（物理电子学专业论文）smpdp灰度与色度增强算法的研究与实现.pdf

摘要 等离子体显示器在进入2 l 世纪后已经在市场上确立了其在大屏幕高清晰度显示领域的重要地 位，但是目前仍然有许多需要改进的地方，如效率、功耗、成本等。新型荫罩式等离子显示器( s m p d p ) 的出现为进一步解决这些问题提供了可能。然而将该技术推向产业化还有许多工作，显示图像质量 的提高就是其需要解决的问题之一。 本论文对p d p 中的图像增强技术进行了研究。并针对人眼视觉感知特点、视频图像内容本身、 p d p 驱动特性等，提出了适用于s m p d p 显示图像灰度与色度增强的算法，并对这些算法作了软件 仿真和硬件实现工作。通过在实际s m p d p 系统上的验证表明。本论文提出的算法能显著提高图像 显示质量。 论文的工作主要包括理论分析，算法研究，系统设计与措建和实验验证。具体研究工作可以分 为以下六个方面：基于视觉的反g m m a 矫正，提出将人眼视觉系统和环境光影响因素引入矫正模 块：基于a d s 的亮度线性化，优化了重置波形和子场规划：针对图像内容的自适应对比度增强，提 出自适应直方凰均衡化和g m a 曲线优化算法；图像低灰度内容扩展，提出了一个基于视觉感知 和s m p d p 放电特性的模型；针对驱动方式的自适应亮度增强，根据当前图像的平均灰度调整每帧 图像的子场个数和单个子场的维持脉冲个数；显示图像色度优化，结合s m p d p 本身发光颜色特性 提出色度调整方法。 关键字：荫罩式等离子显示器，灰度，色度，视觉感知，自适应增强 a b s t r a c t p l a s m ad i j p l a yp a l l e l t l m o l o g yh a s 砒i e v e dm ye m n “tp c f f b m o am di th b e e n r e g a r d e d 埘o n co f l h # b c 摹tc a n d i d a t e sf o r i - i d r v 删g h - d e 4 m i t i o nt e l “i | i o n lh o w c v c l , t l a e r ca 他m t i l ll l o m c p r o b l e m sa n dd 商锄m 髑，i ，e t h eh i g hp o w 矗 咄啪p t i o n , h i g hf a b f i 。撕蛐c o s t 锄dl o wl u m i l a a z 雠 e f i 。i o n e y 1 1 l ct e d m o l o g yo fs h a d o wm kp l a s m ad i s p l a yp a n e l ( s m p d p ) f t o v i d e st h ei x m s i b i l 姆t 0 a o l v i n gt h e f tp r o b l e m s c e f t t a i n l y , t h e r ea r es t i l ll o t so f j o b as h o u l db ed o n ei ”f o r ct r a m f o rt h i st l m o l o g y f r o ml a bt om sp r o d u o t i o n t h ei m p r o v e m e n to fi m a g eq l m l i t yi n $ m p d pi s0 1 1 eo ft h ck e yt o p i c si n t h o l ei j i l u c i i al o to ff 嚣扎hi ni m n g cc l d l a n c , c m a n ta l g o f i t h m lw h i c h v v c r cl l s c di np d ph a sb nd o n e t h ct t u m 锄 v i s u a ls y s t e m ( h v s ) f a c t o r 8 t h ei n f l u e e do fi m a g ec a n t e n t dd r i v i n gm e t h o d si np d ph a db o c a e o m i d a e dt od e v e l o pn 嵋n l g o r i t l m a so fg r a yl e v e i 瓤i dc h r o m ae 1 1 l l a n c c n l 6 1 1 tw h i c hg o u l db eu t i l i z e di n 研m d pt h ep r o p o s e da l g o r i t h mb o t hh a d e v a l u a t c db ys o t l w a o r cs i m u l a t i o n 盟dh a r d w a r e i m p l c m t a t i o n n er c a u i t si n d i c a t et