（微电子学与固体电子学专业论文）片上lcd控制器中多层显示的设计与实现.pdf

d esi g na n di m p l e m e n 玑姐i o no fa m u i i l a y e rl c dc o n t r o l l e r b a s e do ns o c at h e s i ss u b m i t t e dt o s o u t h e a s tu n i v e r s 时 f o rt h ea c a d e m i cd e 铲e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g b y z h o uh a i y a n s u d e i s e db vs u p e 1 s e db v p r o w hj i a n h u i s c h 0 0 1o fm i c r o e l e c t r o n i c sa n ds o l i ds t a t ee 1 e c t r o n i c s s o u t l l e a s tu n i v e r s i t y a p r i l2 0 1 0 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：】虱l 鱼墨日期：丝! ：生：! ， 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相 一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布( 包括以电子信息形式刊登) 授权东南大 学研究生院办理。 研究生签名：f 弛师签名： 日期：丝呈：生- 摘要 摘要 随着面向多媒体应用s o c 技术的飞速发展，便携式个人数字设备应用正日益成熟和丰富，拍照、 电影、3 d 游戏等各种应用不断完善。基于这一背景，良好的人机视觉交互界面成为高端数字产品追 求的重要指标。顺应这一需求，目前国内外市场上几款主流高端s o c 芯片中都集成了高性能l c d 控制器，支持多层图像显示是这一系列高性能l c d 控制器的特征。 本文在市场调研基础上，深入探讨多层显示技术，制定多层显示l c d 控制器基本架构，确定 l c d 控制器主要功能。本文设计的l c d 控制器支持四层图像视频叠加显示，各层主要特征如下： 基层一般用做背景，支持r g b 格式图像；覆盖层l 一般用于浏览照片、观看电影，支持r g b 格式 图像和格式视频；覆盖层2 用于菜单显示，支持r g b 格式图像：硬件鼠标层一般用于鼠标指 针显示。覆盖层1 和覆盖层2 都支持a 混合及色键功能。基本架构和主要功能确定后，首先用m a t l a b 工具对主要功能进行模拟仿真，结果正确：然后使用v e r i l o g 硬件描述语言完成l c d 控制器的设计。 该l c d 控制器主要划分为七大模块：d m a 控制器模块是a m b a 越位上的主设备，其功能是根据 合理的仲裁机制，为各通道搬运帧图像数据：输入f i f o 模块用于缓冲总线上传输的图像数据；上采 样模块用于将y 1 4 ：2 ：0 和v u v 4 ：2 ：2 转化为j v 4 ：4 ：4 格式，并完成y u v 4 ：4 ：4 到r g b 8 ：8 ：8 的颜色 空间转换；多层图像叠加处理模块的主要功能是完成四层图像的q 混合及色键处理、鼠标指针调色 及叠加等；输出f i f o 模块用于缓存最终的显示信号；p 柚e l 接口模块产生l c d 显示驱动器所需的数 据和控制信号：s l a v e 模块具有标准的6 心ms l a v e 接口，用于总线对l c d 控制器的寄存器配置。 采用s y n o p s y s 公司的仿真工具v c s ，并利用p l i 接口，对设计进行可视化功能仿真；采用 s ”p l i c 埘公司的s y n p l i 匆对设计进行综合；采用a l t e m 公司的q 1 豫n l l s i i 对设计进行布局布线，并建 立相应的f p g a 原型。仿真和f p g a 验证结果表明，该l c d 控制器功能完善、性能优良，各种多层 叠加模式均可清晰流畅地显示，实现了预期目标。 