（光学工程专业论文）基于usb总线的lcos数码彩扩冲印系统研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 硅基液晶( l c o s ：l i q u i dc r y s t a lo ns i l i c o n ) 数码彩扩冲印系统是一种采用l c o s ( 硅 基液晶) 代替银盐胶片实现进行数码影像冲印的系统。具有图像亮度高、清晰度好、色 彩鲜艳、安装简单、使用安全、操作方便等优点。 本文提出了一种利用通用串行总线( u s b ：u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 传输视频数据 的l c o s 数码彩扩驱动显示设计方案。采用专用u s b 芯片实现高速数据传输，以复杂可编 程逻辑器件c p l d 及s r a m 实现视频数据的缓存，并出c p l d 产生扩展图形h 歹j j x c a 信号驱动 后端的l c o s 控制芯片。本课题完成了数码彩扩冲印硬件电路系统的设计与调试，以及相 应控制软件的编写与调试；同时同时完成了相应的计算机控制软件，实现了系统的软硬 件i 州司工作，并最终冲印获得了理想的彩扩照片。 本论文共分为四大部分。第一部分为第一、二两章，主要介绍了数码冲印技术的发 展现状和l c o s 数码彩扩冲印的技术原理。第二部分为第三、四两章，提出了系统整体设 计方案，并对系统设计环境进行了简要的介绍。第三部分为第五、i 章，具体介绍了系 统的硬什及软件设计。第七章为最后一部分，对实验结果进行了性能分析，并对整个课 题进行了总结与展望。 关键刊：数码彩扩冲印系统，硅基液晶( l c o s ) ，通用串行总线( u s b ) ，复杂可编程 逻辑芯片( c p l d ) ，静态存储器( s r a m ) 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t l c o s ( l i q u i dc r y s t a lo ns i l i c o n ) d i g i t a lc o l o rp h o t o f i n i s h i n gi sab r a n di l e wt e c h n o l o g y w h i c hh s e sl c o sd i s p l a yc h i pw i t ht h ed i g i t a lp r o c e s s i n ga n dc o n t r o l l i n gf u n c t i o no fp ct o r e a l i z en o n f i l ma n dt o t a ld i g i t a l i z e dc o l o rp i c t u r e s i th a st h ea d v a n t a g e so fp u r ec o l o r r e p r o d u c t i o n s ，e a s i l yu s i n g ，s o o t hg r a d a t i o n s ，e t c t h i sp a p e rm a i n l yi n t r o d u c e dan e ws o l u t i o n o ft h eo u t p u tc o n t r o ls y s t e mf o rl c o s p h o t o f i n i s h i n gb a s e d0 nu s bt r a n s f e r ac p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) w a s u s e dt oc o n t r o lt h es r a ma n dt og e n e r a t et h ex g a ( e x t e n d e dg r a p h i c sa r r a y ) s i g n a l t h i sp a p e rc o u l db ed i v i d e di n t of o u rp a r t s t h ef i r s tp a r ti n c l u d e st h ef