2022年基于时域复用场分割技术与_旋转LED阵列成像方法的准静态旋转式体D显示系统的研究.docx

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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 基于时域复用场分割技术与旋转 LED 阵列成像方法地准静态旋转式体 3D 显示系统地争论2022年 4 月摘 要名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 33 页精选学习资料 - - - - - - - - - 基于时域复用场分割技术与LED 旋转阵列地真实立体影像显示技术是采纳时域复用场分割技术,将上位机所处理地 Volumetric 3D 数字图像信号通过 LED 旋转阵列显示系统投射成真实影像,实现 Volumetric 3D 显示成效 .与传统 3D 显示相比,本系统具有裸眼 3D 显示成效,使观看者无需通过佩戴 3D 眼

2、镜就能达到观赏 3D 影像地目地 .同时,本系统具有360 度全息图像显示成效,使观看者可以 360 度全方向观看图像 .本系统采纳 CUDA 和Open GL 交互式操作, Modo3D 建模、和Final Cut Pro X 地后期制作 .利用 Objective C 和C+完全兼容式编程实现图像仍原保真,并且采纳多视点图形合成仍原技术,利用图像补 差法和光影位移法及面部识别系统使图像可以在运算机里出现为清楚地立体像,最终将GPU 处理图像显示在LED 旋转阵列上,利用同步刷新形成完整地3D 立体影像 .从而形成显示清楚、成效极佳地3D 显示成效 .关键字割 Volumetric 3DLE

3、D 阵列同步刷新 PWM 多视点图形合成 OpenGL 时域复用场分异步消隐AbstractSegmentation technique based on time domain multiplexing handy LED rotating array of real stereoscopic display system is the use of time-domain multiplexing in handy segmentation techniques, the Volumetric 3D digital image signal processing by the host c

4、omputer by rotating LED array system projecting into real images,Volumetric 3D display. Compared with the 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 33 页精选学习资料 - - - - - - - - - traditional 3D display, the system has the naked eye 3D display, the viewer will be able to enjoy 3D images without the need to wear 3D g

5、lasses. At the same time, this system has a 360-degree holographic image display, the viewer can 360-degree omni-directional viewing images. The system uses CUDA and Open GL interactive, Modo3D modeling, and Final Cut Pro X post-production. Using Objective-C and C + + fully compatible programming im

6、age restore fidelity, and multi-view graphics synthesis reduction technology, so that the image can be in the computer presented as a clear three-dimensional like with the image making it law and shadow displacement method and facial recognition systems, Finally, the GPU processing image display on

7、a rotating LED array, using synchronous refresh form a complete 3D stereo images. To form clear display, excellent 3D display.Keywords: Volumetric 3D LED array Updated synchronously PWM Synthesis of multi-view graphics OpenGL Time-domain multiplexing in handy segmentation Asynchronous blanking目录 前 言

8、 .1 系统简介 .2 1.1 系统概述 .2名师归纳总结 1.2 基于时域复用场分割技术地体3D 显示技术地系统地构成. 3第 3 页,共 33 页1.2.1 图像显示器屏体. 3- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 1.2.2 屏掌握器 . 3 1.2.3 体像素分割器 . 4 1.2.4 图像加速器 . 4 1.2.5 LED阵列驱动器 . 5 1.2.6 电机 . 5 1.2.7 电源 . 6 1.2.8 视频流数据及行、场同步信号,异步消隐信号,同步刷新信号发生器 . 6 1.2.9 分时解码器 . 7 1.2.10 掌握软件 . 7 1.2.1

9、1 掌握运算机 . 81.2.12 GPU加速器等组成. 82 系统软件 .8 2.1 软件地系统结构 . 9 3 系统组成 . 13 3.1 电路部分 . 133.1.1 图像解码部分地实现. 143.1.2 视频放大器 . 143.1.4 PWM 调速调相电机部分 3.1.4 体扫描掌握部分地实现 . 15 . 163.1.5 电源部分 . 204. 系统特点与功能 . 214.1 基于时域复用场分割技术与旋转 LED阵列成像方法地准静态旋转式体 3D 显示系统特点 . 214.2 旋转 LED体 3D 显示器地功能 . 225.系统地应用情形及测量数据（实测） . 226.系统开发意义

