（光学工程专业论文）改善smpdp图像质量的综合图像处理算法研究.pdf

摘要 摘要 彩色等离子体显示屏( p d p ) 被认为是最适合作为高清晰度电视( h d t v ) 的彩色显示终端之一， 它属于自发光型显示器件，具有高亮度、高对比度、大尺寸显示等特点，这使其更适合于大屏幕、 高分辨率彩色显示。现有的主流p d p 采用表面放电结构，它能够提供良好的显示性能，已经批量 生产。但是这种结构仍然存在着一些问题和缺点，特别是制造工艺成本高、发光效率低。为了解 决上述问题，国内东南入学提出了一种新型的荫罩式等离子体显示屏( s m p d p ) 。经过几年的发 展，s m p d p 屏体尺寸已经从1 4 英寸发展到4 2 英寸，分辨率也已经达到w x g a ( 1 3 6 6 x 7 6 8 ) ，期 间屏体的单元结构也数经变化，材料和工艺也在不断改进之中。在硬件不断改进的同时，针对p d p 图像质量的改善问题，相应的工作也在不断的进行。 课题的研究正是针对s m p d p 的图像改善问题提出解决方案，主要是解决图像显示时出现的 噪声问题和在g a m m a 反矫正后出现暗场轮廓线问题。对于信道中产生的噪声，采用中值滤波的 方法将它滤除。针对传统中值滤波理论会在滤波的同时给画质带来模糊的不良效果，课题设计中 提出了兼顾了画质和滤波效果的方案。g a m m a 反矫正后出现暗场轮廓线是冈为反矫正运算后出现 的小数位没有得到体现，这使得在灰度比较小的情况下画面出现了不连续现象。课题采用抖动算 法和误差扩散算法，通过加入抖动序列，利用人眼视觉特性间接表现出小数实现图像灰度的连续 渐变。课题着力于这两部分算法的硬件实现，在s t r a t i x 芯片的平台上完成所有程序的设计，并在 q u a r t u s1 1 中进行数据仿真，最后在荫罩式等离子显示屏的测试平台上，完成了对上述算法硬件实 现的验证。 关键词：荫罩式等离子体显示屏，中值滤波，抖动算法，误差扩散算法 a b s t r a c t p d pi sc o n s i d e r e da so n eo ft h em o s ts u i t a b l ef u l lc o l o rd i s p l a yt e r m i n a lf o rh d t v i ti sak i n do f s e l f - l u m i n o u sd i s p l a yw i t hh i g hb r i g h t n e s s ，h i g hc o n t r a s ta n db i gs i z e a l lo ft h e s ec h a r a c t e r i s t i c sm a k e i ts u i t a b l ef o rl a r g es c r e e na n dh i 【g hr e s o l u t i o nd i s p l a ya p p l i c a t i o n t o d a y , t h es u r f a c ed i s c h a r g es t r u c t u r ei sw i d e l ya d o p t e d ，w h i c hp r o v i d e s9 0 0 dd i s p l a yq u a i l t ya n d h a sb e e np u ti n t om a s sp r o d u c t i o n h o w e v e rt h es u r f a c ed i s c h a r g es t r u c t u r ei ss t i l in o tt h eb e s ts o l u t i o n b e c a u s eo fs o m ep r o b l e m sa n df l a w s ，s u c ha st h eh i g hf a b r i c a t i o nc o s ta n dt h el o wl u m i n a n c ee f f i c i e n c y t os o l v et h e s ep r o b l e m s ，an o v e lp l a s m ad i s p l a yp a n e lw i t hs h a d o wm a s k ( s m p d p ) i sp r e s e n t e db y s o u t h e a s tu n i v e r s i t y t h r o u g hy e a r so fd e v e l o p m e n t , s m p d p sp a n e ls i z eh a se v o l v e df r o m14 一i n c ht o 4 2 一i n c h ，u pt oar e s o l u t i o no fw x g a a l s o ，t h ec e l ls t r u c t u r e ，t h em a t e