（电路与系统专业论文）异步伪彩色LED灰度显示原理研究及其实现技术[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 随着l e d 发光强度的提高、工艺技术的进步和价格的下降以及室内外大型平板显示的需 求增加，由l e d 点阵构成的平板显示系统成为不可缺少的重要信息发布媒体。近年来，室内 异步显示应用已经从单- d , 型的单色文本信息发展成多种屏体结构、文本图形图像显示共存 的信息发布。本文是对灰度显示系统的分析、室内异步灰度显示系统方案的设计和灰度扫描 硬件的实现和显示效果分析验证。 本文根据系统需求和灰度显示的研究结论确定了异步灰度显示系统的整体方案。从l e d 发光机理出发，结合人眼视觉特性，对双基色室内显示屏的灰度显示原理作了深入研究和分 析。由于异步系统的图像是由上位机生成，为了适应显示屏的显示特性和人眼视觉感知等引 入的图像的线性变换和伽玛校正的处理均在演播软件中体现。在异步l e d 灰度显示屏演播软 件中引出的这些处理的具体算法在随后的硬件设计后得到实践的检验。硬件设计中提出了扫 描控制板的新的s d r a m 图像缓存思路，详细介绍了基于f p g a 的开发流程和具体设计过程。 具体设计中结合s d r a m 的特性，提出了新的s d r a m 读写控制方案，最终对图像显示效果 作了分析。 关键词：l e d 显示屏，异步控制，伪彩，灰度，伽玛校正，f p g a ，v e r i l o gh d l ，s d rs d r a m a b s t r a c t l e dp a n e ls c r e e n ，c o m p o s e db yl e dd o t sm a t r i x ，p l a y sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n tr o l e i nt h em e d i ao fa d v e r t i s e m e n t ，b e c a u s eo ft h ei m p r o v e m e n to fl i g h ti n t e n s i o n ，t h e a d v a n c e m e n to ft h el e dc r a f t w o r kt e c h n o l o g ya n dt h ed r o po ft h ep r i c e i nr e c e n ty e a r s ， l e dp a n e ls c r e e nh a sd e v e l o p e df r o md i s p l a y i n gs i n g l et e x tf o r m a ti n f o r m a t i o nt o s h o w i n gm i x e dd y n a m i cp i c t u r e s t h i sa r t i c l ep r e p a r e st h es y s t e md e s i g no ft h ei n d o o r a s y n c h r o n o u sp s e u d oc o l o rl e dd i s p l a ya n dt h eh a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o no ft h e g r a y g r a d es c a n n i n gb a s e do nt h ea n a l y s e so ng r a y g r a d ed i s p l a y ag r e a to fs t u d yh a ss p e n to nt h eg r a y g r a d ed i s p l a yp r i n c i p l e so ft h eb i c o l o r l e dd i s p l a yb a s e do nt h ei r r a d i a n c em e c h a n i s mo fl e dw i t ht h ep r o p e r t yo fv i s u a la c u i t y i na s y n c h r o n o n sl e dd i s p l a ys y s t e m ，t h ep i c t u r ed i s p l a y e di sc r e a t e di nt h es o f t w a r e s e tu pi np c ，t h e nt h e1 i n e a rt r a n s f o r m a t i o na n dt h eyr e c t i f i c a t i o ni no r d e rt o a c c o r dw i t ht h ee y ev i s u a lp r o p e r t y ，p r e p a r e db e f o r ed i s p l a y e d ，w i l lb ev a l i d a