10、. 237.国内外相关技术地进展状况 . 248 终止语 . 27 9 参考文献 . 27名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 33 页精选学习资料 - - - - - - - - - 前 言自电影阿凡达上映以来,3D显示技术飞速走入人们地生活,人们已经不能满意于坐在电影院里面观赏 3D影片 .于是, 3D 显示器、 3D 电视应运而生,从今,曾经高居庙堂之地地 3D显示飞入平常百姓家 .但是,目前地 3D显示系统都需要佩戴偏光式或快门式地眼镜才能看出立体成效 .随着时代地进展,这样地显示形式也终将面临被丢入历史地长河地厄运 .2022年5月 1日,钢铁侠3地上映, 3D显示

11、技术给动漫角色给予了新地生命,让无数漫画迷们如身临其境,过足了英雄瘾 .钢铁侠里面常常显现这样地镜头,里面地所用设备、材料等等通过立体显示技术显现在试验室地中心位置 .或许是这样地镜头看地多了,让我们对这种显示方式习以为常 .但是,这种立体显示在我们地现实生活中仍处于刚刚起步地阶段,随着 3D真实影像显示技术市场地不断扩大,一台显示成效清楚,可通过运算机系统掌握,与显示器同步显示二维、三维图像地高清楚、全方位、真实地立体显示系统,已成为当今军事、科技、医学3.4 及信息发布媒体地必定需求 .符合上述要求地显示系统虽然已经存在,但由于其制造成本太高,使如此有划时代特名师归纳总结 性地产品难以推广

12、.因此,我们利用LED 地多种优良特性设计出本系统,期望使之在更广泛第 5 页,共 33 页地领域达到更抱负地成效,满意大众需求.旋转矩阵式 LED3D 显示技术利用人眼地视觉暂留成效,通过双闭环PWM 调速机构使光栅遮罩桶与LED 显示阵列环绕中心旋转,以获得具有空间深度信息地全方位立体影像地技术 .在技术上,与现有地3D 显示技术有所不同,前者着眼于有深度地裸眼显示成效,而非- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 快门式或者偏振式3D显示系统那样用光学视差地势式成像地成效.系统简介1.1 系统概述体3D1 显示是将运算机中地三维物体模型映射到现实物理空间

13、中,然后将与物体物理模型对应地空间位置介质激发,使介质发光而产生体像素,众多离散地体像素叠加在一起便构成了三维立体图像.依据显示空间形成方式地不同,体3D显示可以分为静态体3D显示和扫描体 3D显示 2.1979年MIT 地争论生 Edwin Berlin 第一提出了基于旋转高速发光阵列地体 3D显示地构想9. 高速发光体阵列可由 LED 等发光器件构成,电路系统对屏幕扫拂过地空间位置进行寻址,从而产生体像素,每个扫描平面显示3D场景地一个切面,发光体阵列高速旋转,由于视觉暂留效应,使人眼感知为完整地 3D画面 . 随着 LED 设计和制造水平地不断提高,发光效率地不断增强,LED 作为当前响

14、应速度最快地发光器件,对于要求数据刷新速度特别快地体 3D显示而言无疑是一种福音 .LED 拥有超长地使用寿命,达 10万小时以上,这对于造价不菲,机构复杂,修理困难地空间 3D显示来说是特别重要地 .LED 发光近似为朗伯体 见图 1-1 ,在 4空间内发光基本上是各向同性地,这使得空间 3D系统显示图像地亮度和色度匀称性大大提高,提高了 3D图像地品质 .图1-1 LED 配光曲线名师归纳总结 基于时域复用场分割技术地体3D 全息显示系统6-8 是一个集视频实时采集、图像处第 6 页,共 33 页理、 LED 显示、电子技术、自动掌握调剂等多种技术综合应用于一体地扫描体3D显示系统,它可以

15、实现全方位360观看 3D 图像地功能 5.- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 1.2 基于时域复用场分割技术地体 成3D 显示技术地系统地构系统主要包括实时图像采集单元、旋转 LED 阵列、光栅遮罩桶、PWM 调速调相掌握器、直流伺服电机、掌握软件、掌握运算机、电源部分等组成 .1.2.1 图像显示器屏体显示屏屏体（见图 1-2）由三块可环绕中心旋转地 LED 阵列条和其外部地光栅遮罩桶构成.显示屏接受从显示屏掌握器输出地全彩色 3D影像数据流,进行解码并显示 .显示单元安装有高速模拟图像驱动电路 .下图在测试现场所采集到为调整相位、抖动校正得到地 2

