鐵路車站旅客引導系統(tǒng)中LED視頻顯示系統(tǒng)的設計

張金奎

（鄭州鐵路局洛陽火車站，洛陽471000）

鐵路車站為指示旅客有秩序地辦理各種旅行手續(xù)，在站前廣場、進站口、售票廳、行包房、候車室、貴賓室、檢票口、站臺及天橋和地道等各個環(huán)節(jié)，按旅客流線設置了一系列LED顯示屏引導指示標志，及時準確向旅客提供列車到發(fā)去向、到發(fā)時刻、候車地點、列車停靠站臺、晚點變更等情況。這些大小不同、功能不一的各類LED顯示屏組合的有機整體就構成了鐵路車站旅客引導顯示系統(tǒng)。

鐵路車站旅客電子引導通常是以LED顯示屏為顯示媒介，以視頻控制技術為核心組成的動態(tài)信息顯示系統(tǒng)的總稱。根據(jù)鐵道部“鐵路車站旅客引導顯示系統(tǒng)設置標準”[TB/T3303-2000] 規(guī)定，旅客引導顯示系統(tǒng)主要由微機聯(lián)網(wǎng)顯示系統(tǒng)和LED多媒體大屏幕視頻顯示系統(tǒng)兩部分組成。微機聯(lián)網(wǎng)顯示系統(tǒng)主要由若干單色條形顯示屏聯(lián)網(wǎng)組成，以固定點陣形式顯示車次信息。而多媒體大屏幕不僅能顯示文字、圖形，還可以顯示動畫和視頻圖像，大視角、高亮度、灰度層次細膩的畫面能使成千上萬的旅客同時觀看，作為新一代的信息傳播媒體自90年代問世以來在鐵路車站發(fā)展迅速。LED視頻顯示系統(tǒng)多媒體大屏幕主要設置在旅客聚集的廣場、候車大廳、售票處等醒目處，24 h動態(tài)實時播放車次到發(fā)信息、票額剩余信息、旅行常識以及各種溫馨提示畫面，播放的內容信息量大，實時性強，為旅客安全便捷出行提供了及時準確的電子圖文信息。

本文就鐵路車站旅客引導系統(tǒng)中KING2000 256級灰度LED多媒體大屏幕視頻顯示系統(tǒng)（以下簡稱LED視頻顯示系統(tǒng)）的設計為重點予以介紹。

1 LED視頻顯示系統(tǒng)組成

LED視頻顯示系統(tǒng)主要由多媒體計算機、LED視頻控制組件、數(shù)據(jù)傳輸接口和LED顯示幀面等部分組成，見圖1。

圖1 LED視頻顯示系統(tǒng)

1.1 多媒體計算機

由于VGA顯示卡連接的是模擬顯示器，從VGA顯示卡上無法直接取得數(shù)字VGA信號，1組VGA數(shù)字信號的同步獲取成為LED視頻顯示技術實現(xiàn)的前題。因此，需要在多媒體計算機安裝1塊JMC-VIDEO視頻卡，用于向LED視頻控制組件提供1組實時VGA數(shù)字信號。

1.2 LED視頻控制組件

LED視頻控制組件是LED視頻顯示系統(tǒng)的核心，負責接收來自JMC-VIDEO視頻卡的一組數(shù)字視頻信號，實時完成非線性視覺校正、數(shù)據(jù)重組和灰度變換，產生LED顯示屏所需的串行數(shù)據(jù)信號和掃描控制時序。

1.3 數(shù)據(jù)傳輸接口

數(shù)據(jù)傳輸接口是指LED視頻控制組件與LED顯示幀面之間的數(shù)據(jù)傳輸通道。LED視頻控制組件輸出的串行數(shù)據(jù)信號和掃描控制信號經(jīng)過差分驅動電路傳輸，在LED顯示屏一端，經(jīng)差分接收電路卸載后，送至LED顯示幀面。

2 LED視頻顯示系統(tǒng)關鍵技術與實現(xiàn)原理

LED視頻顯示系統(tǒng)的核心是VGA同步技術、非線性視覺校正卡和LED視頻控制器3部分。JMC-VIDEO多媒體視頻卡（以下簡稱視頻卡）是實現(xiàn)VGA同步技術比較典型的解決方案。