t e d i nt h el 功d i s p l a ys c r e e n an e ws c h e m eo fi m a g ed a t as t o r e yw i t hs d r a mb a s e do nt h e f p g ai sp r o p o s e d t h eh a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o no ft h ec o n t r o lm e c h a n i s mf o rs d r a mi s d e s c r i b e di nd e t a i l k e y w o r d s ：l e dp a n e ls c r e e n ，a s y n c h r o n o u sc o n t r o ls y s t e m ，p s e u d oc o l o r ，g r a y g r a d e ， yr e c t i f i c a t i o n ，f p g a ，v e r i l o gh d l ，s d rs d r a l i n 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：幽日期：垄兰：! 兰! 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。 第一章前言 第一章前言 1 1 l e d 显示技术的应用和现状 l e d 是英文l i g h t - e m i l t i n g d i o d e 的缩写，是指发光二极管。自从第一只l e d 出现以来， l e d 的设计制造工艺一直在应用过程中不断改进和提高。由于l e d 具有驱动电压低、工作 电流小、发光强度大、寿命长、颜色多样且稳定等优点，l e d 器件不仅在未来照明领域提供 了“绿色照明”的设想，而且在平板显示领域的l e d 显示屏应用上取得了很好的效果。 目前，l e d 显示屏的技术和产业处于良好的发展状态。作为重要的现代信息发布媒体方 式，凭借l e d 器件的优越的工作特点，l e d 显示屏成为证券交易、金融信息，交通诱导系 统、体育场馆信息发布和现场传播、户外广告、邮政电信商场信息发布、机场港口车站信息 发布等领域广泛选择的显示终端。l e d 显示已经成为大型公众信息传媒的主流方式。 在我国，l e d 显示屏是9 0 年代发展起来的，l e d 显示屏技术涵盖半导体光电技术、电 子电路技术、集成电路技术、图像信息处理技术、信息传输技术、计算机网络技术以及电子 产品制造和电子产品安装工程相关的技术。各项技术的发展推动着l e d 显示屏技术的不断更 新，目前，l e d 显示应用在全彩色、2 5 6 级灰度视频控制、集群无线控制等方面，国内企业 已经具备了行业领先技术水平的设计制造能力。而l e d 芯片开发、显示屏控制专用大规模集 成电路设计离国际水平尚有一定差距。具体来看，技术现状总结如下： 1 半导体光电技术 在l e d 显示屏产业的推动下，l e d 器件已经不仅在发光强度和视角上得到的很大的改 进，使得户外大屏得到器件发光特性的保证。而且由于全彩显示的需要，对l e d 的红绿蓝基 色管的波长一致性的技术要求进一步地带动了l e d 制造材料及工艺的改进。 除了颜色和发光强度方面的l e d 半导体业迅猛发展，从而使得室外屏体的亮度和色度达 到技术要求并降低屏体成本。另外，在表贴方面的封装工艺保证了室内高密度单双色和全彩 色显示屏的设计方向。尽管表贴l e d 的设计、封装和单元板设计加工成本目前仍然是室内应 用的瓶颈，然而随着产业化的发展以及l e d 显示屏市场高密度定位的需求提升，表贴l e d 器件很有市场潜力。目前的l e d 发光强度指标已经满足了l e d 显示对亮度的需要，但是由 于生产批次和工作温度、时间的不同引起发光强度的偏差仍然是l e d 显示屏尤其是灰度显示 屏造成马赛克的主要原因。 2 电子电路技术 电子电路技术更新改进是集成电路产业发展趋势的必然结果。 在屏体技术手段上，l e d 的驱动电路也趋于成熟，并且该电路的量产也引起了国内外i c 制造商的重视。嵌入式系统级芯片的应用是提高异步显示屏图像处理速度的重要保证，同时 它还使得图形处理硬件在物理尺寸上大为简化，性价比也极高。 随着大规模集成电路的工艺水平的提高，f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t e a r r a y ，现场可 编程门阵列) 和c p l d ( c o m p l i c a t e dp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ，复合可编程逻辑器件) 的 大力发展使专用集成电路的开发进程不影响开发成本情况f 大为缩短。而且不断发展的e d a ( e l e c t r o n i c a ld e s i g n a u t o m a t i o n ，电子设计自动化) 环境使得这类开发工作变的友好，快捷。 