r i a la n dt h ep r o c e s s i n g t e c h n o l o g yh a sb e e nu n d e r g o i n gs e v e r a le v o l u t i o n s a tt h es a m et i m e ，t h ec o r r e s p o n d i n gw o r kh a sb e e n d o i n ga b o u ti m p r o v i n gi m a g eq u a l i t y t h es t u d yf o c u s e do np r o p o s i n gas o l u t i o nt oi m p r u v ei m a g eq u a l i t y t h em a i nw o r ki st os o l v et h e n o i s ep r o b l e ma n dt h ed a r kc o n t o u rp r o b l e ma f t e rg a m m a - c o r r e c t i o n t h em e d i a nf i l t e ri su s e dt o e l i m i n a t et h en o i s eg e n e r a t e df r o mt h es i g n a lc h a n n e l b e c a u s et h ei m a g ei sal i r l ef u z z i e ra f t e ru s i n ga t r a d i t i o n a lm e d i a nf i l t e r , ai m p r o v e dm e h o di sp o p o s e di nt h i sp a p e r , w h i c ht a k e sb o t hi m a g eq u a l i t ya n d f i l t e r i n ge f f e c ti n t oa c c o u n t t h er e a s o nt h a tt h ec o n t o u rc o m e su pa f t e rg a m m ac o r r e c t i o ni st h a tt h e f r a c t i o ni sn o tp e r f o r m e d ，w h i c hl e a d st ot h ed i s c o n t i n u o u s n e s so ft h ep i c t u r e si nl o wg r a y f o r p e r f o r m i n gt h ef r a c t i o n ，b a s e do nd i t h e r i n ga l g o r i t h ma n de r r o rd i f f u s i o na l g o r i t h m ，d i t h e rs e q u e n c ei s a d d e di n t ot h ep i c t u r e t h es t u d yf o c u s e so nt h eh a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o na b o u tt h ea b o v e a l g o r i t h m s t h ep r o g r a mi sd e s i g n e di nt h es t r a t i xc h i p s i m u l a t i o ni sd o n ei nq u a r t u si ia n dv e r i f i c a t i o n i sc o m p l e t e di nt h e13 6 6 x 7 6 8s m p d e k e yw o r d s ：s m p d p , m e d i a nf i l t e r i n g ，d i t h e r i n ga l g o r i t h m ，e r r o rd i f f u s i o na l g o r i t h m l 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已在论文中作了明确 的说明并表示了谢意。 研究生签名： 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。 研究生繇辚聊虢卫。日 期：丝墨：筮! d 第一章绪论 第一章绪论 作为显示终端的显示器件经历了一个从c r t 到平板显示的发展过程。在2 0 世纪显示器件的 发展过程中，阴极射线管( c r t ) 占据了绝对的统治地位。直到今天，彩色电视机、计算机显示 器仍然到处可见c r t 的踪影，并且占据了大部分市场份额。