基于avr單片機(jī)系統(tǒng)的自由立體顯示背光控制系統(tǒng)

1、2011年12月1日第34卷第23期現(xiàn)代電子技術(shù)ModernElectronicsTechniqueDee201lV0134No23基于AVR單片機(jī)的自由立體顯示背光控制系統(tǒng)張瑞雪1，王元慶1，張兆揚(yáng)2(1南京大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京210093；2上海大學(xué)通信與信息工程學(xué)院。上海200072)摘要：為實(shí)現(xiàn)立體顯示設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于單片機(jī)的LED背光控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用單片機(jī)ATmegal28為控制處理器，加以外圍電路。利用RS2

2、32接1：2實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)人眼跟蹤模塊的實(shí)時(shí)通信。同時(shí)，充分利用下位機(jī)資源，在單片機(jī)上實(shí)現(xiàn)Kalman濾波，提高人眼定位精度，并利用Kalman預(yù)測(cè)，將跟蹤速率提高一倍，有效減輕了顯示器的閃爍現(xiàn)象。關(guān)鍵詞：自由立體顯示；LED；ATmegal28；RS232；Kalman濾波中圖分類號(hào)：TN873—34文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1004—373X(2011)23一0149—03ControlSystemofAutostereoscopicD

3、isplayBacklightBasedonAVRZHANGRuixuel，WANGYuanqin91，ZHANGZhaoyan92(1SchoolofElectronicScienceandEngineering，NanjingUniversity。Naniing210093China；2SchoolofCommunicationandInformationEngineeringShanghaiUniversity，Shanghai2

4、00072。China)Abstract：Toachieveautostereoscopicdisplay，aLEDbacklightcontrolsystembasedonMCUwasdesignedThesys—ternusedATmegal28assystemcontrol，togetherwithothercircuits，andadoptedRS232interfacetoachievereal—timecom—munieat

5、ionwiththeeyedetectmodulerunningonPCMeanwhile。KalmanfilteralgorithmwasimplementedonMCUforim—provingthepositioningaccuracyofhumaneyes，thetrackingratewasimprovedtolightentheflickerofdisplayersKeywords：autostereoscopicdispl

6、ay；LED；ATmegal28；RS232；Kalmanfilter0引言人眼視覺是立體的，立體的視覺帶給人類的不僅僅是可以判斷觀看對(duì)象的空間狀態(tài)，它和顏色一起，使這個(gè)世界更加豐富多彩、變化萬千[1]。2010年伊始，隨著立體電影《阿凡達(dá)》的熱映，在世界各地掀起了一股3D的熱潮，3D技術(shù)成為各界關(guān)注的焦點(diǎn)。三菱、索尼、I。G、三星等各大顯示器廠商相繼推出自己的立體電視，并寄希望于立體電視市場(chǎng)的開發(fā)。立體顯示技術(shù)經(jīng)歷了多年的發(fā)展，無論在

7、顯示質(zhì)量，還是實(shí)現(xiàn)方法上都有了很大的進(jìn)步，自由立體顯示由于不需要佩戴任何輔助工具，因此正在成為立體顯示發(fā)展的方向[1喝]。其中，以LCD為基礎(chǔ)，基于視差的立體顯示技術(shù)由于技術(shù)成熟且實(shí)現(xiàn)工藝不復(fù)雜，成為最有可能實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的熱門技術(shù)之一?；贏VR單片機(jī)的自由立體顯示系統(tǒng)正是在這一技術(shù)的基礎(chǔ)上，利用特殊的光學(xué)部件和LED照明陣列實(shí)現(xiàn)的]。Kalman濾波是一種線性最小方差估計(jì)，算法采用收藕日期：201105—16基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金鶯

8、點(diǎn)項(xiàng)目資助(60832003)；新型顯示技術(shù)及應(yīng)用集成教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(上海大學(xué))資助(P200902)遞推形式在時(shí)域內(nèi)濾波，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量小，預(yù)測(cè)精度高，適用于對(duì)多維隨機(jī)過程進(jìn)行估計(jì)[4]，這個(gè)估計(jì)可以是對(duì)當(dāng)前目標(biāo)位置的估計(jì)(濾波)，也可以是對(duì)于將來位置的估計(jì)(預(yù)測(cè))。常用于從一組有限的，包含噪聲的，對(duì)物體位置的觀察序列中得到關(guān)于物體位置的好的估計(jì)。在自由立體顯示系統(tǒng)中，單片機(jī)在進(jìn)行電路控制的同時(shí)還對(duì)人眼位置信息進(jìn)行Kalman濾波和預(yù)測(cè)

9、。1系統(tǒng)的工作原理及總體方案設(shè)計(jì)11立體顯示的實(shí)現(xiàn)原理視差立體的實(shí)現(xiàn)原理是將一對(duì)立體圖像分別送入人的左右眼睛，經(jīng)過大腦融合后就可以產(chǎn)生立體效果。根據(jù)這一原理，設(shè)計(jì)了一款立體顯示器，17寸LCD的奇數(shù)行和偶數(shù)行分別顯示左右立體圖像，光學(xué)部分利用菲涅爾透鏡控制光路的走向，垂直分光裝置使位于不同垂直位置的兩組I。ED背光源只能分別照亮LCD屏幕的奇數(shù)行或偶數(shù)行，如圖l所示。同時(shí)，兩組光源的水平位置也有差別，這樣就為左右眼分別提供了只能看到奇數(shù)

