基于LCoS军用头盔立体显示技术研究

摘要

立体显示能让人产生身临其境的感受，是一种发展潜力巨大的显示技术，是显示领域未来发展的方向。在工业、医疗和娱乐消费等领域，立体显示已经得到了初步应用，军事上，具有立体显示效果的头盔显示器(Head Mount Display)，将有助于士兵全面、准确而快速地掌握信息，赢得战场上的优势。LCoS(Liquid Crystal on Silicon)技术具有尺寸小、功耗低、分辨率高等特点，是军用头盔微显示器的最佳选择，本论文基于南开大学光电子所最新研制出的全数字化LCoS显示屏，进行军用头盔显示系统立体显示技术的研究，是天津市科委重点科技攻关项目的组成部分。 本论文从人眼的立体视觉功能出发，对立体显示技术进行了深入研究，找出了普通视频立体化的条件，即左右眼对应图像的水平像素差必须满足理论限制和生理限制，然后根据所选LCoS屏的技术参数，计算出了水平像素差的范围是6～9个像素；在此基础上，完成了显示控制器电路的设计，显示控制器输入的是复合视频信号CVBS，输出的是32位单色数字视频信号，基于Altera公司生产的可编程逻辑器件FLEKlOK，设计了显示数据格式变换算法，将一场视频数据分为两场具有水平像素差的视频数据进行输出，分别送往左右眼对应的LCoS屏，完成了立体显示图像对的分离。选用SRAM作为数据缓存器，采用“乒乓操作”进行数据流控制的处理，从而避免了可能出现的读写冲突。该算法亦完成了显示图像的行列变换，输入图像大小为720×525，输出图像为640×480(VGA)，并保证图像的信息损失最小。经过仿真测试，输出的视频信号和时序控制信号符合设计的要求，并完成了系统版图的制作。同时还对显示伺服电路进行了设计，包括用Intersil公司生产的集成电路EL5126来产生LCoS显示屏需要的八个参考电压，从而实现0～256多灰度级视频显示的方法以及主控MCU的程序设计。 本文第一章指出了论文立题的背景和意义，以及论文的主要工作和结构。第二章论述了军用头盔显示系统的组成分类，发展趋势及国内现状，着重分析了军用头盔对显示屏尺寸、分辨率、亮度和功耗的要求。第三章介绍了人眼立体视觉的基本概念和微显示器的特点、分类和应用。第四章建立了立体成像系统的数学模型，推导出了水平像素差的理论和生理限制公式。第五章阐述了单色视频立体显示系统电路的设计方法和过程。第六章对LCoS军用头盔显示系统的光学系统进行了设计。最后对论文进行了总结，指出了设计基于特定LCOS屏的立体视频控制电路以及对军用头盔进行立体显示技术的研究具有创新性，并提出了下一步研究的设想。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章引言

第一节立题的背景和意义

第二节论文主要工作及论文结构

1.2.1论文的主要工作

1.2.2论文结构

第二章军用头盔显示系统

第一节军用头盔显示系统的组成

第二节军用头盔显示系统对显示屏的要求

第三节军用头盔显示系统的发展趋势及国内现状

第三章立体视觉基础知识及微显示器相关理论

第一节人类的立体视觉

3.1.1双眼视差

3.1.2融合机能

3.1.3立体视觉的深度线索

第二节微显示器

3.2.1微显示器的特点

3.2.2微显示器的分类

3.2.3 LCoS及其主要性能优势

第四章立体显示和视频变换技术

第一节立体显示技术

4.1.1立体显示的图像来源

4.1.2立体显示的实现方法

4.1.3几种主流立体显示技术

第二节立体成像系统数学模型

4.2.1平行立体成像系统

4.2.2会聚立体成像系统

4.2.3水平像素差的限制

第三节立体视频格式转换

4.3.1平面图像立体化

4.3.2视频图像立体化

4.3.3 LCoS头盔视频立体化

第五章单色视频立体显示系统的设计

第一节系统设计方案

第二节LCoS微显示屏

5.2.1主要技术指标

5.2.2引脚属性及工作时序

第三节数字式视频解码器SAA7111AHz

5.3.1主要功能

5.3.2 SAA7111AHz的应用

第四节数字视频信号处理电路

5.4.1硬件电路的设计

5.4.2可编程逻辑器件FPGA

5.4.3数据缓存SRAM

5.4.4 FPGA与EDA工具

第五节伺服电路设计

5.5.1参考电压生成电路

5.5.2主控MCU的设计

第六节系统电路的版图制作

5.6.1PCB版图的制作

5.6.2PCB版图的说明

第六章LCoS军用头盔对称式光学系统设计

第一节显示器原理及分类

第二节LCoS头盔微显示器

第三节LCoS头盔光学系统的设计

6.3.1目镜的设计

6.3.2偏振分光镜设计

6.3.3光源及底座设计

第七章结论

参考文献

致谢

附录

个人简历、在学期间发表的学术论文及研究成果