基于两视点视频融合技术的裸眼3D显示的研究

邹 虹，曾 鑫，温 鑫

(重庆邮电大学 通信与信息工程学院，重庆 400065)

1 引 言

3D显示的视频图像是在平面显示的基础上，增加了景物的深度信息及左右眼的视差信息，使其显示效果更具立体感和真实感，更能满足人们对事物真实性的追求[1]。其中，基于柱镜光栅的裸眼3D显示，相对于其他助视3D显示，观看方便且3D效果好，使其成为3D显示发展的一个趋势[2-4]。

基于柱镜光栅的裸眼3D显示，多视点视频图像的融合是非常重要的一个步骤。而视频图像融合的实现，目前很多都是采用纯软件的方式，编程实现播放器的功能，通过设置各种光学参数，并在播放器中打开视频图像源，在播放器中实现多视点视频图像的融合和融合后视频图像的播放[5]。很多播放器都需要安装，而且由于3D片源相对于一般的视频片源要求的容量更大，播放器在实现视频融合播放时的速率要求很高，这就对电脑主机的配置要求及内存占用非常高，在系统配置一般的电脑上播放3D片源时可能会出现卡屏的现象，视频播放不流畅直接影响裸眼3D显示效果。

对此文中提出了一种通过软硬件结合，实现将有左右视差的两视点视频图像融合的方案。在硬件方面采用集成芯片做成电路板，利用低压差分信号LVDS (Low-Voltage Differential Signaling)和嵌入式显示接口eDP (Embedded Display Port)格式的信号来传输两视点视频信号及融合后的视频信号，可实现视频信号的高速传输[6]。软件方面通过对各集成芯片下载程序，使它们共同实现视频图像的融合及信号传送。视频信号到达显示器后，显示器上能直接显示融合后的视频信号，配合柱镜光栅，一起实现裸眼3D视频图像的实时显示，从而观看到流畅的裸眼3D显示效果[7]。

2 系统整体架构设计

系统的功能架构如图1所示，高速视频信号处理的转板上输入的信号是由主控驱动板提供的eDP信号，该信号是有左右视差的两视点视频信号，通过eDP连接线将信号接到转板的信号输入接口。信号在转板上处理后，通过转板的eDP信号输出接口输出，输出的信号为经过融合后的视频信号，然后以eDP连接线的方式接入显示屏上，最终在显示屏上看到的是融合后的视频图像。

图1 系统整体架构Fig.1 Structure of the system

3 高速视频信号转板的硬件电路设计

3.1 高速视频信号处理转板的框架

如图2所示，在该信号处理转板上，主要用到3种芯片，分别是将输入的eDP数据信号转换成LVDS数据信号的芯片ANX1122；对两视点视频信号进行排图处理，实现两视点视频融合的芯片SPD2900GS；将LVDS格式的数据信号转换成eDP信号输出的芯片IT6251。

转板上的DC/DC电压转换电路主要功能是为以上的各个芯片提供工作电压。采用多种稳压芯片及DC/DC电路实现各种电压之间的转换，得到包括5 V、3.3 V、2.5 V、1.2 V等电压，根据各芯片工作电压的需要，分别给它们提供对应的电压，使它们都能够进行正常工作。

图2 高速视频信号处理转板框架图Fig.2 Frame diagram of the high speed video signal processing board

3.2 高速差分信号线连接方式

各种芯片之间通过PCB板上的LVDS信号走线和eDP信号走线进行视频信号的传输。

LVDS和eDP信号走线采用的都是低压差分信号走线方式，在信号走线中，每一个数据传输通道或时钟传输通道的输出都为两个信号(正输出端和负输出端)。信号接收端只根据差分对的电压差来判定高低电平，差分对信号走线受到的干扰在接收端相减抵消，因而它们的抗干扰能力强，有很高的噪声抑制能力，能够实现高速率、远距离、高可靠性的信号传输，它们被广泛应用于液晶屏接口；其中eDP是一种嵌入式数码音频视讯传输接口，它的速率比LVDS的传输速率更高，在高分辨率面板传输接口居于主流地位，它是一种主要适用于平板电脑、笔记本等高分辨率显示屏的数字接口[8]。

