基于單片LCoS的時(shí)序彩色顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)及色域特性影響因素的研究*

宋自力,湯勇明,吳 忠

(東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院,南京 210096)

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基于單片LCoS的時(shí)序彩色顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)及色域特性影響因素的研究*

宋自力,湯勇明*,吳 忠

(東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院,南京 210096)

設(shè)計(jì)了一套采用單片LCoS實(shí)現(xiàn)時(shí)序彩色FHD(全高清)視頻顯示系統(tǒng)。依據(jù)時(shí)序彩色實(shí)現(xiàn)原理,給出了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案,以及對(duì)數(shù)據(jù)流處理的方法。本文還重點(diǎn)討論了LCoS液晶響應(yīng)時(shí)間等對(duì)系統(tǒng)顯示色域特性的影響,并在本系統(tǒng)平臺(tái)進(jìn)行了測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,提升LCoS液晶響應(yīng)速度特性和優(yōu)選RGB三色光源是改進(jìn)的主要途徑。

時(shí)序彩色;液晶響應(yīng)時(shí)間;LCoS;FHD

隨著人們對(duì)視頻質(zhì)量的要求不斷提升,LCoS(Liquid Crystal on Silicon)顯示技術(shù)得到了迅速發(fā)展。LCoS采用一種三明治式結(jié)構(gòu),液晶材料被夾在一層作為公共電極的透明玻璃板和含有像素單元及其控制電路的硅基板之間。硅基板經(jīng)過化學(xué)拋光處理,非常光滑且不透光,光自透明玻璃板射入再從硅基板反射回來,從而實(shí)現(xiàn)更大的光輸出,提高了亮度。像素控制電路置于液晶背面的硅基板上,使得LCoS芯片可以利用已有的CMOS集成工藝進(jìn)行大量制備,而無需開發(fā)新的工藝,從而可以大大節(jié)約生產(chǎn)成本。目前,LCoS技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)相對(duì)成熟時(shí)期。市場(chǎng)上能看到的產(chǎn)品主要由高清大屏幕投影機(jī)、便攜式微型投影機(jī)和近眼顯示器等。

LCoS顯示技術(shù)實(shí)現(xiàn)彩色顯示主要有兩種方法。第1種方法是空間混色法,即采用三片LCoS面板,分別顯示視頻的紅、綠、藍(lán)分量,通過光學(xué)系統(tǒng)將3個(gè)分量進(jìn)行混合得到彩色圖像。這種方法系統(tǒng)較為復(fù)雜、成本高、體積大,而且對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的要求很高。第2種方法是采用時(shí)序彩色法,即將視頻紅、綠、藍(lán)分量輪流顯示在同一塊LCoS面板上,只要交替速度足夠快,就能利用人眼的視覺暫留效應(yīng)而實(shí)現(xiàn)彩色視覺。這種方法較容易實(shí)現(xiàn)高密度、大畫面顯示,在高像素密度顯示和微型顯示方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)[1-2]。

隨著人們對(duì)顯示質(zhì)量的要求提高,色域范圍指標(biāo)也格外重要。對(duì)于CRT和PDP來說,其采用的3種熒光粉所能達(dá)到的色度坐標(biāo)值就決定了其色域范圍。對(duì)于LCoS這種通過反射并結(jié)合人眼的視覺暫留效應(yīng)而實(shí)現(xiàn)彩色顯示的器件,影響其色域特性的因素在本文中進(jìn)行了研究。

本文給出了一種基于單片LCoS的時(shí)序彩色FHD視頻顯示系統(tǒng)的解決方案,并討論了LCoS液晶響應(yīng)時(shí)間等對(duì)系統(tǒng)顯示色域特性的影響。

1 實(shí)現(xiàn)原理

如圖1所示,將單個(gè)幀顯示周期分為R、G、B 3個(gè)單色子場(chǎng),每個(gè)子場(chǎng)分別向LCoS芯片寫入視頻的R、G、B分量。同時(shí)在液晶響應(yīng)之后,分別點(diǎn)亮對(duì)應(yīng)的三基色光源。可以看出,每個(gè)子場(chǎng)由數(shù)據(jù)加載、液晶響應(yīng)和三基色光照三部分組成[1]。

