LED显示屏视频播放的原理和方法.pdf

第 2 3卷第 9期 2 0 0 6年 9月 计算机应用与软件 Co mp u t e r App l i c a t i o n s a n d S o f t wa r e Vo 1 2 3 No 9 S e p 2 0 06 L E D显 示屏视频播放 的原理 和方法 周 忠 尤 拮 上海市计算技术研究所上海 2 0 0 0 4 0 摘要 介绍和提 出 了几种用 L E D显示屏实现视频播放 的方法 同时针对各种方法介绍 了其控制 的优劣 关键词L E D灰度 视频 顺 向电流 THEoRY AND M ETHoD oF Eo DI S PLAY oVER THE LED DI SPLAY SCREEN Zh o u Z h o n g Yo u Zh e S h a n g h a i I n s t i t u te o fC o m p u t i n g T e c h n o l o g y S han g h a i 2 0 0 0 4 0 C h i n a Ab s t r a c t W e i n t r o d u c e s e v e r a l me t h o d s o f v i d e o d i s p l a y o v e r t h e L ED d i s p l a y s c r e e n a n d a i mi n g a t t h e s e me t h o d s i n t r o d u c e t h e s t a n d o r f a l l w i t h c o n t r o l l i n g Ke y wo r d s L E D Gr a y Vi d e o F o r wa r d c u r r e n t 1 引 言 L E D L i g h t E m i t t i n g D i o d e 大屏 幕显示 系统作为一种新 的媒体播放工具 是利用发光二极管点阵模块或像素单元组 成的平面式显示屏幕 其 自2 O世纪 8 O年代后期开始 随着 L E D制造技术的不断完善 在 国外得到了广泛的应用 而在 我国 自改革开放之后 特别是进入 9 O年代随着 国民经济高 速增长 对公众场合发布信息的需求也 日益强烈 由于 L E D 大屏幕这种广告宣传媒体采用 了新型的电子发光器件 L E D 和计算机控制技术相结合 因此它 比传统的媒体工具具有独 特的优势 动态显示各种图像 图形 文字 色彩丰富 形象逼真 层 次分明 利用计算机联网技术 无线技术 可 以快速地发布各类 重要信息 发光率高 功耗小 寿命长 组态灵活 维修简便 在当今信息量大 传递信息要求迅捷 商业竞争日趋激烈的 社会活动中L E D大屏幕深受青睐 而要使 LED大屏幕符合社 会发展的需求 其视频播放功能的实现就显得尤其重要 2 L E D显示屏视频播放的原理 视频播放 LED显示屏是 由播放计算机 图像采集卡 图像 数据的控制 数据传输 发送卡 接收卡 分配调灰卡 显示屏 单元等六大部分组成 a 图像采集卡LED显示屏要显示真彩图像 实现视频播 放首 先必须解决视频信号 的实时采集 为此我们采用 J MC LED 2 0 0 0多媒体卡 其将 V G A和视频功能合二为一 负责视频 数据与 V G A数据的叠加 色空间变换 同时其应用全屏分辨率 采集 Y U V 4 2 2 无压缩存储技术保证视频图像的最佳化 而视 频窗口采用 E S T边缘增强技术 保证缩放后图像的清晰程度 应用中我们将 L E D显示屏播放视频时所需的场频 行频 像素 点频几个同步信号提取出来 并将红 绿 蓝三色信号分离出来 数字 R G B格式为 8 8 8 各可以产生 2 5 6级灰度 能满足 L E D 显示屏真彩播放的要求 b 图像数据控制器由于 LE D显示 屏是一 种特殊 的显示 媒体 它不能直接接受计算机数据 需要把一系列从图像采集卡 来的数据进行暂存和格式变换 并把数据分区发送到显示屏上 