LCOS高清晰度背投電視中的圖像處理系統(tǒng)

1、LCOS高清晰度背投電視中的圖像處理系統(tǒng)巢洪斌江西鴻源數(shù)顯科技有限公司二零零五年四月關(guān)鍵詞：背投電視 高清晰度 數(shù)字電視 數(shù)字顯示 圖像處理 LCOS 像素尋址 V-T曲線 摘要：本文介紹了LCOS顯示技術(shù)的基本原理以及LCOS背投式高清晰度數(shù)字電視中信號(hào)處理系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，并著重介紹了圖像信號(hào)從輸入、數(shù)字化、彩色解碼、圖像變換和合成處理直至LCOS顯示輸出的全過程。一、前言LCOS技術(shù)是當(dāng)前數(shù)字顯示技術(shù)大潮中令人矚目的新技術(shù)，它具有功耗低、分辨率高、成本低、重量輕等諸多優(yōu)點(diǎn)。特別應(yīng)指出的是，該顯示技術(shù)未被一個(gè)或多個(gè)跨國(guó)公司所壟斷，為我國(guó)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的大屏幕高清晰數(shù)字電視的發(fā)展提供了一個(gè)重

2、要契機(jī)。由于LCOS顯示技術(shù)本身的特點(diǎn)，它特別適用于高分辨率、大屏幕顯示應(yīng)用領(lǐng)域，是未來高清晰度數(shù)字電視系統(tǒng)中理想的顯示技術(shù)，因而具有廣闊的發(fā)展前景。為了適應(yīng)高清晰度電視信號(hào)這一潮流，在這里介紹的圖像處理系統(tǒng)完全支持由ITU-R BT.709定義的高清晰度分量視頻信號(hào)輸入。DVI-D數(shù)字圖像輸入接口不僅可以作為計(jì)算機(jī)圖像輸入接口，它已成為高清晰度數(shù)字視頻信號(hào)輸入接口的一個(gè)事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，采用數(shù)字圖像的回掃時(shí)間片傳送數(shù)字音頻和其它非視聽信息的協(xié)議也已完成。應(yīng)著重指出的是，該圖像處理系統(tǒng)采用數(shù)字技術(shù)來支持傳統(tǒng)的模擬電視信號(hào)，極大地提高了傳統(tǒng)電視信號(hào)的顯示輸出質(zhì)量。本文以視頻和計(jì)算機(jī)圖像信號(hào)的轉(zhuǎn)換過程為線

3、索，詳細(xì)介紹了LCOS高清晰度背投電視圖像處理和顯示系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案。二、電子系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)LCOS背投電視是一臺(tái)采用數(shù)字顯示技術(shù)的電視機(jī)，一方面在顯示方式和功能上與傳統(tǒng)的CRT電視有本質(zhì)的不同；另一方面，作為電視廣播信號(hào)的接收機(jī)，必須從消費(fèi)者的實(shí)際需要和目前電視廣播依然是以傳統(tǒng)的模擬信號(hào)為主這一客觀事實(shí)出發(fā)，完全支持目前的電視信號(hào)制式。因此，LCOS背投電視首先將接收到的模擬電視信號(hào)數(shù)字化，再采用先進(jìn)的數(shù)字處理手段對(duì)數(shù)字視頻信號(hào)進(jìn)行處理，最后將數(shù)字圖像信號(hào)發(fā)送給LCOS顯示驅(qū)動(dòng)電路，以驅(qū)動(dòng)LCOS顯示單元，顯示出高質(zhì)量的圖像。LCOS背投電視電子系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖一所示。 圖一 電子系統(tǒng)的整體

4、結(jié)構(gòu)在圖一所示的系統(tǒng)中包括如下主要部分：1 圖像信號(hào)輸入視頻圖像輸入是電視接收機(jī)的基本功能。作為視頻圖像輸入模塊的一部分，符合ITU-R BT.709標(biāo)準(zhǔn)的高清晰度分量視頻信號(hào)YPbP.r經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，以數(shù)字形式提供給圖像處理模塊的視頻輸入口；從高頻調(diào)諧器或其它視頻接口輸入的復(fù)合模擬電視信號(hào)和S-端子信號(hào)（Y/C）被變換成數(shù)字圖像信號(hào)，輸入圖像處理模塊。視頻圖像輸入模塊生成的數(shù)字圖像掃描頻率通常為每秒25至30幀。圖像輸入模塊包括VESA標(biāo)準(zhǔn)的模擬RGB圖像信號(hào)和DVI標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字圖像信號(hào)。對(duì)模擬RGB信號(hào)必須先進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，對(duì)DVI信號(hào)，必須對(duì)T.M.D.S串行信號(hào)解碼，再向圖像處理系統(tǒng)提