10、行或偶數(shù)行的可視區(qū)域，如圖2所示。當(dāng)觀察者在屏幕前自由移動(dòng)的時(shí)候，通過攝像頭探測(cè)到人眼的位置信息，用單片機(jī)控制LED照明陣列在適當(dāng)?shù)牡胤近c(diǎn)亮，保證始終提供正確的可視區(qū)域，實(shí)現(xiàn)自由立體顯示n]。萬方數(shù)據(jù)第23期張瑞雪等：基于AVR單片機(jī)的自由立體顯示背光控制系統(tǒng)151最強(qiáng)的ATmegal28，主要完成對(duì)人眼位置數(shù)據(jù)的處理，然后按照一定的時(shí)序發(fā)送給驅(qū)動(dòng)芯片?？刂齐娐犯翷ED照明陣列時(shí)按地址逐個(gè)發(fā)送數(shù)據(jù)“l(fā)”或0，控制每一列LED的點(diǎn)亮與否

11、。2硬件設(shè)計(jì)21驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)背光源亮度恒定的要求，LED陣列的驅(qū)動(dòng)采用聚積科技生成的16位恒流LED驅(qū)動(dòng)芯片MBl5026，其內(nèi)建的CMOS移位緩存器與栓鎖功能，可以將串行輸入的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成并行輸出的格式，電流的輸出值可以通過一個(gè)外接電阻進(jìn)行調(diào)整，高達(dá)25MHz的時(shí)鐘頻率可以滿足大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆?2控制電路ATmegal28是ATMEL公司推出的一款8位RISC結(jié)構(gòu)高速低功耗單片機(jī)，在16MHz時(shí)鐘頻率時(shí)系統(tǒng)性能可達(dá)16MIPS，內(nèi)帶

12、128KB的FLASHROM，4KB的E2PROM、4KB系統(tǒng)SRAM；可擴(kuò)展64KB外部存儲(chǔ)器；兩個(gè)8位定時(shí)器／計(jì)數(shù)器，兩個(gè)16位定時(shí)器／計(jì)數(shù)器；兩路UART通信口，可工作在異步或同步方式”“。在與上位機(jī)通信的過程中，需要采用MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片將PC機(jī)串口輸出的RS232電平轉(zhuǎn)換成單片機(jī)能接受的TTI。電平“。3軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)的總體思路是PC機(jī)檢測(cè)到人眼的位置信息，給出左眼的位置數(shù)據(jù)和右眼的位置數(shù)據(jù)，單片機(jī)在得到這兩個(gè)數(shù)據(jù)后，

13、啟動(dòng)TCl開始t／2時(shí)間的定時(shí)，同時(shí)開始Kalman濾波，使用由式(8)得到的濾波值刷新LED照明陣列。定時(shí)器中斷服務(wù)處理程序主要包括清零TCCRlB以停止定時(shí)器，按照t／z時(shí)刻人眼位置的預(yù)測(cè)值刷新LED照明陣列。這樣，在人眼檢測(cè)速率為每秒25幀的情況下，可以將LED的刷新速率提升到每秒50次，有效減輕了可視區(qū)域隨觀察者位置變化而帶來的跳躍感。主程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的初始化，包括I／O端口的初始化、TCl的初始化、中斷設(shè)置、串行口工作方式選擇

14、、各種變量的初值裝入。波特率設(shè)置為115200b／s，數(shù)據(jù)格式采用8位數(shù)據(jù)位，l位起始位，1位停止位o”。。初始化完成后，程序進(jìn)入等待狀態(tài)，若上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，則進(jìn)人相應(yīng)的串行口中斷服務(wù)處理程序，如圖4所示。4實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)中采用NASA的航拍視差圖像對(duì)，觀看距離490～550mm，觀看視角30。以內(nèi)。實(shí)際得到的圖像如圖5所示，其中圖5(a)是觀察者左眼看到的圖像。圖5(b)是觀察者右眼看到的圖像由于這兩幅圖像存在視差，最終就會(huì)在大腦中融合成

15、一幅具有立體感的圖像。目4串行口中斷服務(wù)程序流程圖(a1生眼看到的H像圖5實(shí)驗(yàn)中拍攝的立體圖像對(duì)Kalman預(yù)測(cè)使得LED背光的刷新頻率由25Hz提高到50Hz，跳動(dòng)感有所減弱。此外，為了驗(yàn)證Kalman濾波算法的效果，手工標(biāo)記了1500幀圖片中左右兩眼的精確位置，單片機(jī)通過串口將濾波值以及1／2幀處的預(yù)測(cè)值回發(fā)給上位機(jī)。定義：△一墜掣鯉生二生塑(14)Z式中：△反映了與真實(shí)值的偏移程度。Kalman平衡濾波前，△，一2556；濾波后，