一種超高清激光電視系統(tǒng)的設(shè)計方案

李堅 徐遙令 張曼華

摘要：提出一種超高清激光電視系統(tǒng)的設(shè)計方案，詳細(xì)闡述了方案的設(shè)計原理。系統(tǒng)TV SoC模塊將電視信號處理成像素為4M*2N@fa/J超高清圖像信號，圖像處理模塊對超高清圖像信號進(jìn)行采樣、分割和倍頻處理后得到2路√2 M*√2N@2f的高清圖像信號，DMD驅(qū)動模塊對2路高清圖像信號進(jìn)行合并處理得到2√2 M*√2N@2f圖像信號來驅(qū)動DMD芯片，DMD芯片投射出分辨率為2√2M*√2N的圖像光；采用振鏡使DMD投射的相鄰幀圖像光位置微移，從而顯示出4M*2N@f的合成畫面。該方案可以快速應(yīng)用于超高清激光電視產(chǎn)品，具有廣泛應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：超高清；激光電視；DMD；合成畫面

0 引言

激光顯示具有色域覆蓋率大、顏色飽和度高、功耗低、顯示畫面尺寸可變等特點，被認(rèn)為是最具有發(fā)展前景的顯示技術(shù)之一[1-2]；與液晶、OLED等技術(shù)相比，激光電視還能以更低的成本實現(xiàn)超大尺寸畫面：目前激光顯示包括DLP、LCOS和LCD，而DLP（數(shù)字光處理）顯示能更好地保持顏色不失真、環(huán)保，應(yīng)用廣泛[3-4]。超高清激光電視具有更大屏幕、超高分辨率、逼真色彩等，能為消費者提供更健康良好的家庭視聽體驗，吸引了創(chuàng)維和海信等傳統(tǒng)電視廠商、小米等新興互聯(lián)網(wǎng)公司、極米創(chuàng)業(yè)型公司的參與。目前采用DLP技術(shù)的超高清激光電視處于前期研究階段，包括超高清成像芯片、DMD（數(shù)字微鏡裝置）、光學(xué)引擎等并未成熟，方案非常少。

本文設(shè)計出一種超高清激光電視系統(tǒng)方案：系統(tǒng)首先將電視信號處理成像素為4M*2N@f的超高清圖像信號，并進(jìn)行采樣、分割和倍頻處理后得到2路√2M*√2N@2伯勺高清圖像信號：然后利用2個高清驅(qū)動器對2路高清圖像信號處理后合并為2√2 M*√2N@2f圖像信號驅(qū)動DMD芯片，DMD芯片投射出分辨率為2√2M*√2N的圖像光；最后采用振鏡使DMD投射的相鄰幀圖像光位置微移、從而顯示出4M*2N@f的合成畫面。

1 系統(tǒng)原理

超高清激光電視系統(tǒng)原理框圖如圖1所示，包括超高清圖像幀生成、超高清圖像幀轉(zhuǎn)換、激光超高清顯示三個部分組成。

超高清激光電視系統(tǒng)工作原理為：

1）超高清圖像幀生成部分（即TV SoC模塊），包括信號接口和解碼及圖像處理模塊，將電視信號處理成像素為4M*2 N@f的超高清圖像信號。具體為：

信號接口模塊接收射頻、HDMI、USB、網(wǎng)絡(luò)等電視信號。信號解碼及圖像處理模塊對電視信號進(jìn)行解碼及色域轉(zhuǎn)換、伽瑪校正、降噪等圖像處理，然后進(jìn)行像素分辨率轉(zhuǎn)換及幀頻轉(zhuǎn)換，將接收到的電視信號轉(zhuǎn)換成超高清幀圖像Xi，形成超高清圖像幀序列X{Xl、X2、…、Xi、…、Xf），幀頻為f，如圖2所示。幀圖像Xi的像素矩陣為4M*2N、像素為Xi（u*v）；其中i為1、2、…、f，u為1、2、…、4M，v為1、、2、…、2N。