h a tt l a , p r o l m c da l g o r i t l u n ls i g l l i f i c n n t l yi m p r o v ej m a g cq u a l i t yi n s m p d p t h ci t a l i sw ”p r c m 喇w i t t lt h e o r yn m l l y s i s ，a l g o r i t h mr c s e , m d aa n di m p l c m m a t n t i o n , s y s t e md i g na n d e x p e r i m a l t t h cf o l l o w i n gs i xe “h a r k e e m e n ta l o r i t h mw c o v e r d ：1 t h ei n v e r s eg m m ae o r r c c t i o r t , w h i c l a i n t r o d u c c st h ec o t a j i d e r i n go fh v sf a c t o ra n de n v i r o n m e n tl u m i n a n c c ；2t h el u r e i n n l l l c l ：t i n e 1 r i t yb c do n a d sd a i v i n gm e t h o d , w h i d ao p t i m i z c sf i l er e s e tw a v c f o r ma n dt h ed e s i g no fs u b f i c l d s ；3 t h e “i 叩6 v c e , o n t r a s tc r h e m e n tb a s e d i m a g ec o n t e n t , w h i c hf o c u s e sa d a p t i v ch i s t o g r ae q u a l i z a t i o na n dg m a a d j u s 衄t ；4 m cl o wg r a yl c v de x p e n d i n g ，w h e am o d e li n o h t d i n gm 。p c c p b a 口t l dt h cc h m 酏玎o f d i s c h a r g c mi 曩p r 叩稍e d ；5 t h ei l d l l p t i v cb r i g h 缸翻gi n t c m i f i c r , w h i d l 呻u s t st h en u m b e ro fs u b f i e l d 曩 a n dt l a cs u s l a i np l u l c si n el m b f i e l d 血eb a s i so f a c r a g ep i c 嘶1 w e i ；6 ，m co p t i m i z a t i o no fe , o l o r , 血e a d j u s t m tf o e m e s1 1 1 cd a r o m ao h 6 口： k e y w o r d i ：s m p d p , g r a yi c y 。l , c l u o m a , h v $ ，“i 叩嘛o n l l a n c c m c , a l 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己在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 研究生签名：辛呈盗趁 日期：畦盟：! ! ：竺 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( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名西峨导师签名：日期：趁丑一7 东南大学硕士学位论文 第1 章绪论 2 1 世纪是信息爆炸的时代。在人们从事科研、生产等社会活动及日常生活中，大量的信息产生、 更新和传递着。在信息的传输和处理过程中，显示技术是人一机器一系统中的重要一环。研究表明， 在人们经各种感觉器官从外界获得的信息中，有近6 0 是由眼睛获得的。所以图像显示成为信息显 示中最重要豹方式。随着现代科学技术的进步，人们对图像显示质量不断提出更高的要求。上世纪 中叶以来显示技术的研究和开发工作异常活跃。陆续有新型显示器问世。 在各类显示器件中，c r t 经过长期发展已进入成熟期，其亮度、分辨率、色度、响应速率、对 比度、寿命、视角等方面的表现十分卓越，并且已经形成巨大的产业，产品售价低廉，规格型号多 样，无论在电视接受终端领域，还是在计算机，工作站应用方面，仍然占据着主导地位。但是c r t 的缺点随着科学技术的发展变得日益突出：笨重，需用高电压、有x 射线辐射、图像闪烁感强等。 