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目前，3D顯示已逐漸融入到人們的生活當中，因其能再現真實(shí)的三維場(chǎng)景，受到了人們的廣泛熱愛(ài)，紅藍3D圖像獲取的基本原理如圖1所示。攝像頭采集同一場(chǎng)景的兩路視頻圖像信號，對其中一路信號只提取圖像信號的紅色分量；另一路提取圖像信號的藍、綠色合成的青色分量。將兩路信號采用同步色差合成算法合成紅藍3D視頻圖像。目前國內3D電視產(chǎn)業(yè)面臨的主要問(wèn)題在于：（1）3D電視芯片的缺少而導致3D片源的短缺；（2）視頻處理的復雜度較高；（3）顯示與觀(guān)看效果不佳。為此本文對傳統的視頻處理過(guò)程中色度分量的提取、亮度的增強、紅藍3D眼鏡的設計等方面進(jìn)行了改進(jìn)，并采用LCOS作為微顯示器件，投影出紅藍3D視頻圖像。 圖1 紅藍3D圖像獲取基本原理 1 顏色分量的獲取與亮度的增強 傳統的方法只采用紅加藍、紅加綠色度分量合成3D視頻，這樣會(huì )使畫(huà)面的損傷較大，丟失33%以上的顏色分量，觀(guān)看起來(lái)顏色失真較大，亮度也大大降低，增加了眼睛的負擔，易產(chǎn)生疲勞。針對顏色失真本文采用紅加青的方法以減少色度的丟失，這樣可使畫(huà)面色度飽和度還原到原始畫(huà)面的90%以上。 針對亮度降低提出了基于亮度的圖像增強方法。傳統的基于Retinex理論的演變法存在一定的不足，如將RGB空間轉換到HSI空間需要大量的三角函數運算，并采用傅里葉變換處理Retinex理論部分的高斯函數，大大影響處理速度。本文提出了基于YCbCr顏色空間的亮度分量處理法，同時(shí)采用無(wú)限脈沖響應數字濾波器（IIR）實(shí)現高斯函數運算。實(shí)驗證明，該算法不但能增強圖像的質(zhì)量，還能有效避免Retinex算法中帶來(lái)的光環(huán)效應，同時(shí)大大加快算法處理速度�；诹炼萗分量的Retinex 處理過(guò)程可表示為: 式中Y( x , y)為亮度分量函數，F( x , y) 被稱(chēng)為環(huán)境函數，一般用高斯函數表達式為： σ為高斯函數的標準偏差，k 表示環(huán)境函數的個(gè)數。環(huán)境函數Fk用于選取不同的標準偏差σk，Wk用來(lái)控制環(huán)境函數范圍的尺度，它表示與Fk相關(guān)的權重系數。 Retinex 處理算法的主要步驟就是高斯濾波，其運算速度直接決定了算法運行效率。為避免傅立葉變換的復雜的運算和不足，對高斯濾波器進(jìn)行了IIR實(shí)現，把高斯濾波器分解為正向濾波器和反向濾波器的組合，如下面的差分方程。 正向濾波器： 其中，C、di’是濾波器系數，I [n]是輸入數據，w1 [n]和w2 [n] 分別是正向和反向濾波器的中間狀態(tài)，O1[n]、O2 [n]為其處理結果。正向和反向濾波器就構成了高斯濾波器的IIR實(shí)現過(guò)程�？梢岳酶咚购瘮档目煞蛛x性： 對圖像先逐行后逐列進(jìn)行處理，最終就可以實(shí)現二維高斯數字濾波。下圖2為原圖、傳統Retinex算法、基于Y分量Retinex算法處理后的對比圖。圖中可以看出，傳統算法可以增強圖像亮度，但灰度化也很明顯。而本文采用的方法不僅可以增強亮度，也可以保持原有圖像的整體鮮艷效果。 （a）原圖 （b）傳統Retinex算法 （c）基于Y分量Retinex算法 圖2 基于Y分量Retinex算法與傳統Retinex算法的對比效果圖 另外，傳統的3D眼鏡僅采用紅色或藍色塑料或玻璃鏡片作為濾光片，使濾光效果大打折扣，觀(guān)眾佩戴觀(guān)看影片時(shí)，會(huì )出現不同程度的重影現象，影響觀(guān)看效果。為此本文采用反射率和透過(guò)率都達到90%以上的反青透紅和反紅透青的濾光片作為3D眼鏡的鏡片，這樣可以使紅色鏡片僅通過(guò)紅色畫(huà)面，青色鏡片透過(guò)藍、綠色畫(huà)面，消除了重影現象，使觀(guān)看效果更加鮮活、逼真，下圖3為濾光片及制作的紅藍3D眼鏡。 