16、D图像,画质清楚细腻 .图1-21.2.2 屏掌握器显示屏掌握器 见图 1-3是图像信息处理地核心设备.显示屏掌握器可以直接接受运算机图形式配卡（显示卡）输出地信号,进行解码、转换及信号处理、编码、模拟化传输,向名师归纳总结 LED 旋转阵列输出显示信号.第 7 页,共 33 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 图1-3注：图中为测试版屏掌握器1.2.3 体像素分割器利用开放式图形库OpenGL 构建了一种为旋转解码器空间三维体显示系统10-13 供应前期三维数据,模拟图像预显示地软件仿真平台.该平台从 3DS文件中猎取体显示系统地三维物体信息,使用剪

17、切算法转化为显示点集源数据,再经坐标变换得到 LED 旋转阵列地掌握信号,用 OpenGL 中地一系列应用程序接口（application programming interface, API）函数在一般地平面显示器上仿真显示所得点集 信息,用以驱动显示 .1.2.4 图像加速器,同时将所得地掌握信号生成运算机图形适配器驱动智能图像加速器 SIA 地使用,实现了杰出地多媒体质量,而不会以牺牲处理速度为代价.SIA 是一个实时可编程地图像重建引擎,传输速率高达80Mpixel/s ,因此节约了一个外接图像协处理器,从而达到降低材料成本 BOM 地目地 .SIA 协作 30Mpixel/s MPE

18、G 图象编码能力地智能视频加速器 SVA, 能够实现杰出地高速回放性能,以及低功耗视频编码功能 . 图像加速器将智能视频加速器与支持 2D/3D 图形密集应用地图形加速器连接到一起 .支持高质量地加速,30 帧 /秒 SDTV 标清 MPEG-4 编码运算可与复杂地音频处理同时进行.H.264/A VC解码通过 SVA加速,并以 30帧/秒地速率支持高达VGA 地格式 .通过将繁重地多媒体处理任务安排给不同地加速器,这些加速器可以独立或并行处理特定地编解码功能,名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 33 页精选学习资料 - - - - - - - - - 它答应 CPU集中处

19、理掌握任务和程序流,而无需很高地时钟速度 .1.2.5 LED 阵列驱动器将各个方向地图像处理结果分时叠加在一路RGB信号传输通道中,通过分时解码器依次解出各个方向地图像,与 LED 旋转阵列相位检测器同步后,依次投射出空间各方向图像,可以使海量数据传送使用模拟方式由简洁地几颗数据传输线完成,解决了高速数据传输与数据传输通道带宽限制地瓶颈.无需使用复杂地FPGA 阵列及众多地数据总线.（见图 1-4）图1-41.2.6 电机本系统使用 Maxon-DC-Motor 作为驱动电动机,利用双闭环PWM 调速机构（见图1-5）使LED 显示阵列及光栅遮罩桶环绕中心旋转,以获得具有空间深度信息地全方位

20、立体影像地技术 .名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页,共 33 页精选学习资料 - - - - - - - - - 图1-51.2.7 电源电源设备为显示器供应了电力（见图1-6）.电源设备采纳单向沟通220V 供电 .可以自动掌握或者远程遥控开、关显示屏 由地拓展 .下两张图为主开关电源板及侧面部分接口,可以实现自图1-61.2.8 视频流数据及行、场同步信号,异步消隐信号,同步 刷新信号发生器能够产生大量地视频流数据,行、场同步信号、异步消隐信号,同步刷新信号发生名师归纳总结 器,集成了各种信号,叠加到RGB 复用器上,通过滑环传给分时解码器.第 10 页,共 33 页-

21、- - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 图 1-71.2.9 分时解码器分时解码器通过视频流数据,行、场同步信号、异步消隐信号,同步刷新信号发生器 所叠加成地视频信号,经过时域分割,复用,解码,进而传递 LED 阵列 .1.2.10 掌握软件图像处理和分析工具主要功能是进行图像增强,便于后续地专业视觉工具进行识别和 懂得 .常用地图像处理和分析工具包括：直方图工具、滤波操作、外形学操作、几何变换、颜色空间变换 .从输出关系角度,可将基本图像预处理算法分为：点变换算法、领域操作算 法.1 、直方图分析 直方图分析是最基本地图像分析工具,直方图可对图像地整体灰度分布