i r s tc h a p t e ra n d t h es e c o n dc h a p t e r , w h i c hi n t r o d u c e dt h ep r i n c i p l e sa n dt h em a i na p p l i c a t i o no fl c o sd i g i t a l p h o t o f i n i s h i n gs y s t e m t h et h i r dc h a p t e ra n d f o u r t hc h a p t e ra r ef o c u s e do i lt h es o l u t i o no ft h e o u t p u tc o n t r o ls y s t e m ，w h i c ha r et h es e c o n dp a r t w ei n t r o d u c e dt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e d e s i g ni nt h et h i r dp a r t ，w h i c hi n c l u d e st h ef i f t hc h a p t e ra n ds i x t hc h a p t e r t h el a s tp a r ti st h e s e v e n t hc h a p t e r , a n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r ei nt h i sp a r t k e yw o r d ：d i g i t a lc o l o rp h o t o f i n i s h i n gs y s t e m ， u n i v e r s a ls e r i a lb u s ，c o m p l e x p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ，s t a t i cr a m i i 浙江大学硕士学位论文 第一章引言 1 1 引言 随着计算机和信息时代的到来，数字化技术已经越来越深入到了科学研究和人们生 活的每一方面，各行各业对各聃数字图像的应用需求也越来越多，传统的底片冲印机已 经小能满足人们同益发展的需要。我# f t 女h 道，传统冲印机是将留在底片上的影像在像纸 上进行曝光，再经过显影、定影、漂洗、烘干后得到相片，曝光前影像不经过任何处理， 相片仪仅是对底片影像的简单物理还原。然而各种数码相机、数字图像采集设备以及数 字多媒体等设备的出现，需要对各种数字图像进行输出并使其具有高清晰度、高饱和度 和高质量的色彩还原，并且要求最终输出前可以在计算机中对图像进行一系列的人为处 理，如色调校正、平滑、锐化、颗粒控制、去噪声等等，使输出结果更加理想。传统冲 _ 机是无法胜任以上功能的。 随着计算机和数码相机等数码产品的普及，数码彩扩机发展势头强劲，数码彩扩机 逐渐占据市场的主导地位，成为市场新的商机。如果说彩扩机的出现，引发了近代摄影 史上的第一场革命“彩色革命”的话，那么近年束数码相机的出现，币在促成近代 撮影史上的第二场革命“数码革命”。 1 2 数码彩扩系统概述 所谮数码彩扩，指用数码手段，在化学相纸上曝光成像的设备和技术。一般来蜕， 数码冲印包括以下几个步骤：数据采集、数据处理、数码曝光、冲纸。其中，数据采集 指通过高精度快速扫描仪将传统底片的图像数字化或直接读取数码图像文件；数据处理 一般是一台运行图像处理软件的强大的计算机系统：冲纸设备和传统彩扩设备所采用的 冲纸系统没有什么差别。数码冲印是一种理想的图像重现硬拷贝输出方式，其优点可归 纳垂f ： ( i ) 解决了数码相机无底片问题： ( 2 ) “所见即所得”( w h a ty o us e ei sw h a t y o ug e t ) ：数码冲印的最终效果可 以预先在显示终端上得到，从而可以进行个性化设汁，控制和改进最终输出的效果。 浙江大学硕士学位论文 ( 3 ) 由感光材料特性决定了其良好的图像色彩还原性，图像的色彩保持力强，远 高j 二除印刷以外的其他方式。 ( 4 ) 价格便宜，尤其对于小批量业务。 ( 5 ) 数码相机可随拍随洗，不像传统相机那样，直到照完一卷后才能送去冲洗， 同时冲洗速度也优于传统冲洗。 ( 6 ) 将数码冲印系统与网络结合，并通过网络进行图像的存储和交换，可以实现 网e 冲印服务。 目f j i 数码冲印机的成像系统主要有4 种方式：c r t ( c a t h o d e r a yt u b e ) 、l a s e r 、l c d ( l i q u i d c r y s t a l d i s p l a y ) j f i ：i l c o s 。如图l l 所示。1 1 传统曝光 c r i 曝光 l a s e r 曝光 i c o s 曝光 卜囟 e 相 数 弋嚣 楣 冲洗 字 y 片 图 一嚣 纸像 图1 1 ：数码冲印成像方式 c r t 也就是我们常说的阴极射线管( 显示器) ，这是最早出现的数码彩扩机的一种曝 光方式。数字信号的图象经过反相后通过显示屏幕曝光在普通彩色相纸上，然后利用传 统工艺将照片冲印出来。c r t 曝光方式能以相对较低的成本实现数码照片的冲印。缺陷 是像素数量还不够高，不能加工大尺寸的数码照片，与现在市场上高端的数码相机不配 套，属于淘汰机种。 激光( l a s e r ) 数码冲印设备是由激光数码成像技术与传统影像冲印技术整合而成 的。激光数码冲印原理是通过红、绿、蓝三色激光管将数字图象信号转化为红、绿、蓝 浙江大学硕士学位论文 三色光对相纸进行曝光，曝光方式为串行曝光，输出尺寸大小灵活。激光冲印设备的缺 点是售价过高，价位都在1 0 0 ) j 人民币以上，同时目前设备上主要部件激光头的寿命也 小是太高。2 1 l c d 数码冲印设备是由传统冲印机( 带数码接口) 和l c d 数码控制平台组合而成。 曝光方式是利用液晶板背后穿透的光源使传统相纸曝光，加工成数码照片，其 _ 作原理 与我们所用的数字投影仪相同。由于该类数码冲印机的l c d 数码成像系统和传统冲印机 十日对独立，因此传统冲印升级为数码冲印设备的技术较易实现。但其缺点是光源利用效 率小高，且l c d 开口率较低。 l c d 曝光法出现不长时间就迅速的被l c o s 器件曝光所代替，它采用l c o s ( 硅基液晶) 代替银盐胶片进行数码影像的冲印。同l c d 数码冲印相同，l c o s 数码转换器也可以方便 的附加在传统彩扩机上，成为一个数码电子底片央，与传统底片夹替换，使传统彩扩机 直接成为既能扩印传统底片又能扩印数码照片的两用设备。目前l c o s 数码冲印设备的 罔内最大生产厂商是浙江金成科技公司。 l c o s 数码冲印影像系统的优点主要如下： ( 1 )图像亮度高：不同于l c d 的背光源透射式曝光，l c o s 采用反射式照明系统， 使得图像亮度更好，光源利用率更高。 ( 2 ) 色彩鲜艳，清晰度高：采用l c o s 芯片和l e d 冷光源结合，进行红、绿、蓝 三原色曝光，因此冲印出的照片色彩更加鲜艳。同时l c o s 技术更加容易实现高清晰度 显示。 ( 3 )安装简单，使用安全，操作方便，l c o s 数码转换器可方便的附加在传统彩 扩机上，应用十分方便简单。 ( 4 ) 体积小，便于设备的携带、转移与使用：l c o s 是一种将液晶显示在c m o s 笨板上实现的技术，因此成像系统体积很小。 ( 5 ) 出片率高，价格低廉，完全适合市场需求。 由于上述优点，数码冲印逐渐成为影像冲印业务的主流，而l c o s 数码冲印技术则 是其中发展最快的技术之一。然而人们的需求目益增长，影像清晰度的提高使得所需处 理的信息量往往十分庞大，这对现有的数码冲印系统的数据传输能力和冲印速度提出了 3 浙江大学硕士学位论义 更高的要求，图像通信和冲印性能的矛盾日益突出。如何稳定高速地传输图像数据，并 日兼顾到整个系统的成本和易用性，一直是数码冲印机必须解决的主要问题。通用串行 总线( i j n i v e r s a ls e r i a lb u s ，u s b ) 技术的出现为数据的高速传输和外设的连接提供了一个 很好的解决方案。 u s b 是用于低速到高速的p c 外围设备与计算机进行连接的新型接口，具目的是简 化i 算枫外围设备的连接过程，对计算机结构进行低成本工业标准的扩震。