圖3 加濾光片紅藍3D眼鏡 2 視頻處理系統基本結構與簡(jiǎn)化 整個(gè)視頻處理系統結構如圖4所示。兩路攝像頭將采集到的信號送入TW2867進(jìn)行A/D轉換，輸出的復用信號送入解復用(demux)模塊，分離出的兩路復合視頻數據分別送入BT656數據解碼模塊、幀緩存控制模塊、像素分辨率縮放模塊、YCbCr 4:2:2轉YCbCr 4:4:4數據模塊、YCbCr亮度增強模塊、YCbCr 4:4:4轉RGB數據模塊，最后將RGB數據送入LCOS時(shí)序控制模塊，以鎂光公司的CS-FLCOS作為微顯示器件，搭建光機系統，顯示出3D視頻畫(huà)面。對其中的TW2867芯片和LCOS芯片分別要進(jìn)行I2C總線(xiàn)配置和SPI總線(xiàn)配置其內部的相關(guān)寄存器參數。 圖4 3D顯示系統框圖 （1）TW2867解碼 采用帶有LED夜視功能的Sony CCD 感光芯片攝像頭，視頻輸出分辨率為720*576，為標準的PAL制式視頻格式。選用Techwell公司的TW2867 A/D轉換芯片，能自動(dòng)識別PAL/NTSC/SECAM格式的2路復合視頻信號，通過(guò)I2C總線(xiàn)的配置，TW2867將兩路攝像頭信號轉換為符合BT656標準的8位YCbCr數字信號。TW2867每一路都含有10位的ADC轉換器、高質(zhì)量的鉗位和增益控制器和梳狀濾波器，以濾除信號中的噪聲，同時(shí)采用了一些圖像增強技術(shù)，以獲得高質(zhì)量的YCbCr數字信號。 （2）BT656數據解碼模塊 國際電信聯(lián)盟無(wú)線(xiàn)電通信組（ITU-CCIR）發(fā)布了ITU-BT656的視頻標準，其行數據結構如圖5所示。該模塊首先需要檢測數據流中是否按序出現了FF、00、00的幀頭SAV或幀尾EAV信息。如果出現則對后8位的XY值進(jìn)行判斷，判斷是否出現SAV、EAV信號，將有效視頻信號的以亮度分量（Y）作為高8位，以色度分量（Cb或Cr）作為低8位合成16位的YCbCr數據，將BT656數據奇偶場(chǎng)的數據合并為一幀寫(xiě)入幀緩存中。 圖5 BT. 656行數據結構 （3）像素分辨率縮放模塊 幀緩存中裝載的是兩場(chǎng)視頻數據，在讀取的時(shí)候采用FIFO緩存并采用雙線(xiàn)性插值算法，將原來(lái)720*576的像素分辨率放大到852*480。雙線(xiàn)性插值算法將在水平和垂直兩個(gè)方向分別進(jìn)行一次線(xiàn)性插值。其定量計算方法如下：空間坐標系下四個(gè)點(diǎn)：A（x，y+1）、B（x，y）、C（x+1，y）、D（x+1，y+1），如圖6所示，其灰度值依次為Ga、Gb、Gc、Gd，dx和dy分別表示目標點(diǎn)與點(diǎn)B在水平和垂直兩個(gè)方向上的增量，其灰度值Gt可以由其余四點(diǎn)量化表示，如式2-1。 圖6 雙線(xiàn)性插值法示意圖 Gt = (1 - dx)(1 - dy)Gb + dx(1 - dy)Gc + (1 - dx)dyGa + dxdyGd （2-1） 從電路實(shí)現方面而言，公式（2-1）共需要8個(gè)乘法器、2 個(gè)減法器和4 個(gè)加法器，將會(huì )占用較多的邏輯資源。將公式變形為： Gt = Gb+dx(Gc-Gb)+dy(Ga-Gb)+dxdy(Gb-Ga-Gc+Gd) = Gb+dx(Gc-Gb)+dy(Ga-Gb)+dxdy[(Gb-Ga)+(Gd-Gc)] （2-2） 公式（2-2）是另一種簡(jiǎn)化了電路的表示方法，僅需要4個(gè)乘法器、4 個(gè)減法器和3 個(gè)加法器。計算結果會(huì )有5個(gè)時(shí)鐘周期的延時(shí)，當像素時(shí)鐘為27Mhz，計算的時(shí)鐘為一幀的數據轉換為852*480*（1/27Mhz）=15ms，即可以實(shí)現實(shí)時(shí)的分辨率調整。 （4）YCbCr 4:2:2轉YCbCr 4:4:4數據模塊 將YCbCr4：4：4數據轉換到YCbCr4：2：2是數字視頻中的一個(gè)選通功能。而將YCbCr4：2：2數據轉換到YCrCb4：4：4即是重采樣的過(guò)程，采樣的數據格式轉變如圖7所示。 