随着高清晰度电视( h d t v ) 的即将推广，人们对显示器平面尺寸、分辨率的要求不断提高，传统 的c r t 技术已经无法满足人们对显示器件大屏幕、薄型化日益增长的要求。 近年来平板显示器件己逐步受到越来越多的关注。在目前研究工作比较集中的平板显示器中， 液晶显示器( 1 i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ，l c d ) 和等离子体平板显示器( p l a s m ad i s p l a yp a n e l ，p d p ) 占 主导地位。其中p d p 凭借其大屏幕、真彩色、视角大、高对比度、厚度薄、分辨率佳，体积小、重 量轻等诸多优点，被认为是晟有前途的超大屏幕h d t v 接收终端之一，代表了未来显示器的发展趋 势。当然，要能够完全取代传统的c r t ，p d p 需要解决几个重要的问题：包括如何提高亮度。如何 提高发光效率，如何提高对比度，如何改善或者消除伪轮廓现象。随着2 l 世纪信息时代的飞速发展， 诸如数字电视广播和英特网等基于图形和图像的服务将得到广泛的拓展，从而为p d p 提供了无比广 阔的应用前景”j 。 1 1 等离子体显示器( p o p ) 概述 等离子体显示屏( p l a s m ad i s p l a yp a n e l ，简称p d p ) 是目前主流平板显示器的一种，它的发光 原理与我们日常所见的荧光灯一样，通过将强电场施加到低气压惰性混合气体的两端，使其击穿产 生强烈电离而直接发光或产生紫外光激发c e l l 内侧荧光粉发光的显示器件，就像有数万个微小的荧 光灯管有规则的排在一起发光，p d p 根据施加电压的情况可分为a c - p d p 和d c p d p 两大类，目前 的产品以a c p d p 为主流，而a c - p d p 又根据电极结构的不同，可分为对向放电型和表面放电型两 种。还有一种交直流混合型p d p ( a c d c p d p ) ，它是通过阳极和阴极间的直流放电来寻址，通过 一对存储电极间的交流放电来提供存储特性和获得高亮度，但它现在仍处于实验阶段。由于p d p 厚 度小、重量轻、显示面积大、无显示视角问题、图像色彩鲜艳等特点，已被公认为目前高清晰度电 视接收机( h d t v ) 和大屏幕家庭影院显示终端的最有力竞争者。 i i 1p d p 的发展历史 2 j p d p 是利用惰性气体在一定电压下产生气体放电( 形成等离子体) 而直接发射可见光，或发射 真空紫外线( v u v ) 转而激发光致荧光粉而间接发射可见光的一种发光型( 主动型) 平板显示技术。 显示屏由许多微小放电单元矩阵式捧列组成，通过选址使放电单元产生放电。 国际上对等离子气体放电用于显示的研究可以追溯到2 0 世纪5 0 年代，第一个应用是b u r r o u g h s 第l 章绪论 公司制作的等离子体数码显示管。真正开始对p d p 显示技术进行深入的研究开始于2 0 世纪年代 中期。 最具历史性的突破发生在1 9 6 6 年，美国l l l i n o i s 大学的b i t z e r 和s l o t t o w 教授发明了交流等离子 体显示板a c c - p d p ；1 9 6 8 年，荷兰p h i l i p s 公司发明了直流等离子体显示板d c o p d p ；1 9 7 0 年，美 国布劳斯公司又研制成功了自扫描等离子体显示板，从而逐步推动了等离子体显示器的发展。 进入2 0 世纪9 0 年代以后，等离子体显示板的发展非常迅速，在提高亮度，实现多灰度级显示， 延长使用寿命方面均有了重大突破，p d p 被公认为是最适合作为高清晰度电视0 t d t v ) 的大屏幕彩 色显示终端技术。1 9 9 3 年，日本的富士通公可采用表面旗电式结构率先实现了5 4 c m 的彩色p d p 量 产；1 9 9 6 年被称为“等离子体电视时代”的起点，从1 9 9 6 年开始，多家公司相继推出了大屏幕的 彩色等离子体电视产品，包括日本魄n f c 、先锋、松下等多家公司的产品开始市场化。韩国的三星、 l g 、o r i o n ，法国的t h o m s o n 等都加速了开发和规模生产的步伐，投资兴建p d p 生产线的资金累 计己超过2 0 亿美元。2 0 0 5 年，多家公可推出了5 0 英寸左右的f u u - h d 产品，其中，三星，l g 和 东芝更是已经推出了1 0 0 英寸以上的超大尺寸高分辨率p d p 产品“j 图1 i 1 展示了早期比较具有代表性的p d p 显示屏 ( a 伊币j 诺依大学p d p 实验屏( b ) o w e n s - i l l i n o i s 公司单色p d p 产品 ( c ) p h o t o n k m 公司5 9 英寸单色p d p( d ) 膏士通公司3 1 英寸全彩色p d p 圈1 1 1 早期主要p d p 实验样机及产品 2 东南大学硬士学位论文 1 1 2p d p 的典型结构及新型结构 等离子体显示屏按照放电单元的结构来划分，有三种典型的结构：直流放电型、交流对向放电 型和交流表面放电型柳。