1 9 9 8 年l l 尸j j s b 标准规范更新到重要的1 1 版，支持低速( 1 5m b i t s e c ) 和全速( 1 2m b i t s e c ) 7 5 式。 而阿莳最新的u s b 2 0 版本于2 0 0 0 年4 月发布，相比原先的1 1 作出如一卜改进： 4 8 0m b i t s e c 的传输速率，相比u s b l 1 的1 2m b i t s e c 提高了4 0 倍。 完全向下兼容u s b i 1 设备和电缆。 新的集线器结构，能为u s b l 1 设备提供多个1 2m b i t s e c 的接口。 由于具有高速传输、即插即用、低成本、性能司靠等一系列优点，使得u s b 得到 r 广泛的应用并迅速得到普及。利用u s b 系统来实现p c 主机与数码彩扩冲印机之问的 数捌传输，即可以有效解决传输瓶颈，又易于降低产品成本，今后必将成为主要的传输 接厂i 。 1 。3 本论文的主要研究内容及意义 本论文主要论述了我们设计的一种新式l c o s 数码彩扩驱动显示系统，分析了设计 过程和实验结果，论文包括的内容有： ( 1 ) 论文介绍了l c o s 显示技术的原理及其在数码冲印领域鹃应躅，并针对l c o s 数 q 彩扩系统要达到的性能要求，确定了系统的结构方案，对其中的控制系统和数据传 输系统进行了器件选择和总体设计。 ( 2 ) 完成了系统的硬件电路设计。其中主控制电路，主要是使用c p l d f p g a 实现复杂逻辑功能，完成对系统其他部件的控制；使用u s b2 0 作为图像数据从上位机 传输的数据传输按口：通过s r a m 对图像数据进行缓存；并由c p l d 设计产生x g a 视 频信号输出到l c o s 专用控制芯片，实现l c o s 的数码曝光功能。 ( 3 ) 对硬件电路进行了相应调试及测量，包括e m c ( 电磁兼容性) 测试、防静 4 浙江大学倾j j 学位论文 电测试、信号完整性测试等等。 ( 4 ) 编程实现c p l d 控制功能和u s b 传输功能。 本设计采用u s b 总线实现下载视频数据，并由c p l d 实现缓存控制和显示驱动， 构成了完整的l c o s 数码彩扩打印驱动器，其中采用u s b 2 0 总线接口进行数据传输和 采用c p l d 实现系统的控制是本设计的主要创新点，也是本论文所要重点介绍和分析的 部分。本设计的主要优点如下： ( 1 ) 解决了显示器和彩扩仪同时驱动的问题，同时u s b 外设支持热插拔，实现了 设备的即插即用功能，增加了使用的便捷性。 ( 2 ) u s b 是一种完全开放的总线标准，可以获得大量的免费技术资料，有利于产 品的丌发和修复。 ( 3 ) 采用u s b 传输还可以增大传输距离，摆脱d v i 传输中对传输线长度的约束要 求，对环境的适应性更强。 ( 4 ) 采用c p l d 可在线编程器件，方便产品的升级与设计的更新。 传统数码彩扩仪一般多由p c 机控制，但由于p c 机上最多只含有一个d v i ( d i g i t a l v i s u a li n t e r f a c e ) 接口( 老式p c 机上甚至没有d v i 接口) ，无法同时驱动显示器和彩扩 仪，需另加d v i 转接口实现双显示驱动。同时d v i 并不是一个完全开放的标准，目前 能够提供技术支持的厂家并不多。本文利用u s b 2 0 传输技术替代了传统的d v i 传输线 技术，结合c p l d 控制芯片设计并构建了一整套低成本、高效率的数码彩扩冲印系统， 对u s b 2 0 外设的开发、高清晰数码彩扩、视频影像传输和其它高速传输设备的研制具 有一定的参考价值。 浙江大学领士学位论文 第二章l c o s 显示原理及l c o s 数码冲印系统 l c o s 数码冲印技术的实现得益于上世纪9 0 年代中期以来发明的l c o s 微显示技 术，其皋本工作原理类似于一台小尺寸的l c o s 投影仪，因此在论述本课题设计之前， 我们首先来了解一下l c o s 显示原理和l c o s 投影技术目前的应用情况，以及l c o s 数 码冲印系统的基本实现原理。 