东南大学硕士学位论文 3 图像信息处理技术 一方面，我们追求着图像的质量的提高；另一方面，我们力求系统结构的低成本。达到 两者的统一是设计的难点。一般地，根据显示屏的特点设计符合显示基本要求的低成本硬件， 加大软件部分图像处理能力从而达到高质量的显示效果。随着半导体光电技术和电子电路技 术的提高，硬件设计已经达到相当成熟的水平。而软件部分尤其是图像信息处理部分由于实 际应用的场合多样变得灵活。 显示屏从应用看，主要是同步屏和异步屏。在图像信息处理部分，异步屏系统主要体现 在p c 的图像数据组织。包括图像提取、图像r g b 分离、r g b 的y 校正和图像数据的组织。 节目源和应用环境的背景光决定提取、分离和校正的算法。根据硬件的要求不同，数据的组 织方式多变。控制卡实现图像的扫描控制。同步屏而言，p c 软件仅处理节目源，使图像本身 达到适合于显示屏的最佳显示质量。数据提取则来自显卡的视频信号输出，扫描控制卡实现 图像的扫描控制。 4 信息传输技术 根据信息显示内容的实时性要求和环境布线要求，需要考虑信息传输协议。对于异步屏 来说，常用的有标准串口通信方式：r s 2 3 2 或r s 4 8 5 方式。当数据信息较大时，可采用网络 传输。同步屏往往实时性要求高，图像信息直接扫描输出。一般采用专用长线传输接口。 5 其他技术 随着l e d 显示屏系统的发展，相关的电子产品制造业和屏体结构设计方面也日趋成熟。 另外，有些室外l e d 显示屏工作环境恶劣，同时可靠性要求又很高，在整个控制系统中，环 境温度、亮度和电源状态的自动监测和远程控制部分的技术水平也是重要的方面。 1 2 课题背景和工作目标 由于l e d 具备色彩鲜艳、高发光强度、低能耗、长寿命、响应速度快、体积小、低压安 全等平板显示的诸多优点，l e d 显示在公众传媒方面已经成为必不可少的一种传媒介质。 l e d 显示屏应用中，同步屏和异步屏是两个大的分支。这两种应用场合直接就确定了各自对 应的系统框图、工作方式。从文本信息发布来看，异步屏以其结构简单、多屏系统组织灵活、 显示方式多样等特点占了相当大的市场份额。从图文视频信息发布来看，多采用同步屏。同 步屏显示内容刷新快，实时性很高，而且图像多为灰度显示，色彩逼真，视频流畅。 从1 9 9 9 年开始，用红、绿、蓝三基色l e d 生产的全彩l e d 显示屏被广泛应用。由于色 彩逼真、图像清晰，近年来，随着l e d 原材料市场的迅猛发展，表贴器件的面市，l e d 价 格的大幅降低，带灰度控制显示的l e d 显示屏应用得到市场的进一步肯定。异步显示屏也从 单色文字显示发展到全彩灰度图像显示。 全彩灰度异步显示在性价比上得到了广大用户的认可和青睐。异步灰度显示在单双基色 显示屏体硬件上并没有新的要求，主要瓶颁是扫描控制板和软件处理两方面。 由于异步全彩灰度显示的图像节目源制作及图像质量优化还不够完善，另外面对数据大、 以及帧处理速度要求方面，如何发挥高速嵌入式处理器的处理能力和扫描板的驱动设计仍然 是异步灰度显示推进的障碍。正是考虑到市场的需求和技术欠缺的矛盾，本课题应运而生。 为了实现异步灰度l e d 显示屏的系统设计，首先对课题工作目标进行规划，具体目标如 下： 1 提出节目制作灰度处理部分的算法； 2 实现室内异步红绿双基色l e d 屏2 5 6 级灰度伪彩色显示扫描硬件； 3 最大支持屏体像素为1 0 2 4 点( 长) 、5 1 2 点( 高) ； 2 第二章l e d 显示屏灰度显示原理 第二章l e d 显示屏灰度显示原理 2 1 发光二极管 半导体发光二极管是常用电子元件二极管中的一种类型。发光二极管又叫光发射二极管 ( l i g h te m i t t i n gd i o d e ，简称写做l e d ) ，是一种可将电能变为光能的器件，属于固态光源。能 发光的光源很多，通常有热辐射、气体放电和场致发光等几大类。l e d 发光为注入式场致发光， 是一种固体在电场作用下直接发光。l e d 的核心部分是p 型半导体和n 型半导体组成的晶片， 两种材料中间的过渡层是p n 结。l e d 具有一般p n 结的电流电压特性，同时在一定条件下， 具有发光特性。发光的波长取决于材料的禁带宽度，所以采用不同禁带宽度的半导体材料，就 能制造出发光颜色不同的l e d 。 自从第一只l e d 在1 9 6 8 年诞生以来，三十年来，l e d 各方面性能有了长足的突破和发展。 目前，高发光强度红、绿、蓝色l e d 都已实现了商品化，单个l e d 的发光强度最高可达3 0 0 0 m c d ， l e d 工作寿命长达1 0 万小时。l e d 的驱动电压比一般二极管的正向导通电压稍高，在安全电 压下。并且驱动电流很小。 随着l e d 管芯材料、结构、封装技术和驱动电路技术的不断进步，l e d 的发光效率和光 能量的提高使得l e d 得到广泛应用。尤其是近年来高光效、高发光强度的白色l e d 的开发成 功，使l e d 在照明领域的应用成为可能。不久的将来，l e d 将代替传统的白炽灯、荧光灯和 高强度气体放电灯，成为新型照明光源。