三种结构的截面图如图1 1 2 所示，图中上半部表示水平方向的截面图，下 半部表示对应的垂直方向的截面图。 o ) 直瘴放电( b ，空漉对向放电c ，交蠢表面放电 图1 1 2 三种典型的放电单元结构 图1 i 2 ( a ) 中所示直流放电型结构相对比较简单，每个放电单元有两个交叉的行列电极相对应， 当两个电极的电压差达到某个数值时，气体产生放电，并进一步激发荧光粉发出亮光。在直流型结 构中，为了限制放电过程的电流，通常在每个放电单元都串接一个电阻，对于整屏所有的像素而言 电阻的相对误差必须小于o 5 ，而这一过程在大规模的生产过程中比较难控制。由于直流放电结构 的p d p 在亮度和效率方面的不足。目前已经基本消失，市场上大部分等离子体显示屏采用的都是交 流结构，本论文在下面也将主要讨论交流型结构的工作原理，关于直流型放电过程的工作原理可以 参考【4 】。 图1 1 2 ( b ) 所示为交流对向放电型单元的结构图，与直流型相比，交流对向放电型在前后基板 的电极上增加了介质层。在放电过程中介质层上将由于放电电流而不断积累壁电荷，随着壁电荷的 进一步积累，放电空间的场强被逐步减弱，并最终导致放电的停止。因此为了使放电过程不断继续， 极性相反的电压必需交替的加载在行列电极的两端，这个交替的电压就是后面将要介绍的维持电压。 另外由于壁电荷的积累。使放电空间产生维持放电所需的电压幅值也会有所下降。 图1 i 2 ( c ) 所示交流表面放电型结构与对向放电型结构的区别在于，在前基板每个象素拥有两 个平行的行电极，维持电压就加载在前基板的两个电极之上。这是目前绝大多数等离子体显示屏所 采用的结构。它与对向放电型相比，优势在于放电集中在前基板的表面，而荧光粉涂敷在后基板之 上，因此离子对荧光粉的轰击要弱许多，从而可以提高荧光粉的寿命。 尽管p d p 具有大屏幕、宽视角、高亮度，快响应频率等一系列优点。但是发光效率低，功耗高 一直是制约它发展的一个瓶颈。目前各大p d p 制造企业分别采取各自的措施改善产品性能。如提高 混合气体中氙的比例、采用较高的工作气压等等。也有公司提出了自己的新型结构。 w a f f l e 结构嘲 w a f f l e 结构是先锋公司于2 0 0 1 年提出的。w a f f l e 结构是在传统的三电极表面放电结构的基础上 3 第1 章绪论 在行之间增加了障壁隔断，将条状介质障壁改为封闭状结构。这种结构可提高荧光粉涂敷面积，更 好地收集紫外光子，从而大大提高了显示屏的亮度和放电效率。而封闭结构的介质障壁还可减小放 电单元间的串扰。图1 1 3 为两种结构障壁的显微图像。采用该w a f f l e 结构与t 型电极的组合，发 光效率可提高4 0 。 绀条状雕量 d e l t a 结构删 妫w e m e 障壁 匿1 1 3 条状障壁和w a l d o 障壁显徽图像 富士通公司开发出的d e l t a 结构，同样可有效提高放电效率。d e l t a 结构的基本构造与通常使 用的三电极表面放电结构相同。前基板上制作维持电极并覆盖介质层；后基板上制作寻址电极和介 质障壁，障壁内涂有红绿蓝三色荧光粉，如图1 1 4 所示，不同之处在于放电单元的形状和排列。 盟1 1 - 4o e 丌a 结构象素结构及障壁显微固像 可以看到放电单元由弯曲的障壁构成。一个象素由按d e l t a 方式摊列的红绿蓝放电单元组成。其 增大了荧光粉的涂覆面积，增加单元中的有效发光面积，从而提高亮度和发光效率。该结构对前后 基板定位、i t o 线条精度、障壁与寻址电极问对位的要求提高，增加了制作难度。 荫军式结构田 由东南大学提出的荫罩式p d p ( s m p d p ) 结构是近来受到国际上许多p d p 厂家和学者密切 关注的一种结构。该结构采用c r t 中使用的金属荫罩代替介质障壁，使成本大幅度降低，成品率提 高。研究表面，该结构具有低着火电压、高响应频率、高亮度、高效率以及长寿命等优点。 4 东南大学硕士学位论文 锄i - p d p 结构 ) 荫罩显徽国像 匿1 1 5 3 4 英寸及2 5 英寸$ m p d p 象豢捧列 图1 1 5 是s m p d p 结构示意图。可以看到该结构同对向放电结构类似。分别制作在上下基板上 的一组相互正交的行列电极构成一个放电单元。荧光粉涂敷在荫罩内侧。 通过改变放电单元的排列方式和放电单元的形状，该结构可很方便的实现s v g a 显示模式。 1 1 3p d p 基本工作原理 1 气体放电过程 彩色等离子体显示屏利用气体放电产生的紫外线激发荧光粉从而产生彩色光，图1 1 6 所示为一 般气体放电的组成和伏安特性。如图1 1 6 ( a ) 中所示，气体在放电过程中产生了两个区域：负辉区 和正柱区。其中负辉区是不可压缩的，而正柱区可以随着放电空间长度的变化而变化，气体在放电 过程中产生的辉光主要集中在正柱区。对于等离子体显示屏来说，放电空间距离非常的短，通常只 有0 1 5 r a m ，因此等离子体显示屏在放电过程中一般只出现负辉区。