2.1 JMC-VIDEO視頻卡

視頻卡主芯片采用PC VIDEO視頻窗口控制芯片。PC VIDEO提供窗口縮放、裁剪和緩存功能。圖2是JMC-VIDEO視頻卡原理框圖。

圖2 JMC-VIDEO視頻卡原理框圖

視頻卡將視頻信號轉換為數(shù)字信號，與VGA信號疊加后在VGA上顯示，過程如下：模擬視頻信號經(jīng)過模數(shù)轉換后變?yōu)? bit數(shù)字混合視頻信號，再經(jīng)過解碼變?yōu)閅UV 4∶2∶2信號，最后通過彩色空間變換，將YUV信號轉換成16 bitRGB信號。RGB信號經(jīng)過窗口控制器的縮放裁剪和圖像定位后送入幀存，與從VGA輸入的數(shù)字信號（經(jīng)彩色查找表變?yōu)?6 bitRGB信號）疊加，經(jīng)過數(shù)模轉換，最后在VGA上顯示。這樣也就實現(xiàn)了視頻信號在VGA上的開窗顯示。

2.2 非線性視覺校正卡

非線性視覺校正卡的主要功能是對來自視頻卡上的RGB數(shù)字信號進行非線性視覺校正。這是一種對比度調節(jié)和亮度調節(jié)的圖像增強技術，對于改善LED顯示屏圖像質量起著重要作用。

2.2.1 非線性視覺校正原理

為了把一幅圖像的灰度層次顯示出來，需要把圖像上的每個像素的顏色根據(jù)其亮度量化成相應的電信號，量化數(shù)是用二進制數(shù)，即0和1來表示，對于256級灰度的量化，要用8 bit二進制來表示，那么R、G、B三色的亮度量化共需24 bit二進制來表示。LED顯示屏通常是將其量化值轉化為單位時間內顯示的時間長短來調制灰度，人眼對亮度的感覺是一個積分效果，因此對不同的數(shù)據(jù)，點亮的時間越長，平均亮度就越大。

圖3 LED光電特性曲線

圖4 對比度調節(jié)曲線

圖5 亮度調節(jié)曲線

圖3是LED光電特性曲線。由圖可見，亮度數(shù)據(jù)與實際亮度為非線性，正是由于LED的非線性光電特性，在數(shù)據(jù)為‘11111111’時的亮度并不是數(shù)據(jù)為‘00000001’時的255倍。為確保顯示圖像不失真，或者說為了得到一個較好的顯示效果，就必須對此非線性的曲線進行補償校正，使之近似于線性。即所謂的γ校正。從顯示效果講，γ校正可將圖像中的灰度區(qū)間加以擴展，使相鄰灰階之間的間隔拉開，從而使人眼本來察覺不到的信息差別可以被分辨出來。同時也可以減小亮度數(shù)據(jù)達到調節(jié)亮度的目的。圖4是對比度調節(jié)曲線，圖5是亮度調節(jié)曲線。

（1）對比度調節(jié)

對比度的調節(jié)可用如下算法實現(xiàn)：

Y=256（X÷256）r

其中，Y為輸出8 bit二進制亮度數(shù)據(jù)，X為輸入8 bit二進制亮度數(shù)據(jù)，γ為調節(jié)變量，γ的變化可改變圖4曲線的曲度，適當?shù)摩弥悼墒癸@示效果最佳。

（2）亮度調節(jié)

亮度的調節(jié)可用如下算法來實現(xiàn)：

Y=K×X

其中，Y為輸出8 bit二進制亮度數(shù)據(jù)，X為輸入8 bit二進制亮度數(shù)據(jù)，K為直線的斜率。

（3）對比度與亮度同時調節(jié)

對比度與亮度同時調節(jié)的算法如下：

Y=K（X÷256）r

其中，Y為輸出8 bit二進制亮度數(shù)據(jù)，X為輸入8 bit二進制亮度數(shù)據(jù)，K、γ為變量。當K與γ同時變化時，對比度與亮度能同時調節(jié)。由于LED顯示屏驅動電路是以最高亮度來設計的，因此在校正后，最高亮度只能降低，即γ≤256。

2.2.2 非線性視覺校正的實現(xiàn)

從前節(jié)的分析中不難發(fā)現(xiàn)，對比度與亮度的調節(jié)是以犧牲亮度和減少灰度級為代價的。尤其圖4所示的調節(jié)方法，亮度犧牲明顯較大。為保證顯示畫面仍有較高的亮度，KING2000采取了S曲線調節(jié)方法加以彌補和改善，以保證高亮度區(qū)的亮度犧牲較小，低亮度區(qū)的相鄰灰階間隔充分拉開。圖6是在非線性視覺校正卡上使用的S曲線J曲線校正。

非線性視覺校正卡采用3片超大規(guī)模可編程邏輯芯片M4-128N（CPLD），針對R、G、B三基色的256級灰度數(shù)據(jù)信息，對每種顏色均具有4檔校正深度，S曲線J曲線校正用硬件拔碼開關切換，迅速而方便，顯示效果直觀。經(jīng)實際運用后，LED圖像顯示質量有明顯提高。雖然一定程度上犧牲了亮度和灰度等級，但是在256級灰度的情況下，進行數(shù)據(jù)修正可確保有滿意的圖像質量。