5、供并行數(shù)字圖像輸入。通常情況下，計(jì)算機(jī)圖像輸入具有較高的分辨率和掃描頻率。2 圖像處理模塊圖像處理模塊是整個(gè)電子系統(tǒng)的核心，它接受經(jīng)預(yù)處理的數(shù)字圖像輸入和數(shù)字視頻輸入，對(duì)它們進(jìn)行較為復(fù)雜的圖像處理和操作，以提高圖像質(zhì)量，并實(shí)現(xiàn)特定的顯示功能，如PIP、OSD等。經(jīng)處理后的數(shù)字圖像被放入輸出緩存，根據(jù)顯示單元的要求以一定格式發(fā)往顯示驅(qū)動(dòng)單元。圖像處理模塊是一個(gè)基于高性能微處理器內(nèi)核和高速數(shù)字圖像處理電路的單片系統(tǒng)(SoC)。該芯片采用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）作為其軟件支撐平臺(tái)，使用戶可以在這個(gè)軟件支撐平臺(tái)上開發(fā)和完善應(yīng)用軟件，以滿足不同的電視功能要求。芯片上的數(shù)字圖像處理電路在微處理器的協(xié)

6、調(diào)下，由硬件高速地完成各種復(fù)雜的圖像處理算法，以滿足實(shí)時(shí)高分辨率數(shù)字圖像處理的要求。同時(shí)，圖像處理模塊還要處理系統(tǒng)中的其他事務(wù)，包括接收控制命令，并根據(jù)命令對(duì)系統(tǒng)中的其它單元進(jìn)行外部控制；產(chǎn)生光學(xué)系統(tǒng)上電和關(guān)閉時(shí)的控制時(shí)序；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中其它部件的工作狀態(tài)以及實(shí)現(xiàn)其它高級(jí)功能要求。3 顯示驅(qū)動(dòng)模塊該模塊的功能在于接受圖像處理模塊輸出的高分辨率、高掃描頻率數(shù)字圖像信號(hào)，并把它們轉(zhuǎn)化為L(zhǎng)COS顯示單元的視頻顯示輸出。在該模塊中，將對(duì)數(shù)字視頻圖像信號(hào)進(jìn)行非線性交換，以補(bǔ)償顯示單元固有的輸入/輸出非線性特性，再生成與LCOS的顯示特性相匹配的像素信號(hào)驅(qū)動(dòng)電壓，并產(chǎn)生顯示單元內(nèi)像素的尋址邏輯。由于采用三片式

7、LCOS顯示技術(shù)，模塊中含有三片LCOS顯示驅(qū)動(dòng)專用的集成電路(DPD)，分別支持R、G、B三個(gè)顯示通道。4 音效處理和音頻功放 音效處理和音頻功放模塊和傳統(tǒng)的CRT電視機(jī)基本相同。它接收電視伴音信號(hào)和其它雙聲道音頻信號(hào)輸入，并對(duì)它們進(jìn)行各種音效處理后，經(jīng)音頻功率放大電路，驅(qū)動(dòng)兩路輸出功率分別為15W的揚(yáng)聲器輸出。由于采用了先進(jìn)的數(shù)字音效處理電路，用戶能選擇多種音效輸出模式。下面將對(duì)系統(tǒng)中的主要圖像處理模塊進(jìn)行詳細(xì)的介紹。三、輸入信號(hào)的處理輸入信號(hào)指計(jì)算機(jī)圖像和復(fù)合電視視頻信號(hào)的輸入。輸入信號(hào)處理模塊的結(jié)構(gòu)如圖二所示。1 DVI-D數(shù)字圖像信號(hào)輸入DVI接口是目前高分辨率圖像輸出的一個(gè)較為通用

8、的接口標(biāo)準(zhǔn)。它以數(shù)字圖像信號(hào)輸出，即DVI-D作為核心，同時(shí)包含了VESA的RGB模擬圖像信號(hào)輸出，并采用了VESA的EDID1.3作為對(duì)象識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。DVI-D接口將并行數(shù)字R、G、B圖像信號(hào)和相應(yīng)的控制信號(hào)采用T.M.D.S方法轉(zhuǎn)換成四路串行信號(hào)，并采用低幅平衡傳輸技術(shù)將信號(hào)傳送給接收方，提高了信號(hào)的接收質(zhì)量、減少了線數(shù)、降低了EMI。由DVI-D接口輸入的T.M.D.S數(shù)字圖像信號(hào)包括RX0/RX0、RX1/RX1、RX2/RX2、RXC/RXC四對(duì)信號(hào)線及DVI_CLK/DVI_DAT。數(shù)字圖像信號(hào)的行、幀同步信號(hào)和點(diǎn)時(shí)鐘信號(hào)包含在RXC/RXC中。DVI_CLK/DVI_DAT

