基于AVR单片机的自由立体显示背光控制系统.doc

1、立体中国： 3D 电影下载： 最新最全免费 3D 电影下载 基于 AVR 单片机的自由立体显示背光控制系统 人眼视觉是立体的，立体的视觉带给人类的不仅仅是可以判断观看对象的空间状态，它和颜色一起，使这 个世界更加丰富多彩、变化万千。2010年伊始，随着立体电影阿凡达的热映，在世界各地掀起了一股 3D 的热潮，3D 技术成为各界关注的焦点。三菱、索尼、LG、三星等各大显示器厂商相继推出自己的立 体电视，并寄希望于立体电视市场的开发。 立体显示技术经历了多年的发展，无论在显示质量，还是实现方法上都有了很大的进步，自由立体显示由 于不需要佩戴任何辅助工具，因此正在成为立体显示发展的方向。其中，以 L

2、CD 为基础，基于视差的立 体显示技术由于技术成熟且实现工艺不复杂，成为最有可能实现商业化的热门技术之一。基于 AVR 单片 机的自由立体显示系统正是在这一技术的基础上，利用特殊的光学部件和 LED 照明阵列实现的。 Kalman 滤波是一种线性最小方差估计，算法采用递推形式在时域内滤波，数据存储量小，预测精度高， 适用于对多维随机过程进行估计，这个估计可以是对当前目标位置的估计(滤波) ，也可以是对于将来位置 的估计(预测) 。常用于从一组有限的，包含噪声的，对物体位置的观察序列中得到关于物体位置的好的估 计。在自由立体显示系统中，单片机在进行电路控制的同时还对人眼位置信息进行 Kalman

3、 滤波和预测。 1 系统的工作原理及总体方案设计 1.1 立体显示的实现原理 视差立体的实现原理是将一对立体图像分别送入人的左右眼睛，经过大脑融合后就可以产生立体效果。根 据这一原理，设计了一款立体显示器，17寸 LCD 的奇数行和偶数行分别显示左右立体图像，光学部分利 用菲涅尔透镜控制光路的走向，垂直分光装置使位于不同垂直位置的两组 LED 背光源只能分别照亮 LCD 屏幕的奇数行或偶数行，如图1所示。同时，两组光源的水平位置也有差别，这样就为左右眼分别提供了 只能看到奇数行或偶数行的可视区域，如图2所示。当观察者在屏幕前自由移动的时候，通过摄像头探测 到人眼的位置信息，用单片机控制 LED

4、 照明阵列在适当的地方点亮，保证始终提供正确的可视区域，实 现自由立体显示。 立体中国： 3D 电影下载： 最新最全免费 3D 电影下载 1.2 基于单片机的 Kalman 滤波的预测实现 Kalman 信号模型包括状态方程和测量方程。状态方程描述了系统当前状态和前一状态的状态转移关系。 如下所示： 平稳条件下，Q，R 是恒定的。Kalman 滤波的过程就是根据观测值和信号模型恢复出原始信号的过程。 滤波器的输出由式(4)给出： 式中： 称为测量过程的革新或残余，它代表了预期的测量值和实际测量值之间的误差;K 是增益因子，用于最小 立体中国： 3D 电影下载： 最新最全免费 3D 电影下载 化

5、后验均方误差，在滤波过程中会动态发生改变，如果测量更准确 K 将越大，模型估计越准确 K 越小。 K 的值和模型估计误差 P 相关联，K 和 P 由下面式子迭代算出。 式(5)，式(6)为 Kalman 滤波的预测阶段，使用上一状态的估计，做出对当前状态的估计。式(7)(9) 为 Kalman 滤波的更新阶段，利用对当前状态的观测值优化在预测阶段获得的预测值，以获得一个更精确的 滤波值。 Kalman 滤波预测跟踪有一个启动过程，经过若干次迭代后。Kalman 滤波才会趋于稳定。在该系统中，采 用匀速直线运动模型，状态方程为： 式中：x(n)代表眼睛( 左眼或右眼) 位置的水平坐标;v(n)代

6、表眼睛运动的速度;t 代表时间间隔;wk-1 代表这两 个变量的模型误差，它的协方差阵定义为： 对于模型参数 Q11，Q22和 R，由 PC 机辅助计算得到。给定一组测量位置和实际位置，在 Q11，Q22，R 三维空间按等量的方法选取格点，分别训练不同参数下的 Kalman 滤波器对检测数据进行滤波，如果滤波 后的位置与真实值越接近，就说明这组滤波器参数越优秀。得到了最优参数后，就可以按照前面的介绍， 进行不断“预测一修正 ”的 Kalman 滤波，获得精度更高的人眼位置 (式(8)，并利用式(5) 预测 t/2时间后的人 眼位置，此时增益矩阵： 1.3 系统的总体方案设计 自由立体显示系统由