2）超高清圖像幀轉(zhuǎn)換部分（即圖像處理模塊）包括第一子圖像幀和第二子圖像幀生成模塊，對超高清圖像信號進(jìn)行采樣、分割和倍頻處理后，得到2路√2M*√2N@2f的高清圖像信號。具體為：

第一子圖像幀生成模塊接收到超高清幀圖像Xi后，對其進(jìn)行水平和垂直采樣，得到第一子幀圖像XFi、XFi像素矩陣為2√2M*√2N，像素為XFi（e*g），其中e為1、2、…、2√2M，9為1、、2、…、√2N。移除超高清幀圖像Xi的上述像素Xi（u*v），將剩余像素進(jìn)行重新排列組合，形成第一子幀圖像XBi，XFi的像素矩陣也為2√2M*√2N，像素為XBi（p*q）。其中，p為1、2、…、M，q為1、、2、…、√2N。將XFi和XBi按順序排列組成序列幀，形成第一子圖像幀序列XFB{XF1、XB1、XF2、XB2、…、XFi、XBi、…、XFf、XBf），幀頻為2f，如圖2所示。

第二子圖像幀生成模塊接收到第一子幀圖像XFi和XBi后，對其進(jìn)行垂直圖像分割，得到第二子幀圖像（XFLi，XFRi）和（XBLi，XB Ri） ，XF Li和X F Ri分別為第一子幀圖像XFi的左半像素和右半像素，XB Li和XBRi分別為第一子幀圖像XBi的左半像素和右半像素，XFLi和XFRi、XBLi和XBRi的像素矩陣為√2M*√2N；將第二子幀圖像（XFLi，XFRi）和（XBLi，XBRi）按順序排列成序列幀，形成第二子圖像幀序列XFBLR{ （XFL1，XFRl）、 （XBL1，XBRl）、（XFL2，XFR2）、（XBL2，XBR2）、…、（XFLi，XFRi）、 （XBLi，XBRi）、…、 （XFLf，XFRf）、（XB Lf，XBRf）），幀頻為2f，如圖2所示。將第二子幀圖像（XFLi，XFRi）和（XBLi，XBRi）依次送至DMD驅(qū)動器，其中，XFLi（或XBLi）送至DMD驅(qū)動器A，XFRi（或XBRi）送至DMD驅(qū)動器B。

3）激光超高清顯示部分包括DMD驅(qū)動模塊、激光及光學(xué)處理模塊、DMD芯片、菱鏡、振鏡、鏡頭及顯示屏幕。利用2個高清DMD驅(qū)動器A和B分別對第二子幀圖像的2路高清圖像信號處理后合并為2√2M*√2N@2f圖像信號驅(qū)動DMD芯片，DMD芯片投射出分辨率為2√2M*√2N的圖像光；最后采用振鏡使DMD投射的相鄰幀圖像光位置微移，從而顯示出4M*2N@f的合成畫面。具體為：

DMD驅(qū)動器A和驅(qū)動器B先分別對XFLi和XFRi同時進(jìn)行處理，輸出合并圖像信號COL_S為COL_S_F以及振鏡同步信號SF_SYN為高電平；然后DMD驅(qū)動器A和驅(qū)動器B分別對XBLi和XBRi同時進(jìn)行處理，輸出合并圖像信號COL_S和COL_S_B以及振鏡同步信號SF_SYN為低電平；如圖2所示。在輸出COL_S信號的同時輸出色輪控制信號CW_CTR。