图1 1 6 ( b ) 中伏安曲线表示当加 在气体两端的电压达到某个数值时，气体开始出现电离，电离后的电子和离子则分别向两极运动， 在电子和离子的运动过程中它们会碰撞其它的气体分子并促使该中性分子产生电离，并且这些高能 状态下的一次粒子在轰击固体表面时会导致二次电子发射，当碰撞产生的空间带电粒子逐渐增多时 进而会产生雪崩效应，此时大量的气体分子被电离并在外电场的作用下向两极运动。对于等离子体 显示屏的放电单元而言，其放电过程主要是介于稳定和非稳定的辉光放电之间。 2 。潘宁效应 在等离子体显示屏的放电单元中，通常充的是混合的惰性气体，如氖气或氦气加上少量的氙气。 在放电的初始阶段，放电空间的少量电子在电场的作用下作迁移运动，在迁移运动的过程中，电子 会碰撞到氖、氙的原子，并促使它们电离产生电子、离子对，电子在单位移动距离上碰撞产生的电 子、离子对通常记为a 。电离产生的离子在外电场的作用下会向阳极运动，同样在离子的运动过程 中由于碰撞会激发新的电子和离子对，离子在单位移动距离上碰撞产生的电子、离子对通常记为y 通过不断的碰撞，电场空间的电子会不断的增加，并进而产生放电的电流。 产生上述的放电过程的条件之一，是外加的电压必须满足气体放电所需的着火电压。氙气的着 火电压比氖气要高许多，但是在氖气里加少许氙气，可以大大的降低氖气的着火电压。这一现象是 潘宁所发现，故此命名为潘宁效应嗍。等离子体显示屏正是利用这一现象来降低放电空间的着火电 5 第1 章绪论 压，在早期氙气的浓度大约在5 左右。但为了提高发光效率，目前氙气的浓度已经普遍提高到接 近2 0 0 , 6 电 流 t b ) w 特性 圈1 1 6 气体放电的特性曲线 着火电压的降低也可以通过提高二次电子的发射来实现，目前等离子显示屏的放电单元普遍在 介质层上加上了一层m g o 层，m 9 0 层除了能保护介质层免受离子轰击外。它具有较高的二次电子 发射系数。因此目前等离子体显示屏的着火电压已经降低到2 0 0 v 左右。 3 紫外线的产生 彩色p d p 虽然有许多不同的结构，但其发光机理都是相同的。即利用n e - x e 等潘宁气体在电场 作用下放电产生真空紫外光，真空紫外光激发涂覆在放电单元内的三基色荧光粉获得红、绿、蓝三 基色，三基色经时问调制和空问混色实现彩色显示 在n e + x e 混合气体中，当放电单元内的电压高于着火电压，则产生放电。电子和带正电的离子 在电场作用下分别向阳极和阴极运动，运动过程中加速并与其它粒子发生碰撞产生大量带电粒子。 与此同时，被加速后的电子也会与x e + 发生碰撞，形成氙的激发态： e + x e + 一x e 。( 2 p 5 ，2 p 6 ) + y 由于x e 原子2 p 5 和2 p 6 能级的激发态x e * 很不稳定，极易跃迁到较低的能级，并产生8 2 8 n m 和8 2 3 n m 的红外辐射。 x e 。( 2 p 5 , 2 p 6 ) 哼x e ( 3 p 1 , 3 p 2 ) + h v ( 8 2 3 n m ，8 2 8 n m ) 6 趋槲 东南大学硕士学位沦文 屁( 1 s ，) 与周围的分子相互碰撞。发生能量转移，但并不产生光辐射，即发生碰撞转移： x e ( 3 p 1 ) 专x e o p 2 ) x e ( 3 a ) 是x e 原子的谐振态，它跃迁至基态时，辐射1 4 7 m 紫外光，该过程称为谐振辐射。 x e 的分子激发态( x e 2 ) 跃迁至基态时，辐射1 5 2 n m 和1 7 3 r i m 的紫外光，该过程称为分子辐射过 程。分子辐射过程和谐振辐射过程产生的紫外辐射均可有效地激发荧光粉产生可见光。 整个辐射过程可参见图1 1 7 。 x e ( 3 a ) 专x e + h v 皿：( 钟) _ 2 x e + h v 屉；( 1 ：) 寸2 屉+ j i i ， x e 2 ( 3 + 。) - - - 2 x e + h v ( 1 4 7 n m ) ( 1 5 0 n m ) ( 1 7 3 n m ) ( 1 7 3 n m ) 图1 ， 7 紫外辐射示意圈 1 1 4p d p 的特点和存在问题 随着我国数字电视标准的逐步制定完成，未来家庭高清晰娱乐显示终端的竞争将更加剧烈。目 前加入到竞争行列的平板显示器件有：液晶显示屏，等离子体显示屏，大屏幕背投显示屏等。相对 于其它几种显示技术，p d p 具备许多独特的优点： 平板化、重量轻、可实现壁挂式显示； 为自主发光型显示，因此与l c d 相比，等离子体显示屏具有较高的亮度，而且等离子体显示 屏的视角比较宽，可以达到1 6 0 度以上； 适合大屏幕、高分辨率显示。目前单色p d p 已做到对角线达到1 s i n ，分辨率2 0 4 8 x 2 0 4 8 ， 而彩色p d p 已能超过6 0 英寸，分辨率超过1 0 0 0 线，1 6 7 0 万种颜色； 7 第l 章绪论 等离子体显示单元具有很强的非线性特性。作为矩阵显示，为了能对单元寻址，要求单元从 熄灭到点亮具有很强的非线性，而气体放电具有很强的非线性，或称开关特性，即仅当单元上施加 的电压超过着火电压时，气体才发生放电。因此，等离子体显示屏非常适合用于数字化显示； 存储特性。