除了l e d 作为照明器件来使用，另一方面，因为l e d 的色度和发光强度的多样性、稳定性、发光纳秒级响应速度及驱动电路简单，使得l e d 在显示 屏领域得到了广泛应用。 l e d 在显示上主要表现的特性是色度和发光强度。色度是由材料禁带宽度来决定的。发光 强度与通过p n 结的电流大小密切相关。总体上来看，发光强度是随着正向电流的增加而增加 的。驱动l e d 的电流又与加在l e d 两端的电压有关，即l e d 的电流与电压之间的关系和其它 电气元件一样，称为伏安特性。如图2 1 所示。 o0 81 62 43 2 图2 1l e d 的伏安特性 3 东南大学硕士学位论文 l e d 的伏安特性与一般二极管基本相似，只是开始导通的正向电压比较大，大约在 1 6 v 3 0 v 之间，视不同的半导体材料而定。因此，控制好l e d 的正向电压是控制亮度的关键。 l e d 是构成l e d 显示屏的最重要的器件，其质量优劣直接决定着显示屏的品质。选择器 件重要考察的两点是也与色度和发光强度密切相关，要求两者均匀稳定。 1 色度及色度均匀性 色度直接反映显示屏色彩品质。一个生产厂家一个批次生产的一种l e d 通常都有发光光线 的波长参数，它代表了这种l e d 的色度。对于带灰度显示的l e d 显示屏而言，每一种基色l e d 色度唯一无疑是重要的，否则将导致明显色差，即便全屏显示同一色彩的画面看上去也是一个 个斑点。另外，每个l e d 管芯发出的光并不全是一种波长的光。标称值指的是发出光线的峰值 波长，在波谱图上峰值两侧出现的波长偏差也会影响色度均匀性。 2 发光强度及发光强度均匀性 从伏安特性来看，正向驱动电压超过门限电压后，随着电压的增加，l e d 的正向电流开始 缓慢增加后急剧增加。即电压的轻微变化会引起电流的大幅变化。而发光强度上来看，正向电 流超过阈值后。随着电流增加，发光强度快速增高。当电流达到一定值后，发光强度随电路增 加的速度变缓，进入饱和区。此后，增加的电能绝大部分被转化成熟耗，不当的电流将烧毁l e d 。 因此对于不同场合对发光强度的需求，不能无休止地追求大电流驱动，而应该考虑选择相应的 l e d 器件。 除了单管的发光强度应满足屏体要求外，发光强度均匀性也是一个主要参数。l e d 显示屏 上出现方块状的较整体屏亮度忽明忽暗的马赛克现象就是均匀性不好的表现。为此，一般地要 求，组成屏体最小单元的l e d 各器件发光强度或模块之间的亮度差异应筛选在5 铀1 0 以下。 差异在双基色显示要求比单基色高些，灰度显示要求比基色显示更高。 总体来说，l e d 具有工作电压低，耗电量小，发光效率高，发光响应时间极短，光色纯， 结构牢固，抗冲击，耐振动，性能稳定可靠，重量轻，体积小，成本低等一系列特性，发展突 飞猛进，也推进了大型l e d 显示屏的发展。 2 2 l e d 显示屏的一般显示 1 图文定格显示 前面介绍了l e d 的伏安特性和发光强度曲线，在l e d 正偏下，恒定的适当电流就可以得 到稳定的发光强度。而常用的l e d 显示屏是由若干l e d 单元构成的各点可控的、行列交错均 匀排列的矩形平板。如此，对于单基色图像只需根据图像显示要求分别加上或撤消相应l e d 单 元就可点亮和熄灭相应l e d 单元，便可以得到图像。同样双基色图像是两幅单基色图像的合成。 当然，要设计与显示图像像素多少相应数量的开关来控制，这样的l e d 电路本身相当复杂， 而且控制电路也同样复杂。 利用l e d 的驱动电压小，电流较小的特点，我们采用通用数字集成电路芯片带锁存控制的 移位寄存器的输出来控制l e d 灯管可以简化屏体和控制。 4 第二章l e d 显示屏灰度显示原理 这种电路常见于l e d 数码管的静态显示驱动。 具体示意如图2 2 。 涨器j 尊罨弓窭釜俐 卜拳c = 硝扣 麓h 。_ 惭= 玉争“毋壶h 2 一1 饿 图2 2 带锁存控制的移位寄存器静态控制l e d 灯 在满足显示要求时，有时从屏体点阵高分辨率要求对布局的影响和成本考虑，我们还会采 用动态显示驱动，如图2 3 。 图2 3 带锁存控制的移位寄存器动态控制l e d 灯 在室外显示屏中，l e d 均为高发光强度。一般采用静态锁存、恒流驱动方式控制l e d 管 芯。结构与图类似。由于驱动电路的恒定驱动电流比较大，具体选择驱动芯片时要根据l e d 管芯的技术规格考虑恒流方式及电流大小。 在对像素密度( 单位：点，平米) 要求高、亮度要求一般的情况下，如一般室内屏。为了节 省l e d 显示屏的成本，通常把图和图综合考虑。列信息仍然采用带锁存串行移位寄存器串入， 并且多行共用该列信息，用行选信号来选择点亮的行。例如常用的1 1 6 扫描方式，相当于1 6 行信息，共用一组列信息串行移位，采用1 6 个功率三极管做行选择器件。在满足人眼视觉惰性 条件下，依次点亮可以显示出“稳定”的画面。 2 特技演播显示 特技演播是异步显示中不得不提的显示动画过程设计。在图文定格显示的基础上，通过异 步系统主控扫描板高性能处理器的快速计算，得到切换两幅画面的中间画面。