c r t 能取得如此成绩得益于其成熟 的工艺、低廉的成本、出色的图像显示效果以及高可靠性( 目前c r t 的工作寿命已经达到1 0 万 小时) 。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、难以做大尺寸等。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大屏幕、薄型化日益增长的 要求。从而使c r t 在小屏幕和大屏幕显示器件上的表现都不如其它的后起之秀，平板显示器件。 在2 0 世纪的最后二十年，各种平板显示器件得到了飞速的发展。在目前研究较多的平板显示 器件中，等离子体平板显示屏( p l a s m ad i s p l a yp a n e l ，p d p ) 显示器具备许多独特的优点：( 1 ) 等离子体显示属于自发光型显示，可以产生单色光和彩色光，具有较好的发光效率和亮度：( 2 ) 具有记忆特性，可实现大屏幕显示；( 3 ) 视角可达1 6 0 度以上；( 4 ) 响应速度快，灰度可超过2 5 6 级，色域与c r t 相近；( 5 ) 制作t 艺简单、投资小；( 6 ) 寿命长；( 7 ) 环境性能优异等。尤其到 9 0 年代后期，在亮度、灰度级、寿命等关键技术上的突破，使p d p 技术义迎来了一个新的发展 阶段。在家庭娱乐人屏幕显示器件方面，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，被认为是最有前途的超大屏幕高清晰度电视( h i g h d e f i n i t i o nt e l e v i s i o n ，h d t v ) 接收机之一，代表了未米显示器的发展趋势i lj 。 目前，全世界有很多厂家正在研究和制造p d p ，大部分制造商生产的p d p 都采取表面放电 型交流共面p d p ( a l t e r n a t i n gc u r r e n tc o p l a n a rp l a s m ad i s p l a yp a n e l ，a c c p d p ) 的结构。然而， a c c p d p 有几个缺点：首先，由于a c c p d p 内部采取的障壁作为放电单元之间的分界线，在 大屏幕情况下，很难将绝缘材料的障壁做得宽度、高度一致，而且特别还要求在比较狭窄的情况 下，这就导致了低成品率、高成本；其次，由于扫描电极和公共电极宽度的限制，很雉提高p d p 平板垂直方向上的分辨率。为了解决上述问题，东南大学提出了一种新型的高性价比的荫罩式等 离子体显示屏( s h a d o wm a s kp l a s m ad i s p l a yp a n e l ，s m p d p ) 的结构，s m p d p 采取网孔状金属 材料c r t 上的荫罩代替传统的障壁，作为一个公共电极夹在p d p 的上下基板中间，在基板上各 有一组相互垂直的电极被用来作为寻址电极和扫描电极。s m p d p 的这种结构有助于提高分辨率、 亮度和显示屏的制造成品率，降低成本，延长寿命。目前配合s m p d p 项目的研究已全面启动， 其中包括在提高图像质量方面的工作。 1 1 等离子体显示屏概述 1 1 1p d p 的发展历史 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问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排列组成，通过选址使放电单元产生放电。 国际上对气体放电的研究可以追溯到1 9 世纪，但真正开始对p d p 显示技术进行深入的研究 开始丁2 0 世纪6 0 年代中期。 1 9 6 6 年，美国i l l i n o i s 大学的位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 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 - p d p ；1 9 7 0 年，美国布劳斯公司义研制成功 东南大学硕士学位论文 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，p d p 被公认为是最适合作为高清晰度电视( h d t v ) 的大屏幕彩 色显示终端技术。1 9 9 3 年，日本的富士通公司采用表面放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，包括日本的n e 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 线的资金累计已超过2 0 亿美元。其中，三星于2 0 0 4 年最先推出1 0 0 英寸以上的超人尺寸高分辨 率p d p 产品：松下于2 0 0 8 年初美国c e s 展会上更是推出了1 5 0 英寸的超大p d p ，同时多家公司 也都推出了5 c m 以下的超薄p d p 。 