這是液晶工作在逐行掃描模式下的典型時(shí)序。如果LCoS芯片工作在幀刷新模式下,可同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)加載和光源光照,有效增加時(shí)間利用率,提高顯示亮度。

圖1 時(shí)序彩色實(shí)現(xiàn)典型時(shí)序安排示意圖

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)時(shí)序彩色要求驅(qū)動(dòng)電路的工作頻率較高,而且對(duì)時(shí)序信號(hào)的要求更加精確。同時(shí),輸入通用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字視頻信號(hào)格式與LCoS芯片要求輸入的視頻信號(hào)格式不同,這無疑給系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)提出了要求。

2.1 硬件設(shè)計(jì)[3-6]

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖如圖2所示,經(jīng)解碼后的DVI視頻數(shù)據(jù)經(jīng)過主控制器的組織、存儲(chǔ)處理后,輸送至數(shù)據(jù)處理模塊并產(chǎn)生LCoS所需的模擬數(shù)據(jù)信號(hào)。然后,將模擬數(shù)據(jù)信號(hào)與主控制器產(chǎn)生的LCoS時(shí)序信號(hào)一并輸送至LCoS芯片。在所對(duì)應(yīng)時(shí)序的三色LED配合下,完成原視頻圖像的再現(xiàn)。

圖2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖

目前流行的視頻接口有很多,本文選用DVI-D接口。具體硬件模塊實(shí)現(xiàn)功能如下:

(1)視頻解碼模塊[8]

該模塊主要功能是將DVI-D視頻信號(hào)解碼,得到所需的24 bit RGB視頻信號(hào)及幀同步、行同步等視頻控制信號(hào)。本設(shè)計(jì)選用SiIicon Image公司的DVI解碼芯片SiI161B,該芯片所達(dá)到的最大帶寬為165 MHz,滿足系統(tǒng)需求。

(2)主控制器

主控制器的主要功能是對(duì)解碼產(chǎn)生的24 bit RGB信號(hào)進(jìn)行處理,并將其存儲(chǔ)在外部存儲(chǔ)模塊中;對(duì)兩組外部存儲(chǔ)模塊實(shí)現(xiàn)乒乓操作控制,同時(shí)完成數(shù)據(jù)讀寫;將視頻數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)處理模塊,進(jìn)而配合所產(chǎn)生的LCoS時(shí)序信號(hào)傳輸至LCoS芯片,同時(shí)時(shí)序控制三基色光源完成彩色視頻的顯示。本設(shè)計(jì)選用ALTERA公司的FPGA芯片EP2C35F672作為主控制器核心,其內(nèi)部資源、電氣參數(shù)、引腳數(shù)目等符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

(3)存儲(chǔ)模塊

該模塊主要功能是配合主控制器實(shí)現(xiàn)乒乓操作,完成視頻數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與讀取。本設(shè)計(jì)選用SDRAM IS42S32200E作為存儲(chǔ)單元。IS42S32200E存儲(chǔ)容量為64 Mbit,32 bit 數(shù)據(jù)寬度,時(shí)鐘頻率最高可達(dá)200 MHz。一幀視頻的數(shù)據(jù)量為1 920×1 080×24=49 766 400 bit,約為50 Mbit。所以,選擇SDRAM IS42S32200E作為存儲(chǔ)單元是可行的。

(4)數(shù)據(jù)處理模塊

該模塊的主要功能是將數(shù)字視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為與LCoS芯片所匹配的模擬視頻信號(hào)。本文采用ADV7123芯片完成DA轉(zhuǎn)換,采用OPA3690芯片得到LCoS芯片所需的模擬視頻信號(hào)。ADV7123芯片可以達(dá)到330 Msample/s(MSPS)的數(shù)據(jù)吞吐量,輸入時(shí)鐘可以達(dá)到140 MHz,輸出時(shí)鐘可達(dá)到40 MHz,OPA3690芯片的工作時(shí)鐘可以達(dá)到220 MHz。由此可見,采用這兩個(gè)芯片完成數(shù)據(jù)的處理是可行的。

