（信号与信息处理专业论文）平板显示新技术以及液晶电视软件的研究.pdf

中文摘要 平板显示技术正逐渐取代c r t 成为主流显示技术。平板显示技术和v l s i 技术相结合，诞生了硅基液晶( l c o s ) 显示技术。d c d i 算法能够改善了隔行视频 在逐行扫描显示面板上的显示质量。o l e d 器件是最有前途的平板显示技术。这 些不同领域创新都带动了平板显示产业的发展，使之成为潜力巨大的市场。 液晶显示技术是发展最成熟的平板显示技术，广泛应用于各种显示领域。液 晶电视由于体积小、画质好、辐射小、耗电低等特点，难取代c r t 电视显示成 为主流的电视技术。根据市场的需求和掌握先进技术的需要，本课题研制了基于 t 0 9 4 7 的液晶电视解决方案。 该方案硬件电路包括高频信号接收、视频解码、p c 信号数字化、显示接口 和控制、o s d 显示等多个模块。它能够将电视信号、多种视频信号和p c 图形信 号，转换成液晶显示面板所需要的数字r g b 信号。论文中详细介绍了各个功能 模块的功能，对一些重要参数给出定量的分析。在深入研究实时系统软件的不同 结构的基础上，确定了系统软件结构。整个系统软件分成了几个清晰的软件模块， 便于调试和升级。文中详细介绍了几个重要的软件模块的流程。 最后开发出的1 5 时( 1 0 2 4 7 6 8 ) 和1 7 时( 1 2 8 0 1 0 2 4 ) 液晶电视达到了比 较好的显示效果，菜单操作方便，达到了设计的要求 关键词：平板显示液晶电视t 0 9 4 7 实时系统 a b s t r a c t t h ef i a tp a n e ld i s p l a y ( f p d ) t e c h n o l o g yh a sg r a d u a l l ye v o l v e di n t oam a i n s t r e a m d i s p l a yt e c h n o l o g y i np l a c eo f c r t d i s p l a y c o m b i n e dw i t hv l s id e s i g nm e t h o d s ，a n e wl c dd i s p l a yt e c h n o l o g yc a l l e dl i q u i dc r y s t a lo ns i l i c o n ( l c o s ) h a sb e e n i n v e n t e d a sa na d v a n c e di m a g ep r o c e s s i n ga l g o r i t h m 。d c d iw a sd e v e l o p e dt o i m p r o v et h eq u a l i t vo f v i e w so fi n t e r l a c e dv i d e oo np r o g r e s s i v ed i s p l a y s 0 l e di s r e g a r d e da st h em o s tp r o m i s i n gf p dt e c h n o l o g y a nt h e s ei n n o v a t i o n si nd i f i e r e n t d o m a i n sl c a dt or a p i de x p a n d i n go f f p di n d u s t r y , am a r k e tw i t hg r e a tp o t e n t i a l l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ( l c d ) t e c h n o l o g yi s o n eo ft h em a t u r e s tf p d t e c h n o l o g y a n di s w i d e l yu s e di ns o c i e t y l c dt vh a sm a n ys u p e r i o rc h a r a c t e r i s t i c ss u c ha s s m a l l e rs i z e ，b e t t e ri m a g eq u a l i t y , l o w e rr a d i a t i o na n dp o w e rc o n s u m p t i o nc o m p a r e d w i t hc r tt v , s ot h e r ea r eg r e a tp o s s i b i l i t i e st h a ti tw o u l db e c o m eam a j o rt v d i s p l a y t e c h n o l o g yi np l a c eo f c r t b a s e do nt h ed e m a n do fm a r k e t sa n dt h en e e dt og r a s p a d v a n c e dt e c h n o l o