2 1l c o s 显示原理 l c o s ( 1 i q u i dc w s t mo ns i l i c o n ) 是一种新型的反射式液晶显示器件，这种反射式l c d 投影将液晶片以及驱动液晶的电路和其他一些功能一并集成在硅片上，实现对输入光随 电子图像的调制。l c o s 芯片工艺结构如图2 1 所示，图中硅背板是在常规i c 芯片生 产线上完成的。在带有电路的l c o s 显示芯片上做出取向层，涂胶后与带有i t o 电极的 玻璃贴合，最后灌注液晶就形成了l c o s 显示器件。液晶像素的驱动电路做在单晶硅基 底上，每一个像素包括m o s 晶体管电路开关、存储电容和在它们上面的铝反射面。当 丌关选通后，驱动电压通过液晶下面的金属层加在液晶上，产生外电场来控制液晶分子 的排列，不同的液晶分子排列对来自光路的光线影响不相同，光线经反射以后的强弱也 有区别，从而实现信息显示。由于使用时硅片直接暴露在光源之下，为了防止光线对 m o s 器件产生影响，必须在l c o s 芯片中增加一层避光层，以消除光电效应。运用l c o s 支术丌发的显示器，其象素尺寸只有十几微米，需要专门配备用于放大图像的光学引擎 制作成投影显示器或头盔式显示器。l j l l c o s 蘑板结绚豳 c m o s 蘩板 图2 1l c o s t 艺示意图 l c o s 投影仪显示文字或图像信息的原理与普通液晶显示的原理大致相同，利用液 6 浙江大学钡士学位论文 第二章l c o s 显示原理及l c o s 数码冲印系统 l c o s 数码冲印技术的实现得益于上世纪9 0 年代l + j 期以来发明的l c o s 微显示技 术，其基本工作原理类似于一台小尺寸的l c o s 投影仪，冈此住论述本课题设计之前， 我俐首先来了解下l c o s 显示原理和l c o s 投影技术目前的应剧情况，以及i | c o s 数 码冲印系统的基本实现原理。 2 1l c o s 显示原理 l c o s ( 1 i q u i dc r y s t a lo i ls i l i c o n ) 是一种新型的反射式液晶显示器件，这种反射式l c d 投影将液晶片以及驱动液晶的电路和其他一些功能一并集成在硅片上，实现对输入光随 电予图像的凋制。l c o s 芯片工艺结构如图2 一l 所示，图中硅背板是在常规i c 芯片生 产线上完成的。在带有电路的l c o s 显示芯片上做出取向层，涂胶后1 ，带有i t o 电极的 玻璃贴合，最后灌注液晶就形成了l c o s 显示器什。液晶像索的驱动电路做在单晶硅基 底上，每个像素包括m o s 晶体管电路开关、存储电容和在它们上面的铝反射面。当 肝关选通后，驱动电压通过液晶下面的金属层加在液晶r ，产生外电场来控制液晶分子 的排列，不同的液晶分子排列对来自光路的光线影响不相同，光线经反射以后的强弱也 有区别，从而实现信息显示。由于使用时硅片南接暴露在光源之下，为了防止光线对 m o s 器件产生影响，必须在l c o s 芯片中增加一层避光层，以消除光电效应。运用l c o s 技术j i ：发的显示器，其象素尺寸只有十几微米，需要专fj 配备用于放大图像的光学引擎 制作成投影显示器或头盔式显示器。1 3 1 l c 妁s 蘑援墙抽圈 c m o s 蕞板 图2 1l c o s3 - 艺示意图 l c o s 投影仪显示文字或图像信息的原理与普通液晶显示的原理大致相同，利用液 l c o s 投影仪显示文字或图像信息的原理与普通液晶显示的原理大致相同，利用液 浙江大学硕j ：学位论文 品分子具有很强的诱导偶极矩的特性，通过外加电场作用使液晶分子的排列与外加电场 相关。所不同的是l c d 投影仪利用光源穿过l c d 进行调试，属于穿透式，而l c o s 投 影仪则利用对光源的反射进行调试，属于反射式，从而获得更高的光亮度。l c o s 技术 个仪能够克服t f t - l c d 技术上开口率低和黑色栅格等缺点，而且还大大降低了设备制 造成本。开口率的大幅度提高是因为微电路部分都集成在象素反射镜下面，有效i 自j 积大 大增加，而且象素尺寸减d , n 微米量级( 大约7 2 0 微米) ，象素密度可达到1 0 0 0 p p i ( p i x e lp e r i n c h ) ，因此光能利用率和图像质量也大大提高：生产成本的降低足由于这种 高密度高分辨率象素的l c o s 前期制作过程几乎与v l s i ( v e r yl a r g es c a l ei n t e g r a t i o n ) n 勺制作过程相同，可以利用已经相当成熟的v l s i 制作工艺来把液晶显示的驱动电路和 其他电子线路都完全集成到一块硅片上，这些加工工艺的设备和基础设施都是王见成的， t , j 以减少在专用生产线上的投资。