9、信號(hào)是I2C總線，作為圖像輸出終端的計(jì)算機(jī)可以讀取串行E2PROM存貯器，以獲得顯示設(shè)備的信息，包括顯示器的分辨率、同步信號(hào)格式和參數(shù)及生產(chǎn)商信息，以便生成適當(dāng)?shù)妮敵鰣D像格式，充分利用顯示器的顯示輸出能力。系統(tǒng)中采用一片SIL161對(duì)輸入的T.M.D.S編碼的串行圖像信號(hào)解碼，恢復(fù)并行圖像數(shù)據(jù)和行、幀同步信號(hào)，提供給圖像處理器的圖形輸入接口。2 模擬RGB 信號(hào)輸入經(jīng)15針D-型接頭輸入的VESA標(biāo)準(zhǔn)模擬RGB信號(hào)及其行、幀同步信號(hào)，通過A/D轉(zhuǎn)換電路后，生成數(shù)字圖像信號(hào)和相應(yīng)的同步信號(hào)。和DVI-D接口一樣，該圖像輸入帶有一個(gè)I2C總線接口，以讀取設(shè)備的EDID數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。DVI數(shù)字圖像信號(hào)和

10、數(shù)字化的RGB圖像信號(hào)經(jīng)開關(guān)選擇后，僅一路作為圖像處理器的輸入。3 復(fù)合視頻信號(hào)輸入由調(diào)諧器和端子板輸入的復(fù)合視頻信號(hào)經(jīng)預(yù)處理和切換開關(guān)后，進(jìn)入視頻解碼電路。該解碼電路能自動(dòng)識(shí)別輸入信號(hào)的制式，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并用梳狀濾波器對(duì)復(fù)合視頻信號(hào)進(jìn)行解碼，獲得亮度信號(hào)和色差信號(hào)，再對(duì)色差信號(hào)進(jìn)行正交解調(diào)，輸出數(shù)字亮度信號(hào)和兩個(gè)數(shù)字色差信號(hào)，以及它們的行、場(chǎng)同步信號(hào)。數(shù)字亮度和色差信號(hào)是隔行掃描的電視信號(hào)，這個(gè)信號(hào)必須進(jìn)行隔行掃描到逐行掃描的變換和濾波，最終經(jīng)數(shù)字視頻接口進(jìn)入圖像處理器。4S-端子視頻輸入S-端子視頻信號(hào)由兩個(gè)模擬信號(hào)，即亮度和色差信號(hào)組成。系統(tǒng)具有多路S-端子視頻信號(hào)輸入，它

11、們和復(fù)合視頻信號(hào)一樣，經(jīng)視頻解碼電路，生成數(shù)字化的亮度信號(hào)和兩個(gè)色差信號(hào)，再進(jìn)行隔行掃描到逐行掃描變換處理后，送入圖像處理器。5高清晰度分量視頻信號(hào)輸入分量視頻信號(hào)接口作為高清晰度電視信號(hào)的輸入接口，接收符合ITU-R BT.709標(biāo)準(zhǔn)的模擬分量視頻信號(hào)YPbP.r。該信號(hào)經(jīng)專門的A/D轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行數(shù)字化，再通過隔行到逐行的轉(zhuǎn)換后，從數(shù)字視頻輸入口送入圖像處理器。 圖二 信號(hào)輸入模塊（a）圖像輸入(b)視頻輸入四、圖像處理模塊圖像處理模塊是LCOS背投電視中圖像信號(hào)處理系統(tǒng)的核心，它由一個(gè)高性能中央處理器控制，并集成了高速數(shù)字圖像處理邏輯電路，以滿足實(shí)時(shí)、高分辨率數(shù)字圖像處理的要求。圖像處理模

