拆解“3DS”,探寻任天堂的裸眼3D图像技术

2011-04-28 16:50:06来源: 技术在线
  “3DS是我们多年以来致力于3D技术产品化的结晶”……8个月前,任天堂代表董事社长岩田聪这样高调宣布。



  2011年2月26日,便携式游戏机“任天堂3DS”上市。为实现裸眼3D影像显示,任天堂采用了何种技术?



  为了探明这一点,本站拆解了3DS,对实现裸眼3D的图像技术进行了分析。

  任天堂于2011年2月26日在日本上市了支持裸眼三维(3D)影像显示的便携式游戏机“任天堂3DS”。据出版游戏杂志的Enterbrain公司的报道,3DS上市两天销量就达到了37万1326台。这为实现2011年3月底之前在全球销售400万台的宏伟目标顺利开了一个好头。

  3DS的最大特点是,机身处处体现了用一台产品即可享受3D的创意(表1)。除了可显示3D影像的画面外,还配备了拍摄3D影像的摄像头。另外,全力扩充了3D游戏及影像内容的发送等软件方面的功能。为提高操作性,新配备了360度的模拟输入装置、角速度传感器及加速度传感器等。

  与原机型“任天堂DS、DS Lite、DSi、DSi LL”相比,3DS强化了很多功能。为了探寻其设计思想,本站在电子技术人员的协助下,拆解并尝试分析了3DS。在这一过程中,我们看到的是任天堂坚持不懈的努力,“多年来,我们一直在追求使游戏实现3D显示的可能性”(任天堂代表董事社长岩田聪)。 

  利用软件控制3D影像的强弱

  首先来看一下支持裸眼3D影像的画面。3D显示功能配备于上下两个画面中的上画面部分。配备的液晶面板模块为3.53英寸,像素为800×240。显示3D影像时将水平方向的像素分配给左眼和右眼使用,因此实际像素为400×240。视点数为1,只能在正面看到3D影像。

  上画面的影像可通过操作机壳侧面名为“3D Volume”滑杆调节3D显示的强弱,此外还能切换为通常的二维(2D)显示。为了将像素分配给左右眼使用,3D显示采用的是部分遮蔽面板光的“视差格”方式,不过任天堂没有公布详细情况。

  在拆解之前,在3D Volume打开的状态下放大上画面进行观察后确认,除了影像显示用液晶面板之外,还采用了配备视差格栅开关功能的液晶面板(图1,图2)。即使通过滑动3D Volume调整3D显示的强度,视差格栅的宽度也不会发生变化。关闭3D Volume后则不显示视差格栅。由此可以判断,3D显示的强弱、即左右视差的调整其实是通过软件处理实现的。“改变视差格栅的宽度和面板折射率,可调整左右的视差量,但考虑到3DS的处理能力,还是利用软件处理比较简单”(3D技术人员)。

图1:通过视差格栅显示3D影像
3DS采用可形成“视差格栅”的液晶面板实现了裸眼3D显示。视差格栅的显示可通过3D Volume滑杆控制。

  2枚面板一体化

  在分析液晶面板模块的过程中,拆解人员逐渐发现了任天堂为提高3D影像显示性能所采取的措施(图2)。

图2:由显示面板和形成视差格栅的面板构成
拆解上下配备的夏普液晶面板模块时的情景。光学部材的数量为上侧6枚,下侧7枚。支持裸眼3D显示的上侧面板模块利用粘合剂或胶带将显示用途和视差格栅用途的液晶面板粘贴在一起。部件的企业名称和元件用途为本站推测。

  第一,影像显示面板和形成视差格栅的面板合为一体。估计是用粘合剂或胶带粘贴在一起的。根据柔性基板(FPC)的情况判断,从显示面来看上部为影像显示面板,下部为形成视差格栅的面板。通过一体化,“2枚面板的位置不会错位,不容易发生左右眼影像重叠的串扰现象”(液晶面板企业的技术人员)。

  第二,在影像显示面板的像素排列中,RGB的子像素沿纵向排列。而在用于手机和电视的液晶面板中,一般为横向排列。纵向排列,“可在显示3D影像时抑制色斑的产生”(3D影像相关的技术人员)。

  第三,纵向和横向分别改变了隔开子像素的区域(黑色矩阵)的宽度。在普通的面板中,纵向和横向的宽度没有太大差别。技术人员分析道:“稍微扩大横向宽度的话,不容易产生串扰和亮斑。如果稍微缩窄纵向的宽度,则能提高开口率和亮度”。