关键词：l c d 控制器，多层，q 混合，色键 a b s t r a c t a b s t r a c t w 池n l er 印i dd e v e l o p m e n to fm u l t i m e d i a 印p l i c a t i o n si ns o cf i e l d ，p o r t a b l ep e r s o n a ld i g i t a l d e v i c e sb e c 咖em o r ea i l dm o r eu s e m l p h o t o 脚h s ，f i l m s ，3 dg 锄e sa r em o r e 舳dm o r ep o p u l a li i lt h i s b a c k g r o u n d ，g dh u m a n c o m p u t e rv i s u a li i l t e r f a c eb e c 咄s 觚i m p o r t 锄tc l l a r a c t e ro fs u p e r i o r - q u a l i t y d i g i t a lp r o d u c t s u n d e rm i sd e m a n d ，h i 曲- p e r f o 彻a n c el c dc o n t r o l l e rw h i c hs u p p o r t sm u l t i l a y e rd i s p l a y i si m e g m t e di i l t os e v e r a ll e a d i n ga d v a n c e ds o cc h i p si n 吐1 em a r k e t i i lm i sp a p e r ，f i r s t l y ，t 1 1 et e c l l i l o l o g yo fm u l t i - l a y e rb l 锄d i n gi sd e 印l yd i s c u s s e dt 0d e v e l o pm e a r c h i t e c t u r eo fi n u l t i l a y e rl c dc o n 仃o l l e r ；s e c o n d l y t l l em a i l l 缸1 c t i o no fl c dc o 曲r o l l e ri sd e f m e d n l e l c dc o n 仰l l c rs u p p o n su pt o4o v e r l a yi m a g ew i l l d o w s m a i nf e a t u r e sa r e ：b 嬲el a y e rs u p p o n sr g b i m a g e ，g e n e r a l l yu s e d 邪d e s k t 叩；o v e n a y l s u p p o r t sr g bi i n a g e 锄dy 1 v i d e o ，g 即e r a l l y 鹏e df o r v i e w i n gp h o t o so rw a t c h i n gm o v i e s ；o v e r l a y 2s u p p o n sr g bi m a g e s ，g e i l e r a l l yi i s e df o rm e n ud i s p l a y s ； h a r d w a r eq i r s o rl a y e ri su s e df o rd i s p l a ym em o i l s ep o i n t e r0 rl e t t e r s o v e d a y la n do v e r l a y 2a l s os u p p o n c o l o rk e y 锄da l p h ab l e i l d i n g a r e rt l l eb a s i ca r c h i t e c n l r e 锄df u i l c t i o ni sc o n f i 加e d ，f i r s tw el l s em a t l a b t 0s i m u l a t et l l ei n a m 如n c t i o n s 锄dt l l er e s u l ti sc o r r e c t a r e rt h a t ，w el l s et h eh a r d w a r ed e s c r i p t i o n l a n g u a g ev 舐l o gt od e s 咖t l l el c dc o n 仃0 l l 既t h el c dc o n 仃o l l e ri sd i v i d e di n t os e v e nm o d u l e s d m a c o n n o l l e rm o ( i u l ei sam a s t e rd e v i c eo ft h eamb aa h ba n di t sf u n c t i o ni st om o v e 缸n e 咖f b re a c h c h 锄e lo ns o 吼da r b i t r a t i o nm e c h a n i s m ；i i l p u tf i f om o d u l ei su s e dt 0b u 仃e rt l l eb u st r a n s l n i n e d 触m e d a t a ；t h es 锄p l i n gm o d u l ei su s e dt o 仃a 1 1 s f e ry in ，4 ：2 ：o 锄dy u