g y , al c dt vs o l u t i o nb a s e do nt 0 9 4 7i sd e v e l o p e d t h eh a r d w a r eb o a r di n c l u d e ss e v e r a lm a j o rc o m p o n e n t s ：t vt u n e r , ad e c o d e ro f v i d e os i g n a l ，a na dc o n v e r s i o n c h i p ，al c di n t e r f a c i n ga n dc o n t r o l l i n gc h i p ，a no n s e m e nd i s p l a y ( o s d ) c h i p i tc a nc o n v e r tt vs i g n a l ，v a r i o u sv i d e os i g n a la n dp c a n a l o gs i g n a li n t od i g i t a lr g bs i g n a lw i t h t h ed e s i r e do u t p u tr e s o l u t i o n t h ef u n c t i o n s o ft h e s ec o m p o n e n t sa 托p r e s e n t e di nt h i sp a p e ra n dt h eq u a n t i t i v ea n a l y s i so fs o m e i m p o r t a n tp a r a m e t e r s a r ea l s o g i v e n s e v e r a le x i s t i n g r e a lt i m es y s t e ms o f t w a r e s t r u c t u r ea l ed e t a i l e da n da ne f f e c t i v es o f t w a r es t r u c t u r ei sa d o p t e d t h es y s t e m s o f t w a r ei sc o m p o s e ds e v e r a lc l e a r l yd i v i d e dc o m p o n e n t s ，w h i c hm a k e ss o f t w a r e d e b u g g i n ga n du p g r a d i n ge a s i e r t h ef l o w c h a r to ft h e s ec o m p o n e n t sa r ed e s c r i b e di n t h i s p a d e l o u rf i n a lp r o d u c t si n c l u d ed i a g o n a l l y1 5 - i n c hl c dt vw i t har e s o l u t i o no f 1 0 2 4 7 6 8a n d1 7 i n c hl c dt vw i t har e s o l u t i o no f1 2 8 0 * 1 0 2 4 b o t ho ft h e mh a v e o u t s t a n d i n gd i s p l a yq u a l i t y , e a s et o u s eo s d t h eo r i g i n a ld e s i g nr e q u i r e m e n t sa r e m e t k e y w o r d s ：f p dl c dt vt 0 9 4 7r e a lt i m es y s t e m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤壅盘堂或其他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。 学位论文作者繇叫乏6 签字眺砂；年2 - 胧日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘壅盘茔有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫盗叁茔可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：刘墨丫 签字目期：卅鸪年1 月万日 新躲糯 签字日期：加叹年硼菇咱 第一章绪论 第一章绪论 1 i 本课题提出的背景和意义【1 】 2 l 目前正处在从模拟显示到平板显示转变的进程中，虽然c r t 显示器仍占据 着主要的显示市场份额，但平板显示器( f p d ) 发展速度很快。日本产业界将电 子器件分为i c 、f p d 、分立器件、电子管四类，足以显示它的地位。