1 1 2p d p 基本工作原理 a ) 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 所示为 一般气体放电的组成和伏安特性。如图1 1 ( 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 m m ，冈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 ( 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，此时人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。 ( a ) 辉光放电 负j 旰区正i 圭区 带哗爿 电 流 彻1 v 特性 图1 1 气体放电的特性曲线 b )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， 电子会碰撞剑氖、氙的原子，并促使它们电离产生电子、离子对。电离产生的离子在外电场的作 用下会向障i 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。通过不断的碰 2 一 第一章绪论 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，可以大火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【2 j 。等离子体显示屏正是利用这一现象来降低放电空间的 着火电压。在早期氙气的浓度人约在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 。 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 g o 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剑2 0 0 v 左右。 c ) 紫外线的产生 在等离子体显示单元的放电过程中，氖氙潘宁混合气体会产生大量的激发态和亚稳态原子以 及激发态二聚物分子等多种粒子，其中激发态的粒子很不稳定，会自动还原到稳定的原子状态， 并将多余的能量以紫外光的方式向外界辐射。图1 2 列出了主要的一些碰撞电离反应，以及激发 态恢复成原子所产生的紫外线。 0+ o 日 + 0 + + 日+ 日o ( 1 4 7n m ) + 、i 八八，- + 日o + o ( 1 7 3n m ) + ，i 、户 图1 2 氖氙潘宁混合气体的主要电离过程 从上图中可以看出，1 4 7 n m 的紫外线是激发态的氙原子通过共振辐射反应( r e s o n a n c e r a d i a t i o n ) 产生的，而1 7 3 n m 的紫外线则是通过激发态二聚物氙分子的激发辐射反应( e x c i m e r r a d i a t i o n ) 产生的。等离子体显示屏利用这两个波长的紫外线来激发荧光粉，从而产生人眼可见 的亮度信号。对于某个放电单元而言，当放电空间产生气体放电厉，紫外线的激发随之很快便达 到了最高值，此后便呈指数衰减，在1 0 0 n s 时衰减到一半，l u s 时紫外线的激发基本停止。 1 1 3 等离子体显示屏存在的问题 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( l c d ) ，等离子体显示屏，人屏幕背投显示 3 东南大学硕士学位论文 屏等。与其他显示器件相比，等离子体显示屏所具有的优势在于，主动式发光、高亮度和火尺寸 显示面积。但同时，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。由于是人型超薄平板显示器，结构上不能承压，驱动电压高，功耗大。 发光效率低。由于p d p 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，提高成晶率，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。如在分辨率、对比度、动态图像伪轮廓( d f c ) 等方面，仍需要进一步 的提高。 以上所有的问题中，成本问题是最关键的。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丁艺流程，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 3 】、a l i s 驱动方式 4 1 、 c l e a r 驱动方式p j 、p l a s m a a i 6 1 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 了，如d e l t a 结构【7 1 、t u b e a r r a y 8 州结构、w a f f l e 1 0 1 结构、s m 结构【1 1 】【1 2 1 等；为改善图像质量， 带运动估计的补偿方法，抖动和误差扩散算法等技术也被采用到等离子体显示屏的视频驱动系统 之中。 