基于AM－OLED立體顯示接口電路的設(shè)計

卓 斌，石俊生＊，邰永航，云利軍

（1.云南師范大學(xué) 顏色與圖像視覺實驗室，云南 昆明650500；2.云南師范大學(xué) 計算機科學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院，云南 昆明650500）

1 引 言

隨著立體技術(shù)的發(fā)展，立體顯示器的核心部件從小型CRT發(fā)展到目前的有源矩陣有機發(fā)光二極體面板（AM－OLED）。由于OLED 顯示器刷新率高、寬視角、高對比度、高亮度、低功耗等特點，被越來越多地應(yīng)用到近眼立體顯示系統(tǒng)［1］。國外的立體顯示技術(shù)相對比較成熟。2006年，eMagin開發(fā)出全球第一款支持3D功能的頭戴顯示器“eMagin Z800 3DVisor”，該頭盔配備雙1.27cm（0.5in）、800×600分辨率OLED 微型顯示芯片［2］；2011年12月，Sony推出頭戴式3D 顯示器HMZ－T1配備最新研發(fā)的1.778cm（0.7in）1 280×720分辨率的OLED面板，可以實現(xiàn)20m 觀看1 905cm（750in）巨幕的3D效果；2012年1月，美國SMD公司發(fā)布了一款分辨率為1 920×1 080全高清3D頭戴式顯示器ST1080，該顯示器頭戴重量只有180g［3］。國內(nèi)主要是一些高校對頭盔立體顯示有較多的研究。東南大學(xué)設(shè)計并實現(xiàn)了分辨率為1 024×768，子場刷新率為180Hz的LCOS彩色頭盔顯示器，能夠?qū)崿F(xiàn)彩色視頻圖像的實時顯示；北京理工大學(xué)程德文、王涌天等人采用FFS棱鏡等新型光學(xué)元件，利用新的像差理論和優(yōu)化設(shè)計方法對HMD 目視光學(xué)系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計，可以使HMD光學(xué)系統(tǒng)在滿足系統(tǒng)視場和出瞳要求的同時使其重量大大減輕，結(jié)構(gòu)更為緊湊［4］。本文采用雙VGA 接口作為視頻輸入接口，雙AM－OLED微型顯示器為立體顯示面板，利用人眼的雙目視差原理和SVGA050微顯芯片立體顯示功能，最終通過光學(xué)放大系統(tǒng)實現(xiàn)立體顯示。該方案將雙路視頻信號分別成像于雙眼之前，明顯地減小了雙眼之間的串?dāng)_現(xiàn)象，通過調(diào)節(jié)雙顯示芯片之間的距離和光學(xué)系統(tǒng)的焦距，可以獲得最佳的立體效果。

2 立體顯示系統(tǒng)接口電路設(shè)計

基于AM－OLED 的結(jié)構(gòu)與特點，設(shè)計系統(tǒng)硬件接口電路如圖1 所示，視頻解碼模塊采用AD公司的視頻解碼芯片AD9883，用于對外部輸入的VGA 視頻信號進行解碼；控制模塊采用Microchip公司的控制芯片PIC18LF2550，主要用于對解碼芯片和OLED 顯示模塊的寄存器配置；電源模塊分別產(chǎn)生1.8V、3.3V、5V 的電源為各個模塊提供電源支持［5］；顯示模塊采用的是奧雷德公司最新推出的1.27cm（0.5in）AM－OLED顯示模塊SVGA050。立體顯示接口電路分為兩部分：母版和OLED 板。

圖1 系統(tǒng)硬件接口電路設(shè)計Fig.1 Design diagram of the hardware interface circuit

2.1 母版設(shè)計

母版包括MCU 控制模塊和電源模塊?？刂坪诵牟捎肕icrochip公司的高性能、低功耗控制芯片PIC18LF2550，該MCU 在空閑狀態(tài)時功耗只有5.8μA，處于睡眠狀態(tài)時其功耗更是低至1.8μA［6］。主同步串口模塊支持3線SPI和IIC主從模式，其作用是通過IIC 總線對AM－OLED顯示器和AD9883中的寄存器參數(shù)進行設(shè)置［7］。系統(tǒng)面板中包括MODE、UP、DOWN 共3個功能按鍵，其中MODE 為模式選擇鍵，功能為循環(huán)切換對比度、亮度、測試圖案、視頻輸入4種；UP 和DOWN 為上、下調(diào)整鍵，可在不同模式時對具體參數(shù)進行調(diào)整。