根据LVDS信号及eDP信号的特点及各种芯片的信号输入输出方式和引脚定义，确定了它们之间的差分信号线连接方式如图3所示。

图3 差分信号电路的连接方式Fig.3 Connection mode of differential signal circuit

该转板上信号方向为从左到右，eDP输入信号包括3对(ANX_D0+、ANX_D0-、ANX_D1+、ANX_D1-、ANXP、ANXN)，分别表示2通道数据信号和1通道时钟控制信号，输入到ANX1122芯片中，将eDP信号转换成LVDS信号；ANX1122芯片输出的LVDS信号包括10对(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)，分别表示2通道的4对数据信号和分别控制2通道的时钟控制信号，它们分别连接到SPD2900GS芯片的输入端，在该芯片中实现两视点视频信号的融合；SPD2900GS芯片输出的LVDS信号有9对(Tx0N、Tx1N、Tx0P、Tx1P(x=A、B、C、D)、TCLK0N、TCLK0P)，分别表示2通道的4对数据信号和控制所有数据传输的时钟信号，输入IT6251芯片，将LVDS信号转换成eDP信号；最后输出的3对eDP信号(D0+/-、D1+/-、AUX+/-)，分别表示2通道数据信号和1通道时钟控制信号，这3对信号可通过eDP信号线连接到显示屏上，实现视频的实时显示。

3.3 高速差分对信号的PCB走线方式

由于LVDS和eDP都是差分信号，也都是高速传输的数字信号，为保证显示器端接收到的视频信号不受到外界的干扰，是正确无误的，在设计PCB板上的LVDS差分走线和eDP走线时，都需要采取必要的措施，以保证信号的完整性。

eDP高速信号线上的速率比LVDS信号线上的速率更高，故其对等长要求更加严格，信号走线的长度差距会使接收端收到的信号产生偏移导致数据不对，产生错误，而且相对于等距，差分信号线对等长的要求更加严格，所以，在走线过程中尽量使每根信号线等长[9]。对于不能做到等长的差分对走线，可以通过绕线及圆滑微调等方式来实现等长。

各对信号走线之间通过覆地相互隔离，防止信号线之间相互干扰，当差分对之间、差分对和其他信号之间的间距大于走线宽度的4倍时，差分对受到的干扰几乎可以忽略，故走线间距大于4倍走线宽度即可。当差分线对不可避免的受到干扰时，尽量使2根线受到相同的干扰，共模干扰在接收端相减被抵消，使接收端收到的信号数据没有差错[10]。

根据各芯片上分配的信号输入输出接口的位置、芯片引脚之间走线的连接情况及板子上各元器件的布局情况，转板上的信号线都采用过孔的方式，将大部分差分信号走线放在底层。

以转板的PCB layout中的eDP信号线为例，图4所示为在PADS router软件中的差分信号走线长度的测量结果，绿色背景栏中的数值表示实际的走线长度，绿色表示该长度在设置的最小长度和最大长度的范围之内。从图中可以看出eDP信号输入的走线长度都为 22.987 mm，eDP输出信号由两部分组成，它们的走线长度分别为24.511 mm和4.807 mm，最终使得eDP输出信号线总长都为29.318 mm。

图4 eDP信号走线的长度(单位：mil)Fig.4 The length of eDP signal routing(unit:mil)

4 两视点视频融合的实现

文中采用支持视频信号格式转换及两视点视频信号融合功能的芯片，根据各芯片的功能及实现原理进行编程，并下载程序到对应芯片中，再将芯片贴到PCB板上，实现两视点视频信号的实时融合。

