基于達芬奇技術(shù)的三維全息顯示系統(tǒng)研究

摘要：由于人們對立體圖像的視覺需求越來越強烈，提出了一種基于迭芬奇技術(shù)的三維全息顯示系統(tǒng)的研究方案，利用迭芬奇處理器TMS32 0DM6446及其他外圍電路和光電設備構(gòu)建一個嵌入式系統(tǒng)。該系統(tǒng)以嵌入式操作系統(tǒng)即Linux為軟件平臺，充分利用TMS320DM6446豐富的外設和存儲接口并充分發(fā)揮ARM926EJ-S強大的控制功能和C64x+DSP強大的數(shù)值計算能力。井將最后的三維立體顯示圖形顯示到液晶顯示器上，實現(xiàn)數(shù)字全息三維顯示。結(jié)果顯示一個原始的圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過該系統(tǒng)處理之后，從各個角度很完美的展現(xiàn)了原來的實物，該研究為圖像的三維全息顯示提供了一個很好的嵌入式實驗平臺，具有很好的應用前景及創(chuàng)新價值。
關(guān)鍵詞：達芬奇技術(shù)；三維全息；DSP；TMS320DM6446

0 引言
    在視頻創(chuàng)新已經(jīng)成為數(shù)字信息產(chǎn)業(yè)熱點的今天，人們對立體圖像的視覺需求越來越強烈，二維圖像的顯示效果缺乏真實感、深度感、立體感，早已不能滿足人們的感官刺激和心理感受。于是，各種三維立體顯示的實現(xiàn)方案不斷涌現(xiàn)，全息顯示技術(shù)是最常見的三維顯示技術(shù)之一。計算全息是利用計算機來綜合全息圖，用計算機的數(shù)值計算代替物理干涉，它不要求物體的實際存在，只需要知道物光波的數(shù)學描述即可，把物光波的數(shù)學描述輸入到計算機處理后，用成圖設備繪制出全息圖，然后用光學的方法重現(xiàn)。計算全息圖不僅可以全面地記錄光波的振幅和相位，而且能綜合再現(xiàn)世間不存在的物體的全息圖，因而具有獨特的優(yōu)點和極大的靈活性，并且觀察者可以不必借助眼鏡等輔助裝置從各個方向進行觀察。
    本文結(jié)合計算全息三維立體顯示技術(shù)和達芬奇技術(shù)的優(yōu)點，給出了一種新的三維立體顯示方案：利用達芬奇處理器TMS320DM6446及其他外圍電路構(gòu)建一嵌入式系統(tǒng)，并實現(xiàn)計算全息三維顯示。該系統(tǒng)以嵌入式操作系統(tǒng)——Linux為軟件平臺，利用Monta Vista Linux提供的豐富的設備驅(qū)動和系統(tǒng)調(diào)用，充分利用TMS320DM6446豐富的外設和存儲接口并充分發(fā)揮ARM926EJ-S的強大的控制功能和C64x+DSP強大的數(shù)值計算能力。并將最后的三維的立體顯示圖形顯示到分辨率為1 024×768的LCOS液晶顯示器上，為圖像的三維全息顯示研究提供了一個很好的嵌入式平臺。

1 基于達芬奇技術(shù)的三維全息顯示系統(tǒng)
    該系統(tǒng)用達芬奇處理器TMS320DM6446代替通用計算機實現(xiàn)二維全息圖的計算編碼，其中ARM子系統(tǒng)對整個系統(tǒng)進行控制，DSP子系統(tǒng)完成二維計算全息編碼以及三維物體全息圖的計算。整個系統(tǒng)是以達芬奇處理器TMS320DM6446及其外圍電路、LCOS和其他光電設備組合而成的嵌入式系統(tǒng)。
1．1 基于TMS320DM6446的計算全息三維顯示系統(tǒng)
    該系統(tǒng)軟件和硬件均采用模塊化設計。軟件上，ARM和DSP子系統(tǒng)分別支持Linux和DSP／BIOS操作系統(tǒng)，可以相對獨立的工作，這樣的劃分符合系統(tǒng)軟件模塊化的設計要求，便于各部分的并行開發(fā)和調(diào)試，利于項目組各成員的分工協(xié)作，后期軟件測試符合由單元測試到集成測試再到系統(tǒng)測試的測試原則，縮短系統(tǒng)的開發(fā)周期，降低設計成本。總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