v 4 ：2 ：2i i l t oy u v 4 ：4 ：4f o 皿1 a t ，锄d c o m p l e t et l l e c o l o rs p a c ec o n v e r s i o n 丘o my 1 4 ：4 ：4t o r g b 8 ：8 ：8 ；m u l t i l a y e ro v e r l a yp r o c e s s 嵫 m o d u 】e ，sl 瑚i 1 1f l m c t i o ni st oc o m p l e t ec o j o rk e y 肋da l p h ab 1 e n d j l l gp r o c e s s i n g 矗”t i l ef o u rl a y e r s 粕da d d o nm ep a l e t t em o u s ep o i i l t e r ；o u t p u tf 腰om o d u l ei su s e dt oc a c h et h eo u t p u t ( 1 a t as e n tt ot h el c ds c r e e n ； p a n e li i l t e r 胁em o d u l eg e n e m t em er e q u i r e dd a t aa n dc o n 仃o ls i 盟a l sf o rm el c d 嘶v e r ；s l a v em o d u l eh 嬲 as t a i l d a r da h bs l a v ei i l t e 渤c e 锄di su s e df o r 也eb u st oc o n f i g u r et h el c dc o n 仃o l l e r sr e g i s t e r s a 惋rt h er t ld e s i 弘i sf m i s h e d ，s i l l l u l a t i o n “l sv c so fs y n o p s y si i l c ，a n dp l ii n t e r f k ei su s e dt o c 删o u t 铀c t i o n a ls i l n u l a t i o ni nav i s u a le n v i r o 衄e n t ，s y i l p l i 母o fs y t l p l i c i 移i n ci su s e dt os y n t l l e s i sm e d e s i g n ；q 1 l a r t l 塔o f 舢t e r ai i l ci su s e dt oc o r n p l e t ep & r 孤dt i i n i i l g 锄a l y s i so ft h ed e s i g l l a n dt l l e na c o 仃e s p o n d i n gf p g ap r o t o 呻eo f t l l ed e s i 盟i se s 切b l i s h e d s i i n u l a t i o n 锄df p g av 甜f i c a t i o nr e s u l t ss h o w t h a tm el c dc o n t r o l l e rh a sa l le x c e l l e i l tp e 响彻a n c e 舢lk i n d so fe x c 印t e do v e r l a ym o d e sc 锄b ec l e 砌y a n ds m o o t h l yd i s p l a y e d k e y w o r d s ：l c dc o n 打o l l e r ，m u l t i l a y i a l p h ab l e n d i n 岛c 0 1 0 rk e y i i i i i 1 2 1 3 论文结构3 第二章基本理论 4 2 1 色度空间4 2 2 显示技术7 2 3 a l p h ab l e n d i i l g 一9 2 4c o l o rk e ) r 一1 3 2 5 小结1 7 第三章多层显示l c d 控制器的设计与实现 1 8 3 1 多层l c d 控制器的总体结构设计1 8 3 2多层l c d 控制器的模块级设计2 0 3 3 小结4 l 第四章多层显示l c d 控制器的仿真和f p g a 验证 4 2 4 1 基于p l i 的功能仿真。4 2 4 2f p g a 验证4 9 4 3 总线性能评估5 3 4 4 ，j 、结5 5 第五章总结与展望。 致谢 参考文献 研究生期间发表论文 m 5 6 5 7 5 8 砷 第一章绪论 1 1 背景与意义 第一章绪论 随着面向多媒体应用s o c ( s y s t e m o n c h i p ) 的飞速发展，手机、掌上电脑、p d a 等便携式个人数字 设备应用正日益成熟和丰富。拍照、音乐、电影、可视电话、移动电视、3 d 游戏、w 曲浏览、e 嫩i l 、即 时通信等各种应用不断涌现。