变换 发送的数据为场频 行频 像素点频和红 绿 蓝各 8位颜 色信息 c 数据传输数据传输分为发送卡和接收卡两部分 发送卡是将经过图像数据控制器处理的数据以平衡方式远 距离传输给接收卡 接收卡则以平衡方式接收发送卡传来的数据 并把接收的 信号经缓冲后生成显示地址及与其一一对应的 R G B信号 并 将这些信号加驱动后传送至显示屏单元的分配调灰卡 d 分配控制卡分配调灰卡采用动态存储器 R A M 切换 技术 其一方面在数据传输流中 把属于自己的这部分截流下来 后获取一帧显示画面中相应显示位置的 R G B数字量 另一方 面把存放的上一帧显示画面的数据通过相应的调灰显示方法使 L E D显示屏能对应地显示图像画面 e 显示屏 单元 显示屏 单元包括显 示 L E D和驱 动 电 路 把所接收到的视 频信息 由驱动 电路 最终真实地在 L E D E显示 收稿 日期 2 0 0 6一 o 6 2 8 周 忠 高级工程师 主研领域 生产控黼 L E D显示屏技术 维普资讯 l 3 8 计算机应用与软件 2 0 0 6卑 3 L E D显示屏的亮度控制转换技术 L E D电子显示屏是由许多相互独立的像素点 发光元 排 列而成 由于像素点的分离性 决定了其发光的控制和驱动只能 以数字方式进行 而这些像素点的发光状态由控制器同步地控 制 独立驱动 视频播放显示意味着要对每一个像素点的亮度 分别进行控制 并且要在规定的扫描时间内同步完成 视频播 放 L E D显示屏是以数以万计的像素点组成的 这使得系统的复 杂性较两值显示屏幕而言大为增加 并对总体的数据传输速度 提出了更高的要求 给每一像素点设置一个常规 D A显然是 不现实的 必须寻找一种能最大限度降低系统复杂性且性能尽 可能高的解决方案 发光二极管的总光输出与注入的电流有很大关系 而注入 的电流中主要有扩散电流和空间电荷复合电流 在小讯号时 以空间电荷复合电流为主 此时 F I F为总光输出 I 为注入 电流 在注入电流较大时 以扩散电流为主 此时 F I 一般 来说 在光输出饱和前 发光二极管的光输出和电流的关系同器 件的电压和电流间的关系相仿 即器件的伏安特性基本上就是 它的 F I 特性 如图 1 图 2 由此 在某一 固定顺 向导通 电流 情况下 通过改变发光二极管导通的占空比就能按比例地改变 它的平均正向导通电流 也就能相应地线性调节发光二极管的 亮度 对 L E D电子显示屏而言 这意味着只要将代表像素点亮 度的数字转换为像素点发光的时间 D T转换 即实现了亮度 的 D A转换 蛰1 5 靛 饔 1 0 g 掣 0 5 4 调灰显示的实现方法 3 0 堡 2 5 a 用具有 占空比输 出的集成 电路 实现调灰 用具 有 占 空比输出的集成电路来实现调灰 它是通过接收 由逻 辑电 路送至的相应 R G B数字值 并根据地址信号输 出几路某 一 电流下相应的占空 比信号并驱动输 出 L E D显示 如以 6 4 级调灰为例 指 R G B各 6 4色 R G B对应 的数字值为 O 0 0 0 0 0 B 1 1 1 1 1 1 B O O D一6 3 D 送 出的 占空 比信号 为 0 1 6 4 6 3 6 4 则相应 的相对亮度 为 0 1 6 4 6 3 6 4 由此每一帧的图像根据存放在此芯片中的数值就能实现 相应的 L E D图像显示 具有此类功能 的集成电路早期有元 件五 厂 的 5 G 5 0 6 微 电 子 研 究 所 的 S HK 9 4 德 州 公 司 的 T L C 5 9 0 2 F J D等 b 组合逻辑调灰方法用专项功能的集成电路实现调灰 其结构复杂 造价高 因此我们在视频播放 L E D显示屏 的设计 时采用了组合逻辑的控制方法 其在 L E D显示驱动上采用常 规的廉价的驱动芯片 而对一个区域采用一个组合逻辑电路 以2 5 6级调灰为例 针对每帧每个点的发光二极管存放的分别 为 R G B 0至 2 5 5的亮度值 因此在控制时 我们对每帧读取 2 5 6次 通过 2 5 