据市场调查 机构s t a n f o r dr e s o u r c e s 的一份报告指出，在全球市场中，台式机和工作站使 用平板显示器的数量将从2 0 0 0 年的7 0 0 万台增长到2 0 0 6 年的6 ，3 4 0 万台，市 场占有率将从2 0 0 0 年的3 8 增加到2 0 0 6 年的3 1 6 。 平板显示器包括液晶显示( l c d ) 、等离子显示( p d p ) 、o l e d 等多种显示器件。 其中，l c d 发展最早、最成熟，应用范围也最广，广泛应用于电脑显示、手机显 示等领域。p d p 发展速度很快，主要用于消费类电子领域，是h d t v 、多媒体终端 理想的显示器件。o l e d 显示器是最有发展前途的显示器，但目前刚刚起步，行 业标准尚未统一，产业化生产尚需等待。这些技术都在不断完善之中，一种技术 不会简单的替代另一种技术，而是拓展整个显示器产业的应用领域。 随着激烈的市场竞争，显示市场呈现不断细分的趋势。在这些激烈竞争中， 成本将成为主要因素，决定着一种技术能不能在某些领域成为主流技术。随着第 五代和更先进的l c d 面板生产工厂的大量建立，液晶面板在价格和性能上都获得 较大的优势。在平板显示领域，有一种观点认为液晶显示器适合1 英寸以上到 2 0 英寸之间，2 1 英寸到3 8 英寸是普通c r t 显示器的天下，3 8 英寸到6 0 英寸之 间是p d p 的疆域，6 0 英寸到1 0 0 英寸是投影电视的领域。但是，随着液晶面板 技术和生产工艺的成熟，尺寸从2 0 英寸扩展到5 2 英寸，将触角延伸到p d p 市 场，形成了互相渗透和竞争的局面。 液晶电视的开发是在对国内外市场分析的基础上提出的。在目前的液晶市 场，面向笔记本电脑的市场趋于饱和，面向台式机的市场正在发展之中。随着数 字电视、高清晰度电视、大屏幕电视在未来的发展，电视机市场潜在的市场规模 巨大。在当前，台式机液晶显示器技术趋于成熟，而液晶电视机市场和技术都正 在起步阶段，前景广阔。 第一章绪论 包括液晶显示在内的平板显示产业是一个庞大的产业链。它包括面板制造、 驱动电路设计、显示处理芯片设计等多种产业。中国大陆是c r t 电视机的生产 大国，而并没有掌握平板面板制造、驱动电路设计以及显示芯片设计的核心技术。 大屏幕显示的高端技术还掌握在日本、韩国和中国台湾省的企业手中，而相对落 后的芯片产业也不足以支撑显示处理芯片的设计。因此，采用“亚核心”战略， 以应用塑造市场是中国彩电企业的重要策略。国内已有若干大的彩电企业如长 虹、厦华推出了液晶电视产品，但都是采用了显示芯片厂商提供的解决方案。我 们设计的液晶电视显示转换卡，借鉴了芯片厂商的平板显示解决方案，自行设计 了电路和系统控制软件，提出自己的液晶电视解决方案，这有助于掌握应用设计 的核心技术。 1 2 国内外研究概况1 3 1 1 4 目前使用的视频端口大多是模拟视频接口。模拟视频信号分为复合视频 ( c v b s ) 、s 视频( s - v i d e o ) 和分量视频三种格式。复合视频信号包含复合的亮 度和色度信号，s 视频信号包含分立的亮度和色度信号，分量视频信号包含亮度 信号和两个分立的色度信号( 红色减去灰度、蓝色减去灰度) 。并且，还存在着 三种不同的制式：n t s c 、p a l 和s e c a m ，它们的差别主要体现在色度信号对 副载波的调制方式和扫描频率上。 p c 图形信号的基本结构是相同的，但也存在一些差别。p c 图形信号有v g a 、 w v g a 、x g a 、s x g a 、u x g a 等多种分辨率，并且同步方式也不尽相同。同 步方式主要有行场分立同步、行场复合同步以及叠加在绿色信号上的同步这三种 方式，有效电平可以是低电平或高电平。 设计兼容p c 图形信号的液晶电视解决方案的难点就在于要求它的前端能够 接受图形、图像信号，并且可以支持不同分辨率的显示面板的显示。但是，这样 设计的解决方案，多种规格的产品可以使用同一硬件平台以及软件模块进行开 发，新产品的研发周期将大大缩短，并且保持了产品的兼容、易用。 目前一些好的液晶电视解决方案主要是由几家大的显示芯片提供商开发的。 g e n e s i s 公司是世界上l c d 监视器显示处理芯片的主要提供商，占据6 5 的市场 份额。目前它也看好l c d t v 这个有巨大潜力的市场，推出了f l l 2 3 0 0 + j a g a s m l c d t v 解决方案，已经被夏普、三星、l g p h i l l i p s 等公司采用。它的设计体现 了跨平台设计的思想，能够支持x g a 、w x g a 、s x g a 、w u x g a 等多种分辨 率的显示面板。p i x e l w o r k s 也是图像显示芯片的一个主要的提供商，在投影仪显 示芯片方面占有世界9 0 以上的市场。它的软件设计采用自己独特的s d k 开发 工具，产品的开发保持了连续性。在一个成熟产品的基础上，接着开发其他型号 第一章绪论 产品的速度将会加快。 在国内，电视机厂商主要采用了国外厂商的解决方案。如长虹在2 0 0 2 年8 月2 21 7 推出的3 0 英寸液晶电视采用的就是p i x e l w o r k s 的解决方案。关于解决方 案本身的研究还处于初级阶段，这与国内芯片产业的不发达有很大关系。