良好的人机交互成为高端数字产品追求的重要品质。 一方面，作为人机交互的关键环节，显示技术一直以来备受关注。随着显示技术的发展，液晶显示屏 ( 1 i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ，l c d ) 由于其低电压、低功耗、易集成、轻巧便携及显示效果好等突出优点而受到 人们的青睐，在通信等多个领域得到广泛应用。l c d 中的n 叮( t h i l lf i l mt r 锄s i s t o r 薄膜晶体管) 液晶显 示更是以快速的反应时间、出色的色彩饱和度、还原能力和更高的对比度而著称，其逼真的图像显示、良 好的动态域面使其成为显示设备发展的主流【2 j 。另一方面，随着移动互联网的迅速发展，用户希望能够尽 可能的享受绚丽逼真的视觉效果，在这一需求驱动下，各种丰富的多媒体应用不断被集成到各种移动终端 中，视觉的虚拟体验随之逐渐走向深入i j j 。 在上述背景下，多层显示技术应运而生。该技术通过处理器、硬件和内嵌外接软件将多个图像融合成 一幅图像，从而实现在一个显示终端上展现多个显示窗口。每一个窗口为独立的一层。这些显示窗口的内 容丰富多彩，可以是图形、视频图像、文本、鼠标指针等等，并且具备可以实时切换显示模式、随意改变 各窗口大小的功能。在图像融合过程中，主要涉及到图像的透明和非透明控制( 即舢p h ab l e n d i n g 或q 混 合，) 以及c o l o rk e v ( 即色键处理) 。多层显示技术应用非常广泛，例如，在2 d 和3 d 领域，经常使用到 a l p h ab l e n d i i l g 技术，即一种带透明效果的多层图像叠加技术，从而使游戏界面呈现虚幻的透明光影效果； 或使两个物件叠加显示时，呈现接近真实物件的效果：玻璃会拥有很高的透明度，而一块木头就没有透明 度。图1 1 为三星的一款融合了多层显示技术的中高端手机。 图1 1 一款融合了多层显示技术的中高端手机 伴随着触摸技术的突破性发展，屏幕已成为人机交互的关键界面，多层图像显示已经成为满足用户视 觉高级体验的基础。随着图像显示技术在s o c 芯片中的集成，片上l c d 控制器成了s o c 中不可或缺的部 分，并在过去十年内得到了广泛应用。现在的主流s o c 芯片都集成了片上l c d 控制器【4 j ，该l c d 控制器 一般只作为l c d 显示驱动器的接口部件，输送l c d 所需的数据和控制信号。而对嵌入式系统而言，绚丽 的显示效果背后则是繁重的图形处理任务，目前，大部分多层图像显示系统都是采用专用的图形处理芯片 或是用软件来实现。专用的图形处理芯片属于高端产品，速度快，但价格昂贵，会较大幅度地增加嵌入式 系统的成本，而且一般需要采用专用的接口，接口转换复杂；软件实现方法则把繁重的图像处理任务完全 东南大学硕士学位论文 交由c p u 来完成，这对嵌入式微处理器来说是极其消耗资源的，不但严重影响嵌入式系统的速度和性能， 而且图像处理与显示速度也彳i 乐观p j 。 支持多层显示的片上l c d 控制器在这一背景下应运而生，支持多层显示的l c d 控制器将多层图像的 处理与显示功能完全用硬件逻辑电路实现。该控制器主要承担着图形加速的任务，如多层图像融合、图像 透明处理、色键处理等等，以往的l c d 显示控制只是其基本任务之一，仅负责产生l c d 显示驱动器所需 的各种时序控制信号。支持多层显示的l c d 控制器对c p u 提供通用的总线读写接口，c p u 只需通过该接 口对其进行简单的配置，即可独立工作，完成图像处理与显示任务。该多层显示l c d 控制器一方面能够 大大地提高图像处理与显示的速度，节省c p u 的资源，从而提高嵌入式系统的性能；另一方面，简单通 用的接口使其在嵌入式系统中具有很强的可移植性。 支持多层显示的l c d 控制器将为嵌入式系统中视觉界面的丰富和更多应用的产生提供基础和动力， 支持多层显示成为片上l c d 控制器发展的一个重要方向。因此目前市场上的高端应用处理器中都集成了 支持多层显示的l c d 控制器，如英特尔的x s c a l ep 心7 0 系列和三星的s 3 c “0 0 x 系列，其主要特征为 支持4 层( 或以上) 图像叠加显示。各层主要特征如下： 一 b 弱e 层：支持r g b 图像，一般用做桌面，背景等。 o v e r l a y l ：支持r g b 图像和y u v 视频，用于浏览照片、图像，观看电影等。 o v e r l a y 2 ：支持r g b 图像，用于菜单显示等。 h a r d w a r ec u r s o r ：用于鼠标指针、字幕的显示。 上述图像层之间还存在着如下关系： a l p h ab l e n d i i l g c o l o r k e y 图1 2 所示为b a s e 、o v d a v l 、o v e r l a v 2 、l l a r d w a r ec u r s o r 共4 层图像叠加示意图。 