2.3 LED視頻控制器

LED視頻控制器采用分單元掃描控制的方法，通過數(shù)據(jù)重組，增加數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ溃档蛿?shù)據(jù)的傳輸速度，從而成功地解決了高頻數(shù)字信號的長距離傳輸這一“瓶頸”問題。

2.3.1 分單元控制原理

LED視頻控制器一般以16行掃描線作為一個顯示控制單元區(qū)，將LED顯示屏劃分為若干單元區(qū)。來自視頻卡的一組VGA數(shù)字信號經(jīng)過數(shù)據(jù)重組和灰度變換，對應每個顯示單元區(qū)，產生一組所需的串行顯示數(shù)據(jù)和掃描控制時序，從而實現(xiàn)分單元掃描控制，如圖7。

圖7 LED視頻控制器分單元控制原理框圖

從視頻卡上取得的數(shù)字視頻信號按照LED顯示屏的分區(qū)結構寫入各單元區(qū)的SRAM（顯示緩沖存儲器）中，再由同步控制電路將各單元區(qū)的SRAM內容同時讀出。各單元區(qū)的SRAM在邏輯上是連續(xù)的，但在物理上是分離的，并且該SRAM必須設計為一個雙端口SRAM，一方面數(shù)字視頻信號可以根據(jù)行、場同步信號將相應單元區(qū)域的內容寫入，另一方面LED視頻控制器的同步控制電路產生的地址及讀控制信號又能將各SRAM中的內容同時讀出，經(jīng)灰度變換后送至數(shù)據(jù)傳輸接口。

2.3.2 分時顯示灰度變換

由于人的視覺特征，人眼對某亮點的感覺不僅與該點的亮度有關，還與該點被點亮的時間長短有關，因此發(fā)光管的亮度還可以通過控制二極管點亮的時間（占空比）來實現(xiàn)灰度層次。

為了讓LED顯示出256級灰度層次，可將顯示時間均分成256等份。對應于不同的數(shù)據(jù)，點亮的時間不同，高電平時對應的點亮時間長，平均亮度自然要大。由于人眼對亮度的感覺在一定程度下是一個積分效果，所以考慮到視覺因素的影響，數(shù)據(jù)為11111111時亮度并不是數(shù)據(jù)為00000001時的255倍，但可以肯定的是LED導通時間更長一些，發(fā)出的光平均強度一定更大些，而且將一段時間等分在電路中便于實現(xiàn)。

這里以VGA的800×600（24 bit真彩色）標準顯示模式為例，當掃描時鐘頻率選擇12 MHz時，LED顯示屏刷新頻率可達78 Hz。由此看出，來自視頻卡的一組VGA高頻數(shù)字信號（40 MHz），經(jīng)LED視頻控制器進行數(shù)據(jù)重組（分單元控制，灰度變換）后，將成為若干組12 MHz數(shù)字信號，使用常規(guī)的差分驅動電路和三類雙絞線，即可輕松傳輸至100 m以外的LED顯示屏。如果選擇高性能的差分驅動電路和五類雙絞線，傳輸距離可達數(shù)百米。

3 LED視頻顯示系統(tǒng)控制軟件功能

LED視頻顯示系統(tǒng)控制軟件主要功能有：

（1）多媒體集成環(huán)境；（2）多任務區(qū)域實時播放；（3）任務區(qū)域位置靈活設定、修改；（4）圖文、動畫與視頻疊加播放；（5）文本播放疊加背景圖片；（6）任務播放支持背景音樂；（7）超文本編輯器；（8）文本圖片瀏覽器；（9）支持3DS和AVI動畫；（10）定時播放和自動播放；（11）色度、飽和度、亮度和對比度軟件調節(jié)；（12）γ校正軟件調節(jié)。

4 結束語

LED視頻顯示系統(tǒng)控制組件采用超大規(guī)模可編程邏輯器件（FPGA），體積小巧，結構嚴密，性能穩(wěn)定。控制軟件采用全新的多任務窗口設計和多媒體集成環(huán)境，集信息的編輯制作和播放于一體，維護便捷，在鐵路旅客引導系統(tǒng)中得到了廣泛應用。LED視頻顯示系統(tǒng)與旅客電子引導系統(tǒng)應用軟件的配套，保證了LED顯示屏的卓越性能，對于促進鐵路服務行業(yè)的硬件設施水平進一步提高有著重要的意義。

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