好的解 决方案必须有芯片厂商的大力支持，以做到一个解决方案支持多种芯片。 1 3 本课题的目的及其实现1 5 i 本设计方案要设计成能够处理p c 图形信号、多种模拟视频信号，并带有电 视接收功能的液晶电视解决方案，能够支持x g a 和s x g a 分辨率的显示面板。 图像显示效果良好，菜单易于操作、功能完善。 项目开始后详细分析了系统的整体要求，对国外多种解决方案进行了比较： 基于g m 5 0 2 0 的平板显示方案、基于a l 3 0 0 的平板显示方案等，对一些关键技 术，如图像缩放参数定义等，进行了研究。在此基础上，提出了自己的总体设计 构想。 硬件电路决定采用了台湾创品公司的t 0 9 4 7 作为主显示控制芯片，外加了 p h i l i p s 公司的解码芯片s a a 7 1 1 4 、a d 公司的a d 芯片a d 9 8 8 3 以及其它一些辅 助芯片。选择芯片时充分考虑了性能、信号接口上的匹配，消除了制约处理性能 的瓶颈。在对实时系统软件特点进行详细研究的基础上，设计了软件的总体结构。 软件的上层结构同硬件无关，下层软件按模块进行划分，可以针对不同的硬件芯 片更换驱动软件模块。 具体的设计开发步骤为： 1 ) 产品定义，需求分析 2 ) 硬件和软件划分 3 ) 详细的硬件与软件设计 4 ) 硬件和软件的调试与集成 5 ) 产品测试 在每一个阶段和各个阶段之间，都会出现反复的优化。在每一步进行严格的 质量控制。在开发过程中，软件和硬件设计人员的相互协调，以及项目的前期研 发对开发提供了有力保障。 第二章平板显示新技术 第二章平板显示新技术 平板显示器件包括l c d ( 液晶显示) 、p d p ( 等离子显示) 、o l e d ( 有机电 致发光二极管) 、l e d ( 发光二极管) 、f e d ( 场致发射显示器) 、v f d ( 真空荧 光显示器) 等。l c d 是非主动发光的显示器件，分为采用背光源的透光型和采 用外光的半透过型、反射型。与c r t 相比功耗低是其主要特征，但响应速度和 亮度是以后亟待解决的问题。p d p 主要用于大屏幕显示设备，但目前成本太高是 制约因素。o l e d 是主动发光型电子显示器，具有高亮度和高对b e 度的特点，现 在正在实用化阶段，耐久性、发光效率、寿命是其研发的主要课题。现在集中于 手机等小屏幕显示，并逐渐向大屏幕延伸。l e d 主要用于指示显示，室外超大 屏幕显示也首选l e d 。v f d 是一种低压、直流驱动的平板电真空器件。 2 1 平板显示器件的基本结构及性能 2 1 1 显示原理和基本结构 从发光原理上区分，平板显示器件可以分为发光型和受光型两大类。它们的 基本结构均为层状结构，即在两块具有导电极的基板之间镶嵌有固体、液体或气 体所构成的发光材料层。下面简单的介绍一下各种显示器件的基本原理。 1 ) l c d 在一定的驱动电压下，液晶分子的排列方式发生改变，液晶盒的双折射 性、旋光性、二色性、光散射性等光学性质发生变化，引起透光性的变 化，继而带来显示效果的变化。l c d 就是液晶盒利用光调制的一种受光 型显示器件。 2 ) p d p p d p 显示器件是利用稀有气体的等离子放电而在矩阵电极交点上发光的 显示器件。它的基本结构为由带有行电极和列电极的两块玻璃基板构成 放电空间，封入数十千帕的混合稀有气体。 3 ) 0 l e d 0 l e d 是由空穴传输层、电子传输层、发光层组成的多层结构。由金属电 极注入电子，由i t 0 电极注入空穴，电子和空穴在传输过程中结合而产 生激子，激子在发光层复合而发光。由于电荷注入而发光的机理类似于 l e d ，因而称为o l e d 。 4 ) l e d 4 第一二章平板显示新技术 l e d 是由具有载流子是电子的n 型半导体和载流子是空穴的p 型半导体 所构成的p n 结结构的光电转换型半导体器件。p 型区为阳极，施加正 电压：n 型区为阴极，施加负电压，少数载流子空穴从p 型区注入到n 型区和多数载流子电子复合，复合能转换成光能。 5 ) v f d v f d 由面玻璃、阴极( 灯丝极) 、控制栅极、阳极基板构成。在涂有氧化 物阴极材料的阴极上通电加热而释放热电子，热电子首先通过金属网格 控制栅极的作用使扩散运动获得加速。然后，在分割成段状的阳极上撞 击荧光体层，使荧光体层激励而发光。 2 1 2 显示性能评价指标 下面是评价平板显示器件常用到的技术指标。 1 ) 可视面积 可视面积指的是显示器有效显示区域对角线的长度。 2 ) 对比度 对比值的定义是最大亮度值( 全白) 除以最小亮度值( 全黑) 的比值。因此， 发光型器件的对比度是发光亮度的比值，而受光型器件指的是透光率之 比。 3 ) 亮度 对发光型器件来讲，亮度指的是垂直于光束传播方向上，单位面积上的 发光强度，单位是c d m 2 。受光型器件的亮度由光源和透光性决定。 4 ) 响应时间 显示器件的动态行为可以用三个常数来表征：延迟时间t d ，上升时问t r 和 下降时间t f 。延迟时间t d 又称死亡时间，它定义为加上电压后一直到透 光率达到最大值的1 0 的时间。上升时间t r 定义为透光率从l o 增加到 9 0 所用的时间。