p d p 特有的存储特性使等离子体显示屏在存储工作方式下能得到比低占空比扫描 刷新方式显示高得多的亮度，这使得高分辨率大屏幕p d p 成为可能； 寿命长，目前等离子体显示屏的使用寿命己超过i o 万小时； 响应快，p d p 的响应时问为微秒级，使显示图像时像素信号的更新不成问题： 受磁场影响小，无需磁屏蔽。 同时，等离子体显示屏也存在着一些问题，主要包括： 不能承压，功耗大。由于是大型超薄平板显示器，结构上不能承压，驱动电压高，功耗大； 亮度低。虽然与l c d 相比。p d p 的亮度提高了许多，但作为壁挂式的显示器件其亮度仍需要 进一步提高； 发光效率低。由于p d p 发光是利用的是辉光放电的负辉区，效率比较低； 成本高。要降低成本，必须降低材料成本，简化制造过程，提高成品率，这样才可以降低屏 的成本，改善显示屏的工作特性。降低对驱动的要求，从而降低驱动电路的成本： 显示质量有待提高。如存在串扰，在分辨率、对比度、图像伪轮廓等方面，仍需要进一步的 提高。 以上所有罗列的问题中，成本问题是最为关键的。对于4 2 英寸的等离子体显示屏而言，其进入 中国家庭必须跨越整机单价1 0 0 0 美元的价格关口。为降低生产成本创新是唯一的出路，这其中包 括，提出新型的放电单元结构并带动着火电压的下降、设计和优化显示屏的生产工艺流程。降低大 规模生产的成本，同时等离子体显示屏还需要进一步设计和优化带能量恢复的电源驱动模块以降低 整机功耗、以及设计和优化视频驱动模块并改进显示的图像质量等。 为解决上述问题。一些新型的驱动方式被提出来，如a w d 驱动方式1 9 、a l i s 驱动方式“o l 、 c l e a r 驱动方式【i l 】、p l a s m aa i ”驱动方式等；同时一些新型的放电单元和屏结构被创造性地提出， 如d e l t a 结构旧、t u b e - a r r a y 结构”“4 】、w a f f l e 结构嘲、s m 结构m 等；为改善图像质量，带运 动估计的补偿方法也被采用到等离子体显示屏的视频驱动系统之中j f l 6 l 【1 1 国内东南大学提出了荫罩型等离子体显示屏( s m p d p ) 结构，该结构与传统a c c p d p 结构相比， 用成熟的荫罩替代障蔽结构，从而简化了生产工艺流程，带动了整屏生产成本的降低。 1 2s m p d p 结构和驱动方法 前面提到，目前等离子体显示屏主要存在三大问题：整机成本高、功耗大和图像质量不够好。 为解决上述问题，东南大学提出了新型的荫罩型等离子体显示屏( s m p d p ) ，区别于以往的结构， 荫罩型等离子体显示屏采用荫罩来替代传统的障蔽。从面简化了显示屏的制作流程，并且由于荫覃 本身的特性，经过优化设计，荫罩型等离子体显示屏可以具有较高的显示效率。进而带动整机功耗 的下降。 8 东南大学硬士学位论文 1 2 1s m p d p 基本结构 图1 2 1 为s m p d p 结构图1 1 8 】，该结构由前基板、荫罩和后基板三部分组成。在前基板上用光刻 的方法制作透明电极组，在透明电极表面用丝网印刷的方式叠印黑、白银电极，一方面提高对比度， 另一方面减小电阻值，保持驱动时每行所有单元上的电压相同，通常称为总线电极( 又称汇漉电极) 。 总线电极和透明共同组成了显示板的扫描电极，用于逐行扫描和维持放电显示在扫描电极表面用 丝网印刷厚膜工艺制作了透明介质层，通常该介质层分为两层，底层为隔离层，阻断总线电极中的 a g 离子向介质中扩散形成黄斑，而上层为流淌性较好的介质材料，使介质表面光滑，有利于后道薄 膜工艺。在介质层表面通过电子束蒸发的方法制作了m g o 薄膜，一方面保护介质免受离子轰击， 提高器件寿命。另一方面提供较高的二次电子发射，降低工作电压。后基板与前基板基本相同。不 同处在于没有透明电极，仅用了a g 电极，为了提高亮度。介质通常采用高反白材料。有效地反射 可见光。前后基板中间是金属荫犟，采用丝网印刷的方法，在荫罩孔内壁形成荧光粉膜将上述三 部分用低熔点玻璃封接材辩高温封接后，进行烘烤除气，真空度达1 0 。3 帕后充入适当气压的 n e + 4 x e 混合气体，即完成了屏的制作为了提高屏的放电均匀性。主要是m g o 表面状态的均匀 性，通常需进行一定时间的老炼 通过以上结构分析可以得出，s m p d p 和a c c - p d p 相比，在结构上最大的不同就是s m p d p 用 荫罩( s h a d o w m a s k ) 代替了a c c - p d p 中的障壁1 7 。s m p d p 中所用的荫罩和是c l y r ( c o l o r d i s p l a y t u b e ) 中用的高分辨率荫罩是一样的。为c r t 工业中广泛应用的部件，通常采用的材料为a k 钢或 l n v a r ( 一种铁镍合金) ，厚度为0 1 2 - 0 2 5 m m ，通过光刻制作图形，用f e a 3 化学腐蚀而成，其结构 如图1 2 2 所示。由于荫罩原材料成本低，工艺简单，成品率高因此价格低，用于p d p 可以有效 地降低成本。 9 第1 章绪论 圈1 2 2 荫罩结构图 s m p d p 从结构上类似与早期的对向放电式结构。不同处在于用导电的荫罩取代了工艺难度高、 用介质材料制作的障壁，降低了成本，提高了器件的均匀性。