在系統(tǒng)中，要求提供電源的主要有控制芯片PIC18LF2550（3.3 V）、微顯芯片SVGA050（1.8V 和5.0 V 雙 路）、解 碼 芯 片AD9883（3.3V），而USB輸入5V 電源，因此在設(shè)計時選用了兩個DC－DC模塊將5V 電壓分別轉(zhuǎn)換成3.3V 和1.8 V。為了降低功耗和延長使用壽命，要求SVGA050 在不工作時將其電源斷開，因此選用了具有使能控制端的DC－DC 模塊，當(dāng)長時間不操作時MCU 可以切斷SVGA050的電源。

2.2 OLED板接口設(shè)計

OLED 板主要由顯示芯片SVGA050和解碼芯片AD9883構(gòu)成。本系統(tǒng)采用云南北方奧雷德公司 最 新 開 發(fā) 的800×600 分 辨 率、1.27cm（0.5in）主動型數(shù)字微顯芯片SVGA050，支持IIC接口和雙目3D 應(yīng)用。該微顯芯片提供條紋、方格等多種內(nèi)部測試圖案，并支持VGA、NTSC／PAL等多種視頻系統(tǒng)［8］。由于系統(tǒng)的視頻輸入為VGA 模擬信號，故需要A／D 轉(zhuǎn)換芯片。本系統(tǒng)采用的解碼芯片是AD 公司生產(chǎn)的一款A(yù)／D轉(zhuǎn)換芯片AD9883，實現(xiàn)對PC機顯卡輸出的模擬RGB信號進行高速8位A／D 轉(zhuǎn)換。其最大轉(zhuǎn)換速率可達(dá)110 MSMP，模擬帶寬達(dá)500 MHz，額定功耗低至500 mW，支持多種同步信號輸入方式，通過IIC總線完全可編程［9］。

圖2為OLED 板的結(jié)構(gòu)框圖。R、G、B 為三路視頻信號輸入端，HS、VS分別為行同步和場同步信號，P＿SDA、P＿SCL 分別為IIC 串行總線的數(shù)據(jù)輸入和時鐘輸入。從圖中可以看出，用戶只需要給該微顯芯片提供電源，并通過IIC 總線對內(nèi)部寄存器進行合理的配置，即可將外部輸入的模擬視頻信號在OLED 面板上正確顯示出來。

圖2 OLED 板結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 OLED panel structure diagram

2.3 各模塊寄存器IIC配置

在本系統(tǒng)中，各個模塊寄存器配置是MCU通過IIC總線來實現(xiàn)的。對于IIC，只有兩條總線線路：一條串行數(shù)據(jù)線（SDA）和一條串行時鐘線（SCL）。很明顯，OLED 只是一個接收器。顯示器地址（Slave Addr）可以通過SelAdr0引腳進行選擇。默認(rèn)SelAdr0通過內(nèi)部10kΩ 電阻已上拉至高電平（1.8 V）。雙目應(yīng)用時，將其中一個顯示器SelAdr0接地。對應(yīng)顯示器讀／寫地址如表1所示。在本系統(tǒng)中，通過設(shè)置兩片OLED 顯示器的SelAdr0引腳分別為高電平（1.8V）和低電平（接地），使對應(yīng)顯示器的地址分別為1EH 和1CH，則MCU 可以通過IIC 總線根據(jù)兩片顯示器不同的地址進行寄存器值配置。AD9883的采樣時鐘通過配置鎖相環(huán)（PLL）生成，可使用行同步信號（HSYNC）作為參考時鐘，然后經(jīng)倍頻得到A／D 轉(zhuǎn)換器所需的采樣時鐘。通過對解碼芯片AD9883內(nèi)部25個寄存器的設(shè)置，即可實現(xiàn)相應(yīng)的功能。