下降时间t f 又称余辉时间，是透光率从9 0 - f f 降到1 0 所用的时间。 5 ) 功耗 驱动显示器件所加的电压为工作电压，驱动时流过的电流是消耗电流， 工作电压和消耗电流的乘积是消耗功率。 6 ) 发光效率 发光效率指的是发光型器件释放单位能量的光，通过人的视觉感觉到的 视感度。它是器件所释放的光通量和消耗的能量之比。 7 ) 寿命 第二章平板显示新技术 寿命是由显示原理、使用材料的化学稳定性、耐湿性或耐光性等环境状 态以及负反应等条件来决定的。 2 2 液晶显示新技术- l c o s m 叫 2 2 1l c o s 液晶显示技术是当前平板显示的主流技术，也是受光型显示的代表。液晶显 示器件按驱动方式，可分为无源矩阵驱动器件( p m - l c d ) 和有源矩阵显示器件 ( a m l c d ) 。无源矩阵显示器件是带有条状i r i d 电极的两块玻璃板之间注入液 晶而构成的，包括t n l c d 、s t n l c d 等类型。由于无源矩阵显示器件容易出 现交叉干扰，显示响应时间长，很难实现高分辨率和高刷新频率显示，主要用于 仪器仪表、手机、p d a 等。有源矩阵显示器件是在每一个扫描电极和信号电极 的矩阵像素点上附加上开关元件和必要的电容元件，排成矩阵阵列，由开关来驱 动液晶的方法。这些开关元件和电容器起着防止交叉效应和存储信号电荷的作 用。 t f t l c d 是一种有源矩阵显示器件，它使用a - s j ( 非晶硅) 、p s i ( 多晶硅) 、 c d s e ( 硒化镉) 等t f t ( 薄膜器件管) 构成开关器件。图2 1 中给出了t f t _ l c d 的 像素结构图。 图2 1t f t - l c d 的像素结构图 t f t o l c d 存在的一个问题是像素开口率过低。像素开口率指的是显示像 素内有效显示面积所占的比例，开口率越大亮度越大。t f t - l c d 的开口率很低 是因为t f t l c d 要在每个像素上要划出一个区域制作t f t 和充电电容，并且 t f t 是在玻璃基板非晶硅层上制作的，所占面积较大。具有1 0 2 4 7 6 8 象素的 高分辨率x g at n l c d 的开口率仅为0 与。低开口率除了造成光效率低以外， 还会导致黑栅，常常需要通过微透镜和增加光学系统设计的复杂性来消除。 基于l c o s ( 硅上液晶) 技术的反射式硅光阀可以克服t f l c d 的这一缺点。 l c o s 是一种基于c m o s 工艺的反射型l c d 显示技术，它将液晶驱动电路和其 他一些功能都集成在一块硅片上。因为所有的电子部分都隐藏在像素的反射镜下 6 第二章平板显示新技术 面，而且像素尺寸可以减少到微米量级，像素密度可以达到1 0 0 0 p p i ( p i x e lp e r i n c h ) ，开e l 率高达9 0 ，因此，光效率和投影图象的质量大大地改善。并且， 它还会带来生产成本的降低。生产成本降低是由于这种高密度高分辨力像素的 l c o s 前期制作过程几乎与v l s i 的制作过程相同，可以利用已经相当成熟的 v l s i 工艺来把液晶显示的驱动电路和其它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现成的，可以减少在专用生产线上的投资。 而且从电路的观点来看，硅是有源矩阵最好的材料。此外，由于驱动c m o s 电 路的电压很小，整个显示系统的功耗也大大降低，适应现今节能的要求。 由于l c o s 的屏幕尺寸很小，所以在显示时必须采用光学放大系统。一种放 大是投影放大，用于电视等显示设备。另一种是虚像放大，可作为头戴式的随身 看系统显示。 2 2 2 l c o s 投影系统芯片9 i l c o s 高分辨率视频投影机的核心是芯片，它把显示驱动器和像素阵列集成在 一起。图2 2 为香港科技大学开发的分辨率为s x g a 的l c o s 投影系统芯片的功能 框图。该芯片外接像素时钟及扫描时钟两个控制信号，担负显示数据操作和信号 同步任务。 图2 2l c o s 显示芯片功能方框图 数据驱动器具有8b i t 的分辨率，分为奇数和偶数列。将象素阵列分割为奇 数和偶数列可使像素时钟减小一半。像素数据以串行方式移入数据驱动器，并以 并行方式转移到d a 转换器以完成d a 转换。为了产生用于d a 转换的参考电压， 把y 校正电路也集成到硅片上。可以通过针对红、绿、蓝光照度的外部y 校正 第二章甲板显示新技术 电压v 。、v 。v 。、v c 4 来精细调节参考电压。为了有效地驱动液晶盒，可通过内 部电平转换器来进一步将电压提升到5 5 v 。二维扫描器包括行数据驱动器和列 扫描驱动器，有1 2 8 0 1 0 2 4 的分辨率。作为0 3 5 u s 布线规则的结果，象素间距 为1 2 u m ，开口率为9 0 。显示区的对角线为0 7 7i n c h 。模板对角线尺寸为i 0 i n c h 。因为硅片是作为硅光阀的背板用的，所以其表面精加工非常重要。c m o s 制造工艺采用一种背底平面化工艺，以确保硅片表面是光学平面，采用这种背底 平面化工艺使硅光阀的光学性能大大地改进。 