鄒 虹，曾 鑫，溫 鑫

(重慶郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，重慶 400065)

1 引 言

3D顯示的視頻圖像是在平面顯示的基礎(chǔ)上，增加了景物的深度信息及左右眼的視差信息，使其顯示效果更具立體感和真實(shí)感，更能滿足人們對(duì)事物真實(shí)性的追求[1]。其中，基于柱鏡光柵的裸眼3D顯示，相對(duì)于其他助視3D顯示，觀看方便且3D效果好，使其成為3D顯示發(fā)展的一個(gè)趨勢[2-4]。

基于柱鏡光柵的裸眼3D顯示，多視點(diǎn)視頻圖像的融合是非常重要的一個(gè)步驟。而視頻圖像融合的實(shí)現(xiàn)，目前很多都是采用純軟件的方式，編程實(shí)現(xiàn)播放器的功能，通過設(shè)置各種光學(xué)參數(shù)，并在播放器中打開視頻圖像源，在播放器中實(shí)現(xiàn)多視點(diǎn)視頻圖像的融合和融合后視頻圖像的播放[5]。很多播放器都需要安裝，而且由于3D片源相對(duì)于一般的視頻片源要求的容量更大，播放器在實(shí)現(xiàn)視頻融合播放時(shí)的速率要求很高，這就對(duì)電腦主機(jī)的配置要求及內(nèi)存占用非常高，在系統(tǒng)配置一般的電腦上播放3D片源時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)卡屏的現(xiàn)象，視頻播放不流暢直接影響裸眼3D顯示效果。

對(duì)此文中提出了一種通過軟硬件結(jié)合，實(shí)現(xiàn)將有左右視差的兩視點(diǎn)視頻圖像融合的方案。在硬件方面采用集成芯片做成電路板，利用低壓差分信號(hào)LVDS (Low-Voltage Differential Signaling)和嵌入式顯示接口eDP (Embedded Display Port)格式的信號(hào)來傳輸兩視點(diǎn)視頻信號(hào)及融合后的視頻信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)視頻信號(hào)的高速傳輸[6]。軟件方面通過對(duì)各集成芯片下載程序，使它們共同實(shí)現(xiàn)視頻圖像的融合及信號(hào)傳送。視頻信號(hào)到達(dá)顯示器后，顯示器上能直接顯示融合后的視頻信號(hào)，配合柱鏡光柵，一起實(shí)現(xiàn)裸眼3D視頻圖像的實(shí)時(shí)顯示，從而觀看到流暢的裸眼3D顯示效果[7]。

2 系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的功能架構(gòu)如圖1所示，高速視頻信號(hào)處理的轉(zhuǎn)板上輸入的信號(hào)是由主控驅(qū)動(dòng)板提供的eDP信號(hào)，該信號(hào)是有左右視差的兩視點(diǎn)視頻信號(hào)，通過eDP連接線將信號(hào)接到轉(zhuǎn)板的信號(hào)輸入接口。信號(hào)在轉(zhuǎn)板上處理后，通過轉(zhuǎn)板的eDP信號(hào)輸出接口輸出，輸出的信號(hào)為經(jīng)過融合后的視頻信號(hào)，然后以eDP連接線的方式接入顯示屏上，最終在顯示屏上看到的是融合后的視頻圖像。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)Fig.1 Structure of the system

3 高速視頻信號(hào)轉(zhuǎn)板的硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 高速視頻信號(hào)處理轉(zhuǎn)板的框架

如圖2所示，在該信號(hào)處理轉(zhuǎn)板上，主要用到3種芯片，分別是將輸入的eDP數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換成LVDS數(shù)據(jù)信號(hào)的芯片ANX1122；對(duì)兩視點(diǎn)視頻信號(hào)進(jìn)行排圖處理，實(shí)現(xiàn)兩視點(diǎn)視頻融合的芯片SPD2900GS；將LVDS格式的數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換成eDP信號(hào)輸出的芯片IT6251。

轉(zhuǎn)板上的DC/DC電壓轉(zhuǎn)換電路主要功能是為以上的各個(gè)芯片提供工作電壓。采用多種穩(wěn)壓芯片及DC/DC電路實(shí)現(xiàn)各種電壓之間的轉(zhuǎn)換，得到包括5 V、3.3 V、2.5 V、1.2 V等電壓，根據(jù)各芯片工作電壓的需要，分別給它們提供對(duì)應(yīng)的電壓，使它們都能夠進(jìn)行正常工作。