22、进行刻画,主 要指标包括：均值、标准差等 .2 、滤波操作 滤波是最常用使用地图像增强方法,主要包括：低通滤波、高通滤波、边缘检测、高 斯滤波等 .3 、外形学操作 外形学操作是常用地图像增强方法：主要包括：膨胀、腐蚀、开启、闭合、中值滤波 等.名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页,共 33 页精选学习资料 - - - - - - - - - 4 、几何变换 常用地几何变换包括：旋转、平移、尺度、切变等,其统称为仿射变换 .仿射采样也为 集合变换范畴 .5、 颜色空间转换 图像处理技术从图像格式上可以分为灰度图像处理和彩色图像处理 .在图像处理技术发展地早期,由于受运算机处理才

23、能地限制,图像处理技术领域地争论主要集中在灰度图像 处理技术 .随着运算机处理才能地飞速进展,彩色图像处理技术越来越受到关注 .彩色图像处理相比灰度图像处理存在很多优势,其中最重要地有两点：（1）彩色图像所包含地信息量比灰度图像丰富很多（2）彩色图像更加符合人地视觉习惯.一般情形下,相机输出地颜色数据为RGB 颜色空间数据 .然而,在工业作用中,常常需要在 CIE 色度学空间、人类视觉空间或者 OD 颜色密度空间进行彩色图像处理 .颜色空间转换即指由 RGB 颜色空间到 CIE LAB 空间、 CIE LCH 空间、 HSI 空间、 HSL 空间以及 OD颜色密度空间转换 .1.2.11 掌握

24、运算机对采集到地图像进行处理地运算机.通过对采集得到地图形进行抠像、复原、提取轮廓、变换轮廓线等过程,输出图像序列,经LED 旋转阵列显示在成像面上.3D 引擎地争论 ,1.2.12 GPU加速器等组成3D 加速引擎是3D 图形加速系统地重要组成部分,以往在软件平台上对实现了复杂地渲染模型和渲染算法,但这些复杂算法与时域复用场分割技术地结合是很有难度地 .将各个方向地图像处理结果分时叠加在一路 RGB 信号传输通道中,通过分时解码器依次解出各个方向地图像,与LED 旋转阵列相位检测器同步后,依次投射出空间各方向图像,可以使海量数据传送使用模拟方式由简洁地几颗数据传输线完成,解决了高速数据传输与

25、数据传输通道带宽限制地瓶颈 .无需使用复杂地 FPGA 阵列及众多地数据总线 .本文在研究 3D 加速引擎结构地基础上 ,实现了基于时域复用场分割技术地图像处理平台 ,使用模块化地思想 ,利用 IP 核技术分析设计实现了 3D 加速管道及其他模块 ,并进行了仿真、验证和实现 .2 系统软件名师归纳总结 软件部分由三维影像数据地采集、重构、仍原、显示以及图形数据地治理五部分组成.第 12 页,共 33 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 2.1 软件地系统结构软件系统中采纳了CUDA 和 Open GL 交互式操作,利用Objective C 和 C+完

26、全兼容式编程实现图像仍原保真,并且采纳多视点图形合成仍原技术,利用图像补差法和光影位移法及面部识别系统使图像可以在运算机里出现为清楚地立体像,最终将 GPU 处理图像显示在 LED 旋转阵列上,利用同步刷新形成完整地 3D 立体影像 .本软件系统,第一在 MFC 框架下使用 OpenGL 语言进行图像处理编程 .依据三维数据处理地需要定义菜单项项 ID, 并添加由系统发给应用程序地消息 ,同时将消息映射到相应地处理函数 .在消息处理函数中 , 通过类地成员函数获得相应类地指针 ,可以在类之间实现数据地交换 .软件程序地主要步骤和关键技术：a在窗口地创建过程中,设置好显示地像素格式,并依据 VI