1 2 荫罩式等离子显示屏( s 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米替代传统的障鼙，从而简化了显示屏的制作流程，并且由丁荫 罩本身的特性，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。 1 2 1s m p d p 基本结构 图1 3 所示为荫罩式等离子体显示屏显示单元的三维结构示意图。从图中可以看出，荫罩式 等离子体显示屏采用了交流对象式放电结构，即每个放电单元的寻址和维持都是通过上基板的行 电极和下基板的列电极共同完成的。在荫罩的设计过程中，采用了一种碗状的结构【l l 】，荧光粉涂 敷在碗状结构的内壁，碗状结构的底部是开通的没有荧光粉涂敷。可以看出，荫罩式结构与传统 的交流对象式放电结构相比较，荧光粉不易受到离子的轰击。 4 第一章绪论 削1 - 3 荫罩式等离子体显示屏三维模拟图 f u 搬 荫罩式结构与其它结构的最大区别在于中间障壁所采用材料的不同，荫罩式结构采用的是导 电的金届材料，图i - 4 所示为放人的荫罩结构幽片，对于整屏所有的显示单元而言相当予一个公 川的公共电极，如果将荫罩引出，则可以在扫描捌和维持期给荫罩加载不同的电压波形，从而进 一步优化放电过雅，提高显示的效率。并且由于金属材料的特性，荫罩型等离于体显示屏在e m 和散热等方面也优于传统障壁型结构的婷离子体显示屏1 。 图1 4 荫罩式等离子体显示屏所采川的荫罩放人图 金属材料的荫罩对放电空间的电场分布会产生一定的影响，模拟计算表明”1 1 1 1 2 1 1 13 1 放电的初 始阶段，在荫罩边缘处的场强最强，因此荫罩型等离子体显示单元的放电过程是从荫罩与上基扳 接触的边缘处开始的，如图l - 5 所示。随着碰撞电离产生的电子的增多，放电过程逐步的向放电 单元的中间扩散，当电子自l 离子以及各种激发态粒子的浓度增加j 一定的数值，在上f 基板的电 极之问便产生雪崩被麻的放电过程，井激发出大量的紫补线，随着放电过程的不断继续放电电 流在上f 基板的介质层上逐渐的积累起壁电荷，螭屯荷产生韵电场与上下基扳电极所产生电场的 极性正盘f _ 相反，因此肇电荷的积累会逐渐的醉低放电空间的场强，并最终导致放电的结束。圈1 - 5 描述了放电的四个过样。 东南大学硕十学位论文 囝 囝 麟 鬻 勃。0 9 翻 放电 停止 图1 5 荫罩式等离子体显示屏放电过程示意图 由于荫罩式等离子体显示屏放电单元的电场分布与传统结构放电单元电场分布不同，在荫罩 的边缘处场强比较高，从而可以在较低的外加电压下，快速产生放电过程。图1 - 6 所示为通过数 值模拟计算产生的电子平均浓度随时间的变化曲线，图中分别列出了荫罩式等离子体显示屏和传 统表面放电型等离子体显示屏放电过程的模拟结果，比较图中的两条曲线可以看出，荫罩式等离 子体显示屏在外加电压改变以后很快便产生雪崩的放电过程，而传统结构达到平均电子浓度最大 所需的时间接近荫罩式结构的三倍。图1 6 所示的结果表明，荫罩式等离子体显示屏结构所需的 放电寻址电压的脉宽比传统结构窄许多，采用窄的放电寻址电压意味着寻址所需时间的减少，从 而可以增加维持脉冲的个数来提高显示的效率。 ，, - 3 0 1 3 ：1 e 鹜 1 1 0 “ 臻 絮薯 度i - i 0 4 1 - 1 0 3 ：0 0 ：e o ，l is x p d p 段夕，、 n l o 7 ， 、 ，、- h ， ， - 1 “，j ， f 尹 j ， 图l _ 6 荫罩式与传统表面放电型放电速度的比较 通过前面的讨论可以看出，采用荫罩式等离子体显示屏结构所带来的最直接好处是带动了整 机成本的f 降，首先是复杂的障壁生产工艺和流程因为采用简单的荫罩而简化了，其次荫罩式结 6 n 弹 帅 气 第一章绪论 构可以采用较低的着火电压从而带动驱动芯片成本的降低。对于等离子体显示屏存在的功耗问题， 荫罩式结构可以提高显示的放光效率，但要将上百瓦的功耗降低到家庭可以接受的标准，能量恢 复电路是必不可少的，此外还可以采用自动功耗调整( a u t op o w e r c o n t r o l ，a p c ) 方式以及松下公 司提出的p l a s m a a l l 6 1 等方式来降低整机的最大输出功耗。 1 2 2s m p d p 驱动方法以及驱动波形 荫罩型等离子体显示屏的驱动电路系统主要包括四个部分：视频采集、逻辑控制、高压驱动 和电源部分，如图1 7 所示。 l 一 电压转换器一 图1 7s m p d p 驱动模块设计图 a ) 视频采集 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芯片，例 如飞利浦的s a a 7 1 1 0 和s a a 7 1 1 4 系列。