1基于多处理器并行处理的改进方案
考虑到体扫描三维显示系统运行高速旋转的特性及高速数据处理需求，从系统架构、显示控制方法及数据处理方面做改进设计。在系统架构设计方面，主动发光面的高速旋转，需要对屏幕结构进行特殊设计。我们项目组提出采用模块化LED屏幕构建技术，并设计了专用架构模式，通过尺寸调整能适应大、中、小型显示系统。在显示控制方法上，提出高速多处理器并行处理的数据处理方案;在显示器件的驱动方面，提出高速处理器直接控制件与基于FPGA芯片的行列扫描驱动两种方案。在数据处理方法上，采用3种片源处理方法，分别是基于3D软件建模、基于实拍的多视角三维信息获取和医学图像三维信息获取。1．1坚固的系统架构设计基于多处理器并行处理的主动发光面体扫描三维显示系统，由固定底座、旋转框架及保护外罩构成。固定底座部分包括动力提供装置、稳定控制系统、动力传送装置及转速调节装置;旋转框架主要包括一个圆盘底座、方形框架及支撑斜杆;保护外罩由透明的材料组成。1．2高速多处理器并行显示控制方法系统采用高速多处理器并行显示控制方法。发光器件LED的驱动采用高速处理器直接控制驱动与基于FPGA芯片的行列扫描驱动两种方案;单色大型三维显示系统采用高速处理器直接驱动;彩色三维显示系统采用基于FPGA芯片的行列扫描驱动方案。图1为高速处理器直接驱动方案的显示控制框图。单色大型三维显示系统采用模块化分层设计思想，显示部分划分为6个子模块，每个子模块由中间控制层与驱动及显示层构成。同步控制层主要采用AＲM处理器实现，还包括SD卡存储器件及外围辅助电路，实现显示数据的接收及同步信号的发送。子显示模块由中间控制层及LED驱动显示层构成。图2所示为单色显示系统子显示模块的构成。子显示模块的实际大小为48cm×48cm，像素分辨率为64×32。每个显示单元的像素分辨率为16×8，显示单元由中间层对应的一片AＲM处理器控制其显示状态。子显示模块中间控制层由16片AＲM芯片及相应的外围器件组成，主要实现数据接收、存储及响应同步显示信号，点亮对应位置上的LED。彩色三维显示系统采用基于FPGA芯片的行列扫描驱动方案，其显示控制框图见图3。彩色大型三维显示系统显示及控制部分同样采用模块化分层设计思想。显示部分划分为8个子模块，每个子显示模块由中间控制层与行列扫描驱动及显示层构成。子显示模块构成如图4所示，实际大小为48cm×48cm，像素分辨率为96×64，每个显示单元的像素分辨率为16×16，与单色不同的是彩色系统实现了数据系统传输功能，数据的收发由同步控制及数据收发模块完成。同步控制及数据收发模块的组成框图如图5所示。该模块主要由网络控制芯片、AＲM处理器及其辅助电路、CAN总线通信控制器构成;同步控制层主要实现立体点云数据接收、发送、纠错及同步信号的发送功能。中间层核心控制部分包括:AＲM处理器、ＲS－485差分信号接收芯片、CAN总线芯片、FIFO芯片、FPGA芯片和SD卡等。中间层完成如下功能:接收同步控制层发来的数据并存在SD卡中，AＲM处理器根据同步层的命令读出SD中相应数据，并写入FIFO芯片中缓存，FPGA芯片根据同步层同步命令读取FIFO芯片中的数据，并传送给LED显示面板上的FPGA芯片。子LED显示层采用行列扫描驱动方案，该层主要由FPGA芯片完成控制功能。每个子显示模块的设计尺寸为长24cm、宽16cm，包含96×64共6144个3色LED、24片FPGA芯片及相应辅助原件组成。其中，每16×16共256个LED由一片FPGA芯片以行列扫描方式驱动。选用共阳极LED，每行LED的共阳极相连接作为行选端;阴极端由显示控制层的FPGA及外围电路控制。选用FPGA的I/O管脚的最大输出电流为16mA，以行列扫描方式连接。