  第四,LED背照灯使用了12个LED,提高亮度的薄膜和扩散膜等光学部件共使用了6枚,均比普通的产品多。估计是为了减少形成视差格栅时的亮度下降。

  保守的主板

  下面来看一下机壳下侧,此处备有单侧(背面)封装的主板(图3)。独立存在的基板只有无线LAN模块基板、红外线传感器模块基板和SD卡用插槽基板。由于机壳上侧没有基板,因此摄像头模块、液晶面板模块和扬声器等通过FPC直接与主板连接(图4,图5)。

图3:主CPU封装在插槽下方
3DS的主板。很多主要部件都封装在单侧(背面)。印有“Nintendo”字样的主CPU封装在游戏软件插槽的下方。连接器数量多达17个。部件的企业名和用途是本站推测的。
图4:三个摄像头模块实现一体化
摄像头模块将3个约30万像素的CMOS摄像头集成在一起。FPC为防止噪声,涂布了导电膏涂层。
图5:经由FPC与主板连接
上侧液晶面板模块的视差格栅面板与背照灯经由封装了扬声器的FPC与主板连接。

  仔细观察主板会发现,部件配置较原机型没有太大变化。部件集中的部分非常有限,还有很多区域什么元件也没配置。“与智能手机的主板相比,感觉一点也不考究。可能由于表面要安装十字键的操作开关等部件,需要为基板确保足够空间的缘故吧”(半导体企业技术人员)。

  主板上新配备的部件只有意法合资公司意法半导体(STMicroelectronics)制造的加速度传感器和美国InvenSense制造的角速度传感器等。估计主CPU(本站推测为富士通半导体制造)、FCRAM(富士通半导体)及音频处理IC和电源控制IC(均为美国德州仪器制造)等产品的供应商从DSi起就没有改变过。虽然NAND闪存由韩国三星电子的产品更换成了东芝的产品,但也有可能同时从两家公司采购。

  在可以称之为3DS“心脏”的主CPU周边没有发现除FCRAM以外的芯片。因此,估计内置了英国ARM的处理器内核、Digital Media Professionals的3D图形内核、影像编解码处理电路、摄像头用ISP(Image Signal Processor)以及3D影像处理电路等。虽然追加了功能,但外形尺寸与DSi的主CPU相同,约为15mm见方。半导体企业技术人员表示,“DSi采用65nm制造技术。而3DS极有可能采用了更微细化的制造工艺”。

  连接器数量之多令人吃惊

  仔细观察主板,连接器的数量之多吸引了拆解人员的注意。主板上的连接器数量包括外部接口在内达到了17个。另外,扬声器用FPC也使用了两个连接器来连接形成视差格栅的液晶面板和LED背照灯(图5)。“估计这会让连接器企业高兴得跳起来”(电子部件技术人员)。

  一般来说,如果印刷基板的数量减少,连接器数量也会减少。尤其是“随着手机向智能手机的过渡,基板数量缩减到了1枚,因此这种倾向更为明显。3DS封装空间充足,如果改进部件的配置,应该还可以减少连接器数量”(前述电子部件技术人员)。今后在改进基板时估计会减少连接器的数量。

  连接器方面也有吸引拆解人员关注的部分。即连接“L”/“R”按钮和主板的FPC尽管布线数只有3根,却使用了8端子连接器(图6)。该连接器是从上面摁下的类型,“没有端子数少于8的产品”(上述技术人员)。L/R按钮和主板的连接在机壳下侧组装工序的最后进行,因此即使连接器的成本会升高,也要选择兼顾组装便利程度的部件。

图6:3根布线使用了8端子连接器
驱动3DS的“L ”和“R ”按钮的FPC。布线数总共只有3根,与主板的连接部分却使用了8端子的连接器。

  无线LAN模块尺寸减至DSi的2/5左右

  此外,作为独立基板安装的三美电机的无线LAN模块较DSi缩小了尺寸。外形尺寸为约23mm×约16mm,是DSi的约40mm×约22mm的2/5左右(图7)。

图7:无线LAN用LSI减至一枚芯片
3DS(左)和DSi(右)配备的无线LAN模块的比较。3DS采用美国创锐讯的无线LAN用LSI。而DSi封装了创锐讯和三美电机两家公司的无线LAN用LSI。部件的企业名和用途为本站推测。

  之所以能够实现小型化,是因为减少了无线LAN收发LSI的数量。DSi封装了美国创锐讯(Atheros Communications)支持IEEE802.11b/g和三美电机支持IEEE802.11b的两种产品。而3DS只封装了创锐讯支持IEEE802.11b/g的产品。

关键字:任天堂  裸眼3D图像技术

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/szds/2011/0428/article_2662.html
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