在图象数字化后，必须将信号存储下来，由于p d p 是子 场显示方式，因此必须存储一帧以上的图像，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。 b ) 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 正常丁作所必需的同步信号、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可编程逻辑器件 ( p l d ) 。 c ) 高压驱动 由于p d p 的j i 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 c 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。 d ) 电源 7 东南大学硕上学位论文 在p d p 中存在着各种幅度的电压，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t 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，利用电 感将能量返回电源，从而可以解决高功耗的问题。 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典型的驱动方 案，该方案采用了a d s 驱动时序。荫罩式等离子体显示屏的驱动波形可分为三部分：重置波形、 寻址波形和维持波形，驱动波形如图1 8 所示。 图1 - 8s m p d p 典型驱动波形 图1 8 中各参数的含义： v 呻：正向斜坡电压超过正向维持电压的值 v p d ：负向斜坡电压低于负向维持电压的值 t p u ： 正向斜坡电压的上升时间 t p d ： 负向斜坡电压的。卜降时间 寻址波形的t 作原理黼。未艄引腑。：对于需要点亮的像素，当扫描到这一像素所在行的时候， 这像素所在列的数据电压为某一个高的值，扫描脉冲与数据脉冲电压的差值超过屏单元的着火电 压v f ，由于进入寻址期的时候屏单元的壁电荷很少，相应壁电压很小，所以加在气体上的电压接 近于两个电极上电压之差，这样气体产生放电，气体放电之后一部分空间电荷会积累到介质层上， 形成一定的壁电压。 对于不需要点亮的像素，相应列的数据电压为零，则扫描电极和数据电极上电压之差不超过 气体的着火电压，所以不会产生寻址放电，导致没有壁电荷的积累。在维持期也不会产生持续放 电。 维持期的工作原理错误1 未拄剩引用鬻话误1 未艄引用嚣错误未找刊引用氟：通过寻址操作使某些需要点亮的像 素的介质层上积累一定的壁电荷，在维持期，假设壁电荷引起的电压为v w ，维持脉冲电压为v s ， 则选取v 、矿v s v f ，则又会产生气体放电。 重置期的作用惜误未删引用鼠：维持期结束时刻等离子屏上不同放电单元壁电压的情况，需要在 寻址之前加入重置期，用以调整放电单元壁电压和产生一定的空间电荷。在现在的s m p d p 上使 用的重置期波形如图1 8 所示。图中行电极即是扫描电极。维持波形，重置波形和扫描波形都出 8 第一章绪论 现在行电极上。列电极即是数据电极，在寻址期对应每一个扫描行出现相应的数据脉冲，在维持 期和在重置期一般为地。1 1 9 1 为了实现灰度的变化，把一帧时间按不同的权重分为n 段，其中的每一段我们成为一个子场， 每个子场都包含有寻址期、维持期和重置期。图1 9 中斜线代表寻址期和重置期，在每个子场中 它们的长度基本是一样的；灰块代表维持期，不同权重的子场中的维持期的长度是不同的，在图 中，每个子场之间能维持的时间比重为1 ：2 14 ：8 ：1 6 - 3 2 ：6 4 ：1 2 8 ，当寻址期该子场被选中 后，该子场的维持期将会维持放电发光。这样通过寻址数据决定不同子场是否维持发光，然后通 过发光子场的组合来实现2 5 6 级灰度。对于彩色s m p d p ，红、绿、蓝三种基本颜色，每种基本 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 8 2 1 6 ( 1 6 7 m ) 种颜色，从而实现全色显示。 扫描电极l 扫描 扫描电极n l 帧 s u b f i e l dl 子场l ( s f l ) i s f 4 is f 5 l s f 6s f 7 扫描脉冲 图1 - 9s m p d p 子场典型驱动波形 1 3 课题主要工作及意义 本课题是国家8 6 3 项目，即荫罩型彩色等离子体显示屏研制项目的一部分，旨在通过加入图 像处理的算法，改善图像质量。课题主要侧重上程设计应用，具体的丁作量主要集中在算法仿真 和算法的硬件语言实现上，特别是硬件语言的实现和测试工作。主要上作在两方面：一是针对图 像源信道中的噪声加入中值滤波器，在消除噪声的基础上最人可能的保证画面细：肖不被丢失。二 是针对g a m m a 反矫正后的小数丢失而引起的图像细节丢失，采用抖动算法和误差扩散算法结合在 显示位数不变的前提一i - 显示出增加的小数位。对于这两部分内容，都先在理论分析的基础上进行 静态仿真，然后在仿真算法的基础上用硬件语言编写算法在f p g a 上实现。 