7、计算机、RS 232通信电路、单片机控制电路、驱动电路和 LED 照明阵列电路组成， 结构框图如图3所示。 立体中国： 3D 电影下载： 最新最全免费 3D 电影下载 上位机完成人眼检测算法，并且把人眼位置信息通过 RS 232送给单片机。单片机选择 AVR 系列中功能最 强的 ATmega128，主要完成对人眼位置数据的处理，然后按照一定的时序发送给驱动芯片。控制电路更 新 LED 照明阵列时，按地址逐个发送数据“1”或“0” ，控制每一列 LED 的点亮与否。 2 硬件设计 2.1 驱动电路 根据背光源亮度恒定的要求，LED 阵列的驱动采用聚积科技生成的16位恒流 LED 驱动芯片 MBI

8、5026，其 内建的 CMOS 移位缓存器与栓锁功能，可以将串行输入的数据转换成并行输出的格式，电流的输出值可 以通过一个外接电阻进行调整，高达25 MHz 的时钟频率可以满足大量数据传输的要求。 2.2 控制电路 ATmega128是 ATMEL 公司推出的一款8位 RISC 结构高速低功耗单片机，在16 MHz 时钟频率时系统性能 可达16 MIPS ，内带 128 KB 的 FLASHRO M，4 KB 的 E2PROM、4 KB 系统 SRAM;可扩展64 KB 外部存储 器;两个8位定时器/计数器，两个16位定时器/计数器;两路 UART 通信口，可工作在异步或同步方式。在与 上位机

9、通信的过程中，需要采用 MAX232电平转换芯片将 PC 机串口输出的 RS 232电平转换成单片机能接 受的 TTL 电平。 3 软件设计 软件设计的总体思路是 PC 机检测到人眼的位置信息，给出左眼的位置数据和右眼的位置数据，单片机在 得到这两个数据后，启动 TC1开始 t/2时间的定时，同时开始 Kalman 滤波，使用由式(8)得到的滤波值刷 新 LED 照明阵列。定时器中断服务处理程序主要包括清零 TCCR1B 以停止定时器，按照 t/2时刻人眼位置 的预测值刷新 LED 照明阵列。这样，在人眼检测速率为每秒25帧的情况下，可以将 LED 的刷新速率提升 到每秒50次，有效减轻了可视

10、区域随观察者位置变化而带来的跳跃感。 程序实现对系统的初始化，包括 I/O 端口的初始化、TC1的初始化、中断设置、串行口工作方式选择、各 种变量的初值装入。波特率设置为115 200 b/s，数据格式采用8位数据位，1位起始位，1位停止位。初始 化完成后，程序进入等待状态，若上位机发送数据，则进入相应的串行口中断服务处理程序，如图4所示。 立体中国： 3D 电影下载： 最新最全免费 3D 电影下载 4 实验 在实验中采用 NASA 的航拍视差图像对，观看距离490550 mm，观看视角30以内。实际得到的图像如 图5所示，其中图5(a)是观察者左眼看到的图像。图5(b)是观察者右眼看到的图像

11、，由于这两幅图像存在视 差，最终就会在大脑中融合成一幅具有立体感的图像。 Kalman 预测使得 LED 背光的刷新频率由25 Hz 提高到50 Hz，跳动感有所减弱。此外，为了验证 Kalman 滤波算法的效果，手工标记了1 500帧图片中左右两眼的精确位置，单片机通过串口将滤波值以及1/2帧处 的预测值回发给上位机。定义： 式中：反映了与真实值的偏移程度。Kalman 平衡滤波前，1=25.56;滤波后，2=20.45，检测偏差改善 了19.99%，由图6可以直观地看出平衡 Kalman 滤波改善了定位的效果。 立体中国： 3D 电影下载： 最新最全免费 3D 电影下载 5 结语 本文介绍的自由立体显示系统只需要一对立体图片，就可以获得很好的立体效果。采用价格合理、性能优 越的单片机控制系统，保证了性能与成本的兼顾。基于匀速运动模型的 Kalman 滤波器成功改善了系统的 性能。