这些中间画面给 异步显示增加了显示的灵活性，如上下移动、左右移动( 跑马显示) 特技显示画面使得图文更 容易被大众获取信息；又如上下百叶窗、左右百叶窗特技显示画面使得显示屏的显示效果更为 美观等等。特技演播工作一般由异步系统主控扫描板实现，通过两个图像缓冲区暂时存储衔接 两幅完整图像的中间画面，扫描板逐一显示这些中间画面，使两幅完整图像的切换呈动画的过 程出现，美化了异步显示。 5 东南大学硕士学位论文 2 3 人眼视觉特性和l e d 显示屏 要实现异步红绿双基色l e d 屏2 5 6 级灰度伪彩色显示，我们需要对彩色图像处理的基础做 充分了解。前面提到满足人眼视觉惰性条件下，可以看到“稳定”的画面。事实上与显示相关 的很多技术指标都与人眼的视觉特性密切相关。色度学和光度学是图像处理技术的基础，它们 是光的物理属性和人眼的视觉属性的综合研究成果。结合人眼视觉特性掌握色度学和光度学知 识很有必要。如此，在色度学和光度学理论指导下设计的l e d 显示屏将符合人眼的视觉要求。 2 3 1 人眼对色彩的感知及l e d 的彩色形成 人眼对物体的色彩感觉是因为不同光谱波长的辐射光( 对于发光物体而言) 或反射光( 对 于不发光物体) 刺激人眼视网膜内的感知器( 视色素) 使之兴奋的结果。 色彩具有三个基本属性：色度、饱和度和亮度。色度取决于物体发出或反射的光线的主导 波长。不同波长的彩色光谱与视觉感受到的色度之间有相应的对应关系。只有波长在 3 8 0 n m - 7 8 0 n m 范围内的可见光能被人眼感知色彩。色彩的饱和度是人眼对色彩深浅的感觉。饱 和度又叫彩度或浓度，取决于光的波长纯度亮度是人眼对彩色的明亮或暗淡的感觉，取决于 光的强度。 实践证明，任何色彩都可以由不同比例的三种独立的基本色彩相混合而得到。这三种相互 独立的彩色称为三基色。这是由人眼视网膜中的三种视锥细胞决定的，三种感光体分别对红光、 绿光和蓝光敏感。如全彩色表贴一体化l e d 管芯中有三颗l e d ，分别发出红、绿、蓝光，对 应峰值波长一般为6 2 5 n m ，5 2 5 n m ，4 7 0 r i m 。在户外使用的大型l e d 模组一般采用分立的三种 l e d 组成一个像素，对应峰值波长一般为：6 6 0 n m ，5 2 5 n m ，4 7 0 r i m 。 对于l e d ，色光相加有如下几种方法： 1 直接混合法：将两种以上的基色光混合发射产生新的混合彩色。 2 时间混合法：将两种以上的基色光轮流发射，轮换速度满足人眼视觉暂流效应，从而 感觉到混合光的色彩。 3 空间混合法：在同一个表面的三个邻近点分别发出三种基色光，只要点相距足够近， 由于人眼的分辨力的限制，可以产生混合的彩色视觉。 严格意义上说，带灰度显示的彩色l e d 显示屏都是采用空间混合法，通过调节各分量值从 而得到缤纷多彩的画面。这种合成方法可以很容易采用国际照明委员会( i n t e r n a t i o n a l c o m m i s s i o n o ni l l u m i n a t i o n ，i c i ) 制定的x y z 表色系统提出的r g b 格式进行色彩描述。 另外，白光可以由r g b 三基色配合生成，各色光的光通量比例为巾r ：中g ：中b = 1 ：4 5 9 0 7 ： 0 0 6 0 1 可调和成自平衡。要求原始图像红绿灰度值取相同值时，图像在l e d 屏上表现为纯黄 画面。一种办法是调整原始图像的灰度值；一种办法是在驱动条件相同情况下根据各管发光强 度匹配管子的数量；还有一种办法是在驱动上针对不同管芯提供不同的驱动电路。在全彩系统 中一般在屏体设计上采用后两种办法实现。但是对于本设计的异步屏，我们采用的是原有的双 色点阵模块和动态扫描结构构成，因此白平衡调整办法是直接根据管芯的发光强度对原始图像 进行修正处理。 6 第二章l e d 显示屏灰度显示原理 2 3 2 人眼对亮度的感知 人眼的视觉效果是由可见光刺激人眼引起的。如果光的辐射功率相同而波长不同，不仅人 对色觉的感知不同，而且对亮度的感觉也不同。在等能量分布的光谱中，人眼感到最暗的是红 色，其次是蓝色和紫色；而最亮的是黄绿色。因此，假定三种基色l e d 管芯加以激励产生能量 相同的弱光线，人眼将感到黄绿色。 人眼能够感觉到的亮度范围称为亮度视觉范围。这个范围很大，可达1 0 9 ：1 。人眼之所以能 有如此宽的亮度视觉范围，原因就在于视觉具有环境适应性，即人眼能根据外界光的强弱变化 而自动调节感光能力。虽然人眼总的亮度视觉范围很宽，但却不能在同一时间感受这样大的亮 度范围。当人眼适应了某一平均环境亮度之后，可感受的亮度范围就有了一定的限度。当平均 亮度适中时，这一范围的上下限之比为1 0 0 0 ：1 ；当平均亮度较高或较低时，这一比值只有1 0 ：1 通常情况下，能感觉到的上、下限亮度之比为1 0 0 ：1 。电影银幕大致可给出这种亮度比值，而 c r t 显像管的亮度人眼感觉比值仅约3 0 ：1 这也是电影院和家庭影院的图像效果差别的事实根 据 原景物或重现图像的最大亮度与最小亮度之比称为对比度或反差。亮度层次是指在画面最 大亮度与最小亮度之间可分辨的亮度感觉差级数，也称为灰度层次或亮度梯级数、灰度级数， 可用n 来表示。