2.2 數(shù)據(jù)處理過程

根據(jù)時(shí)序彩色原理的要求,FPGA需要將經(jīng)視頻解碼產(chǎn)生的串行輸入RGB視頻數(shù)據(jù),按照3個(gè)單色子場(chǎng)依次進(jìn)行顯示。由于輸入視頻的時(shí)鐘頻率、SDRAM工作頻率以及LCoS芯片工作頻率是不同的,即對(duì)視頻流的處理是跨時(shí)鐘域的,因此應(yīng)在視頻解碼數(shù)據(jù)輸入與SDRAM數(shù)據(jù)的寫入、SDRAM數(shù)據(jù)的讀出與LCoS芯片數(shù)據(jù)輸入之間進(jìn)行數(shù)據(jù)緩存來克服跨時(shí)鐘域所帶來的問題。本文使用異步FIFO緩存視頻流數(shù)據(jù),兩組SDRAM進(jìn)行乒乓操作的方法進(jìn)行視頻流數(shù)據(jù)的處理方法。

外部SDRAM分為兩組,其位寬為32 bit,每組SDRAM分為3個(gè)存儲(chǔ)區(qū)用來分別存儲(chǔ)RGB數(shù)據(jù),所以需要將并行輸入的24 bit RGB數(shù)據(jù)分別轉(zhuǎn)換為32 bit單色數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。每個(gè)像素的RGB單色數(shù)據(jù)為8 bit,則需要對(duì)連續(xù)4個(gè)像素的單色數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存合并為32 bit后,送入異步FIFO進(jìn)而存入SDRAM相應(yīng)的存儲(chǔ)區(qū)域。

如圖3所示,完成該數(shù)據(jù)處理采用的方法是:前4個(gè)時(shí)鐘將前4個(gè)像素的單色數(shù)據(jù)分別緩存入3個(gè)32 bit移位寄存器。第5個(gè)時(shí)鐘將3個(gè)移位寄存器中的數(shù)據(jù)并行寫入位寬為96 bit的異步FIFO進(jìn)行緩存,同時(shí)向移位寄存器存入第5個(gè)像素的單色數(shù)據(jù)。根據(jù)時(shí)序要求,等待異步FIFO內(nèi)的數(shù)據(jù)量到達(dá)一定程度時(shí),將各單色數(shù)據(jù)讀出FIFO并存入SDRAM相應(yīng)存儲(chǔ)區(qū)域。

圖3 數(shù)據(jù)處理過程示意圖

利用上述同樣的方法可實(shí)現(xiàn)SDRAM數(shù)據(jù)的讀出及LCoS芯片數(shù)據(jù)的寫入。

在使用異步FIFO進(jìn)行數(shù)據(jù)緩存的過程中應(yīng)著重注意避免出現(xiàn)“讀空”或者“寫滿”這兩種狀態(tài)。否則,視頻流數(shù)據(jù)將會(huì)紊亂或者丟失。處理方案是根據(jù)視頻解碼出的時(shí)鐘頻率、SDRAM工作頻率及LCoS工作時(shí)鐘信號(hào),準(zhǔn)確計(jì)算出足夠的FIFO深度,以保證視頻流的連續(xù)性與完整性。

3 液晶響應(yīng)時(shí)間對(duì)系統(tǒng)的影響

根據(jù)之前時(shí)序彩色實(shí)現(xiàn)原理的介紹可知,單個(gè)幀周期分為RGB 3個(gè)子場(chǎng),每個(gè)子場(chǎng)由數(shù)據(jù)加載、液晶響應(yīng)和三基色光照三部分組成。由于時(shí)序彩色顯示中相鄰子場(chǎng)的圖像是同一幅彩色圖像的RGB分量,其差異較大,因此在任一子場(chǎng)中必須清除上一子場(chǎng)的所有信息,否則圖像色彩將出現(xiàn)嚴(yán)重偏差。因此,LCoS器件的液晶響應(yīng)時(shí)間指標(biāo)就成為影響系統(tǒng)顯示效果的關(guān)鍵因素。

首先我們討論最基本的問題,即在時(shí)序彩色實(shí)現(xiàn)方式下進(jìn)行RGB單色顯示性能測(cè)試,這直接影響到系統(tǒng)顯示的色域特性。