圖2 高速視頻信號(hào)處理轉(zhuǎn)板框架圖Fig.2 Frame diagram of the high speed video signal processing board

3.2 高速差分信號(hào)線連接方式

各種芯片之間通過PCB板上的LVDS信號(hào)走線和eDP信號(hào)走線進(jìn)行視頻信號(hào)的傳輸。

LVDS和eDP信號(hào)走線采用的都是低壓差分信號(hào)走線方式，在信號(hào)走線中，每一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸通道或時(shí)鐘傳輸通道的輸出都為兩個(gè)信號(hào)(正輸出端和負(fù)輸出端)。信號(hào)接收端只根據(jù)差分對(duì)的電壓差來判定高低電平，差分對(duì)信號(hào)走線受到的干擾在接收端相減抵消，因而它們的抗干擾能力強(qiáng)，有很高的噪聲抑制能力，能夠?qū)崿F(xiàn)高速率、遠(yuǎn)距離、高可靠性的信號(hào)傳輸，它們被廣泛應(yīng)用于液晶屏接口；其中eDP是一種嵌入式數(shù)碼音頻視訊傳輸接口，它的速率比LVDS的傳輸速率更高，在高分辨率面板傳輸接口居于主流地位，它是一種主要適用于平板電腦、筆記本等高分辨率顯示屏的數(shù)字接口[8]。

根據(jù)LVDS信號(hào)及eDP信號(hào)的特點(diǎn)及各種芯片的信號(hào)輸入輸出方式和引腳定義，確定了它們之間的差分信號(hào)線連接方式如圖3所示。

圖3 差分信號(hào)電路的連接方式Fig.3 Connection mode of differential signal circuit

該轉(zhuǎn)板上信號(hào)方向?yàn)閺淖蟮接?，eDP輸入信號(hào)包括3對(duì)(ANX_D0+、ANX_D0-、ANX_D1+、ANX_D1-、ANXP、ANXN)，分別表示2通道數(shù)據(jù)信號(hào)和1通道時(shí)鐘控制信號(hào)，輸入到ANX1122芯片中，將eDP信號(hào)轉(zhuǎn)換成LVDS信號(hào)；ANX1122芯片輸出的LVDS信號(hào)包括10對(duì)(LVDS_TX_UxN、LVDS_TX_UxP (x=0、1、2、3)、LVDS_TX_CLKUN、LVDS_TX_CLKUP、LVDS_TX_LxN、LVDS_TX_LxP (x=0、1、2、3)、LVDS_TX_CLKLN、LVDS_TX_CLKLP)，分別表示2通道的4對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)和分別控制2通道的時(shí)鐘控制信號(hào)，它們分別連接到SPD2900GS芯片的輸入端，在該芯片中實(shí)現(xiàn)兩視點(diǎn)視頻信號(hào)的融合；SPD2900GS芯片輸出的LVDS信號(hào)有9對(duì)(Tx0N、Tx1N、Tx0P、Tx1P(x=A、B、C、D)、TCLK0N、TCLK0P)，分別表示2通道的4對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)和控制所有數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)鐘信號(hào)，輸入IT6251芯片，將LVDS信號(hào)轉(zhuǎn)換成eDP信號(hào)；最后輸出的3對(duì)eDP信號(hào)(D0+/-、D1+/-、AUX+/-)，分別表示2通道數(shù)據(jù)信號(hào)和1通道時(shí)鐘控制信號(hào)，這3對(duì)信號(hào)可通過eDP信號(hào)線連接到顯示屏上，實(shí)現(xiàn)視頻的實(shí)時(shí)顯示。

