一种基于FPGA的立体视频转换系统研究设计

自由立体显示器是一种无需佩戴辅助装置就能观看三维立体效果的显示器。由于立体显示器能够真实还原三维信息，因此在军事、商业、医疗等领域有着广阔的发展前景[1]。

随着立体显示器研究的不断发展，自由立体显示技术日趋成熟，不断涌现出各种新型的立体显示技术[1，2]。其中基于视差的立体图像显示技术以实现方便和技术成熟的优点被广泛应用[2]。传统的立体图像源通常不能直接用于新型立体显示器显示，为立体显示器提供合适的图像源成为立体显示研究的一个重要环节。本文介绍一种基于视差原理的立体显示器的视频转换系统，它能够将已有的立体视频格式转换成所需的视频格式。

基于视差的立体显示器需要在屏幕上同时显示一对立体图像，因此显示器所需的图像格式也不同于平面显示器。本文将以输入左右格式（Side-by-Side）的视频信号为例，详细描述该信号格式转换为一种液晶立体显示器格式的设计与实现。该系统以FPGA为核心，采用全数字的数字视频口DVI（Digital Visual Interface）作为液晶显示器的视频接口，并且使用一片DDR SDRAM构建了高速的帧缓存系统，保证了数据的实时处理。系统可以工作在2D和3D模式下，实现显示器的平面/立体兼容，在1 280×1024@60 Hz的19寸立体显示器上工作稳定，满足系统要求，通用性很好。

1 系统设计

1.1 目标视频格式

目前存在大量左右格式的立体图像和视频。所谓的左右格式，就是在一幅完整的图像上，将一对立体图像平行放置在图像的左半边和右半边，如图1(a)所示。观看者左眼只看到左边的图像，右眼只看到右边的图像时就能看到立体图像。一种基于液晶和视差原理的自由立体显示器，将左右图像分别放在亚像素列的偶数列和奇数列。以屏幕分辨率为1280×1024为例，原图第0~639列为左图，640~1279为右图，则第0列和第640列像素组成变换后图像的第0列和第1列；第1列和第641列组合为第2第3列……依次类推。组合的方式为交换对应像素的绿色分量。合成后的效果如图1（b）所示，左右图像的亚像素在水平方向间隔排列。

1.2 硬件系统设计

系统的硬件框图如图2所示。该系统采用DVI作为视频输入输出接口。DVI作为一种全数字的接口标准，已经成为液晶显示器必备的一种接口。与VGA相比，它的优点在于采用数字信号传输，没有A/D、D/A二次转换带来的信号损失。其中输入输出分别采用TI公司的TFP401和TFP410芯片，该芯片支持最高165 MHz的像素时钟，即对应1600×1200@60 Hz的分辨率。FPGA芯片采用Xilinx公司的Spartan3E系列的XC3S1600E，该芯片具有较为丰富的资源，并且成本较低。为了满足视频数据存储的需要，该系统还配备了一组位宽为32 bit、容量为64 MB的DDR SDRAM存储芯片。当系统工作在2D模式时，FPGA采集由DVI输入的视频数据，经SDRAM缓存后发送给DVI输出芯片；当系统工作在3D模式时，FPGA先对读入的数据实时进行格式转换后再写入SDRAM，然后从SDRAM读出转换好的数据发送给DVI输出芯片，立体显示器接收到的即是对应的立体格式的数据。该设计利用DVI输入输出时序上的特点，分时利用一组SDRAM实现了类似"乒乓操作"的帧缓存功能，充分利用了系统资源。

作者：张金龙1，王元庆1，张兆扬2    来源：电子技术应用2010年第9期