而且从电路的观点来看，硅是有源矩阵( a c t i v e m a t r i x ) 最好的材料。【4 j 此外，由于驱动c m o s 电路的电压很小，整个投影系统的功耗也大人降 低，适应节能要求。l c o s 显示器件结合了液晶显示技术与集成电路技术，也是液晶显 不的第血代产品，非常适用于数字高清晰t v 、数码投影仪等高端显示系统。 从基本工作原理上讲，l c o s 投影系统和传统的有源l c d 液晶投影技术都是对光 源调制来控制投影图像，达到大屏幕显示目的。1 5 1 l c o s 光学引擎是由光源模块、l c o s 阿板、分光合光系统等组成，在这多项技术中，以l c o s 面板及光学引擎架构技术最 为荚键。由于l c o s 技术仍在发展阶段，当前并无标准制程，所以有多家厂商开发出 1 ：同的l c o s 光学引擎架构。根据分色合色原理的不同，这些架构大致可以分为两类， 即h , i f n j 分色合色光学系统与空间分色合色光学系统；而按照投影系统的液晶片数目来 看，又可以分为单片式光学引擎投影系统和三片式光学引擎投影系统。通常，在单片式 光学引擎投影系统中采用时间分色合色光学系统，而在三片式光学引擎投影系统中采用 空间分色合色光学系统。 三片式光学引擎如图2 - - 2 所示，是将光源经分光棱镜将光束分为红、蓝、绿光后， 通过各自的p b s 形成偏振光，再分别将光束投射入三片l c o s 面板，利用液晶特性进 行调制，最后将投射出的三色图象经过合光系统加以结合形成彩色图象。i 6 i 二片式光学引擎的优点是可以达到较高的光学效率，又具备高画质的特性，但由丁 i 片式引擎除了需要三片面板外，还要结合多项的分光，合光光学系统，因此体积较大、 成本也较高。目前这种l c o s 光学引擎方式主要向高档的专业投影显示用途发展，目前 一 。塑垩叁兰塑主堂垡堡茎 主要的产品以j v c 的多款投影机为主，除此之外还有c o l o r l i n k 采用的c o l o r q u a r d 架 构、p h i l i p s 的p r i s m 架构及u n a x i s 的c o l o r c o m e r 架构等。 m c o m l n g l i g h t l r e d r e c l - g m e nl c e sp a n e , b l u e p r o j e c t i o n l e n s p b s k c o sp b n e l 图2 2 三片式光学引擎显示系统 单片式光学引擎如图2 3 所示。顾名思义，即只采用一片l c o s 显示芯片，以快速 旋转的c o l o rs w i t c h 将白光形成循序的红、蓝、绿光，并将三原色光与驱动程序生成的 红、蓝、绿画面，同步形成分色图象，当三种色彩之间的转换频率一定高时，籍由人眼 的视觉暂尉特性，便在复合屏上看到复合的彩色图像，这种方法叫做f s c ( f i e l ds e q u e n t i a l c o l o r ) 方法。 7 1 单片式的最大优点就是因为面板数仅需一片，加上分光、合光的系统架构比较简单， 陶此在成本上较具竞争优势，而且光学引擎的空阊也相对较小。同时单片式光学弓j 擎可 以实现完美的颜色汇集，这是由于只有一块液晶片提供三种颜色，不会出现象素的错化。 然而当前在技术上面临一些困难，以c o l o r w h e e l 而言，白光经偏极化后的光源仅为先 前的1 3 ，亮度明显降低；此外，由于l c o s 面板得在红、蓝、绿画面快速的切换下台 成倒象，因此面板反应速度的要求更高，使得生产的难度也相形提高。 “u 一 槲 汰 浙江大学硕l 学位论文 l c dp b s投影镜头 b 图2 3 单片式光学引擎示意图 2 2l c o s 投影技术的应用 如前前所述，由于l c o s 投影技术所具有的诸多优点，特别是其低廉的价格与更高 的分辨率使得l c o s 投影设备在市场上获得了飞速的发展。