3.3 高速差分對(duì)信號(hào)的PCB走線方式

由于LVDS和eDP都是差分信號(hào)，也都是高速傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)，為保證顯示器端接收到的視頻信號(hào)不受到外界的干擾，是正確無誤的，在設(shè)計(jì)PCB板上的LVDS差分走線和eDP走線時(shí)，都需要采取必要的措施，以保證信號(hào)的完整性。

eDP高速信號(hào)線上的速率比LVDS信號(hào)線上的速率更高，故其對(duì)等長要求更加嚴(yán)格，信號(hào)走線的長度差距會(huì)使接收端收到的信號(hào)產(chǎn)生偏移導(dǎo)致數(shù)據(jù)不對(duì)，產(chǎn)生錯(cuò)誤，而且相對(duì)于等距，差分信號(hào)線對(duì)等長的要求更加嚴(yán)格，所以，在走線過程中盡量使每根信號(hào)線等長[9]。對(duì)于不能做到等長的差分對(duì)走線，可以通過繞線及圓滑微調(diào)等方式來實(shí)現(xiàn)等長。

各對(duì)信號(hào)走線之間通過覆地相互隔離，防止信號(hào)線之間相互干擾，當(dāng)差分對(duì)之間、差分對(duì)和其他信號(hào)之間的間距大于走線寬度的4倍時(shí)，差分對(duì)受到的干擾幾乎可以忽略，故走線間距大于4倍走線寬度即可。當(dāng)差分線對(duì)不可避免的受到干擾時(shí)，盡量使2根線受到相同的干擾，共模干擾在接收端相減被抵消，使接收端收到的信號(hào)數(shù)據(jù)沒有差錯(cuò)[10]。

根據(jù)各芯片上分配的信號(hào)輸入輸出接口的位置、芯片引腳之間走線的連接情況及板子上各元器件的布局情況，轉(zhuǎn)板上的信號(hào)線都采用過孔的方式，將大部分差分信號(hào)走線放在底層。

以轉(zhuǎn)板的PCB layout中的eDP信號(hào)線為例，圖4所示為在PADS router軟件中的差分信號(hào)走線長度的測量結(jié)果，綠色背景欄中的數(shù)值表示實(shí)際的走線長度，綠色表示該長度在設(shè)置的最小長度和最大長度的范圍之內(nèi)。從圖中可以看出eDP信號(hào)輸入的走線長度都為 22.987 mm，eDP輸出信號(hào)由兩部分組成，它們的走線長度分別為24.511 mm和4.807 mm，最終使得eDP輸出信號(hào)線總長都為29.318 mm。

圖4 eDP信號(hào)走線的長度(單位：mil)Fig.4 The length of eDP signal routing(unit:mil)

4 兩視點(diǎn)視頻融合的實(shí)現(xiàn)

文中采用支持視頻信號(hào)格式轉(zhuǎn)換及兩視點(diǎn)視頻信號(hào)融合功能的芯片，根據(jù)各芯片的功能及實(shí)現(xiàn)原理進(jìn)行編程，并下載程序到對(duì)應(yīng)芯片中，再將芯片貼到PCB板上，實(shí)現(xiàn)兩視點(diǎn)視頻信號(hào)的實(shí)時(shí)融合。

ANX1122是高性能、低功耗的eDP到LVDS的信號(hào)轉(zhuǎn)換芯片，它支持VESA(Video Electronics Standards Association) eDP v1.3的視頻數(shù)據(jù)輸入和單、雙通道的8位LVDS數(shù)據(jù)輸出，單、雙通道支持高速差分信號(hào)輸入的速率可達(dá)5.4 Gbits/s[11]，并兼容3D視頻格式。該芯片處理的eDP視頻信號(hào)主要來自其接收端的主通道上，包括數(shù)據(jù)信號(hào)及時(shí)鐘信號(hào)，它可以將收到的eDP信號(hào)按VESA格式標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換成 LVDS信號(hào)，再通過雙通道的LVDS輸出接口將視頻信號(hào)輸出。

SPD2900GS是一種可以實(shí)現(xiàn)將有左右視差的兩視點(diǎn)視頻圖像融合成單幅視頻圖像的排圖處理芯片，融合后的視頻用于3D顯示[2]。該芯片采用雙通道LVDS輸入、輸出，可達(dá)到6.16 Gbits/s的視頻圖像處理速率。將ANX1122輸出的LVDS信號(hào)輸入到該芯片中，根據(jù)顯示屏上貼的柱鏡光柵的各種參數(shù)如柱鏡的寬度、每個(gè)柱鏡下子像素的個(gè)數(shù)、柱鏡光柵的傾斜角度、水平偏移量等，通過排圖處理，實(shí)現(xiàn)視頻信號(hào)融合。將融合后的3D視頻圖像通過LVDS輸出端輸出到IT6251芯片的信號(hào)輸入端。