圖7 YCbCr422轉YCbCr 444操作示意圖 可知，輸入16位YCbCr轉換成了相應各8位Y、Cb、Cr信號，且輸出像素采樣率比輸入采樣率快了一倍，由此可見(jiàn)YCbCr4:2:2的數據格式壓縮了將近一半的數據帶寬。 （5）YCbCr444-RGB模塊 將YCbCr數據轉換為RGB數據可由下圖8所示數據關(guān)系得到。由于FPGA進(jìn)行浮點(diǎn)運算較為復雜，且占用的時(shí)鐘周期較長(cháng)（比如16位的浮點(diǎn)加法電路，一般多達十幾到二三十個(gè)時(shí)鐘周期），并不適合于實(shí)時(shí)視頻數據處理，所以先通過(guò)對上式左右二端放大128倍化為整數運算，計算后再對結果除以128（右移7位），即可獲得正確的結果。 圖8 YCbCr444轉RGB數據關(guān)系圖 （6）LCOS時(shí)序控制模塊 LCOS時(shí)序發(fā)生器主要用于產(chǎn)生微顯示器件所需的時(shí)序，包括提供像素時(shí)鐘（clk）、行同步信號（hsync）、場(chǎng)同步信號（vsync）、有效信號（valid），并輸出當前行、列像素坐標值，從幀緩沖區發(fā)出數據請求信號并讀出紅、綠、藍的視頻數據。LCOS的時(shí)序仿真圖如下圖9所示。 圖9 Modelsim中LCOS時(shí)序仿真圖 3 FPGA紅藍3D視頻獲取及主觀(guān)評價(jià) FPGA選用的是Altera公司的Cyclone IV系列的EP4CE30F23C6N這款高速FPGA芯片，FPGA和DDR2之間的時(shí)鐘頻率可以達到200M，DDR2內部時(shí)鐘頻率達到400M，充分滿(mǎn)足了兩路視頻處理的要求。通過(guò)對視頻處理過(guò)程中模塊的編寫(xiě)，編譯后其消耗的的邏輯單元數為13615個(gè)，僅占總邏輯單元數的47%，如下圖11所示，使視頻處理過(guò)程更加簡(jiǎn)便高效。將以上各模塊搭建、調試、下載到FPGA中，并采用鎂光公司的LCOS芯片作為微顯示器件，攝像頭采集到的《阿凡達》2D電影的一個(gè)畫(huà)面轉換為3D換面效果如下圖12所示，可以看到圖面中的人物具有視差的紅藍兩路圖像，佩戴上紅藍3D眼鏡，即可看到人物出屏的效果。 目前針對于3D顯示的評價(jià)的方法主要還是主觀(guān)的評價(jià)方法，按照2000年國際電信聯(lián)盟發(fā)布的ITU-R BT.1438立體電視圖像主觀(guān)評價(jià)標準，分為5級，即優(yōu)秀、良好、一般、不好、壞五個(gè)級別。以立體圖片上的一點(diǎn)為中心，單眼左右移動(dòng)時(shí)，圖像會(huì )出現連續的跳躍，兩次跳躍之間眼睛移動(dòng)的角度為立體圖像的視變角，視角越大，觀(guān)看越舒適，但視角變大意味著(zhù)立體感減弱。通過(guò)多人觀(guān)看本文的3D視頻，本設計主觀(guān)評價(jià)在良好級別，達到了預期的設計效果。 圖11 視頻處理過(guò)程的硬件開(kāi)銷(xiāo) 圖12 紅藍3D效果圖 4 結束語(yǔ) 本文實(shí)現了一種結合Altera公司生產(chǎn)的Cyclone IV系列FPGA的3D視頻前端處理與顯示系統，具有設計周期短、結構簡(jiǎn)單、穩定可靠、實(shí)現效果逼真、節約設計成本的優(yōu)點(diǎn)。高速圖像采集系統中采用FPGA作為采集控制部分，不僅可以提高系統處理的速度，還可以提高系統的靈活性和適應性。彌補了當前3D電視芯片缺少的問(wèn)題，對原有的視頻處理過(guò)程及顯示器件進(jìn)行了改進(jìn)，并提出了一種簡(jiǎn)便性和普適性的圖像增強算法。該系統在安防監控、倒車(chē)影像、圖像分析、影視拍攝和投影顯示等方面都具有廣泛的應用前景。 參考文獻 [1] 祝長(cháng)鋒, 肖鐵軍. 基于FPGA的視頻圖像采集系統的設計[J]. 計算機工程與設計, 2008, 29（17）：4404-4407. 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