摘要：由于人們對(duì)立體圖像的視覺(jué)需求越來(lái)越強(qiáng)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(shè)備構(gòu)建一個(gè)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(tái)，充分利用TMS320DM6446豐富的外設(shè)和存儲(chǔ)接口并充分發(fā)揮ARM926EJ-S強(qiáng)大的控制功能和C64x+DSP強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)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(shí)現(xiàn)數(shù)字全息三維顯示。結(jié)果顯示一個(gè)原始的圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)該系統(tǒng)處理之后，從各個(gè)角度很完美的展現(xiàn)了原來(lái)的實(shí)物，該研究為圖像的三維全息顯示提供了一個(gè)很好的嵌入式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，具有很好的應(yīng)用前景及創(chuàng)新價(jià)值。
關(guān)鍵詞：達(dá)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(diǎn)的今天，人們對(duì)立體圖像的視覺(jué)需求越來(lái)越強(qiáng)烈，二維圖像的顯示效果缺乏真實(shí)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(shí)現(xiàn)方案不斷涌現(xiàn)，全息顯示技術(shù)是最常見(jiàn)的三維顯示技術(shù)之一。計(jì)算全息是利用計(jì)算機(jī)來(lái)綜合全息圖，用計(jì)算機(jī)的數(shù)值計(jì)算代替物理干涉，它不要求物體的實(shí)際存在，只需要知道物光波的數(shù)學(xué)描述即可，把物光波的數(shù)學(xué)描述輸入到計(jì)算機(jī)處理后，用成圖設(shè)備繪制出全息圖，然后用光學(xué)的方法重現(xiàn)。計(jì)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(dú)特的優(yōu)點(diǎn)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(gè)方向進(jìn)行觀察。
    本文結(jié)合計(jì)算全息三維立體顯示技術(shù)和達(dá)芬奇技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，給出了一種新的三維立體顯示方案：利用達(dá)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(shí)現(xiàn)計(jì)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(tái)，利用Monta Vista Linux提供的豐富的設(shè)備驅(qū)動(dòng)和系統(tǒng)調(diào)用，充分利用TMS320DM6446豐富的外設(shè)和存儲(chǔ)接口并充分發(fā)揮ARM926EJ-S的強(qiáng)大的控制功能和C64x+DSP強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)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(gè)很好的嵌入式平臺(tái)。

