速度達到要求，開態(tài)與關(guān)態(tài)的對比明顯，屏幕間的時序合理;算法也能夠正確的提取景深。但因其尚在試驗階段，尚有許多提升的空間，以待后續(xù)的研究進展去完善之。

［1］ 曾勃.聚合物分散液晶的制備及電光特性研究［D］.成都:電子科技大學(xué)，2006.

［2］ 王瓊?cè)A.3D顯示技術(shù)與器件［M］.北京:科學(xué)出版社，2011: 135-182.

［3］ 王永強，劉太剛.空間光調(diào)制器簡介及其應(yīng)用［J］.焦作大學(xué)學(xué)報，2007(3):82-84.

［4］ 8 Pin Dip High Speed 10 Mbit/s Logic Gate Photocoupler 6N137 Datasheet［R］.2009:1-15.

［5］ Minmax.MIW1100series Datasheet［R］.2005:1-3.

［6］ Altera.DE0 User Manual［S］.2009:30-32.

［7］ Altera.CycloneⅢDevice Datasheet［R］.2008:1-6.

［8］ Gary Bradski，Adrian Kaehler.學(xué)習(xí)opencv［M］.于仕琪，劉瑞禎，譯.北京:清華大學(xué)出版社，2009:441-452.

劉 暢(1992- )，男，漢族，重慶梁平人，東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，本科生，neverstepbackliuc@gmail.com;

夏 軍(1974- )，男，漢族，江蘇泰興人，東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院顯示技術(shù)研究中心副教授，研究方向為三維顯示、柔性顯示，xiajun@seu.edu.cn。

Multi-Screen 3D Volumetric Displaying Technology*

LIU Chang，CAI Hongyu，WEI Tianyin，YOU Wangqiu，XIA Jun*
(School of Electronic Science and Engineering，Southeast University，Nanjing 211189，China)

Nowadays，displaying technologies are developing rapidly，they have not only confined to the two-dimensional plane，many kinds of three-dimentional displaying technologies have been emerged.This program did some research on volumetric displaying technology based on multi PDLC(Polymer Dispersed Liquid Crystals)-screens，we took advantage of the switching character of PDLC-screens，used the method of time-divided displaying of multi screens and synchronized holographic projection to display a 3D graph.In this program，we analysed the response characteristics of PDLC screens，and designed the hardware of the circuit，the synchronization timing of PDLC-driving and projection，and the signal waveform of the PDLC-driving circuit.Furthermore we discussed the depth-of-field extraction algorithm based on Opencv.Finally we get 3D-graphs with different depth-of-field.

3D displaying;time-divided multi-screen displaying;synchronized holographic projection;PDLC-screens;Opencv;depth-of-field

10.3969/j.issn.1005－9490.2014.02.008

TN27

A

1005－9490(2014)02－0204－06

項目來源:國家大學(xué)生創(chuàng)新性實驗計劃項目(1210286031)

2013-05-29修改日期:2013-06-20

EEACC:7260