6次计次值 和读取的亮度值 比较 在小于或等 于时则输出有效的点亮信号 大于时则关断点亮信号 如亮度 值为9 7 则需点亮 1 5 9次 关断 1 5 9次 占空比9 7 2 5 6 同时借 助于发光二极管的余辉功能 就能达到某一帧时某颜色的 9 7 2 5 6的灰度 由此经过 2 5 6次读取就形成了一幅完整的 L E D 视频图像 同时 为了保证 L E D视频显示与计算机 C R T显示 的完全同步 且 L E D显示的图像连贯 不闪烁 对此在控制上 还有 一个 速度 要 求 现 以 V G A 6 4 0 4 8 0方 式 为例 帧频 6 0 H z 组合逻辑控制 6 4 3 2点 L E D显示计算组合逻辑的控制 频率 f f 6 0帧 s 2 5 6幅 帧 6 4点 3 2 点 幅 3 1 4 5 7 2 8 MH z 同时考虑到行和帧 的回扫以及动态存储器的切换 f 应不小于 3 3 1 7 7 6 MHz c 改进的组合逻辑调灰方法组合逻辑调灰方法其控制 区域受时钟频率影响有相当的局限性 对此我们对组合逻辑控 制调灰进行了改进 设屏幕数据刷新的周期为T s 控制任意像 n l 素点亮度的数据为 位二进制数 D b i2 其中b 0或 1 T o n为相应于 D的发光时间 则像素点亮 灭的占空比为 d 一 J T o n T s D b fi 上式可改写为 T o n T s b i2 这意 味着可将 T o n 分成几个时间段 由于当时问足够小时 几个分离 时间段合成的T o n与总长度相同的连续的T o n 其视觉效果是相 n l 同的 于是 对于 n位二进制数据 D b i 2 将分 T s为 蜀 段 并选取适当时间分割函数 i 使得第 i 段 T i 其中 0 6 4 0 3 2 点 3 2行 显然控制区域已大大增加 5结束语 视频播放 L E D电子显示屏作为一种新的显示媒体 以其清 晰的图像质量和高性能的播放能力 愈来愈受到人们的重视 目前国内外的 LED电子显示屏正朝着真彩 高分辨率方向发 展 因此为使 L E D显示屏更适应市场的需求 其集成度 规模 维普资讯 第 9期 周忠等 L E D显示屏视频播放 的原理和方法 1 3 9 化 稳定性就显得更为重要 为此我们经过多年的 L E D显示屏 的研究开发 通过采用高速 大规模 F P G A的芯片和直流驱动恒 流源方式 L E D显示控制芯片 可使视频 L E D显示屏进一步向超 亮度 高分辨率 高灰度级方向发展 系统的运行 操作与维护也 向集成化 网络化 智能化方 向发展 参考文献 1 P roS t a r V i d e o P l u s D i s p l a y S y s t e ms h t t p w w w d a k t r o n i c s c o m 2 N 1 C H1 A L E D L ig h t E mit t i n g D i o d e h t t p w w w n i c h i a C O j P 3 刘曙光 L E D电子显示屏真彩显 示技术 现代显 示技术 2 0 0 1 年 p p 1 5 l 8 上接第 9 o页 通过以上的分析 系统可用资源的预测首先要预测请求的 强度 在前面的讨论中我们可以看到 WE B S E R V E R的流量模 式表现出明显的周期性 文献 3 中也指出 在一个相对短的观 测时间段内 WE B S E R V E R的总体流量趋向一个平滑的泊松分 布 基于以上 的研 究结果 我们 将采用 文献 4 中阐述的 Ma r k o v Mo d u l a t e d P o i s s o n P r o c e s s 模 型来描述 WE B S E R V E R在 总体负载上表现出的周期性行为 请求的到达处理被表示为 一 个状态空间为 1 2 i 的马尔科夫过程 M i 在状 态 i 下 遵循泊松到达的请求强度为 A 为了刻画服务器在负 载上表现的周期性行为 我们把观测到的流量数据以 1 小时为 单位进行切割 