荧光粉的涂覆位置有效的避免了离子 轰击，提高了器件的寿命 s m p d p 中由于荫罩的每一网孔截面为碗状。它与前基板的接触面积很小，既可以保障荫罩本 身的强度，又可保障对前基板支撑的强度，还能最大限度地增加整个等离子体显示板有效的发光面 积与视角n 由于s m p d p 中荫罩本身也起到现有等离子体显示板中障壁结构的作用，因此能防止诸像素各 方向之间的光干扰，与现有结构相比，还有利于提高分辨率特别是行分辨率。 由于金属的加工技术比现有等离子体显示板中所用绝缘材料构成的障壁制造技术要简单成熟得 多，因此，该结构适合于大批量生产，提高成品率，降低生产成本。 与表面放电结构p d p 相比，s m p d p 结构开口率高：荫罩本身黑化后可以提高对比度。不用在 前基板制作会减小显示面积的黑底图案，因此。提高了前衬底玻璃基板的通光( 可见光) 性能，有 利于提高亮度和发光效率。 通过改变放电单元的排列方式和放电单元的形状，该结构可很方便的实现大分辨率显示模式 图1 2 3 分别为v g a 和s v g a 显示模式时使用的s m p d p 放电单元形状和捧列方式【1 8 j 绀3 4 英寸v 泓s m d p d p 矩形捌蚴2 5 英寸s v o as m d e d p d e l t a 捧巩慷素 圈1 2 3 3 4 英寸和巧英寸s m p d p 象素排列 1 0 东南大学硬士学位论文 1 2 2s m p d p 驱动方法 与液晶显示器只需要几伏的电压就可以驱动相比，彩色a c c - p d p 中气体放电要1 0 0 伏以上的 电压才可以发生。因此要实现图像的显示，需要将低压的图像数据信号转换成高压脉冲施加在电极 上。驱动电路的作用是对显示数据傲相应的处理，提供驱动彩色a c b p d p 所需的各神高压脉冲波 形； s m p d p 屏的驱动电路系统主要包括四个部分：视频采集、逻辑控翻、高压驱动和电源部分， 如图1 2 4 所示 1 视频采集 翻1 2 as m p d p 驱动模块设计圈 图像采集包括常规模拟视频信号的数字化，存储、针对p d p 显示所做的图象处理，其中常规视 频信号包括v i d e o s - v i d e o 以及v g a 信号。目前市场上能够购买成熟的相应专用解码芯片，侧 如飞利浦的s a a 7 1 1 0 和s a a 7 1 1 4 系列在模拟图象数字化后。必须将信号存储下来，由于p d f 一 般采用子场显示方式，因此必须存储两帧以上的图像，以便对每帧图像划分子场。针对p d p 显示的 特殊性，还必须对图像进行处理，消除数字显示带来的视觉误差、提高显示质量。对显示数据的处 理是将显示数据按位分离，分块存储。如将一场显示数据的最低位到最高位，根据权重就行分块存 储。 2 控制模块 控制模块是p d p 显示驱动的核心模块，它产生p d p 正常工作所必需的行，场同步信号、子场 产生同步信号，图像存取信号、电源控制信号和高压驱动所需的控制波形这一部分功能的实现通 常采用f p g a 。 3 高压驱动 高压驱动电路的主要功能是按一定的逻辑控制时序，产生驱动显示屏的高压驱动波形由于p d p 1 1 第1 章绪论 的工作电压较高因此其选址工作必须采用专用的低压控制高压输出的芯片。例如可采用了n e e 公司的p d p 专用芯片，该芯片可同时驱动4 0 路，电压可达到2 0 0 伏 4 电源 在p d p 中存在着各种电压幅度，因此其电源的设计也是十分重要的。由于p d p 是电容性器件， 因此其正常工作时瞬间电流较高，为了降低p d p 的功耗。必须采用能量复得电路，驱动波形利用电 感将能量返回电源，从而可以解决高功耗的问题 5 驱动波形 荫罩型等离子体显示屏的可以用多种驱动方法来驱动，下面介绍其中一种比较简单的驱动方案， 该方案采用了a d s ( 寻址与显示分离的子场) 驱动时序。a d s 驱动方法是彩色a c x ：- p d p 最典型的 应用最广泛的驱动方法，由富士通公司首先提出，许多驱动方法都是基于它开发出来的。 对于典型的a d s 驱动方法，如图1 1 2 ，一个帧频为6 0 h z 的视频帧时间为1 6 6 7 m s ，每一个视 频帧分为8 个子场显示，每个子场又分为寻址期、维持期和重置期。每一个子场内都要顺序扫描寻 址各显示行，然后整屏所有显示单元同时维持显示。同时，每个子场都有不同的维持脉冲数可以显 示不同的灰度等级。2 5 6 级内的灰度可以通过不同的子场组合来实现 以显示数据量化为8 位为例，将一帧时间分为8 个子场，8 个子场的主要的区别在于维持期的 维持脉冲个数不同。如果采用二进制编码，则典型的8 个子场维持脉冲个数比为1 ：2 ：4 ：8 ：1 6 ：3 2 ：6 4 ：1 2 8 。 这样通过不同子场点亮的组合就可以实现2 5 6 级的灰度显示。例如一个数据为0 0 0 0 1 0 0 1 ，只有第一 子场和第四子场点亮，对应灰度级为9 的亮度。对于彩色a c c - p d p 。