目前l c o s 投影技术的主要 应用市场范围包括便携式前投，背投计算机监视器，背投电视和近眼显示四大领域。 住前投市场上，虽然现在仍然是d l p 投影仪和多晶硅光阀投影仪占据主要市场份 额，但几种基于l c o s 技术的高档产品已经奔入市场。面由于在降低费焉上比楣竞争的 d l p 投影仪和多晶硅光阀投影仪设备更加具有优势，因此l c o s 液晶投影系统已经达到 了快速发展的阶段。同时l e o s 投影的另一个吸引入的性质是有能力提供一族器件，这 些器件具有相同的有效面积，但是又有系列不同的分辨率。这样整个系列的投影产品 j 以利用同样的光学系统来设计，但却可以提供不同信息内容的图像以适应不同的市场 的需要。 由于l c o s 可以在个小器件内提供高信息量内容并且通过投影提供大屏幕显示， 因此将其应用于背投计算机隘视器也是非常合适的。l c o s 背投计算机监视器的大多数 性能指标如对比度、分辨率、光学效率等等都已经达到了非常有竞争力的水平。当c r t 监视器屏幕超过2 4 ”时就会变得非常大、非常笨重，而且电源消耗大，而l c o s 背投峪 视器则能克服上述不足，因此对于l c o s 背投计算机监视系统，离清晰度大屏幕监视器 9 浙江大学硕士学位论文 仃场是其最佳切入点。 随着半导体制造的进步，具有体积微型化优势的l c o s 技术近年来已经开始进入电 视机市场。而高分辨率电视( h d t v ：h i g hd e f i n i t i o nt v ) 和数字电视的普及也将加速 i c o s 背投系统的引入并被人们所接受。在电视机领域，l c o s 投影技术的优势包括光 亮度输出的大幅度增长，并因此在周围较亮的环境下提高可视度及视角范围，在数字应 用中具有更好的分辨率，更轻的重量利更小的电能消耗。同时，由于l c o s 投影式h d t v 的费用对象素的格式不是非常敏感，因此采用l c o s 投影技术的h d t v 在大屏幕、高 分辨率电视机市场上是最具竞争力的。 近眼( n e a r - t o e y e sn t e ) 应用包括数字照相机和便携式摄像机取景器、安装存头部 的微型显示器以及高信恩容量蜂窝电话和无线网络器件显示器等等。这些系统的共同特 点就是要求显示部件体积小、轻巧灵便，同时又要有较好的显示性麓。l c o s 投影技术 是最适合于这些要求的显示技术，因此目前在这个领域市场上发展非常迅速。 2 3l c o s 数码冲印系统简介 l c o s 数码彩扩系统成像原理如图2 4 所示。f g j r g b 三色光经过均匀化处理以及 凇自以后，投射到l c o s 上，投射光经过l c o s 调试以后，透过p b s 最后经过放大镜 放大成像到像纸上，形成一张曝光的潜像。该潜像经过显影与定影以后，即可成为一张 彩色照片。 c o l l i m a t i o nl t n a 幽2 4l c o s 数码彩扩成像原理 c o l o rp 钟r 与其他l c o s 投影技术相比，彩扩系统要求图像稳定，像质清晰，但不需要对动态 o 浙江大学硕上学位论文 图像的实时显示，只需要在曝光时刻实现对静态图像的显示。同时也不需要对r g b 三 种色光实现同时显示，而是采用将三种色光分解成三副不同图像分别加以曝光的方法， 降低了系统的工作频率。因此对不同色光的循环显示切换速率要求不高，般只需采用 i 片式光学引擎中的一片，对红、绿、蓝三种色光分时曝光即可。 在我们的设计中，实现l c o s 数码彩扩冲印系统的具体方法是在p c 机上将幅彩 色图片分解成红、绿、蓝三基色分色图像，通过p c 机上的通信接口传输到图像处理电 路，然后送往l c o s 成像芯片显示。在l c o s 成像芯片驱动不同分色图像显示时，利用 单片机配合实现不同色光光源的同步切换，分时实现三次曝光，得到三幅分色图像，分 则对这三幅分色图像在同一张像纸上曝光即可成为一张彩色照片。这其中，需要实现的 部分是图像传输及处理驱动电路部分设计，而对于光学系统，则直接采用了浙江金城科 技有限公司为数码彩扩设备设计的光学系统。彩扩系统的照明光源采用的是l e d 阵列 照明方式，其优点是光源体积小，便于l c o s 电子片央的整体设计，同时由于采用的是 冷光源，因此系统散热问题也随之解决。 