l c o s 显示芯片是块多功能、多结构的复杂芯片，以后它可以将整个显示处 理功能加进来。这种系统级芯片设计( s o c ) 是i c 设计的方向，而l c o s 芯片又是 i c 设计技术和平板显示技术相结合而诞生的新的技术，有着很好的发展前景。 2 3 解隔行和缩放技术1 9 1 1 1 0 2 3 i 解隔行算法 解隔行是将隔行扫描的视频信号如5 2 5 6 0 ( n t s c ) 、6 2 5 5 0 ( p a l s e c a m ) 等 转换成逐行扫描图像。当隔行扫描的视频图像要在逐行显示的平板显示器件上显 示时，解隔行是必不可少的关键步骤。目前提出的解隔行算法有： 场内行内插 用一场的相邻行通过内插系数的运算得到内插行的图像数据。参加内插的可 能是两行或更多行，内插系数的选择对图像显示效果有影响。算法有场内重 复差值法、线性插值法、带数字滤波的场内行插值法等。场内行插值法对运 动图像不会产生运动模糊，但定程度上抑制了场内的高频成分，会造成图 像细节不清晰、边缘不锐利，所得图像的垂直分辨率不高等缺点。 场间行内插 对相邻两场的两行数据经过运算得到内插数据。算法有场间直接内插和场间 线性内插。它们对静止图像的效果较好，垂直清晰度得以提高。但是因为两 场的运动图像不在同一个位置，奇行和偶行发生错位会产生运动模糊现象。 自适应场内和场问行内插 对输入视频流进行运动检测，根据图像帧差信号的大小判定是运动图形还是 静止图像。对运动图像进行场内行内插，对静止图像进行场问行内插。 带有运动估计的场间行内插 对运动图像进行运动估计和补偿，调整图形的水平和垂直位置，消除运动图 像的模糊现象。 第二章平板显示新技术 2 3 2d c d i d c d i 技术是f a r o u d j a 实验室拥有专利的解隔行和后续处理算法，曾经获得 图像处理的e m m y 奖。f a r o u d j a 实验室在视频处理方面有6 5 项专利和多项独特 的核心技术。d c d i 解隔行算法包括胶片模式检测、直接相关解隔行算法等。 d c d i 算法的创新之一是包含电影胶片模式检测模块。模式检测模块可以检 测出原始视频源的不同；根据原始视频源不同，做出不同的处理。一种原始视频 源是电影胶片或逐行扫描的摄像机。如果原始视频源是电影胶片，由于电影画面 的切换频率是2 4 帧秒，在转换成隔行扫描视频图像时进行3 ：2 或2 ：2 下变换。 如图2 3 所示，电影图像要转换成n t s c 图像，从一帧图像中得出三场隔行扫描 的图像；紧接着的一帧图像中得出两场隔行扫描的图像。这叫做3 ：2 下变换。这 样转换得来的隔行扫描视频容易进行解隔行处理：可以缓存2 场或3 场图像，重 构一个完整的帧，然后根据显示帧频率，重复显示构成的帧若干次，就可以不失 真的实现逐行显示。 图2 3 电影图像转换成n t s c 视频图像 对于另一种由隔行扫描摄像机得来的视频源，由于它在图像获取的时候就是 隔行扫描的，要重构一个完整的帧就不那么简单。d c d i 算法使用运动自适应方 法，对静止图像进行场间内插，以获取充分的分辨率；对运动图像进行带有运动 补偿的场内行内插，消除运动带来的模糊现象。普通的运动补偿算法使用场内相 邻的几行进行行内插来构建逐行扫描的图像，但这种方法在运动图像的边缘很容 易产生锯齿现象。d c d i 算法能辨识出运动图像的边缘，沿边缘进行像素级的内 插，可以有效的消除边缘锯齿。 9 第二章平板显示新技术 2 3 3 缩放( s c a l i n g ) 算法 平板显示和c r t 显示不同，c r t 通过调节扫描频率来调节分辨率。而平板 显示面板只能显示固定分辨率的图像，解隔行后的图像或逐行扫描的图像要经过 缩放模块，才能转换在显示屏上显示。可以说，图像缩放是平板显示芯片的核心。 缩放图像有很多方法，往往需要在速度和效果之间折衷。设计不好的算法会 得到有缺陷的图像，例如边界模糊、产生锯齿等。最简单的缩放算法是“最近邻 居”算法。这种算法中，变换后的像素点( i ，j ) 由离它最近的源像素( i ，j ) 复 制生成。设源图像的宽高分别为w 和h ，目标图像的宽高分别为w 和h 。那么 目的像素的点的坐标可以这样生成： i = i1 】r w j = jh h 上面公式小数部分忽略不计。这种算法虽然简单，但产生的图像通常有不能忍受 的图像混叠现象。 双三次插值算法是缩放图像的标准方法，它利用与目标图像的像素点最近的 1 6 个源像素点来生成目标像素点。要内插这个4 * 4 像素有两种方法，一种是三 次插值函数，另一种是b - s p l i n e 算法。下面给出b - s p l i n e 算法。 我们希望确定目标图像中一个像素点( i ，j ) ，它通常对应着原始图像中的一个 非整数位置( x ，y ) 。这个位置( x ，y ) 由下面的式子给出： x = i w w y = j h h 像素坐标( i ，j ) 的坐标分别对应x 和y 的整数部分，d x 和d y 是差值：d x = x i ， d y = y j ，( i ，j ) 纛抬毋澡 1 0 第二章i l 板娃示新技术 图2 4b - s p l i n e 算法示意图 下面的公式给出了内插值，它适用于r 、g 、b 三种颜色分量。