ANX1122是高性能、低功耗的eDP到LVDS的信号转换芯片，它支持VESA(Video Electronics Standards Association) eDP v1.3的视频数据输入和单、双通道的8位LVDS数据输出，单、双通道支持高速差分信号输入的速率可达5.4 Gbits/s[11]，并兼容3D视频格式。该芯片处理的eDP视频信号主要来自其接收端的主通道上，包括数据信号及时钟信号，它可以将收到的eDP信号按VESA格式标准转换成 LVDS信号，再通过双通道的LVDS输出接口将视频信号输出。

SPD2900GS是一种可以实现将有左右视差的两视点视频图像融合成单幅视频图像的排图处理芯片，融合后的视频用于3D显示[2]。该芯片采用双通道LVDS输入、输出，可达到6.16 Gbits/s的视频图像处理速率。将ANX1122输出的LVDS信号输入到该芯片中，根据显示屏上贴的柱镜光栅的各种参数如柱镜的宽度、每个柱镜下子像素的个数、柱镜光栅的倾斜角度、水平偏移量等，通过排图处理，实现视频信号融合。将融合后的3D视频图像通过LVDS输出端输出到IT6251芯片的信号输入端。

IT6251是将LVDS信号转换成eDP信号的转换芯片，内部带有LVDS接收器和eDP发送器，可以将接收到的LVDS信号转换为eDP信号输出[13]，最后通过eDP信号线输入到显示屏上，使融合后的视频信号能够配合柱镜光栅的分光折射作用，一起实现3D显示。

5 视频融合效果

为验证文中设计的高速视频信号处理板方案的可行性，以系统配置为1 920×1 080@60 Hz的笔记本电脑为例，该笔记本电脑的R、G、B三基色都以6 bits二进制数据表示。在显示屏上显示的效果如图5所示：(a)为在播放器中显示的两个有左右视差的视频图像。将高速视频信号处理转板放到主控驱动板和贴有柱镜光栅的笔记本电脑的显示屏之间，并通过eDP连接线分别连接，连接方式如前面图1所示。(b)为经过视频信号处理，将两视点视频融合成单幅视频图像后，显示屏上显示的效果。从显示效果可以看出，文中设计的高速视频信号处理转板实现了两视点视频图像融合成3D视频的实时转换，实现了3D视频的实时播放，通过柱镜光栅的分光作用，可以看到效果非常好的3D立体显示。

根据笔记本电脑的系统配置，显示屏上有1 920×1 080个像素，每个像素有R、G、B三个子像素，每个子像素用6 bits二进制数据表示，则每一帧有1 920×1 080×(3×6) bits数据，以60 Hz刷新屏幕，那么，高速视频信号处理转板的视频信号处理的能力有1 920×1 080×(3×6) ×60 bits/s≈2.24 Gbits/s，可见，系统中设计的转板能够对笔记本电脑的主控驱动板上输出的有左右视差的两视点视频信号进行高速的视频融合处理及信号的高速传输，实现了裸眼3D视频的实时显示。

(a) 有视差的两视点视频图像(a) two-view video image with optical parallax

(b) 经视频融合处理后的视频图像(b) video image after video synthesize 图5 两视点视频图像融合前后的效果图Fig.5 Two-view video image before and after video synthesize

6 结 论

文中针对现有的采用纯软件编程实现的播放器中进行视频图像融合及播放3D视频，对电脑主机配置要求高，一般配置的电脑在播放3D视频图像时可能出现卡屏等现象，提出了一种软硬件结合的、适用于笔记本电脑等小尺寸显示器的两视点视频信号融合方案。方案中利用两视点视频融合处理芯片及视频信号格式转换芯片，制作出一片高速视频信号处理转板。经测试，该转板的视频信号处理能力达2.24 Gbits/s，配合贴有柱镜光栅的显示屏上即可看到很好的裸眼3D显示效果。该方案可用于各种小尺寸的带eDP接口的显示器上，实现两视点视频信号的实时高效的融合处理及裸眼3D视频的流畅播放。

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