12、塊中的信息處理過程中如圖三所示。圖像處理模塊有兩個(gè)輸入接口，分別是數(shù)字圖像輸入接口和數(shù)字視頻輸入接口。從圖像接口輸入的DVI-D或RGB數(shù)字圖像經(jīng)過預(yù)處理和分辨率變換后，被置于圖像緩沖區(qū)內(nèi)。視頻圖像輸入首先要進(jìn)行色度空間變換，即將原來的（YCbC.r）圖像空間變成（R、G、B）圖像空間，再對(duì)該視頻圖像進(jìn)行預(yù)處理、分辨率變換，然后置于圖像緩存。系統(tǒng)有128M圖像緩存，采用高速SDRAM來實(shí)現(xiàn)。對(duì)圖像緩存中的數(shù)字圖像首先要根據(jù)用戶設(shè)定進(jìn)行圖像合成，以實(shí)現(xiàn)各種不同的輸出形式，再根據(jù)用戶操作和信號(hào)源的信息，進(jìn)行OSD信號(hào)疊加，即將一些用戶操作信息和狀態(tài)信息以一定的合成比例疊加于數(shù)字圖像上。在完成上述操

13、作后，需要再對(duì)圖像進(jìn)行非線性校正，其目的在于：一是按用戶設(shè)定對(duì)圖像進(jìn)行GAMMA校正，二是對(duì)顯示設(shè)備的非線性特征進(jìn)行預(yù)補(bǔ)償，從而使顯示器輸入/輸出關(guān)系接近線性。在完成了圖像處理后，圖像處理系統(tǒng)將高分辨率數(shù)字圖像信號(hào)通過LVDS接口發(fā)往顯示驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行顯示輸出。輸出圖像的時(shí)序由輸出掃描邏輯電路來產(chǎn)生。圖像處理模塊除了實(shí)現(xiàn)圖像處理外，還承擔(dān)了系統(tǒng)控制功能，實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)的串行通訊，用戶按鍵和遙控輸入操作，以及光學(xué)系統(tǒng)控制時(shí)序的產(chǎn)生和運(yùn)行情況監(jiān)控等。 圖三 圖像處理模塊的方塊圖五、LCOS驅(qū)動(dòng)模塊三片式背投LCOS顯示器的驅(qū)動(dòng)電路框圖如圖四所示。LCOS顯示驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)要完成如下的任務(wù)：（1） 尋址LCO

14、S顯示單元中的像素;（2） 根據(jù)與被尋址像素對(duì)應(yīng)的數(shù)字圖像信息生產(chǎn)像素電壓；（3） 實(shí)現(xiàn)數(shù)字圖像顯示掃描的時(shí)序邏輯；（4） 接收?qǐng)D像處理器發(fā)出的數(shù)字圖像，并將各分量分配到相應(yīng)的LCOS驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行緩存和預(yù)處理；（5） 實(shí)現(xiàn)與外部計(jì)算機(jī)和圖像處理模塊的通訊，并根據(jù)指令對(duì)LCOS驅(qū)動(dòng)電路DPD的相關(guān)設(shè)置進(jìn)行調(diào)整。為了完成任務(wù)（1）、（2）和（3），在設(shè)計(jì)LCOS顯示單元的同時(shí)，必須同時(shí)設(shè)計(jì)出驅(qū)動(dòng)電路DPD，將數(shù)字圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，并通過適當(dāng)?shù)膶ぶ贩绞?，將圖像電壓信號(hào)轉(zhuǎn)貯到像素的電容器中。圖像電壓每次生成8路，并依次先保存到行采樣保持電路中，當(dāng)一行的像素電壓都被采樣保持后，像素尋址邏輯將選通L

15、COS顯示單元的某一行，將采樣保持電路中的圖像電壓一次性加載到被選中的一行像素的電容中。同時(shí)，為了更靈活地調(diào)整顯示刷新頻率，提高顯示質(zhì)量，DPD還配備了動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器，對(duì)輸入圖像信號(hào)進(jìn)行緩存。在三片式LCOS顯示器中，DPD有三路，分別對(duì)應(yīng)于三個(gè)輸出顏色通道。由圖像處理系統(tǒng)輸出的數(shù)字圖像信號(hào)，經(jīng)LVDS信號(hào)傳輸接口輸出到LCOS顯示驅(qū)動(dòng)模塊，經(jīng)解碼后，恢復(fù)RGB圖像信號(hào)和相應(yīng)的控制信息，分別輸出給對(duì)應(yīng)的顯示單元DPD?？刂葡到y(tǒng)由一個(gè)8位微處理器為核心，其任務(wù)是在系統(tǒng)上電時(shí)，初始化顯示驅(qū)動(dòng)電路DPD，并在工作過程中監(jiān)視DPD和系統(tǒng)中其它部件的工作狀態(tài)。同時(shí)，控制系統(tǒng)還可以通過RS232接口與外部計(jì)算