f ( i ，j ) 是缩放 后的像素点的参数，它由对应的源像素点邻近的1 6 个像素点加权生成。 2z 刚，a 刚- + n ) r ( m - d x ) r ( d y - n ) m 。一1r i l - 1 其中，函数r ( x ) 由下面的式子给出： r ( x ) = - e p , + 2 ) 3 - 4p ( x + 1 ) 3 + 6p ( x ) 3 _ 4p ( x i ) 3 p ( x ) = b - s p l i n e 方法虽然可以产生很好的缩放效果，但是它需要的计算量大，不适 用于实时处理。现在许多硬件实现采用了自适应滤波的方法来实现缩放。在图像 缩放中很重要的一点是保留图像边缘，这种算法在考虑个像素的n * n 个邻居 时，对存在边缘的像素点和不存在边缘的像素点采用不同的内插算法来生成。 2 4 下一代平板显示器件- o l e d i l l o l e d ( 有些刊物上也称为有机e l ) ，是业界公认为在未来的1 0 2 0 年有可能部 分取代l c d ，最具发展前景的下一代显示器件。它与l c d 相比较有一系列优点： o l e d 是自发光物质，不需要背光设备，较之l c d 耗电量低，并且节省制造成本。 它的发光亮度能够达到阴极射线管的亮度，可视角度、对比度都非常好。它具有 很短的像素响应时间( l o u s ) ，可以更好的显示动态图像。并且，由于制造背光 源需要有毒物质( 如h g ) ，而它不需要背光源，对环境保护有利。它还具有超轻、 超薄( 厚度小于两毫米) 、低温特性优良、制造成本低等优点。o l e d 被称为梦幻 般的显示技术，能够制造出可像画卷一般卷曲的壁挂电视。 o l e d 的发光材料是有机薄膜物质。当电流流经有机薄膜时，发出亮光。由 于有机薄膜自身能够发光，因此它不需要液晶显示所需要的背光灯。o l e d 迈向 商用阶段的重要标志是它的使用寿命已经达到了1 0 ，0 0 0 小时，并且还在成倍增 长。o l e d 面板使用的三种颜色的发光材料中，蓝色和绿色材料的寿命可以达到 商用要求的几万小时，红色发光材料却只能达到2 ，0 0 0 、3 ，0 0 0 小时，并且发光 0 0 i x x 0 厂i 。l 第二章平板显示新技术 效率很低。现在0 l e d 的使用寿命达到1 0 ，0 0 0 小时，主要是由于发光效率得到 了提高，使得较低的电流可以获得要求的发光亮度，这样0 l e d 的寿命也得以增 加。例如，三洋电子公司和柯达公司一起开发出一种材料，通过添加辅助发光掺 杂剂，使得红光的发光效率增加了两倍，提高到2 8c d a 。随着发光效率的提 高，0 l e d 的电源消耗也在降低。 0 l e d 器件的驱动方式和l c d 基本相同，可以使用有源或无源矩阵驱动。无源 型0 l e d 设备在实现上比较简单。它使用阴极、阳极来驱动发光物质，通过行、 列导线来寻址发光单元。采用无源矩阵驱动的o l e d 成本低，已经商业化生产， 用于小尺寸显示设备，但是分辨率难以提高。采用有源矩阵驱动技术的o l e d 面 板采用t f t 来驱动像素点显示。例如，一些公司已经采用了类似于l c i ) 驱动的 l t p s ( 低温多晶硅) t f t 驱动技术。除了分辨率增加外，采用有源驱动后的0 l e d 器件的耗电量会降低。这是因为在无源矩阵显示中，一次只驱动一行。使得发光 时间等于一行的扫描时间，需要有较大的瞬时电流来驱动：而在有源矩阵面板中， 充电时间约等于一帧的扫描时间，可以用较低的电流长时间的来驱动。 目前0 l e d 显示屏主要用于手机、数码相机以及摄像机等，未来将逐步用于 大屏幕显示。0 l e d 要获得成功，面临着技术上和市场上的困难。在技术上，发 光材料的寿命、发光效率还要提高；由于有机材料不能接触水和氧气，使得制造 工艺比较复杂。在市场上，据估计t f t l c d 厂家已经进行了5 0 0 亿美元的投资， 刚刚开始获利，这时要求他们进入一个需要类似规模的投资、并且没有明确的市 场回报的领域是困难的。 2 5 本章总结 本章首先介绍了一般平板显示器件显示原理和性能评价指标。然后介绍了三 种平板显示技术的新技术：l c o s 、d c d i 和o l e d 。平板显示技术和v l s i ( 或 更先进的s o c ) 设计技术相结合，产生了硅基液晶显示技术( l c o s ) ：更先进的 视频和图像处理算法如d c d i 算法应用于芯片设计中，能够在平板显示器件上显 示更高品质的视频图像：发光材料上的创新，诞生了极有前途的o l e d 技术。 这些新技术只是蓬勃发展的平板显示技术中有代表性的几种，但是它们也给出了 技术创新的一个规律：平板显示是光学、材料学、集成电路设计、图像处理等学 科交叉的领域。它们在本学科的技术进步应用于平板显示领域，带来平板显示技 术的创新。 第三章系统的硬件结构 第三章系统的硬件结构 本课题设计的液晶电视的硬件电路包括平板显示转换电路板和电视调谐电 路。平板显示转化电路是自行设计的电路板，电视调谐电路采用了f 1 1 2 5 6 电子 调谐器，它包含调谐和中放电路。