通过计算观测数据 中的每个观测时间段的到 达强度 就可以得到马尔科夫 的转换矩阵 Q F t Q F t n 1 2 4 同 时也 可 以计算 得 到在 M F t 下从 状 态 i 到状 态 的切换频率 因此 预测的请求强度就可以通过以下的表 达式得 到 A k T A k一1 Q k T 4 其中 A k一1 为观测到的前一阶段的到达强度的状态 向量 Q k T 可以通过 比较预测数据和观测数据之间的不同来 做进一步的调整 从而准确地抓住服务器的负载趋势 我们用 三个状态 P P P 的转换矩阵来描述观测到的服务器的 流量趋势 P 表示请求强度上升的概率 P 表示请求强度下降 的概率 P 表示请求强度持平的概率 准人控制的关键是要保证所接纳的请求需要的系统资源不 能超过系统的可用资源 从前面的叙述中我们已经知道 请求 的服务时间 所需要的系统资源 S i k T 是很难事先知道的 但是 我们可以根据请求所需处理对象的类型对请求所需服务 时间进行估算 因此 我们可以根据 C P U对不同类型对象的处 理所需的时间来对请求的服务时间进行量化 得到请求处理的 计算量 C Q 当新的请求到达时 系统进行检查分析 如果有足够的计算 量分配给它 则请求被允许进入排队并最终得到处理 若系统没 有足够的计算量 它将被拒绝 我们用 表示服务器中请求所 需处理对象类型的个数 表示在时间段 内 第 i 类请 求的个数 C Q 表示第 i 类请求所需的计算量 则式 2 和式 3 可以近似地表示为 c c Q i N 5 c k T C Q N 6 二 这就是我们最终得到的用于准人控制的表达式 4 系统结构和双队列处理模型 如上所述 由于表达式 5 6 只是表达式 2 3 的近似表 示 因此 我们必须考虑到这种近似表示带来的测算误差 为了 减小这种估算误差带来的影响 我们在系统的实现中使用了一 个双 队列结 构 即主队列和辅助 队列 它一方面 可以减小误差 带 来的影响 另一方面也能提高系统资源的利用率 系统结构如图 1 所示 到来的请求首先被送到准入控制管 理器 A C M A C M将首先为他们进行分类 赋予优先级 分析请 求类型和系统可用资源 并以此作为是否允许请求进入排队的 依据 即进行准人控制 进入系统的请求在主队列中等待处理 当下一个时间段开始时 主队列中仍然有未处理完的请求 则主 队列中的剩余请求将被送往辅助队列等候处理 若辅助队列已 满 它将被清空 只有当主队列中没有请求排队时 任务调度器 将把辅助队列中的请求送往请求处理器进行处理 双队列机制 能很好地解决估算误差问题 5 结束语 图 1 系统结构示意图 当服务器不能为所有请求提供满意服务时 有选择性地为 重要的请求分配系统资源对于客户和服务器来说是一个双赢的 策略 在基于预测的周期性准人控制方法中 我们正是通过分 析请求优先级要求 对系统可用资源 请求服务时间进行预测来 完成这种选择性服务的 参考文献 1 X i a n g p i n g C h e n P r a s a n t Mo h a p a t r a H u a m i n C h e n A n A d mi s s i o n C o n t rol S c h e me f o r P r e d i c ta b l e S e r v e r Re s p o n s e Ti me f o r W e b Ac c e s s e s W WW 1 0 M Id y 1 5 2 0 01 Ho n g k o n g ACM 1 5 81 1 3 3 48 0 0l O 0 o 5 2 X C h e n a n d P M o h a p a t r a L i f e t i m e b e h a v i o r a n d i t s i m p a c t o n We b c a c h i n g I n P r o c e e d i n g s o f t h e I EEE Wo r k s h o p o n I n t e