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)ATmega128為控制處理器，加以外圍電路，利用RS 232接口實(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；ATmega128；RS 232；Kalman濾波

0 引言
    人眼視覺(jué)是立體的，立體的視覺(jué)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(wàn)千。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、LG、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(kāi)發(fā)。
    立體顯示技術(shù)經(jīng)歷了多年的發(fā)展，無(wú)論在顯示質(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。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?；?strong>AVR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(guò)程進(jìn)行估計(jì)，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(lái)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)。

1 系統(tǒng)的工作原理及總體方案設(shè)計(jì)
1．1 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(guò)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LED背光源只能分別照亮LCD屏幕的奇數(shù)行或偶數(shù)行，如圖1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)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(guò)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。

1．2 基于單片機(jī)的Kalman濾波的預(yù)測(cè)實(shí)現(xiàn)
    Kalman信號(hào)模型包括狀態(tài)方程和測(cè)量方程。狀態(tài)方程描述了系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)和前一狀態(tài)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移關(guān)系。如下所示：

    平穩(wěn)條件下，Q，R是恒定的。Kalman濾波的過(guò)程就是根據(jù)觀測(cè)值和信號(hào)模型恢復(fù)出原始信號(hào)的過(guò)程。
    濾波器的輸出由式（4）給出：
   
    式中：稱為測(cè)量過(guò)程的革新或殘余，它代表了預(yù)期的測(cè)量值和實(shí)際測(cè)量值之間的誤差；K是增益因子，用于最小化后驗(yàn)均方誤差，在濾波過(guò)程中會(huì)動(dòng)態(tài)發(fā)生改變，如果測(cè)量更準(zhǔn)確K將越大，模型估計(jì)越準(zhǔn)確K越小。K的值和模型估計(jì)誤差P相關(guān)聯(lián)，K和P由下面式子迭代算出。
   
   
    式(5)，式(6)為Kalman濾波的預(yù)測(cè)階段，使用上一狀態(tài)的估計(jì)，做出對(duì)當(dāng)前狀態(tài)的估計(jì)。式(7)～(9)為Kalman濾波的更新階段，利用對(duì)當(dāng)前狀態(tài)的觀測(cè)值優(yōu)化在預(yù)測(cè)階段獲得的預(yù)測(cè)值，以獲得一個(gè)更精確的濾波值。
    Kalman濾波預(yù)測(cè)跟蹤有一個(gè)啟動(dòng)過(guò)程，經(jīng)過(guò)若干次迭代后。Kalman濾波才會(huì)趨于穩(wěn)定。在該系統(tǒng)中，采用勻速直線運(yùn)動(dòng)模型，狀態(tài)方程為：
   
    式中：x(n)代表眼睛(左眼或右眼)位置的水平坐標(biāo)；v(n)代表眼睛運(yùn)動(dòng)的速度；t代表時(shí)間間隔；wk-1代表這兩個(gè)變量的模型誤差，它的協(xié)方差陣定義為：

    對(duì)于模型參數(shù)Q11，Q22和R，由PC機(jī)輔助計(jì)算得到。給定一組測(cè)量位置和實(shí)際位置，在Q11，Q22，R三維空間按等量的方法選取格點(diǎn)，分別訓(xùn)練不同參數(shù)下的Kalman濾波器對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，如果濾波后的位置與真實(shí)值越接近，就說(shuō)明這組濾波器參數(shù)越優(yōu)秀。得到了最優(yōu)參數(shù)后，就可以按照前面的介紹，進(jìn)行不斷“預(yù)測(cè)一修正”的Kalman濾波，獲得精度更高的人眼位置(式(8))，并利用式(5)預(yù)測(cè)t／2時(shí)間后的人眼位置，此時(shí)增益矩陣：
   
1．3 系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)
    自由立體顯示系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、RS 232通信電路、單片機(jī)控制電路、驅(qū)動(dòng)電路和LED照明陣列電路組成，結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

    上位機(jī)完成人眼檢測(cè)算法，并且把人眼位置信息通過(guò)RS 232送給單片機(jī)。單片機(jī)選擇AVR系列中功能最強(qiáng)的ATmega128，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)“1”或“0”，控制每一列LED的點(diǎn)亮與否。

2 硬件設(shè)計(jì)
2．1 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MBI5026，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(guò)一個(gè)外接電阻進(jìn)行調(diào)整，高達(dá)25 MHz的時(shí)鐘頻率可以滿足大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆?br /> 2．2 控制電路
    ATmega128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16 MHz時(shí)鐘頻率時(shí)系統(tǒng)性能可達(dá)16 MIPS，內(nèi)帶128 KB的FLASHRO M，4 KB的E2PROM、4 KB系統(tǒng)SRAM；可擴(kuò)展64 KB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(guò)程中，需要采用MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片將PC機(jī)串口輸出的RS 232電平轉(zhuǎn)換成單片機(jī)能接受的TTL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，啟動(dòng)TC1開(kāi)始t／2時(shí)間的定時(shí)，同時(shí)開(kāi)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TCCR1B以停止定時(shí)器，按照t／2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(lái)的跳躍感。
    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、TC1的初始化、中斷設(shè)置、串行口工作方式選擇、各種變量的初值裝入。波特率設(shè)置為115 200 b／s，數(shù)據(jù)格式采用8位數(shù)據(jù)位，1位起始位，1位停止位。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)入相應(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490～550 mm，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)在大腦中融合成一幅具有立體感的圖像。

    Kalman預(yù)測(cè)使得LED背光的刷新頻率由25 Hz提高到50 Hz，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1 500幀圖片中左右兩眼的精確位置，單片機(jī)通過(guò)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：
   
    式中：△反映了與真實(shí)值的偏移程度。Kalman平衡濾波前，△1=25．56；濾波后，△2=20．45，檢測(cè)偏差改善了19．99％，由圖6可以直觀地看出平衡Kalman濾波改善了定位的效果。

5 結(jié)語(yǔ)
    本文介紹的自由立體顯示系統(tǒng)只需要一對(duì)立體圖片，就可以獲得很好的立體效果。采用價(jià)格合理、性能優(yōu)越的單片機(jī)控制系統(tǒng)，保證了性能與成本的兼顧?；趧蛩龠\(yùn)動(dòng)模型的Kalman濾波器成功改善了系統(tǒng)的性能。