平板显示图像转换电路包括模拟r g b 信号的 a d 转换、视频信号的解码、显示转换、在屏显示( o s d ) 电路和微控制器等部分。 图3 1 给出了液晶电视的结构框图。 啪m * 网 尸 r 1_ il 裂 l 竺叫 “8 燃耻 | 高额头l2 6 ” lll 到 1 税鲠鹏器 ，邕到 蒿生震卜 1 液晶电视系统框图 3 1 所示，模拟r g b 信号经过a d 芯片a d 9 8 8 3 ，变为数字r g b 信号 入显示控制芯片t 0 9 4 7 。模拟视频信号( 复合视频、s 视频或解调后的t v ) 经过视频解码器s a a 7 1 1 4 变为数字y u v 信号送入t 0 9 4 7 。t 0 9 4 7 是专用 板显示处理和接口芯片，它具有s d r a m 芯片接口和在屏显示( o s d ) 芯片 ，可外接帧存器及在屏显示芯片。整个系统的控制采用微控制器w 7 8 e 5 1 6 ， 4 k b 内置f l a s h 程序存储器，时钟频率为1 2 m h z ，能够满足系统控制的要求。 制器的控制采用1 2 c 总线。系统有r s 2 3 2 接口，可以通过p c 机进行调试。 1 模拟r g b 信号的模数转换m l ，计算机大多输出模拟p , g b 信号，显示处理芯片t 0 9 4 7 只能接受数字 第三章系统的硬件结构 r g b 信号，所以要首先进行a d 转换，这由芯片a d 9 8 8 3 来完成。a d 9 8 8 3 的 内部功能框图如图3 2 所示。它包含三路8 b i t 、1 4 0 m s p s 采样速率的a d 通道， 最高可支持7 5 h z 刷新频率下s x g a 分辨率图像的显示( 像素速率是1 3 5 m h z ) ， 满足本系统设计的要求。除去三路a d 通道外，它还包含1 2 5 v 的内部参考电 压产生、p l l 、增益、直流分量和钳位控制等模块。芯片的编程是通过1 2 c 接口 来实现。 图3 2a d 9 8 8 3 功能框图 i ：i o u t a c o o r a 为了正确的数字化输入信号，必须调整它的直流分量，使得信号的输入电平 幅度范围满足a d 模块的需要。在a d 9 8 8 3 中，这是通过钳位来实现的。正确 钳位的关键是辨识何时出现黑色( b l a c k ) 信号，该黑色信号对应着量化值0 x 0 0 。然 后，从信号中去除该直流分量。在r g b 信号中，行同步信号后的后肩区( b a c k p o r c h ) 提供了一个很好的黑色电平。a d 9 8 8 3 提供了两个寄存器：钳位位置和钳 位宽度寄存器：钳位位置寄存器指定钳位起始时刻是在行同步结束后的第几个采 样时钟开始，钳位宽度寄存器指定钳位脉冲的持续时间。 除去三路a d 通道外，很重要的是同步处理模块。图3 - 3 是a d 9 8 8 3 的同 步处理模块示意图。a d 9 8 8 3 对行场分立同步、复合同步和s o g 同步的处理过 程是不同的，因此，在a d 转换前必须首先辨识输入信号的同步方式。在平板 显示转换电路中这是通过t 0 9 4 7 的硬件检测模块来完成的。 采样时钟的生成是通过配置锁相环来实现的：使用行同步信号作为参考时 钟，然后经过整数倍分频，得到a d 转换所需的采样时钟。分频系数是编程设 1 4 = l l l = 豁嘴嚣 第三章系统的硬件结构 定的，有效值是2 2 1 4 0 9 5 ，需要根据输入信号的格式进行调整，一般应设置为 行有效像素数的1 2 0 n1 3 0 。 3 2 模拟视频的解码1 1 3 l 图3 3a d 9 8 8 3 的同步处理模块 模拟视频信号的解码采用了p h i l i p s 公司的s a a 7 1 1 4 ，它是一种业界领先的 模拟视频解码芯片，功能框图如图3 4 所示。它可以用来接收l 路y c 和4 路 c v b s 信号，或者2 路y c 和2 路c v b s 信号，或者6 路c v b s 信号。芯片内部包 含自动增益控制( a g c ) 、自动钳位控制电路( a c c ) 、时钟产生电路( c g c ) 、抗混叠 滤波器和a d c 、用来进行亮色分离的可适应梳状滤波器、支持多种标准的解码单 元以及亮度、对比度和饱和度控制单元。它不仅能输出8 位或1 6 位y u v 数字视 频流，还能提供显示控制芯片所需的附属信号。 第三章系统的硬件结构 - i 。撼一l ” 止到 a 矗1 1m = = 了 圩丽习i i 飘 器躲一 一4 黧紫l j 5 4 1 1 t 。# j - - 导意i 厂= 二二二= 1 到塑塑h 燮懂帽培 _ 一。，l fi j 石 嚓帮。巍卤晚 ili 躺器 c m t i 如舶帕如 图3 4s a a 7 1 1 4 的模拟前端处理 由图3 4 可以看出，芯片包含两个主信号处理通路。每个通路都包含输入源 选择、钳位电路、模拟放大器、抗混叠滤波器和9 位a d c 。其中，钳位电路用来 去除直流分量。自动增益控制( a g c ) 可以将输入信号调整到a d c 所要求的输入电 压范围之内。 量化后的9 位c v b s 或色度信号送往一个