表1 顯示器地址與SelAdr0引腳設(shè)置表Tab.1 Slave address and selAdr0configuration list

主控程序在PIC單片機所需的MPLAB IDE環(huán)境下編譯，主要包括IIC、USB等頭文件的定義和main函數(shù)的編寫，main函數(shù)的主要功能是實現(xiàn)了各模塊的初始化和寄存器的配置。系統(tǒng)上電時，MCU 首先對各個模塊進行初始化配置，讓其工作在默認(rèn)的模式狀態(tài)下。其次，系統(tǒng)母版中包含MODE、UP、DOWN 3 個功能按鍵，循環(huán)切換功能鍵如圖3可使主函數(shù)分別對顯示器的對比度和亮度進行調(diào)整以及測試圖案和視頻輸入的切換。

圖3 程序流程圖Fig.3 Program flow chart

3 立體顯示功能的實現(xiàn)

本三維顯示方案根據(jù)人眼視覺中的雙目視差原理而設(shè)計。雙目視差是由于兩眼在空間中的位置和視角不同，同一景物在兩只眼睛視網(wǎng)膜上形成非常相似但又稍微不同的影像，即雙目視網(wǎng)膜影像的不一致［10］。

在本系統(tǒng)方案中，為了實現(xiàn)立體顯示要求，根據(jù)雙目視差原理，需要利用SVGA050顯示器的3D 顯示功能實現(xiàn)視頻源的立體顯示。SVGA050顯示器在逐行掃描模式下，3D 視頻信號采用幀序模式；在隔行掃描模式下，3D 視頻信號采用場序模式。幀序或場序3D 視頻顯示通過3D 信號引腳和SVGA050顯示器的02H 寄存器配合實現(xiàn)，如表2，02H 寄存器的功能是設(shè)置3D 視頻顯示格式，包括3D 使能和3D 刷新。當(dāng)3D 引腳電平狀態(tài)和02H 寄存器3D 設(shè)置一致時，SVGA050 視頻信號數(shù)據(jù)輸入有效，顯示器更新為當(dāng)前輸入的幀／場數(shù)據(jù)，若不一致時，顯示器維持顯示上一幀／場的數(shù)據(jù)。3D 引腳信號在場同步下降沿被鎖住。3D 顯示時序示意圖如圖4。

表2 3D功能控制設(shè)置Tab.2 3Dfunction control

圖4 3D 顯示時序示意圖Fig.4 3Dvideo display timing

在本系統(tǒng)中，SVGA050 顯示器在逐行掃描模式下，3D 視頻信號的輸出采用幀序模式，奇數(shù)幀更新左眼顯示，偶數(shù)幀更新右眼顯示。光學(xué)系統(tǒng)采用奧雷德公司研發(fā)的P130X－001－RB型雙目目鏡模組如圖5，光學(xué)放大倍率達(dá)13×，適用于1.27cm（0.5in）SVGA OLED 微型顯示器，通過光學(xué)系統(tǒng)放大后，攝入人眼的圖像經(jīng)過調(diào)整后即為三維立體圖像。

圖5 P130X－001－RB型雙目目鏡Fig.5 P130X－001－RB binocular eyepiece

4 實驗測試與分析

圖6給出了立體視頻顯示系統(tǒng)的實物圖。雙目立體顯示系統(tǒng)要求視頻經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)放大后，能夠?qū)崿F(xiàn)清晰的近眼顯示。為了驗證方案的可行性，我們設(shè)計了實驗平臺。PC 機的設(shè)置參數(shù)是：屏幕分辨率為800×600，刷新率為120 Hz。PC機顯卡輸出的單路VGA 視頻信號通過VGA 轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成雙路VGA 視頻信號輸入母版，左右兩塊OLED 板上分別顯示視頻源的奇數(shù)幀和偶數(shù)幀圖像。根據(jù)實驗觀察者瞳距的大小，調(diào)節(jié)光學(xué)系統(tǒng)的焦距和雙微顯芯片之間的距離，從而實現(xiàn)了立體圖像顯示。