CW_CTR信號控制激光及光學(xué)處理模塊將顏色光依次照射至DMD芯片上的微鏡陣列；DMD芯片依據(jù)圖像信號COL_S_F來打開或關(guān)閉微鏡陣列上圖像信號像素對應(yīng)的微鏡、將圖像信號轉(zhuǎn)換為圖像光，SF_SYN為高電平，振鏡為第一位置，圖像光經(jīng)過分光/合光棱鏡、振鏡、鏡頭后，將圖像光投射至顯示屏幕呈現(xiàn)第一圖像，如圖2所示。呈現(xiàn)的第一圖像對應(yīng)的是第二子幀圖像（XFLi，XFRi）或第一子幀圖像XFi，顯示了超高清幀圖像Xi的一半像素內(nèi)容，分辨率為2√2M*√2N。緊接著DMD芯片依據(jù)圖像信號COL_S_B來打開或關(guān)閉微鏡陣列上圖像信號像素對應(yīng)的微鏡，將圖像信號轉(zhuǎn)換為圖像光，SF_SYN為低電平，振鏡為第二位置，圖像光經(jīng)過分光/合光棱鏡、振鏡、鏡頭后，將圖像光投射至顯示屏幕呈現(xiàn)第二圖像，如圖2所示。同樣，呈現(xiàn)的第二圖像對應(yīng)的是第二子幀圖像（XBLi，XBRi）或第一子幀圖像XBi，顯示了超高清幀圖像Xi的另一半像素內(nèi)容，分辨率也為2√2M*√2N。

呈現(xiàn)的第一圖像和第二圖像在屏幕上處于對角交錯的位置，如圖2所示。屏幕形成的第一和第二圖像依次進(jìn)入人眼，由于人眼視覺暫留、呈現(xiàn)為分辨率為4M*2N、頻率為f的合成畫面。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

實現(xiàn)的超高清激光電視系統(tǒng)框圖如圖3所示，由4K SoC、圖像/格式轉(zhuǎn)換、4K DMD驅(qū)動、DMD芯片、色輪激光光學(xué)處理、激光模組等組成；系統(tǒng)中M*N為3840*2160（即4K*2K）。

4K SoC模塊對音視頻電視信號進(jìn)行解碼、音視頻分離等處理，輸出4K*2K@60Hz VBO圖像信號，以無線的方式將音頻信號送至無線音箱：及發(fā)出控制信號或接收檢測信號控制電源及激光驅(qū)動模組等。圖像/格式轉(zhuǎn)換模塊對VBO圖像信號進(jìn)行采樣、分割和倍頻等處理，輸出2路1358*1528@120Hz LVDS信號給DMD驅(qū)動模塊。4K DMD驅(qū)動模塊由2個高清驅(qū)動器組成，接收2路LVDS信號后、將其合并轉(zhuǎn)換成2716*1528@120Hz的TTL電平圖像信號驅(qū)動DMD芯片：及發(fā)出控制信號或接收檢測信號，控制DMD芯片、色輪、激光驅(qū)動模塊等。色輪快速旋轉(zhuǎn)、及藍(lán)色光激發(fā)色輪產(chǎn)生紅綠等多色光，各種顏色光依次投射至DMD，DMD在TTL圖像信號控制下快速偏轉(zhuǎn)、形成圖像光通過鏡頭投射出后呈現(xiàn)為分辨率為2716*1528的圖像。振鏡以120 Hz振動、控制圖像光微移，使得2個2716*1528的呈現(xiàn)在交錯的位置，呈現(xiàn)分辨率為3840*2160的合成畫面。

系統(tǒng)中電源模塊將交流電轉(zhuǎn)換成12 V、24 V直流電，為整個系統(tǒng)供電；驅(qū)動模塊驅(qū)動激光模組發(fā)出藍(lán)色激光、經(jīng)擴散、聚焦等光學(xué)處理后將藍(lán)色激光投射至色輪，激發(fā)色輪彩色各色光。

3 結(jié)論

本文提出一種超高清激光電視系統(tǒng)的設(shè)計方案，通過對超高清信號進(jìn)行采樣、分割、倍頻等處理后得到高清信號，利用高清DMD驅(qū)動器、DMD器件等將高清信號轉(zhuǎn)化為圖像光：及利用振鏡控制2個圖像光的投射位置，使其交錯呈現(xiàn)出合成的超高清顯示畫面。該方案已應(yīng)用于創(chuàng)維超高清激光電視，效果良好；能夠快速應(yīng)用于超高清激光顯示產(chǎn)品，具有廣泛應(yīng)用價值。

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