一般来说，对比度越大，画面上的亮度层次就越丰富，图像就会显得明暗层次 丰富，柔和细腻；反之，对比度小，亮度层次就少，图像会显得单调生硬，即使画面上细节很 清晰也难以令人满意。如果重现图像与实际图像对主观感觉来说具有相同的对比度和亮度感觉 差级数，重现的图像就能给人以真实感。 2 3 3 人眼视觉惰性和闪烁临界频率 人的视觉对外界光刺激的响应有一定的延时。当一定强度的光突然作用于人眼时，需要经 过一定的时间才能形成一个稳定的主观亮度感觉；当光消失以后，亮度感觉也不是瞬间消失， 而是要经过一段时间之后才能消失。也就是说，视觉的建立和消失都有一定的惰性，即人眼视 觉惰性。 视觉惰性包含两个方面，即建立惰性和消失惰性。消失惰性又称为视觉暂留特性。相对而 言，视觉暂留时间比建立时间要长，它与光脉冲的强度有关，一般在0 0 5 0 2 秒之间。视觉产 生连续感的前提条件是静止画面在显现时每两幅之间的时间间隔应小于视觉暂留时间，即画面 的换幅频率必须大于视觉暂留时间的倒数，否则，人眼就会觉察出画面是断续出现的。例如， 如果取视觉暂留时间为0 0 5 秒，则画面的换幅频率必须要大于2 0 h z 才能产生连续感。 在异步伪彩l e d 显示系统中，牵涉到动画换幅计算时间，如果每秒能得到二十帧特技中间 画面，将不会令人感觉画面的停顿。另一个值得注意的是闪烁临界频率。 对于脉冲性重复光源，人眼还有一个称之为闪烁感觉的特性。也就是说，当脉冲光源的重 复频率不太高时，人眼会跟随光源的变化产生一明一暗的感觉，即闪烁感觉。脉冲光源的重复 频率提高时，这种闪烁感觉会随之减轻。当重复频率提高到一定值后，闪烁感觉可完全消失， 这时人眼感觉到的不是一闪一闪的脉冲光源，而是亮度恒定的不闪烁光源。 不引起视觉闪烁感的光源最低重复频率通常称为l 临界闪烁频率，一般用f 。表示。也就是说， 当脉冲光源的重复频率低于f 。时，人眼有闪烁感；当脉冲光源的重复频率高于f 。时，人眼不再 7 东南大学硕士学位论文 有闪烁感。临界闪烁频率与很多因素有关，如脉冲光源本身的亮度、环境亮度( 背景亮度) 、明 亮时间占空比( 明亮时间与脉冲光源重复周期之比) 以及明亮面的大小和颜色等。其中，脉冲 光源亮度、环境亮度和明亮时间占空比三者对f 。的影响较明显。 在设计l e d 显示屏时，帧刷新频率应达n i t s 界闪烁频率以上。根据室内的环境亮度，屏体 的最大亮度及点亮占空比等参数，一般帧刷新频率应达到6 0 h z 。即1 6 0 秒时间内显示完一帧 信息。 2 4 l e d 显示屏的灰度显示 围绕人眼视觉特性对l e d 显示屏的显示质量技术指标的深入了解，在工程应用尤其是图像 处理实践上很有指导意义和使用价值 2 4 1 图像表示和灰度处理方法 1 图像描速和灰度变换增强 在计算机中，表达图像和计算机生成的图形图像有两种常用的方法：一种叫做是矢量图 ( v e c t o rb a s e di m a g e ) 法，另种叫点位图( b i t m a p p e di m a g e ) 法。 矢量图是用一系列计算机指令来表示一幅图，如画点、画线、画曲线、画圆、画矩形等。 这种方法实际上是数学方法来描述一幅图，然后变成许多的数学表达式，再编程，用语言来表 达。然而，当图形变得很复杂时，计算机就要花费很长的时间去执行绘图指令。此外，对于一 幅复杂的彩色照片( 例如一幅真实世界的彩照) ，很难用数学来描述，因而就不用矢量法表示， 而是采用点位图法表示。 点位图法与矢量图法很不相同。它是把一幅彩色图分成许多的像素，每个像素用若干个二 进制位来指定该像素的颜色、亮度和属性。因此一幅图由许多描述每个像素的数据组成，这些 数据通常称为图像数据，而这些数据作为一个文件来存储，这种文件又称为图像文件。点位图 的获取通常用扫描仪，以及摄像机、录像机、激光视盘与视频信号数字化卡一类设备，通过这 些设备把模拟的图像信号变成数字图像数据。 灰度图( g r a y - s c a l ei m a g e ) 按照灰度等级的数目来划分。只有黑白两中颜色的图像称为单 色图像( m o n o c h r o m ei m a g e ) 。如果每个像素的像素值用l 位二进制数存储，它的值只有“0 ” 或者“l ”，一幅6 4 0 4 8 0 的单色图像需要占据3 7 5 k b 的存储空间。如果每个像素的像素值用 一个字节表示，灰度值级数就等于2 5 6 级，每个像素可以是0 2 5 5 之间的任何一个值，一幅 6 4 0 4 8 0 的灰度图像就需要占据3 0 0k b 的存储空间。这里采用的点位图的具体文件格式是微软 公司( m i c r o s o f tc o r p o r a t i o n ) 定义的b m p 文件格式。红绿双基色伪彩图像可以看成两幅单基 色灰度图像的叠加。 一般成像系统只具有一定的亮度范围，亮度的最大值和最小值之比成为对比度。由于图像 的系统亮度有限，常出现对比度不足的问题，使人眼观看图像时视觉效果很差。前面叙述中， 我们知道人眼某一时刻可辨别的灰度等级在1 0 0 左右。当原始2 5 6 级灰度图的直方图经过简单 滤波后，主要是对分布在高灰度( 靠近2 5 5 ) 和低灰度( 接近o ) 区域的离散灰度滤掉。