基于AVR单片机的自由立体显示背光控制系统

摘要：为实现立体显示，设计并实现了基于单片机的LED背光控制系统。该系统采用单片机ATmega128为控制处理器，加以外围电路，利用RS 232接口实现与PC机人眼跟踪模块的实时通信。同时，充分利用下位机资源，在单片机上实现Kalman滤波，提高人眼定位精度，并利用Kalman预测，将跟踪速率提高一倍，有效减轻了显示器的闪烁现象。
关键词：自由立体显示；LED；ATmega128；RS 232；Kalman滤波

0 引言
    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LCD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。

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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，用于最小化后验均方误差，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：
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    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。

    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MBI5026，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。

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4 实验
    在实验中采用NASA的航拍视差图像对，观看距离490～550 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，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。

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。