1 2 论文主要工作 图1 2 四层图像叠加示意 近年来本实验室一直致力于s o c 芯片研发，经过多年努力，现已初具规模，目前正在研发一款面向 手持终端设备的高端s o c 芯片，该芯片内嵌多媒体视频编解码模块，拟应用于智能手机和掌上电脑等场 合，要求芯片支持丰富多彩的用户界面。基于这一需求，本文将基于舢旧aa h b 总线架构，设计一款支 2 支持c o l o rk e y ，又叫t r a i l s p a r e n c e 。 支持a l p h ab l e n d i i l g ，b l e n d i i l gv a l u e 可调节。 支持y i 4 ：2 ：o 、r v 4 ：2 ：2 到j v 4 ：4 ：4 的上采样转换。 支持y u v 4 ：4 ：4 到r g b 8 ：8 ：8 的颜色空间转换。 支持多种r g b 图像格式，如1 6 b p p 、1 8 b p p 、2 4 b p p 等。 内置多通道d m a 控制器，支持4 8 1 6 b u r s t 传输。 各层图形窗l 可任意大小、任意位置调节。 1 3 论文结构 ，观看电影等； 本文以多层显示技术为线索，分五章图文并茂地阐述了本课题的研究工作情况，文章组织如下： 第一章绪论部分，简单介绍了多层显示的背景，研究状况和挑战，引出课题研究的意义以及实用价值。 第二章介绍视频领域基本理论知识，给出多层图像卺加算法的理论公式，详细介绍灿p l l ab l e n d i i l g 以 及c o l o rk e y 技术，并进行m a n ，a b 模拟仿真。 第三章进行多层显示l c d 控制器的r 1 l 级设计。主要包括八大模块：虹mn 】a s t e r 模块d m a c 、输入 缓冲模块i n p u tf 正0 、上采样模块u p s a n l p l ep r o c 、视频r g b 缓冲模块d e o r g b f 巧0 、多层处理模块 o v e n a yp r o c 、输出缓冲模块o u t p u tf i f o 、屏幕接u 模块p a l l e l i l l f 和址ms l a v e 模块s l a v e 。 第四章则利用基于6 瓜m 的s o c 开发平台，对本l c d 控制器进行可视化功能仿真和f p g a 验证。 第五章对本l c d 控制器的实现做出了总结，并重点提出了本嵌入式l c d 控制器设计的改进意见。 3 色度空间是采用数值描述色彩的抽象方法。常用的色度空间有：基于三原色模型的r g b 模型， 这类模型主要用于电视机和计算机的颜色显示系统：q 、y u v 和y c b c r 模型，这类模犁通过压缩 色度信息有效地播送彩色电视图像，主要应用于广播电视系统；c m k y 模型，这类模型主要应用于 彩色打印领域。 y c b c r 和r g b 是视频图像中常用的两种色彩空间，y c b c r 易于实现压缩且方便传输，但现有显 示设备都采用r g b 驱动。因此在视频图像处理过程中，往往需要y c b c r 到r g b 色彩空间的变换1 8 j 。 2 1 1r g b 自然界中任何一种色光都可由红( r ) 、绿( g ) 、蓝( b ) 三基色按不同比例混合而成，构成一 个三维r g b 矢量空间。任一种其它颜色和这三种颜色之间的关系可描述为：任一其它颜色= r ( 红色 光分量) + g ( 绿色光分量) + b ( 蓝色光分晕) 。r 、g 、b 每个元素的范围从0 到2 5 5 ( 8 b “宽) ，3 个 元素值均为o 时生成黑色：均为2 5 5 时生成自刨引。 常见的r g b 格式有r g b 5 6 5 、r g b 6 6 6 、r g b 8 8 8 等，分别包含6 5 5 3 6 色、2 6 2 1 4 4 色、1 6 7 7 7 2 1 6 色。 r g b 5 6 5 使用1 6 位表示一个像素，其中5 位用于r ，6 位用于g ，5 位用于b ，通常使用一个半字( 两个 字节) 来存储一个像素：r g b 6 6 6 使用1 8 位来表示个像素，r g b 分量都用6 位表示，存储时分为打 包和非打包两种方式，前者使用一个字，后者使用3 个字节来存储一个像素：r g b 8 8 8 使用2 4 位来表 示一个像素，r g b 分量都用8 位表示，存储方式与r g b 6 6 6 相似。另有特殊格式r g b 3 2 ，使用3 2 位来 表示一个像素，r g b 分量各用去8 位，剩下的8 位用作舢p h a 通道或者不用，通常使用一个字来存储一 个像素。 r g b 颜色空间由于其具有设备独立性，被广泛应用于计算机图形、成像系统和彩色电视中。在 图形图像的处理过程中，r g b 的效率不是很高，因为产生任何一种颜色时，r 、g 、b 三者都需要接 近相同的带宽。 2 1 2y u v y u v 色彩模型是被欧洲电视系统所采用的一种颜色编码方法，来源于r g b 模型。