如果滤 波后灰度等级在1 0 0 以内，通过灰度变换拉深到2 5 6 级可以明显改善视觉效果，从而使人眼原 8 第二章l e d 显示屏灰度显示原理 本不容易检测的目标用增强的手段显示出来。 灰度变换主要有线性变换和非线性变换两种，分段线性变换是线性变换的区域叠加，讨论 也有一定意义。 灰度变换处理几种形式及对应变换曲线如图2 4 1 线性变换2 分段线性变换3 一非线性变换 图2 4 灰度变换处理的几种形式 线性灰度变换：在曝光不足或过度的情况下，图像灰度可能会局限在很小的范围内。这时 画面呈现出模糊不清、没有灰度层次的图像。用一线性单值函数，对图像内的每一个像素作线 性扩展，将有效地改善图像视觉效果。 令原图像f ( m ，n ) 的灰度范围为b 】，线性变换后，图像g ( m ，n ) 的范围为【c ，d 】。它们的变换关 系是： g ( m ，n 产【( f ( m ，n ) - a ) ( d c ) ( b - a ) + c ， 对于2 5 6 级灰度，g ( m ，n ) = 2 5 5 x ( f ( m ，n ) - a ) ( b a ) 。事实上它是分段线性变换的特例。另外， 当灰度变换斜率大于1 时，原来的图像灰度被拉伸了；当变换斜率小于l 时，图像灰度被压缩 了。在l e d 异步双基色显示中，白平衡处理将利用这种简单易行的线性变换对发光较强管芯对 应的基色灰度画面进行变换处理。 分段线性变换：分段的好处是根据实际需要拉伸特征物体的灰度细节，相对抑制不感兴趣 的灰度级。变换关系是分段函数，表达式类似前一种变换。 非线性变换：常见的非线性变换是幂函数，如伽玛校正。如上图中所示意的曲线变换使得 低灰度区域 0 ，奸得到扩展，而高灰度区域 a , 2 5 5 得到压缩，以使图像的灰度分布符合人眼的视 觉特性。从图中也容易看出，分段线性变换可以通过简单的计算形式来逼近非线性变换，这对 于计算的工作大大简化。 由于线性变换( 含分段线性变换) 是可以通过灰度直方图分析确定，所以可以在程序中自 动计算灰度的拉伸尺度，即斜率确定。而非线性校正的参数，如上翘程度、拉伸和压缩的闽值 选取等也可从一幅图像的灰度直方图中分析出来，通过多曲线配置选择。 前面变换的前提是对灰度直方图分析来的。面积为a 的连续图像f ( 墨”经过数字化后，成 为m 行n 列的数字图像f ( m ，n ) 。一股，数字图像f ( m ，n ) 中取不同灰度值的像素的数目不同。直 方图是用于表达图像灰度分布情况的统计图表。对数字图像f ( m ，n ) 而言，其横坐标是灰度值r ， 纵坐标是出现这个灰度值的概率值“l ) 。 设数字图像像素的灰度值为r 0 ，n ，r l - 1 ，则概率p ( n ) 为： 9 东南大学硕士学位论文 p ( 户n ( r j n ，i = 0 ，l ，l - ! 。 其中，n “) 是灰度为“的像素点总数，n 是一幅图像的总像素点。且e p ( r 0 = l ，i = 0 ，1 ， l 1 。 尽管灰度直方图不能表示出某灰度级像素的位置，更不能直接显示图像内容，但是具有统 计特性的直方图却能描述该图像的灰度分布特性，使人们从中得到诸如总体明亮程度、对比度、 对象物的可分性等与图像质量有关的灰度分布概貌，成为对数字图像线性变换、灰度增强的参 考依据。 2 伽玛校正 自然界的景物具有非常丰富的灰度层次，无论是照片，电影，绘画或电视，都无法绝对真 实的重现自然界的灰度层次。因此，灰度级的多少只是一个相对的概念。而几乎所有图像的记 录都是为了符合人眼视觉特性来处理得到的，因此，在以人眼灰度识别能力为依据地最大限度 保留原来的图像是图像处理简化、高效的重要指导思想。 只要有图像的地方，就存在着非线性变换的物理和生理结构、硬件电路或软件算法。我们 通常把这种非线性变换称为伽玛校正( y 校正) ，是因为一般的非线性校正符合以下函数关系： y = x 。等式中y ( g a m m a ) 是幂函数的指数。反函数形式与之也相同。假定输入输出的定义 域和值域同为o ，2 5 5 ，那么y 值变化与y = k x 曲线关系如图2 5 。 图2 5y = k x7 曲线关系 最早提出y 校正是为了校正c r t 的非线性幂律转换特性。按i t u 推荐的非线性编码标准 r 7 0 9 ，电视亮度转移特性为：当r 0 0 0 1 8 时，r = 1 0 0 9 9 r o ”- 0 0 9 9 。 式中r 是线性光信号，r 是非线性编码值。校正时，取y = i 0 4 5 - - 2 2 。在图2 5 中标出了 y _ 2 1 0 6 6 7 x ”的曲线图。而l e d 显示屏的显示特性是线性的，势必要对其修正以得到满意的 显示效果。显然让其具备c r t 的特性应当再对数据进行校正。为了便于讨论整个图像采集、传 输到显示的图像处理系统，仍然采用y = x 表达形式。那么这里校正时y l 。 实际的图像系统是由多个部件组成的，这些部件中可能会有几个非线性部件。如果所有部 1 0 第二章l e d 显示屏灰度显示原理 件都有幂函数的转换特性，那么整个系统的传递函数就是一个幂函数，它的指数y 等于所有单 个部件的y 的乘积。