如圖4所示,根據(jù)上文中提出的硬件模塊實(shí)現(xiàn)方案,我們搭建出一套采用單片LCoS實(shí)現(xiàn)時(shí)序彩色視頻顯示的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

圖4 LCoS時(shí)序彩色顯示控制驗(yàn)證平臺(tái)

針對(duì)本設(shè)計(jì)所使用的某款LCoS面板,其液晶由全亮到全黑的響應(yīng)時(shí)間為9 ms～12 ms。在不同的幀周期下,我們分別進(jìn)行了R、G、B 3種單色圖像色度坐標(biāo)值的測(cè)量,所采用的方法步驟是:

(1)根據(jù)時(shí)序彩色原理,由FPGA內(nèi)部產(chǎn)生RGB 3個(gè)子場(chǎng),單個(gè)幀周期為8.33 ms;

(2)向R子場(chǎng)寫入8 bit 255級(jí)灰度數(shù)據(jù),向G、B子場(chǎng)寫入8 bit 0級(jí)灰度數(shù)據(jù);

(3)同時(shí)在每個(gè)子場(chǎng)的液晶響應(yīng)之后,按照寫入RGB數(shù)據(jù)的順序依次點(diǎn)亮RGB光源;

(4)用色度計(jì)CS-200測(cè)量所顯示的紅色單色圖像的色度坐標(biāo)值;

(5)依照步驟(2)～步驟(4),向G子場(chǎng)寫入255級(jí)灰度數(shù)據(jù),向R、B子場(chǎng)寫入0級(jí)灰度數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)綠色單色圖像的顯示,測(cè)得其色度坐標(biāo)值。

(6)依照步驟(2)～步驟(4),向B子場(chǎng)寫入255級(jí)灰度數(shù)據(jù),向R、G子場(chǎng)寫入0級(jí)灰度數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)藍(lán)色單色圖像的顯示,測(cè)得其色度坐標(biāo)值。

(7)返回步驟(1)將幀周期依次改為9 ms、10 ms、12.5 ms和16.67 ms,按照步驟依次分別測(cè)量不同幀周期下的3種單色圖像的色度坐標(biāo)值。

依照以上測(cè)試方法測(cè)得的數(shù)據(jù)(取顯示中心點(diǎn)的色度坐標(biāo)值)如表1所示。

表1 不同幀周期下色度極值點(diǎn)坐標(biāo)測(cè)量結(jié)果

從表1中可以看出,當(dāng)幀周期為8.33 ms,小于液晶由全亮至全黑的響應(yīng)時(shí)間時(shí),系統(tǒng)所呈現(xiàn)的色域范圍已非常小。三色光源的色度坐標(biāo)值以及幀周期分別為9 ms、10 ms、12.5 ms和16.67 ms時(shí)色度極值點(diǎn)坐標(biāo)值,在CIExy色度圖中的對(duì)比如圖5所示。

圖5 不同幀周期下系統(tǒng)色域范圍示意圖

可以看出,針對(duì)這款LCoS面板,隨著幀周期的變短,系統(tǒng)顯示色域范圍也將變小。由于該LCoS面板液晶由全亮至全黑的響應(yīng)時(shí)間為9 ms～12 ms,且為行刷新模式,因此當(dāng)進(jìn)入顯示255級(jí)灰度的子場(chǎng)的下一子場(chǎng)時(shí),如果液晶沒有足夠的時(shí)間切換至關(guān)閉狀態(tài),下一子場(chǎng)的一段時(shí)間內(nèi)液晶將仍部分處于偏轉(zhuǎn)狀態(tài),導(dǎo)致圖像出現(xiàn)拖影現(xiàn)象整個(gè)視頻顯示效果出現(xiàn)偏色。同時(shí),由于每個(gè)子場(chǎng)中摻入了上一子場(chǎng)的色彩,使得色度極值點(diǎn)坐標(biāo)向上一子場(chǎng)顏色坐標(biāo)的方向偏轉(zhuǎn),構(gòu)成的色域三角形在縮小的同時(shí)發(fā)生扭轉(zhuǎn)。由此可見,液晶響應(yīng)時(shí)間對(duì)系統(tǒng)顯示起著關(guān)鍵影響。