圖6 AM－OLED立體視頻顯示系統(tǒng)Fig.6 AM－OLED stereo video display system

5 結(jié) 論

設(shè)計開發(fā)了一套基于AM－OLED立體顯示接口電路系統(tǒng)。該系統(tǒng)由USB 提供電源，通過PC 機VGA接口輸出視頻源，各模塊寄存器的參數(shù)是在主控芯片PIC18LF2550的控制下通過IIC串行總線進行配置，可以將PC機上播放的立體視頻源同時在兩塊OLED面板上實現(xiàn)奇數(shù)幀和偶數(shù)幀顯示，根據(jù)人眼的雙目視差原理，最終實現(xiàn)了視頻源在雙1.27cm（0.5in）、800×600分辨率SVGA050微顯芯片上的立體顯示。該立體顯示接口電路軟硬件操作簡單、功耗低，具有很高的實用價值。該方案的實現(xiàn)對于民用頭盔式立體顯示系統(tǒng)的研究起到很大的推動作用。同時，也為后續(xù)人眼立體視覺特性的研究提供了實驗平臺。

［1］ 邵作葉，鄭喜鳳，陳宇.平板顯示器中的OLED［J］.液晶與顯示，2005，20（1）：53－56.Shao Z Y，Zheng X F，Chen Y.OLED in flat panel displays［J］.Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays，2005，20（1）：53－56.（in Chinese）

［2］ Ding Y Y.Design of video display driving system for active matrix OLED［J］.Journal of Jilin University（Engineering and Technology Edition），2009，39（1）：210－214.

［3］ Tai Y H，Yun L J.A method for AM－OLED gamma correction［J］.Opto－Electronic Engineering，2012，39（1）：131－134.

［4］ 任超宏.面向增強現(xiàn)實頭盔顯示器開發(fā)與立體顯示技術(shù)研究［D］.廣州：廣東工業(yè)大學(xué)，2011.Ren C H.Stereoscopic vision and head mounted display design for augmented reality［D］.Guangzhou：Guangdong University of Technology，2011.（in Chinese）

［5］ 云利軍，石俊生，郭建華.基于PIC18F2550 的OLED 測試系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.液晶與顯示，2010，25（6）：858－862.Yun L J，Shi J S，Guo J H.Design and lmplementation of OLED test system based on pic18f2550［J］.Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays，2010，25（6）：858－862.（in Chinese）

［6］ Microchip Technology Inc.PIC18F2550Datasheet［R］.Chandler，USA：Microchip Technology Inc.，2006.

［7］ 張雷，吳華夏，胡俊濤，等.一種基于FPGA 的OLED 顯示系統(tǒng)［J］.液晶與顯示，2011，26（4）：538－543.Zhang L，Wu H X，Hu J T，et al.Display system of OLED based on FPGA［J］.Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays，2011，26（4）：538－543.（in Chinese）

［8］ 云南北方奧雷德光電科技股份有限公司.SVGA050低功耗主動式OLED 微型顯示器產(chǎn)品說明書［R］.2011.Yunnan OLiGHTEK Opto－Electronic Technology Co.，Ltd.SVGA050low－power active OLED display product manuals［R］.2011.（in Chinese）

［9］ Analog Devices Inc.AD9883Datasheet［R］.Norwoood，USA：Analog Devices Inc.，2001.

［10］ 邰永航，云利軍，石俊生，等.頭盔式立體顯示器驅(qū)動電路設(shè)計［C］∥第十六屆全國圖象圖形學(xué)學(xué)術(shù)會議暨第六屆立體圖象學(xué)術(shù)研討會，吉林：中國圖象圖形學(xué)學(xué)會，2011：1－4.Tai Y H，Yun L J，Shi J S，et al.Drive circuit design of 3Dhead mount display［C］∥The 16th National Conference on Images and Graphics（NCIG2012），The 6th Workshop on 3 D Images（W3 DI 2012），Jilin：China Society of Image and Graphics，2011：1－4.（in Chinese）