9 期、持维 船 蝴 s刎 fs2 f i s ，l 东南大学顶学位论文 第二章项目实施平台介绍 2 1 硬件开发平台介绍 2 1 1 图像原板和视频数字信号 蚓像源板的主要工作是将各种视频接口格式( 如c v b s 、s - v i d e o 、v g a 、d v i 、h d m i 等) 、 各种视频制式( 如p a l 、n t s c 等不同分辨率、不同帧频的制式) 的视频信号转换成标准的w x g a 、 6 0 h z 的数字平板显示信号( 包含r g b 、v s 、d e 信号) 。针对不同信号所需处理也有所不同。 比如v g a 和d v ! 信号只要进行a d 转换或者t m d s 信号的解码：而对传统模拟视频信号如 c v b s ，则在a d 转换后，还需要进行去隔行变换，以将隔行信号转换成适台p d p 显示的逐行型 号。视分辨率和帧频的不同，这些信号都有可能需要分辨率转换单l 帧频转换等步骤。本系统中图 像源采用了p i x e l w o r k s 公司的套片解决方案( 包含p w 3 6 5 、p w l 2 3 l 等芯片) 。图像源实物如图 2 1 ： 图2 - 1 倒像源扳实物图 本项日中采用图像格式如剖2 - 2 ，图像源源发出的信号为c i k ，v s ，d e 和d a t a 。c l k 是目像 源时钟，频率为7 2 m h z ，v s 是帧同步信号，频率为6 0 h z ，d e 是行同步信号d a t a 是接受图像 数据。v s 的频率为6 0 h z ，在每帧的开姑，会有一个窄的负向脉冲，接着在这帧的有效时间内全 部为高。在v s 为高捌间，d e 会出现7 6 8 ( 行数) 个止向高电平脉冲在每个d e 的高电平期间， 视频源会在每个c i k 的上升沿发出有效视频信号。 第二章基本硬件平台介绍 i j e g l k l h t a 图2 2 图像源时序图 d a t a 为8 位数据，最低位第0 位为l 则权重最小的子场维持发光，以此类推，最高位为1 则 权重最大的子场维持发光。 2 1 2 图像处理开发板 本项目图像处理部分是基于a l t e r a 公司的s t r a t i x 系歹u f p g a 完成的。采用这样的f p g a 主要有如 下考虑： 当前半导体工艺水平已经达到深弧微米，时钟频率业发展至l j g h z 以上。s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 成为集成电路的重要载体。与专爿j 集成电路a s i c ( a p p l i c a t i o n - s p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t ) 相比， 二者的设计技术部分大部分相同，但是f p g a 具有许多a s l c 所无法比拟的灵活性与快速性。 传统的a s i c 研制分为三步：设计、制造与封装、最终测试。如果在将设计交付工厂制作掩膜 后又做出任何改动，或者在测试时发现缺陷，那么就必须重新制作新的掩膜，然后再重复制造与 测试步骤。以上因素导致：如果研制的a s i c 生产量小，那其价格将非常昂贵：同时在芯片制造过 程已经开始斤的任何设计修改或错误都将是一个灾难。 现场可编程门阵；i j f p g a 的出现弥补了a s i c 设计的不足。利用f p g a 的可重构性和可配置计算 能力，设计者能够在不流片的情况就能完成对原设计的验证和修改。由于f p g a 是由掩膜fj 阵列 和可编程器件演化而来，最终完成的设计在二者上的表现相差不大。因此，使用f p g a 进行项目 设计，在实现了小型化集成化和高可靠性的同时，减少了风险，降低了成本，缩短了设计周期， 避免昂贵的重新设计过程。 本项目设计过程中，将会不可避免的面对反复的测试与修改，在更换了系统环境之后，某些 参数也需要进行修改，所以采用f p g a 作为图像处理部分设计平台非常的方便和节约成本。 在批鼍生产后，使用f p g a 的成本将会远远超出a s i c ，但是使用a l t e m 的s t r a t i x 芯片在设计完 成之后，可以由a l t e r a 的h a r d c o p y q b 心将设计无缝移植为低成本、功能等价、引脚兼容的h a r d c o p y 器件。这大大降低了项目器件上的成本。 基于a l t e m 公司s t r a t i xe p i $ 2 5 f 6 7 2 c 7 芯片的开发板。周边电路包括两个s d r a m ，f l a s h ，以及 4 个插槽和l e d 尘j - 等。如图2 3 ： 东南人学碗i 学位论业 曲2 5 埂件开发板照片 核心苍片采j j 了s t r a t i x e p i s 2 5 f 6 7 2 c 7 芯片芯片内部资源非常丰富，适合大规模设计需要。 