该模型的特点 是将亮度和色度分离开，从而适合于图像处理领域，主要应用于广播电视系统。其中y 代表颜色的 明度( l 啪i n a l l c e ) ，又叫亮度( b r i 曲协e s s ) ，u 代表颜色的色调，v 代表颜色的饱和度。采用y 1 j v 色 彩空间的重要性在于它的亮度信号y 和色度信号u 、v 是分离的。如果只有y 信号分量而没有u 、v 信 号分量，那么表示的图像就是黑白灰度图像。彩色电视采用y u v 空间正是为了用亮度信号y 解决彩 色电视机与黑白电视机的兼容问题，使黑白电视机也能接收彩色电视信号。 y u v 色彩空间与r g b 色彩空间的对应关系如表2 1 所示。 4 东南大学硕士学位论文 2 1 3y c b c r y c b c r 模型来源于y u v 模型，由y u v 色度空间经过缩放和平移得到，其随着i t u r bt 6 0 1 视频 标准发展起来。y 同样指的是亮度，c r 、c b 代表色度。c r 表示的是r g b 信号中红色分量和r g b 信 号亮度值的差值；c b 表示的是r g b 信号中蓝色分量和r g b 信号亮度值的差值。y 的取值范围是1 6 到 2 3 5 ，c b 和c r 的取值范围是1 6 到2 4 0 。由于易于实现压缩、方便传输和处理，y c b c r 被广泛应用于计 算机视频和图像处理中，如h 2 6 4 、j p e g 、m p e g 均采用此格式来存储像素。本l c d c 设计中所用的 1 n 模型，实际上就是这里的y c b c r 模型。 y c b c r 色彩空间与i 沁b 色彩空间的对应关系如表2 2 所示。 表2 2y c b c r 与r g b 对应关系。 根据米样率卜i 司，y c b c r 土要的格式有：y c b c r 4 ：2 ：0 、y c b c r 4 ：2 ：2 、y c b c r 4 ：l ：l 和y c b c r 4 ：4 ：4 0 下面分别介绍【m 。 ( 1 ) y c b c r 4 ：4 ：4 y c b c r 三个信道的抽样率相同，因此在生成的图像里，每个象素的三个分量信息完整。经过8 比 特最化之后，未经压缩的每个像素占用3 个字节。与其他格式相比，4 ：4 ：4 采样压缩率低，不太常用。 如图2 1 ( a ) 所示是y c b c r 4 ：4 ：4 的采样图，每个叉表示一个y ，每个圆圈表示一个c b 和c r 。 o o oo oo ooo o ooo o 图2 - 1 ( a ) y c b c r 4 ：4 ：4 样例位置 上面的四个像素为：【y oc b 0c r o 】 y 1c b lc r l 】 y 2c b 2c r 2 】 y 3c b 3c r 3 】 存放的码流为：y oc b oc r oy 1c b lc r ly 2c b 2c r 2y 3c b 3c r 3 映射出像素点为： y 0c b 0c r 0 】 y 1c b lc r l 】【y 2c b 2c r 2 】【y 3c b 3c r 3 】 ( 2 )y c b c r4 ：2 ：2 4 ：2 ：2 每个色差信道的抽样率是亮度信道的一半，所以水平方向的色度抽样率只是y c b c r 4 ：4 ：4 的一半。对非压缩的8 比特量化的图像来说，每个由两个水平方向相邻的像素组成的宏像素需要占 用4 字节内存。 5 ( y c r y c b 格式y o c r 0 y 1c b o y 2 c r 2 y 3 c b 2 ) ( c b y c r y 格式c b o y o c r o y l c b 2 y 2 c r 2 y 3 ) ( c b y c r y 格式c r o y 0c b o y l c r 2 y 2c b 2 y 3 ) 映射出像素点为：【y oc b oc r l 】【y 1c b 0c r l 】 y 2c b 2c r 3 】 y 3c b 2c r 3 】 ( 3 )y c b c r 4 ：1 ：l 4 ：1 ：1 的色度抽样，是在水平方向上对色度进行4 ：1 抽样。对于低端消费类产品，这样的抽样率 是可接受的。对非压缩的8 比特量化的视频来说，每个由4 个水平方向相邻的像素组成的宏像素需 要占用6 字节内存。与其他格式相比，y c b c r 4 ：l ：l 不太常用。 下面的四个像素为： 【y oc b oc r 0 】 y lc b lc r l 儿y 2c b 2c r 2 】【y 3c b 3c r 3 】 存放的码流为：y oc b oy ly 2c r 2y 3 映射出像素点为： y oc ! b oc r 2 】 y lc b oc r 2 】 y 2c b 0c r 2 】【y 3c b 0c r 2 】 ( 4 ) y c b c r 4 ：2 ：o 4 ：2 ：0 并一i 意味着只有y ，c b 而没有c r 分量。它指得是对每行扫描线来说，只有一种色度分量 以2 ：1 的抽样率存储。