1 基于達(dá)芬奇技術(shù)的三維全息顯示系統(tǒng)
    該系統(tǒng)用達(dá)芬奇處理器TMS320DM6446代替通用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)二維全息圖的計(jì)算編碼，其中ARM子系統(tǒng)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制，DSP子系統(tǒng)完成二維計(jì)算全息編碼以及三維物體全息圖的計(jì)算。整個(gè)系統(tǒng)是以達(dá)芬奇處理器TMS320DM6446及其外圍電路、LCOS和其他光電設(shè)備組合而成的嵌入式系統(tǒng)。
1．1 基于TMS320DM6446的計(jì)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(shè)計(jì)。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(duì)獨(dú)立的工作，這樣的劃分符合系統(tǒng)軟件模塊化的設(shè)計(jì)要求，便于各部分的并行開(kāi)發(fā)和調(diào)試，利于項(xiàng)目組各成員的分工協(xié)作，后期軟件測(cè)試符合由單元測(cè)試到集成測(cè)試再到系統(tǒng)測(cè)試的測(cè)試原則，縮短系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)周期，降低設(shè)計(jì)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(guò)USB接口輸送到達(dá)芬奇處理器TMS320DM6446中，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT變換，對(duì)變換之后的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)計(jì)算全息算法，進(jìn)行逆變換之后的圖像數(shù)據(jù)送到LCOS顯示器上，最終實(shí)現(xiàn)圖像的三維顯示。其中，F(xiàn)FT變換、計(jì)算全息以及FFT的逆變換是在DSP的子系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行的，而ARM子系統(tǒng)通過(guò)控制總線控制DSP數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)。上位機(jī)可以通過(guò)JTAG接口實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制和二次開(kāi)發(fā)。此處鍵盤設(shè)置為4×4的獨(dú)立鍵盤，目的就是為了對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)定，實(shí)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(diǎn)
    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(kāi)口率高、尺寸小等優(yōu)點(diǎn)。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(qiáng)的誘導(dǎo)偶極矩的特性，通過(guò)外加電場(chǎng)作用使液晶分子的排列與外加電場(chǎng)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(shí)控制器用來(lái)產(chǎn)生內(nèi)部控制信號(hào)，并且該芯片顯示圖像質(zhì)量和對(duì)比度很高的圖像。HX7308BTJFA在每個(gè)時(shí)鐘的上升沿和下降沿從外部接收8 b×4點(diǎn)的數(shù)字顯示數(shù)據(jù)并且產(chǎn)生相應(yīng)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(kāi)發(fā)
    該系統(tǒng)的處理器是TMS320DM6446，它是一個(gè)DSP+ARM的雙核架構(gòu)的芯片，對(duì)于ARM和DSP要選擇不同的開(kāi)發(fā)工具。該系統(tǒng)是ARM中運(yùn)行操作系統(tǒng)Linux，而對(duì)于DSP需要CCS仿真器來(lái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)調(diào)試。
2．1 嵌入式linux系統(tǒng)開(kāi)發(fā)
    嵌入式軟件開(kāi)發(fā)需要交叉編譯環(huán)境，因?yàn)樾枰谥鳈C(jī)平臺(tái)上生成目標(biāo)平臺(tái)上的可執(zhí)行代碼。首先在主機(jī)Linux上安裝搭建交叉編譯環(huán)境，然后通過(guò)交換機(jī)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(biāo)板上，并啟動(dòng)嵌入式Linux內(nèi)核。然后就可以在主機(jī)Linux的交叉編譯環(huán)境下開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序，并將生成的可執(zhí)行代碼下載到目標(biāo)板上。
    這樣，通過(guò)Linux提供的豐富的應(yīng)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(kāi)發(fā)套件可以為DSP端的直接編程提供支持。
2．2 CCS上FFT運(yùn)算的實(shí)現(xiàn)
    FFT是傅里葉變換的快速算法，可以將一個(gè)信號(hào)變換到頻域。有些信號(hào)在時(shí)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(hào)分析選擇采用FFT變換。另外FFT可將一個(gè)信號(hào)的頻譜提取出來(lái)，這在頻域分析方面也是經(jīng)常用到的。
2．3 DSPLIB庫(kù)函數(shù)功能
    TMS320C64X+系列的函數(shù)庫(kù)(DSPLIB)是對(duì)C語(yǔ)言編程可調(diào)用優(yōu)化的DSP庫(kù)函數(shù)，它全部由匯編語(yǔ)言編寫，并可由C語(yǔ)言調(diào)用，方便C語(yǔ)言與匯編語(yǔ)言混合編程。這些程序用在計(jì)算強(qiáng)度大、執(zhí)行速度重要的實(shí)時(shí)運(yùn)算中。通過(guò)使用這些程序，可以取得較用C語(yǔ)言編寫的相關(guān)程序快的多的運(yùn)行速度，另外通過(guò)使用現(xiàn)成的程序可以使開(kāi)發(fā)速度大大加快。DSPLIB可進(jìn)行的運(yùn)算有：FFT運(yùn)算、濾波與卷積運(yùn)算、自適應(yīng)濾波運(yùn)算、相關(guān)運(yùn)算、三角函數(shù)運(yùn)算等。
2．4 FFT運(yùn)算
    DSPLIB提供的FFT運(yùn)算為基2的時(shí)間抽取算法。運(yùn)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(chǔ)數(shù)組；nx為FFT的運(yùn)算長(zhǎng)度；scale為歸一化設(shè)置變量；scale=1是進(jìn)行歸一化設(shè)置變量，scale=0是不進(jìn)行歸一化運(yùn)算。歸一化功能使得輸出結(jié)果被運(yùn)算長(zhǎng)度n所除，目的是為了防止FFT運(yùn)算結(jié)果可能導(dǎo)致溢出。以一個(gè)簡(jiǎn)單的程序說(shuō)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(yùn)算后結(jié)果仍在x[512]數(shù)組中。
   
    這樣就完成了DSP內(nèi)一個(gè)運(yùn)算長(zhǎng)度為256點(diǎn)的FFT變換。

3 結(jié)果分析
    對(duì)頻率為50 Hz的方波信號(hào)進(jìn)行了頻譜分析，采樣點(diǎn)數(shù)為128，并調(diào)整采樣頻率，使得128點(diǎn)的采樣時(shí)間為40 ms，即輸入2個(gè)信號(hào)的周期。在通過(guò)DSP的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境(CCS)觀看結(jié)果，如圖3、圖4所示。

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