對(duì)于常規(guī)的60 Hz彩色視頻信號(hào)幀頻而言,按照時(shí)序彩色原理,每個(gè)子場(chǎng)的顯示時(shí)間應(yīng)為5.56 ms,所以LCoS液晶響應(yīng)時(shí)間需在3 ms以內(nèi)才能實(shí)現(xiàn)時(shí)序彩色的顯示。在同樣的幀頻下,液晶響應(yīng)時(shí)間越慢,則系統(tǒng)所呈現(xiàn)的色域范圍越小,而且所顯示的視頻圖像與視頻源偏差越大。同時(shí),每個(gè)子場(chǎng)中光照時(shí)間也將縮短,使得視頻圖像亮度降低。當(dāng)LCoS液晶響應(yīng)時(shí)間比較慢時(shí),若想得到色純比較好的單色圖像,必須延長(zhǎng)每一子場(chǎng)的時(shí)間,這樣勢(shì)必會(huì)降低幀頻,而使得人眼觀看視頻圖像時(shí)感到強(qiáng)烈的閃爍感。

綜上所述,時(shí)序彩色LCoS視頻顯示系統(tǒng)對(duì)于LCoS器件液晶響應(yīng)時(shí)間的要求是比較嚴(yán)格的。另外,顯示系統(tǒng)所使用的RGB三色光源直接決定了顯示色域范圍的大小。因此,只有提升LCoS液晶響應(yīng)速度特性,優(yōu)選RGB三色光源,才能更有效的改善系統(tǒng)顯示色域特性,進(jìn)而更真實(shí)的還原視頻圖像。

4 結(jié)語

本文介紹了基于單片LCoS實(shí)現(xiàn)時(shí)序彩色全高清視頻顯示的原理和系統(tǒng)設(shè)計(jì)解決方案,重點(diǎn)討論了LCoS液晶響應(yīng)時(shí)間及RGB三色光源對(duì)系統(tǒng)顯示色域特性的影響,并搭建了硬件平臺(tái)進(jìn)行了驗(yàn)證。對(duì)于基于單片LCoS時(shí)序彩色顯示系統(tǒng),液晶響應(yīng)時(shí)間對(duì)系統(tǒng)顯示色域特性有著非常關(guān)鍵的影響。液晶響應(yīng)速度較慢時(shí),系統(tǒng)顯示色域范圍將變小,而且所顯示的視頻圖像與視頻源會(huì)有較大偏差。對(duì)于常規(guī)的60 Hz彩色視頻源而言,LCoS液晶響應(yīng)時(shí)間只有在3 ms以內(nèi)才能實(shí)現(xiàn)時(shí)序彩色的顯示。所以,只有提升LCoS響應(yīng)速度特性以及優(yōu)選RGB三色光源,才能從根本上改善系統(tǒng)顯示色域特性,獲得更好的顯示效果。

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湯勇明(1973-),男,漢族,江蘇省江都市人,東南大學(xué)研究員,主要研究方向?yàn)殡娮与娐吩O(shè)計(jì),tym@seu.edu.cn。

StudyonColor-SequentialDisplaySystemBasedonSingleLCoSandtheInfluenceFactorsonColorGamutCharacteristics*

SONGZili,TANGYongming*,WUZhong

(School of Electronic Science and Engineering,Southeast University,Nanjing 210096,China)

A color-sequential display system is presented based on single LCoS with FHD resolution. According to the principle of color sequential,the design scheme of hardware and the data processing are presented. The effect of LC response time on the system display color gamut is also discussed. And we built the hardware platform to demonstrate this effect. Experiment results show that the main solution to improve the system display quality is to improve the LC response speed characteristics and to select perfect RGB light source.

Sequential Color;LC Response Time;LCoS;FHD

項(xiàng)目來源:國家“973”項(xiàng)目二級(jí)子課題項(xiàng)目(2010CB327705)

2013-10-31修改日期:2013-11-13

TN873

:A

:1005-9490(2014)06-1107-04

10.3969/j.issn.1005-9490.2014.06.020