相邻的扫描行存储不同的色度分量，也就是说，如果一行是4 ：2 ：0 的话，下一 行就是4 ：o ：2 ，再下一行是4 ：2 ：0 以此类推。对每个色度分量来说，水平方向和竖直方向的抽样率都 是2 ：1 ，所以可以说色度的抽样率是4 ：1 。对非压缩的8 比特量化的视频来说，每个由2 x 2 个2 行2 列相邻的像素组成的宏像素需要占用6 字节内存。如图2 1 ( c ) 所示是y c b c r 4 ：2 ：0 的采样图，每个叉 表示一个y ，每个圆圈表示一个c b 和c r 。 图2 - l ( c ) y c b c r 4 ：2 ：o 样例位置 上面八个像素为：【y oc b oc r 0 】【y 1c b lc r l 】 y 2c b 2c r 2 儿y 3c b 3c r 3 】 【y 4c b 4c r 4 】【y 5c b 5c r 5 】【y 6c b 6c r 6 】 y 7 c b 7c r 7 】 存放的码流为：y 0c b 0y ly 2c b 2y 3y 4c r 4y 5 y 6c 1 1 5y 7 映射出的像素点为：【y 0c b oc r 4 】 y 1c b oc r 4 】【y 2c b 2c 1 1 5 】 y 3c b 2c r 6 】 y 4c b 0c r 4 】 y 5c b oc r 4 】 y 6c b 2c r 6 】 y 7c b 2c r 6 】 6 第2 n 行 第2 n + 1 行 第2 n 行 第2 n + 1 行 一。一一。一 焱 东南大学硕士学位论文 2 2 显示技术 人类社会已经进入了信息化时代，信息的获取与交流是每一个现代人的基本生活需求。生理上， 人类依靠视觉、听觉、嗅觉、味觉和触觉来获得信息，而视觉是获得外界信息的主要途径，正所谓 百闻不如一见。事实上，传统的印刷型文字和图片早已不能满足人们的要求。随着电视、手机、网 络、商场、银行的全面覆盖，我们无时无处不在与各种人机交互界面打交道。进入2 l 世纪后，信息 变得越来越密集，各种多媒体手段竟相传递着动态的视频和静态的电子画面。人们越来越希望通过 最简单和最有效的途径来获得最大量的信息，尽情追求现代显示技术带来的乐趣与方便。 显示技术就是在这样的需求下不断发展，各种新型显示材料和技术不断被开发出来。显示材料 和技术已经成为各国研究的热点之一，全球市场竞争也达到了白热化的程度。重要工业化国家每年 举办的电子和消费产品展示中，显示器和各种新型显示技术、显示材料产品也最能吸引参观者的眼 光，不论是在国防、军事、宇航、工业领域，还是在商业、教育、文化、体育、传媒领域，显示器 都有极其重要的价值和地位【l 。 2 2 1 显示器的分类 根据显示期间的不同，显示器件可分为阴极射线管显示器( c r t ) 、液晶显示器( l c d ) 、等离 子体显示器( p d p ) 等。随着人类对显示的要求逐步提高，人类正致力于开发新的显示器，主要有 电子墨水显示器、激光显示器( l p d ) 、电致发光显示器( e l ) 、发光二极管显示器( l e d ) 、有机电 致发光显示器( o l e d ) 、等。这些显示器或能实现超大屏幕的显示，或者具有轻便的外观和低功耗， 或能满足特定要求的显示。下面将分别做简单介绍。 ( 1 )c r t 阴极射线管显示器( c i 盯) 与其他显示技术相比的最大优势在于画质优良和价格低廉，在过去 很长时间一直是电视机和计算机的最佳选择。第二次世界大战中，作为电子装置和雷达的显示屏， c r t 正是得此契机快速成长起来。c r l 技术问世1 0 0 多年来，经过不断改进，性能得到了极大地提高， 功能日趋完善，其用途早已不局限在电视领域，已经被广泛应用在制造行业上。 ( 2 ) l c d 液晶的发现到当今液晶显示器件如此大规模的应用，经历了近1 2 0 年。早在1 9 世纪末，奥地利植 物学家就发现了液晶，即液态的晶体，也就是说一种物质同时具备了液体的流动性和类似晶体的某 种排列特性。在电场作用下，液晶分子的排列会发生改变，从而影响到它的光学性质。利用液晶的 电光效应，英围科学家在2 0 世纪制造了第一块液晶显示器即l c d 。常见的液晶显示器有t n l c d 、 s t n l c d 、d s t n l c d 、t n 二l c d 。前三种基本显示原理都相同，t f t 则截然不同，它同时也具有 最好的显示效果，是几种液晶当中最昂贵的。目前电脑上采用的都是这种显示器。 ( 3 )p d p 等离子体显示技术是一种被寄予希望的显示技术，最大的优势在于其可较容易地实现超大平板 显示。作为新一代显示器，p d p 不但超薄超轻，还具有液晶显示无法具有的超宽视角，其抗干扰能 力强，可以做到纯平无失真。此外，p d p 显示器还保留了液晶显示器无辐射的优点。 ( 4 )o l e d o l e d 即英文o r g a i l i cl i 曲te l i l i t t i i l gd i o d e 的缩写，中文译作有机发光二极管。