包含2 5 6 6 0 个l e ，2 2 4 个5 1 2 位的r a m ( 3 2 x 1 8 位) ，1 3 8 个4 k 的r a m ( 1 2 8 3 6 位) 两个4 k 的 r a m ( 4 k x l 4 4 位s ) ，】0 个d s p 模块8 0 个乘法器，6 个锁相环7 0 6 个最多可用的i o 口。 2 2 软件开发平台介绍 本项目的f p g a 程序设计基于a l t c r a 公司的q u a u s i i5 i 软件平台。q u a m e i i 是a l t e r a 公 司提供的f p g a c p l d 开发集成环境，a f t r a 是世界上最大可编程逻辑器件的供应商之一。 q u a r t u s i i 界面友好，使用便捷，被誉为业界最易刚易学的e d a 软件。在q u a r t u s i i 上可咀完成设 计输入、元忭适配、时序仿真和功能仿真、编程下载整个流科，它提供了一种与结构无关的设计 环境，是设计者能方便地进行 殳计输入、快速处理和器件编程。q u a r t u s i i 能够支持逻辑门数在百 万门以上的逻辑器件的开发并且为第三方t 具提供了无缝接口。q u a r t u s l l 支持的器件有：s t r a t i x i i 、s t t a l i xg x 、s t r a t i x m叭m a x 3 0 0 0 a 、m a x7 0 0 0 b 、m a x7 0 0 0 s 、m a x7 0 0 0 a e 、m a x i i 、f l e x 6 0 0 0 、f l e x l o k 、f l e x l 0 k a 、f l e x l 0 k e 、c y c l o n e 、c y c l o n ei i 、a p e xi i 、a p e x 2 0 k c 、 a p e x 2 0 k e 利a c e x l k 系列。 q u , ”t u s i i 软什包的编程器是系统的核心，提供功能强_ 人的设计处理，设计者可咀添加特定的 约束条什米提高芯片的利坩率。在设计流程的每一步，q u a n u s i i 软什能够引导设计者将注意力放 在设计上，而不是软件的使用上。同时，白动的错误定位、完备的错误和警告信息，使设计修改 变得简单容易。另外，o u m , , t u s 可与m a t l a b 的s i m u l i n k 荆d s pb u i l d e r 结台，是开发d s p 硬 件系统的关键e d a _ | = 具，q u a 咖s i i 与s o p cb u i l d e r 结合，能够开发s o p c ( s y s t e mo na p r o g r a m m a b l e c h i p ) 系统，是一款很有发展前途的e d a 软件。 q u a m s i i 开发系统的特点： 一、开放的界面q u a n u s i f 支持与c a d e n c e ，e x e m p l a r l o g i c ，m e n t o r g r a p h i c s ，s y n p l i c 斜，v i e w l o g l c l 其它公司所提供的e d al 且接口。 二、与结构无关q u a r i u s l i 系统的核心c o m p l i e r 支持a h c r a 公司所有可编聪逻辑器f l ，提供 第二章基本硬什平台介绍 了世界上唯一真正与结构无关的可编程逻辑设计环境。 三、完全集成化q u a r t u si i 的设计输入、处理与较验功能全部集成在统一的开发环境下，这样 可以加快动态调试、缩短开发周期。 四、丰富的设计库q u a r t u s i i 提供丰富的库单元供设计者调用，其中包括7 4 系列的全部器件 和多种特殊的逻辑功能( m a c r o - f u n c t i o n ) 以及新型的参数化的兆功能( m a g e - f u n c t i o n ) 。 五、模块化工具设计人员可以从各种设计输入、处理和较验选项中进行选择从而使设计环境 用户化。 六、硬件描述语言( h d l ) q u a r t u si i 软件支持各种h d l 设计输入选项，包括v h d l 、v e r i l o g h d l 和a l t e r a 自己的硬件描述语言a h d l 。 七、o p e n c o r e 使得q u a r t u s i i 软件具有开放核的特点，允许设计人员添加自己认为有价值的 宏函数。 1 3 东南大学硕上学位论文 第三章中值滤波算法设计与实现 3 1 图像的生成与图像噪声的处理 成像设备所产生的图像，跟人眼有所不同，它们通常是确定的或唯一的。所生成的图像主要分 为两类：一类是物理光学图像，一类是电子学图像。在图像处理学中主要涉及的是电子学图像，它 是由电子设备( 摄像机、数码像机、计算机、扫描仪等) 所产生的。在对图像进行处理时，一般应 首先将电子设备所产生的图像送入数字化仪器，使其变为一幅数字化的图像，从而对数字化的图 像进行处理。 图像数字