IT6251是將LVDS信號(hào)轉(zhuǎn)換成eDP信號(hào)的轉(zhuǎn)換芯片，內(nèi)部帶有LVDS接收器和eDP發(fā)送器，可以將接收到的LVDS信號(hào)轉(zhuǎn)換為eDP信號(hào)輸出[13]，最后通過eDP信號(hào)線輸入到顯示屏上，使融合后的視頻信號(hào)能夠配合柱鏡光柵的分光折射作用，一起實(shí)現(xiàn)3D顯示。

5 視頻融合效果

為驗(yàn)證文中設(shè)計(jì)的高速視頻信號(hào)處理板方案的可行性，以系統(tǒng)配置為1 920×1 080@60 Hz的筆記本電腦為例，該筆記本電腦的R、G、B三基色都以6 bits二進(jìn)制數(shù)據(jù)表示。在顯示屏上顯示的效果如圖5所示：(a)為在播放器中顯示的兩個(gè)有左右視差的視頻圖像。將高速視頻信號(hào)處理轉(zhuǎn)板放到主控驅(qū)動(dòng)板和貼有柱鏡光柵的筆記本電腦的顯示屏之間，并通過eDP連接線分別連接，連接方式如前面圖1所示。(b)為經(jīng)過視頻信號(hào)處理，將兩視點(diǎn)視頻融合成單幅視頻圖像后，顯示屏上顯示的效果。從顯示效果可以看出，文中設(shè)計(jì)的高速視頻信號(hào)處理轉(zhuǎn)板實(shí)現(xiàn)了兩視點(diǎn)視頻圖像融合成3D視頻的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了3D視頻的實(shí)時(shí)播放，通過柱鏡光柵的分光作用，可以看到效果非常好的3D立體顯示。

根據(jù)筆記本電腦的系統(tǒng)配置，顯示屏上有1 920×1 080個(gè)像素，每個(gè)像素有R、G、B三個(gè)子像素，每個(gè)子像素用6 bits二進(jìn)制數(shù)據(jù)表示，則每一幀有1 920×1 080×(3×6) bits數(shù)據(jù)，以60 Hz刷新屏幕，那么，高速視頻信號(hào)處理轉(zhuǎn)板的視頻信號(hào)處理的能力有1 920×1 080×(3×6) ×60 bits/s≈2.24 Gbits/s，可見，系統(tǒng)中設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)板能夠?qū)P記本電腦的主控驅(qū)動(dòng)板上輸出的有左右視差的兩視點(diǎn)視頻信號(hào)進(jìn)行高速的視頻融合處理及信號(hào)的高速傳輸，實(shí)現(xiàn)了裸眼3D視頻的實(shí)時(shí)顯示。

(a) 有視差的兩視點(diǎn)視頻圖像(a) two-view video image with optical parallax

(b) 經(jīng)視頻融合處理后的視頻圖像(b) video image after video synthesize 圖5 兩視點(diǎn)視頻圖像融合前后的效果圖Fig.5 Two-view video image before and after video synthesize

6 結(jié) 論

文中針對(duì)現(xiàn)有的采用純軟件編程實(shí)現(xiàn)的播放器中進(jìn)行視頻圖像融合及播放3D視頻，對(duì)電腦主機(jī)配置要求高，一般配置的電腦在播放3D視頻圖像時(shí)可能出現(xiàn)卡屏等現(xiàn)象，提出了一種軟硬件結(jié)合的、適用于筆記本電腦等小尺寸顯示器的兩視點(diǎn)視頻信號(hào)融合方案。方案中利用兩視點(diǎn)視頻融合處理芯片及視頻信號(hào)格式轉(zhuǎn)換芯片，制作出一片高速視頻信號(hào)處理轉(zhuǎn)板。經(jīng)測試，該轉(zhuǎn)板的視頻信號(hào)處理能力達(dá)2.24 Gbits/s，配合貼有柱鏡光柵的顯示屏上即可看到很好的裸眼3D顯示效果。該方案可用于各種小尺寸的帶eDP接口的顯示器上，實(shí)現(xiàn)兩視點(diǎn)視頻信號(hào)的實(shí)時(shí)高效的融合處理及裸眼3D視頻的流暢播放。

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