因为具备轻薄、 省电等特性，因此从2 0 0 3 年开始，这种显示设备在m p 3 播放器上得到了广泛应用，随着o l e d 领 域内研发t 作的突飞猛进，未来o l e d 的应用范围可能会扩人到、f 视显示器、汽车仪表板、看板式 7 第二章基本理论 显示器、家庭或办公室照明以及柔性显示器。o l e d 具有以下的优点：厚度小并且重鼋轻；本身为 同态机构，没有液体物质，因此抗震性能好，不怕摔：几乎没有可视角度的问题，即使在很大的视 角下观看，蜮面仍然不失真；响应速度快，显示运动画面不会有拖影的现象；低温特性好，在零下 4 0 度时仍能正常显示。 在上述众多的显示器中，随着人民生活水平的提高，c r t 显示器辐射大、无法实现平板和超大 屏幕的缺点越来越明显。相比之下，液晶显示器有许多传统c r t 不可比拟的优点，如元件为簿型， 而且从大型显示到小型显示都可以满足，可大幅节省摆放空间，除了可放置于桌上之外，也可以悬 挂于墙上，其体积仅为一般c r t 显示器的1 0 ，重量只有l o ：运行电压低，因此可由i c 直接驱 动，驱动电路简单，冈此相当省电，耗电量仪为一般c i 盯的1 0 ；没有辐射，不伤身体，画面也不 会闪烁，可以避免眼睛冈长时间注视屏幕而感到疲倦；属于非主动发光犁显示，即使在明亮的场所， 显示也是鲜明的。p d p 显示器造价相对昂贵，所以4 0 英寸以下的显示器一般不采用p d p 制造，而 且p d p 显示器还存在“烧屏”的缺点。o l e d 的寿命较短，不能实现大尺寸屏幕的量产，还存在色 彩纯度不够的问题，不容易显示出鲜艳、浓郁的色彩，因此目前只适用于一些小型便携类设备。综 上所述，液晶显示器具有最折中的优势，因此稳定地占有了最大的显示器市场。 2 2 2 液晶显示原理 l c d 技术是把液晶灌入两个列有细槽的平板之间。这两个平板上的槽互相垂直目的是使位于两 个平面之间的分子被迫进入一种9 0 度扭转的状态。由于光顺着分子的排列方向传播，所以光经过液 晶时也被扭转9 0 度。但当液晶上加一个电压时，分子便会重新垂直排列，使光线能直射出去，而不 发生任何扭转。 自然光是从四面八方随机发散的。l c d 是依赖极化滤化器和光线本身来达到显示效果的。极化 滤光器实际是一系列细密的平行线，从而阻断不与这些线平行的所有光线。由于第二个极化滤光器 的光线正好与第一个垂直，所以能完全阻断那些已经被极化的光线。只有两个滤光器的线完全平行， 或者光线本身已扭转到与第二个极光滤光器相匹配，光线才得以穿透。一般地，极化滤光器是专门 制作好的有机偏光片，偏光片内侧附有与之相同方向的取向膜，以使液晶分子取向。由于两个滤光 器之间充满了扭曲液晶，所以在光线传出第一个滤光器之后，会被液晶分子扭转9 0 度，最后从第二 个滤光其中穿出。另一方面，若为液晶加一个电压，分子又会重新排列并完全平行，使光线不再扭 转，所以正好被第二个滤光器挡住。总之，加电将光线阻断，不加电则使光线射出。也可以改变l c d 中的液晶排列，使光线在加电时射出，不加电则被阻断。 从液晶显示器的结构来看，无论是笔记本电脑，桌面系统还是电视机，采用的l c d 显示屏都是 由不同部分组成的分层结构。l c d 由两块玻璃板构成，厚约1 姗，其间由包含5 啪的液晶材料均 匀间隔开。因为液晶材料本身不发光，所以在显示屏两边都设有作为光源的灯管，而在液晶显示屏 背面有一块背光板和反光膜。背光板由荧光物质组成，既可以被照射后发光，又可以反射光。其作 用主要是提供均匀的背景光源。背光板发出的光线在穿过第一层偏振过滤层之后进入液晶层。液晶 层中的液晶滴都被包含在细小的单元格结构中，一个或多个单元格构成屏幕上的一个像素。在玻璃 板与液晶材料之间是透明电极，电极分为行和列。在行与列的交叉点上，通过改变电压而改变液晶 的旋转状态。液晶材料的作用类似于个小小的光阀。在液晶材料周边是控制电路部分和驱动电路 部分。当l c d 中的电极产生电场时，液晶分子就会产生扭曲，从而穿越其中的光线进行有规则的折 射，然后经过第二层的过滤后在显示屏上显示图像f l l 】。 8 东南大学硕士学位论文 2 2 3 未来显示技术 显示技术的迅速发展使得新型显示器技术得到了越来愈多政府部门的支持，并且成为了商业领 域众多公司竞相追逐的热门技术。例如，2 0 0 7 年p u r e d 印m 联合三星推出4 6 英寸多层显示l c d ，它采 用了两个截然不同的液晶面板层来共享一个普通的背光光源，来显示多层次的显示内容。每一个显 示面板都可以接受到独立的控制信号，用户可以在阅读电子邮件的同时看电视节目。该技术可以用 在手机显示屏、游戏机以及车载导航仪等领域。又例如，索尼公司生产的代号为l i b r i e 的电子图书浏 览器，在其普通的玻璃屏幕之下隐藏着惊人的技术革命。与传统的平板显示技术( p d p 和l c d ) 相 比，这种显示设备不仅轻便时尚，其显示技术在工作效率方面也具有当代显示器产品所难以企及的 优势。例如，在保持静止图像的时候，这种显示设备甚至可以不耗费任何能源。目前的显示器都无 法做到这点，只有传统纸张才能实现这一功能。换句话说，这种显示设备