16、機(jī)實(shí)現(xiàn)通訊，從而使外部的測(cè)試系統(tǒng)能根據(jù)顯示輸出的圖像質(zhì)量和用戶要求來調(diào)整DPD的內(nèi)部寄存器設(shè)置，使之達(dá)到滿意的效果。這些調(diào)整包括對(duì)V-T曲線非線特性的補(bǔ)償、對(duì)輸出圖像中像素非均勻性的補(bǔ)償、亮度和對(duì)比度的調(diào)整等。部分由測(cè)試系統(tǒng)完成的功能也可由圖像處理模塊來實(shí)現(xiàn)。圖四 LCOS驅(qū)動(dòng)模塊的方塊圖六、LCOS顯示模塊 1LCOS顯示單元LCOS顯示單元采用液晶對(duì)入射的均勻單色光進(jìn)行調(diào)制，使其的反射輸出受控于加在每個(gè)像素上的控制電壓。圖五是LCOS顯示單元的原理示意圖。在圖五中，每個(gè)顯示像素由CMOS半導(dǎo)體開關(guān)電路、電壓保持電容、鋁反射電極（圖中虛線部分）以及覆蓋在反射電極上的向列液晶組成。所有的像素構(gòu)

17、成了可尋址的邏輯陣列，組成了LCOS顯示單元，其中像素矩陣的行和列數(shù)目構(gòu)成了顯示單元的分辨率。當(dāng)前系統(tǒng)中所用的LCOS顯示單元的分辨率為1400X1050。LCOS顯示單元上的CMOS半導(dǎo)體開關(guān)電路和電壓保持電容均按通常的集成電路制造工藝加工于半導(dǎo)體晶元上，然后再在晶元基片上為每個(gè)像素覆蓋反射電極和約3微米厚的液晶，并為整個(gè)LCOS顯示單元設(shè)置導(dǎo)電玻璃公共電極（ITO），最后加上為L(zhǎng)COS顯示單元特別設(shè)計(jì)的封裝和引腳。在顯示單元的像素陣列中，每一行均與對(duì)應(yīng)的采樣保持電路相連。在圖像輸出時(shí)，驅(qū)動(dòng)模塊的輸出控制電路每次輸出8個(gè)象素的圖像信號(hào)電壓及相應(yīng)的行內(nèi)地址。這些電壓首先被采樣保持，當(dāng)一行的像素

18、電壓都被采樣保持后，由移位寄存器構(gòu)成的行選擇器開啟某一行的讀取開關(guān)，將采樣保持器中的圖像電壓信號(hào)復(fù)制到對(duì)應(yīng)像素的保持電容中，一定時(shí)間后關(guān)閉行選擇，使圖像信息得以保持，以完成一行圖像信息的寫入。隨后，驅(qū)動(dòng)電路向采樣保持電路送出下一行圖像輸出，重復(fù)上述寫入過程，直至完成所有行的寫入，再開始新的一幀圖像的輸出圖五 LCOS象素矩陣光線選擇率（%）像素電壓（伏） 圖六 LCOS像素的V-T曲線2V-T響應(yīng)曲線當(dāng)光線照射到LCOS顯示單元上時(shí)，顯示單元的每個(gè)像素對(duì)其反射電極所反射的光的透射取決于加在反射電極上的電壓，即電壓保持電容上的電壓。圖六是像素的電壓值與光線透射率的關(guān)系曲線，通常稱為V-T曲線。該曲線具有一定的非線性特征，LCOS顯示單元僅工作于該曲線的一部分單調(diào)區(qū)域。對(duì)于不同的基色光輸入，該曲線并不完全一致。從圖中可以看出，在單調(diào)工作區(qū)域內(nèi)，像素的V-T曲線受溫度影響很小。這一特點(diǎn)保證了LCOS顯示單元在不同的環(huán)境溫度下顯示圖像質(zhì)量有較高的一致性。七、結(jié)語(yǔ)LCOS顯示技術(shù)是當(dāng)今世界上一種先進(jìn)的數(shù)字式顯示技術(shù)，是高清晰度數(shù)字顯示領(lǐng)域的熱門技術(shù)之一。在國(guó)家和江西省的大力支持下，江西鴻源數(shù)顯科技有限公司經(jīng)過一年多的努力，推出了國(guó)內(nèi)首臺(tái)基于LCOS顯示技術(shù)的高清晰度背投電視，其圖像質(zhì)量達(dá)到了世界先進(jìn)水平，并實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，開創(chuàng)了我國(guó)高清晰度