在I/O管脚和共阳极之间加模拟开关来实现对LED的驱动。1．3数据处理方法1．3．1数据源获取及前处理数据处理过程分为两大部分，一是三维数据的获取及前处理;二是三维数据在显示系统中的后处理。三维数据的前期处理过程如图6所示。现有的数据源主要为三维软件建模生成的二维数据或从网络上直接下载的三维数据。网络上的数据源不能满足实用化的个性需求，只能作为系统功能验证使用。对系统的实用化方面提出两个重要方向:1)医学辅助诊断及物品展示。对于医学辅助诊断的实现，结合现有医学成像设备，获取器官及病灶等的三维数据，经过提取、变换获得适用于体三维显示器的数据;2)对于物品展示的实现，采用三维建模及实拍获取的方法，在实拍方面提出了多摄像机阵列获取物体三维数据的方案及相应的数据处理方法。根据不同的归一化因子对原始三维点云数据进行归一化处理，保证所有的数据都能够映射到显示区域内。归一化的过程为:第1步，计算点云数据的笛卡尔坐标x，y，z方向的最大值与最小值xmax，ymax，zmax，xmin，ymin，zmin;第2步，根据公式(1)计算所在坐标方向的最大值与最小值的平均值，得到中心坐标xc，yc，zc;第3步，将所述三维图像坐标进行移位，将笛卡尔坐标系远点移到计算的中心坐标处。第4步，根据公式(2)计算x，y，z坐标方向的半径xr，yr，zr;第5步，依据显示器的分辨率Nh×Nv，其中Nh、Nv分别表示水平和垂直像素点数，由公式(3)计算所述三维图像的缩放系数s;根据缩放系数s对所述三维图像进行比例缩放，得到所述归一化的笛卡尔坐标数据。通过坐标变换，将经过归一化得到的笛卡尔坐标数据映射到显示器屏幕坐标系上，坐标变换的过程伴随着数据的精简及数据的均匀化处理。数据拆分主要实现映射后的体数据的拆分及色彩空间压缩，获得调色板数据、矫正数据及处理后的显示数据，以适合体扫描三维显示系统的显示［7］。1．3．2数据的后处理单色显示最小系统的后处理流程如图7所示。同步控制及数据传输模块由AＲM处理器及SD卡存储器件等辅助电路构成。主要实现两个功能:显示数据的广播传输及发送同步显示信号。显示控制模块主要由AＲM处理器构成，主要实现两个功能:接收同步控制层传来的数据并将其存储在SD卡中，根据同步显示信号控制对应位置上的LED的显示状态。彩色显示系统数据的后处理流程如图8所示。三维数据通过数据传输网络传输到数据处理及分发模块。该模块根据自身地址接收同步控制层传输的数据，并存储在SD卡中，根据同步层传输来的显示角度及文件名命令，读出SD中相应数据写入缓存。数据分发单元根据同步层同步命令读取显示数据，并传送给LED显示控制模块，显示控制模块根据同步信号控制LED的显示状态。
2改进的原型机及技术分析
图9为我们项目组开发的3种类型的三维显示原型机，图9a—图9c分别为单色大型显示原型机、彩色大型显示原型机和彩色小型显示原型机。单色大型显示器显示的是世博会中国馆的模型，彩色大型显示器显示的是一个凉亭模型，彩色小型显示器显示的是从CT图像中获取的人脑数据的显示效果。3种原型机均能够提供水平360°视角，立体图像的帧率达到7200电子帧/s，均能实现静态三维模型及动画的显示。3个显示系统的主动发光面(LED屏)的分辨率、一个体帧包含的角平面数、一体帧的体素总数及图像空间大小等改进系统的参数如表1所示。
3结语
针对现有三维显示实用化方面的不足，对体扫描三维显示系统的实现提出基于AＲM处理器及FPGA芯片的多处理器并行数据处理方案，并设计了3套显示系统原型机，均能提供水平360°视角，图像刷新率达到每秒7200电子帧，实现了三维模型及三维动画的稳定显示。
作者：孙传伟 刘锦高 单位：华东师范大学 济南大学 上海建桥学院