如果图像系统的整个y = l ，输出与输入就成线性关系。这就意味在重现图 像中任何两个图像区域的强度之比与原始场景的两个区域的强度之比相同，这似乎是图像系统 所追求的目标：真实地再现原始场景。但实际情况却不完全是这样。 当这种再生图像在“明亮环境”下，也就是在周围其他白色物体的亮度与图像中白色部分 的亮度几乎相同的环境下观看时，y = l 的系统的确可使图像看起来像“原始场景”一样。但 是某些图像有时在“黑暗环境”下观看所获得的效果会更好，放映电影和投影幻灯片就属于这 种情况。在这种情况下，y 值不是等于l 而通常认为y “1 5 ，人的视觉系统所看到的场景就好 像是“原始场景”。根据这种观点，投影幻灯片的y 值就设计为1 5 左右，而不是1 。还有一种 环境称为中间环境的“暗淡环境”，这种环境就像房间中的其他东西能够看到，但比图像中白色 部分的亮度更暗看电视的环境和计算机房的环境就属于这种情况。在这种情况下，通常认为 再现图像需要ym 1 2 5 才能看起来像“原始场景”。 所有c r t 显示设备( 指基于阴极射线管的显示器，c r t ：阴极射线管) 都有幂律转换特 性，如果生产厂家不加说明，那么它的y 值大约等于2 5 。为使整个系统的y 值接近于使用所要 求的y 值，起码就要有一个能够提供y 校正的非线性部件，用来补偿c r t 的非线性特性。在所 有广播电视系统中，y 校正是在摄像机中完成的。最初的n t s c 电视标准需要摄像机具有y = 1 2 2 = 0 4 5 的幂函数，现在采纳y = o 5 的幂函数。p a l 电视标准指定摄像机需要具有y = i 2 8 = 0 3 6 的幂函数，但这个数值已显得太小，因此实际的摄像机很可能会设置成y = 0 4 5 或者0 5 使用这种摄像机得到的图像就预先做了校正，在y = 2 5 的c r t 屏幕上显示图像时，屏幕图像 相对于原始场景的y 大约等于1 2 5 。这个值适合“暗淡环境”下观看。 对比电视、计算机c r t 显示和l e d 显示系统，伽玛引入的位置如图2 6 。 图2 6 伽玛的位置 东南大学硕士学位论文 前面的结论让我们理清了以下几点： 人眼观看图像的灰度识别能力受环境光强影响很大：根据环境的光强对所看图像进行 y 校正可以提高显示质量； -人眼任何时刻所形成的图像感知和图像采集设备采集环节都对图像的灰度等级作了压 缩，实现适当的灰度等级是提升l e d 显示屏的性价比的重要手段； _c r t 的非线性幂律转换特征和c r t 的广泛传播基础决定了在电视标准下摄像机对图 像具备补偿y 校正特性( y 一般取0 4 5 4 ) 5 ) 。 从获取图像、存储成图像文件、读出图像文件直到在某种类型的显示屏幕上显示图像，这 些个环节中至少有6 个地方可有非线性转换函数存在，而引入y 值。 注l ；如幻灯片设计受发光强度不可能报大的甩制，是为暗环境考虑的，取值较小为l i ，而c r t 通常取25 表2 1 灰度变换处理的几种形式 在l e d 显示屏的异步灰度显示过程中，图像一般通过图形软件制作或来自摄像机、照相机 的图片素材，在p c 的l e d 异步演播软件中进行图像编码时引入y 校正，以使图像最终的显示 驱动满足l e d 显示屏的各基管白平衡和人眼的视觉特性。 2 4 2 灰度扫描 在一般的l e d 图像文本显示中每个l e d 管只有亮和灭两值显示层次。对于2 5 6 级灰度l e d 彩色显示屏，表征一个像素基色的值由单个二进制数提高到八位二进制数描述，要求每个l e d 基色管的发光强度可以通过驱动扫描电路达到2 5 6 级层次。 由于人眼的视觉特性，人眼对某点亮度的感觉不仅与该点的亮度有关，还与其持续时间长 短有关一种办法是直接控制该点的发光强度；另一种办法是固定点亮l e d 的发光强度，控制 其持续时间。前者扫插电路结构简单，但要实现精密稳定的电流控制对驱动硬件要求较高；后 者采用的驱动硬件电路与两值显示相比无需做较大变化，因而硬件成本相对低些。但扫描算法、 前端数据组织要求及扫描硬件都需要重新考虑。 直接控制基色的亮度可以通过硬件来控制驱动l e d 管的电流，如1 1 公司的l e d 驱动系列 t l c 5 9 x x ，多达1 3 个品种，部分产品由于有新的替代产品而停产。具体采用带灰度脉宽调制 ( p w m ) 亮度控制和逐点校正的高级l e d 驱动芯片，如t i 公司的t l c 5 9 4 1 。利川点校止功能， 处理器可以控制流入l e d 朗板的所有电流，同时l e d 驱动器可调挚供给每个l e d 的电流并产 1 2 第二章l e d 显示屏灰度显示原理 生一致的发光强度。在灰变实现上，采_ ；i 串行灰度数据商接传送，p w m 驱动l e d 管芯。这款 芯片目前单价在1 6 5 美元片。对于全静态户外全彩显示而言，像素单价在驱动部分至少在0 3 1 美元点( 1 6 5 x3 1 6 = 0 3 1 ) 。造价十分昂贵。一些小分辨率、人屏幕显示廊用场合在显示画质 和维护方面有一定的性能优势。 实际设计时，还有一种低成本实现方案。 仍然采用两值显示的l e d 屏体结构，控制上利用逐