红，绿，蓝三种基本颜色，每 种颜色可以显示2 5 6 级灰度，这样就可以组合出1 6 7 7 7 2 1 6 种颜色，从而实现全色显示 如图1 2 5 所示，图中斜线代表逐行扫描寻址，即寻址期；灰块代表高频率维持脉冲，即维持期； 通常在维持期之后要对全屏进行重置，以消除上次放电对下一子场的影响。采用a d s 驱动方式能充 分利用交流p d p 具有存储功能这一特性，从而能够获得较高的亮度 闺1 2 5p d p 的a d s 驱动方案示意圈 东南大学硬士学位论文 单个子场的驱动波形如图1 7 - 6 所示，每一子场包括寻址期，维持期和重置期 寻址期：寻址的作用是区分在本子场维持中哪些点需要发光，哪些点不需要发光。所以也被称 为“选择性寻址操作”。在要点亮的单元中，通过扫描电极的负向寻址电压和数据电极的正向数据电 压之间的放电，从而在介质层上积累了壁电荷，这些壁电荷足以引起维持期维持放电的进行。对于 不点亮的单元，由于数据电极不加脉冲，仅仅扫描电极上的寻址电压不能引起气体放电。未进行寻 址放电，所以单元内不会有壁电荷的积累，相应维持期没有放电产生 维持期：维持期的作用是使需要点亮的点发光，而不需要点亮的点保持熄灭状态s m p d p 在 维持期的时候在扫描电极上加正负交替的维持脉冲，列电极保持零电位 重置期：在整个驱动波形中，重置期的作用是非常重要的。在重置期中，对于某个象素而言， 不论前一个子场是处于点亮或者是熄灭状态，其壁电压都需要被重置到一个特定的，适合于寻址的 范围；除此之外，重置期产生的空间电荷也有利于寻址放电的发生 对于现在流行的a c c - p i ) p 结构，由于每一放电单元中存在着三个电极，为了能够显示，在寻址 之前必须对所有单元进行初始化，通过在前基板上的平行电极问施加高压脉冲进行一次强放电，再 通过与后基板的寻址电极进行放电来使所有单元的壁电荷一致，之后才能实现寻址。这有发光的 初始化过程在每一子场均为必须的，因此对每帧图像都会产生不可消除的背景光，这就严重影响了 图像的对比度；而两电极的s m p d p 不需要这一过程，因此在对比度上要高于a c c - p i ) p 。目前通过采 用斜坡擦除可以达到较好的攘除效果 n n + 1 行 荫罩 寻址列 未寻址列 ；丌nn n nnn nn 几n 几门 j 1 j j l j j l j j l j j l j j l r l j j l j j v v l j j 讪r l 兀兀nn nnnf 1nn 几n j 1 j j l j j l j j l j j l j j v l j j l j j l j j l j j v 1 j ； h 寻址 维持 圈1 2 6 s m p i ) p 子场驱动渡形 重置 在p d p 驱动设计的过程中，还有一点十分关键，就是电磁兼容性( e 眦) 问题。由于受高压放电 的影响，p d p 系统线路中存在着较严重的电磁干扰，若处理不当，其干扰信号的幅度甚至可能超过 低压电源幅度，严重影响低压逻辑控制部分的正常工作，因此必须严格控制，在制电路板、装配等 过程中要尽可能消除电磁干扰。而s m p d p 由于障壁本身是金属，放电单元被金属包围，本身就具有 降低电磁干扰的功能，因此能够有效的降低驱动设计的难度 1 3 第1 章绪论 1 3 课题主要工作及意义 正如前面所叙述的，等离子体显示器在进入2 1 世纪后已经确立了其在大屏幕高清晰度显示领域 的重要地位，但是目前仍然有许多需要改进的地方，如效率、功耗、成本等。s m p d p 的出现为进 一步提高等离子体显示屏分辨率、亮度以及提高屏的制造成品率。降低成本，延长寿命提供了可能。 目前，s m p d p 已经基本完成了实验室阶段研究，无论从理论分析，还是从实验、样屏等角度，均 已成功的证明了这种技术的可行性与优越性。当s m p d p 进一步发展，进入产业化阶段并逐步商业 化的时候，显示图像的质量就成了s m p d p 迫切需要解决的问题。 本课题是国家8 6 3 计划平板显示重大专项之一中的一部分，从提高s m p d p 显示图像质量的角 度出发，着重考虑了怎样提高s m p d p 中显示图像在灰度和色度方面的质量。课题的工作主要包括 理论分析，算法研究，系统设计，实际硬件平台搭建和实验验证。通过对人眼视觉系统，图像特性 和s m p d p 驱动方式的理论研究，完成显示图像包括灰度与色度的增强算法设计。并根据需求，措 建相关的图像处理硬件平台，设计相关的硬件电路系统，最后在s m p d p 整机系统上进行实际验证。 具体工作包括； 1 基于视觉的反g a m m a 矫正，提出将人眼视觉系统和环境光影响因素引入矫正模块； 2 基于a d s 的亮度线性化，优化了重置波形和子场规划t 3 针对图像内容的自适应对比度增强，提出自适应直方图均衡化和g a m m a 曲线优化算法； 4 图像低灰度内容扩展，提出将人眼视觉感知和s m p d p 放电特性引入扩展模型； 5 针对驱动方式的自适应亮度增强，根据当前图像的平均灰度调整每帧图像的子场个数和单 个子场的维持脉冲个数； 6 显示图像色度优化，结合s m p d p 本身发光颜色特性提出色度优化方法 整个论文的内容结构如下； 第二章对人眼视觉系统和灰度与色度特性进行初步研究；