    將原始的圖像數(shù)據(jù)通過USB接口輸送到達芬奇處理器TMS320DM6446中，然后對數(shù)據(jù)進行FFT變換，對變換之后的數(shù)據(jù)實現(xiàn)計算全息算法，進行逆變換之后的圖像數(shù)據(jù)送到LCOS顯示器上，最終實現(xiàn)圖像的三維顯示。其中，F(xiàn)FT變換、計算全息以及FFT的逆變換是在DSP的子系統(tǒng)內(nèi)進行的，而ARM子系統(tǒng)通過控制總線控制DSP數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)。上位機可以通過JTAG接口實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制和二次開發(fā)。此處鍵盤設置為4×4的獨立鍵盤，目的就是為了對系統(tǒng)進行設定，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入和命令的傳送。
1．2 液晶顯示器LCOS的特點
    LCOS(Liquid Crystal on Silicon)是一種新型的反射式液晶顯示器件，與傳統(tǒng)的顯示技術(shù)相比具有光利用率高、體積小、開口率高、尺寸小等優(yōu)點。LCOS顯示文字或圖像信息的原理與普通液晶顯示的原理大致相同，利用液晶分子具有很強的誘導偶極矩的特性，通過外加電場作用使液晶分子的排列與外加電場相關(guān)。
    顯示系統(tǒng)選用像素為1024×768的HX7308BTJFA的液晶顯示器。HX7308BTJFA嵌入了定時控制器用來產(chǎn)生內(nèi)部控制信號，并且該芯片顯示圖像質(zhì)量和對比度很高的圖像。HX7308BTJFA在每個時鐘的上升沿和下降沿從外部接收8 b×4點的數(shù)字顯示數(shù)據(jù)并且產(chǎn)生相應的灰度的輸出電壓值。其內(nèi)部系統(tǒng)框圖如圖2所示。

2 ARM與DSP的開發(fā)
    該系統(tǒng)的處理器是TMS320DM6446，它是一個DSP+ARM的雙核架構(gòu)的芯片，對于ARM和DSP要選擇不同的開發(fā)工具。該系統(tǒng)是ARM中運行操作系統(tǒng)Linux，而對于DSP需要CCS仿真器來進行開發(fā)調(diào)試。
2．1 嵌入式linux系統(tǒng)開發(fā)
    嵌入式軟件開發(fā)需要交叉編譯環(huán)境，因為需要在主機平臺上生成目標平臺上的可執(zhí)行代碼。首先在主機Linux上安裝搭建交叉編譯環(huán)境，然后通過交換機使用共享文件系統(tǒng)方式將嵌入式bootloder和Linux內(nèi)核鏡像下載到目標板上，并啟動嵌入式Linux內(nèi)核。然后就可以在主機Linux的交叉編譯環(huán)境下開發(fā)應用程序，并將生成的可執(zhí)行代碼下載到目標板上。
    這樣，通過Linux提供的豐富的應用接口函數(shù)APIs，用戶可以將DSP視作黑盒子，只需調(diào)用這些API就可以使用DSP端的編解碼功能，而DV-SDK開發(fā)套件可以為DSP端的直接編程提供支持。
2．2 CCS上FFT運算的實現(xiàn)
    FFT是傅里葉變換的快速算法，可以將一個信號變換到頻域。有些信號在時域上很難看出其特性，但是如果變換到頻域以后，就很容易看出是什么特性的。所以很多信號分析選擇采用FFT變換。另外FFT可將一個信號的頻譜提取出來，這在頻域分析方面也是經(jīng)常用到的。
2．3 DSPLIB庫函數(shù)功能
    TMS320C64X+系列的函數(shù)庫(DSPLIB)是對C語言編程可調(diào)用優(yōu)化的DSP庫函數(shù)，它全部由匯編語言編寫，并可由C語言調(diào)用，方便C語言與匯編語言混合編程。這些程序用在計算強度大、執(zhí)行速度重要的實時運算中。通過使用這些程序，可以取得較用C語言編寫的相關(guān)程序快的多的運行速度，另外通過使用現(xiàn)成的程序可以使開發(fā)速度大大加快。DSPLIB可進行的運算有：FFT運算、濾波與卷積運算、自適應濾波運算、相關(guān)運算、三角函數(shù)運算等。
2．4 FFT運算
    DSPLIB提供的FFT運算為基2的時間抽取算法。運算可以直接調(diào)用void cfft(DATA x，nx，shortscale)。其中：x[2*nx]為輸入／輸出數(shù)據(jù)存儲數(shù)組；nx為FFT的運算長度；scale為歸一化設置變量；scale=1是進行歸一化設置變量，scale=0是不進行歸一化運算。歸一化功能使得輸出結(jié)果被運算長度n所除，目的是為了防止FFT運算結(jié)果可能導致溢出。以一個簡單的程序說明DSPLIB的使用。在該程序中輸入數(shù)據(jù)放在x[512]數(shù)組中，運算后結(jié)果仍在x[512]數(shù)組中。
   
    這樣就完成了DSP內(nèi)一個運算長度為256點的FFT變換。

3 結(jié)果分析
    對頻率為50 Hz的方波信號進行了頻譜分析，采樣點數(shù)為128，并調(diào)整采樣頻率，使得128點的采樣時間為40 ms，即輸入2個信號的周期。在通過DSP的集成開發(fā)環(huán)境(CCS)觀看結(jié)果，如圖3、圖4所示。

4 結(jié)語
    本文結(jié)合數(shù)字全息三維立體顯示技術(shù)和達芬奇技術(shù)的優(yōu)點，給出了一種全新的三維立體顯示方案。結(jié)果顯示，一個原始的圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過該系統(tǒng)之后，從各個角度很完美地展現(xiàn)了原來的實物。因此該嵌入式系統(tǒng)平臺具有很大的使用價值。