27、 属性和风格 .OpenGL 地要求设置好窗b第一获得Windows 设备描述表,然后将其与事先设置好地OpenGL 绘制描述表联系起来 .c调用 OpenGL 命令进行图形绘制.d退出 OpenGL 图形窗 VI 时,释放OpenGL 绘制描述表 RC 和 Windows 设备描述表DC.图 2-1 软件程序次序图建立起 OpenGL 工作环境后,基于此环境建立3D 模型 .我们基于 OpenGL 地多种函数,建立了一种新地算法,这种算法将图片进行转换坐标系、渲染、纹理等操作处理 .此算法为：1、建立圆柱坐标系下地立体像素：由于 此,我们在圆柱坐标系中建立圆柱形地LED 阵列板旋转起来后形成

28、一个圆柱体,因 3D 图像空间 .在这个坐标系下,每一个点地坐名师归纳总结 标、半径、水平极角和垂直高度地势式将如下列图.在本第 13 页,共 33 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 3D 显示系统中,每个公转LED 板上转动每分钟960 转 .这种快速旋转造成地视觉暂留,使人眼感觉到每个元素对应地 LED 点在同一时间被点亮 .最终,这些点将形成一个 3D 地图像排列在一个离散地圆柱外形网格 .图 2-2 圆柱立体像素格2、渲染算法概述：渲染算法第一是将猎取地图片经过OpenGL 地处理,处理后地两个图片之间有一个相角,相角地值应为观看者观看地相位

29、差地整数倍 .并将图像纹理、灰度等信息进行相应适于本系统显示方式地处理 .采纳 7 维函数对空间光场任意地一个光线进行处理 .即：光线发光点地三维描述,光线空间角地二维描述,光线颜色地一维描述和光线射出时间地一维描述.渲染部分主要解决地是光线颜色地一维描述和光线空间角地二维描述 .使用脉宽调制地方法,使红蓝光线有8 个灰度,蓝色使用4 个灰度 .所以整个 256 色显示系统 .3、全光函数1991 年 Adelson 等人提出了全光函数Plenoptic function 地概念 14 ,该函数由包含对光名师归纳总结 线 7 个维度地描述:,其中 Vx, Vy, Vz 表示观看点地空间坐第 1

30、4 页,共 33 页标, 表示全景画面上发光点相对于观看点地空间角,表示全景画面上发光点地波长即发光点地颜色,t 表示观看全景画面地某一时刻.全光函数能够描述对于特定空间观看点地全部可见图像地光信息,在图像地猎取和处理中获得了广泛地应用.1995 年Leonard McMillan等人将全光函数用于全景图像地猎取和处理,并忽视了波长和时间地维度描述,将图像光场地描述变为5 维全光函数15 ,如图2-3所示 .1996 年 Marc Levoy 和.PatHanrahan 将自由空间中地全景图像地光场描述简化为4- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 维全光函

31、数 16 ,如图 2-4 所示,其中 u,v表示相机平面地坐标,m,n表示焦平面地坐标 .图2-3全景画面地光场分布图2-4自由空间中光场分布4、基于 OPENGL 与 CUDA 地 8 路视频信息采集系统地算法：经过 8 个摄像头采集回来地图像,经过 CUDA 地处理加工,同时与 OPENGL 交互操作,进行图像信息地分割,复用,彩色信息,像素点等进行一系列地整合,处理 机软件,进行下一步地预处理 .附：部分 OpenGL 源代码：.之后将图像信息发送给上位8 路 YUV 地视频文件读取到 CPU 内存当中,并拷贝给 GPU 上地内存,在 GPU 上进 行 YUV 到 RGB 地转换后,在显

32、存里调用合成算法,再将合成后地数据拷贝出来,在 CPU 端窗口上显示 . #pragma once #include #include #include #include #pragma commentlib,glew32.lib GLuint pbo ； / OpenGL pixel buffer object GLuint texid ； / texture int size=0；int width=720 ；int height=384 ；int yuv_size=width*height*1.5；unsigned char* yuv_buffer0 ；unsigned char* yuv_buffer1 ；unsigned char* yuv_buffer2 ；名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页,共 33 页精选学习资料 - - - - - - - - - unsigned char* yuv_buffer3 ；unsigned char* yuv_buffer4 ；unsigned char* yuv_buffer5 ；unsigned char* yuv_buffer6 ；unsigned char* yuv_buffer7 ；unsigned char* big_sample_buffer ；