2 4 本章小结 从9 5 年开始研究l c o s 液晶投影系统至今只有短短1 0 年的时间，但其发展的速度 却足惊人的。可见l c o s 数码扩印系统已经为l c o s 市场注入了新的活力。本章首先论 述了l c o s 显示技术的原理，分丰厅了l c o s 成像技术与设计工艺的优缺点，然后在此基 i f f j 上分析了目前常用的两种l c o s 投影显示光学系统：三片式光学引擎和单片式光学引 擎，以及l c o s 投影技术的应用市场，最后，又介绍了l c o s 数码彩扩冲印系统的设计 与实现方案。 浙江大学硕上学位论文 第三章数字驱动显示系统分析及解决方案 3 1 数字驱动显示系统分析 本课题所设计的l c o s 数字驱动系统应用于l c o s 数码彩扩仪，要求将存储在p c 机、数码相机等数字系统上的图像在像纸上成像及曝光。其具体的设计要求有如一卜儿点： ( 1 ) 实现数字图像的传输与缓存，要求保证传输的稳定性，具有自动纠错功能， 同时在曝光过程中要能够实现整副图像的连续输出，不能有停顿。 ( 2 ) 具有至少8 位的分辨率，实现灰度级的连续调制；同时实现灰度级的g a m m a 矫1 f 功能，保证曝光时不会产生色彩失真。 ( 3 ) 由于设备一旦开启后，工作时间较长，因此要求浚数字驱动系统在较长的时 问里稳定工作，重复性好。 ( 4 ) 以本设计采用的l c o s 芯片为例，要求能够实现最大为1 0 2 4 7 6 8 的象素分辨 率：同时在大像纸的曝光时，要求相邻象素点间要能够平滑过渡，消除照片的颗粒感。 ( 5 ) 为保证设计的兼容性，要求设计输出满足标准视频信号接口标准，本设计采 用的是x g a ( e x t e n d e dg r a p h i c s a m y ：扩展图形阵列) 视频输出标准。 ( 6 ) 能够实现较高的出片率，以目前市场的要求为例，要能够实现每分钟1 0 1 5 张照片的出片率，因此要求能够实现高速图像传输。 ( 7 ) 为满足市场发展的需要，要求系统能够具有很好的可配置性，便于产品的升 级0 维护。 设计图像数据从p c 高速输出的接口电路和设计高速、大容量的缓存电路以及使用 可编程逻辑器件作为总控制器来实现有效的总体控制是本课题的重点和创新点。此外， 本课题研究面向于实际的市场需要，为了保证设计的可操作性，还设计了p c 机软件应 用程序方便用户的使用。 浙江大学烦十学位论文 3 2 数字驱动显示系统的实现方案分析 3 2 1p c 机高速传输图像数据实现方案 传统l c o s 数码彩扩仪一般采用数字显示接1 ：3 ( d i g i t a lv i s u a li n t e r t h c e ，d v l ) 驱动 实现。d v i 是由数字显示工作组( d d w g ) 制定的一种采用最小变换差分信号( t m d s ) 传输的数字显示标准，其主要工作原理如图3 1 所示。它的基础是s i l i c o ni m a g e 公司 的p a n a l l i n k 接口技术，p a n a l l i n k 接1 ：3 技术采用的是最小化传输差分信号( t r a n s i t i o n m i n i m i z e dd i f f e r e n t i a ls i g n a l i n g ，t m d s ) 作为基本电气连接。计算机中生成的图像信息 传送到最示处理单元( 显卡) 中，经处理并编码成数据信号，数据信号中包含了一些像 裘信息、同步信息以及一些控制信息，信息通过3 个通道输出。同时还有一个通道用来 传送使发送和接收端同步的时钟信号。每一个通道中数据以差分信号方式传输，凼此每 一个通道需要2 根传输线。由于采用差分信号传输，数据发送和接收巾识别的都是压差 信号，保证了信号在传输过程中的稳定性。在接收端对接收到的数据进行解码，并处理 生成图像信息供数字显示设备显示。u 0 j 矗 p i x e l d a m 量 曩 旨 声 c o n t r o l 凸 至 卜 豳3 一lt m d s 传输原理 数码彩扩仪一般多由p c 机控制，但由于p c 机上最多只畲有一个d v i 接口( 老式 p c 机上甚至没