图像采集技术

1、图像采集技.

LED电了•显示屏要显示真彩图像，必须一方面解决视频雷号的实时采集，将模拟视频信号采

集为数字视频图像.初期的做法是运用视频采集卡和•些带特•口(Feature-connect)的VGA卡

相结合来实现.视频采集卡用来捕获视频图像,再通过VGA特性口获得场频、行频、像素点

频以及颜色查找•的索引地址，在跟踪CRT图像时可以通过复制颜色查找表的方法来获得红、

绿、蓝分离的数字信号.一种方法是用软件定期复制,另一种是采用硬件窃取技术，•者更为有

效、快速.由于上述这种技术存在着与VGA卡兼容性差、边沿不清楚、图像质量较差等缺陷,

电子显示屏所显示的图象质量也受到了限制，为此，北京.河电脑公司于1998年研制开发出

LED电了-显示屏专用视频卡JMC-LED.该卡基于PCI总线，采用64位图形加速器，将VGA和

视频功能合二为一.负责视频数据与VGA数据的叠加，色空间变换，从主线上解决兼容性问题.

应用全屏分辨率采集,YUY422无压缩存储技术保证视频图像的最佳化，视.窗口采用EST边

沿增强技术.保证缩放后图像的清楚限度.支持制式为PAL和NTSC.视频窗口可以任意缩放、

移动.该卡可以将电子显示屏播放视频时所•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RGB格式为8:8:8,各可以产生256级灰度，能满足电

子显示.真彩播放的规定.

2、真实图像色彩再.

全彩LED电子显示屏的视觉原理与彩色电视机同样，是通过红、绿、蓝三种颜色的不同光强

实现图像色彩的还原再现.红、绿、蓝的纯正度直接影响图.色彩再现的视觉效果.然而白光的

三色配比不是简朴的三种颜色的叠加.第•、在保证光频纯正的前提下，规定红、绿、蓝光强

之比必须接近3:6:1;第二、.于人们视觉对红色的敏感性,规定红色发光源在空间上要分散分

布;第三、由于人们视觉对红、绿、蓝三种颜色光强的不同的非线性曲线响应，规定不同光强

的白.对红、绿、蓝要进行类似电视机里的Y校正;第四、人的视觉对色差的分辨能力有限.

因此必须找出图像色彩再现真实性的客观指标.为了再现真实图像色彩,.LED电子显示屏的

配光上应满足下面一些规定:.

.红、绿、蓝三色的波长应分别为:660nm、525nm、470nm左右;.

.采用4管单元配白光为佳(多管单元也可以，取决于光强);.

.红、绿、蓝二色的灰度级为256级;.

.必须采用针对LED像素管的非线性校正..

红、绿、蓝三色配光及非线性校正可以用显示控制系统硬件实现，也可由播放系统软件

实现

3、专用显示驱动电.

从目前像素管的几种显示方式来看，可分为:①扫描卵动;②更流卵动;③恒流源驱动.对于户内

点阵块屏,一般采用扫描方式;而对于户外像素管屏，保证所显示的图像一致性好、稳定、高亮,

必须采用直流驱动加恒流源方式.较早的LED电子显示屏驱动电路大多采用低压信号的串并

转换CMOS电路和大电.驱动的双极电路两块组成(如74HC595+MC1413/UNL28O3.

CD4094/MC14094+MC1413.74HC164+74HC273+MC卬3),这种形式的驱动电路存在着焊点

多、成本高、可靠性低等问题.针对这些缺陷，美国TI公司开发生产.TPIC6B595(TPIC6c595)

专用集成电路(ASIC),它将串并转换和大电流驱动合二为•，这种ASIC具有如下显著特点:并

行输出驱动.力大，单路驱用电流高达200mA，可直接驱动LED;电流电压范围宽，工作电压可在

5〜15V内灵活选用;串行输入、移位和锁存、时钟输入端口都设有.密特整形电路;串并输出电

流大，吸取和供应电流都大于4mA，级连方便;数据解决速度高押行时钟频率,fmax225MHz

特别合用于多灰度彩色显示.的LED驱动.我国的无锡东大先行微电子有限公司也于1998年

生产出与TPIC6B595完全兼容的ASIC芯片AMT9094/9095,但价格大.减少.由于TPIC6B595

的并行输出口仅为8位,驱动分辨率较高全彩显示屏时需要TPIC6B595的数量较大，且256级

灰度控制较麻烦.为此，.国TI公司研制开发出LED电子屏显示驱动专用集成电路

TLC5901/5902/5903,这种AS1C的优点是:恒流源输出5~801nA20mA);驱动能力为80mA

X16Bits(或120mAX8Bits);PWM控制的256级灰度显示;亮度32级可调;时钟同步的8位.

行数据输入.该芯片使得256级灰度控制更为简朴，恒流源方式使得图像显示一致性更

好,TQFP100的封装使得驱动板面积大为减少.在此基础上.TI.司又研制性能更好的LED驱动

专用芯片TLC5921.北京华虹集成电路设计公司也研制开发出性能优良的LED专用集成电路

9701,这种ASIC具有.下显著特点:内含8X16X32数据扫描阵歹U,实现从静态至1/32动态扫

描;数据输入扫描阵列和数据输出灰度控制分别采用两个独立的时钟;采用8位并.数据输入

和8位并行数据输出的级连功能;16个数据输出端，每个端驱动LED电流可达80mA以上，每

个端数据输出耐压大于20V;数据输出256级.度;输出具有模式选择端，可用于奇、偶帧选择;

具有非线性校正控制输入端.

4.光度控制D/T转换技.

LED电子显示屏是由许多互相独立的像素点(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.这些像素点.发光状态由控制器同步地控制.独立

驱动.视频真彩色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

间内同步地完毕.大屏幕是以数•万计的像素点组成的，这使得系统的复杂性较两值显示大屏

幕而言大为增长，并对总体的数据传输速度提出了更高的规定.给每•像素点设立•个常规

D/A显然.不现实的，必须寻找一种能最大限度减少系统复杂性且性能尽也许高的解决方案.

由视觉原理知道,人对像素点的平均亮度感觉可取决于它的亮/火占空比.也就是说，只要对像

素点亮/火占空比进行调节，就能实现对凫度的控制.对LED电了•显示屏而言，这怠味着只要将

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.

设屏幕数据刷新的周期为•控制任意像素点亮度的数据为n位二进制数D=b⑵(其中bi=O或

D.Ton为相应于D的发光时间，则像素点呢.灭的占空比为:d=Ton/Ts=D.bi2i.该表达式可用可

预置减法计数器实现，但每一像素点配一计数器将使得显示电路异常复杂.上式改写

为:Ton二T.b⑵,这意味着可将Ton提成几个时间段，由于当足够小时，几个分离时间段合成的

Ton与总长度相同的连续的Ton其视觉效果是相同的.于是，一般.有，对于n位二进制数据

D二b⑵，将分Ts为n段,并选取适当时间分割函数f(i),使得第i段Ti=Tsf(i),K中0<Li=0J/-.n-l.

在电路实现上设法使在Ti时间内像素点的亮/灭由D的第n位bi控制，从而Ton.Tibi=T.f(i)bi,

这时.

d=Ton/Ts=Tibi/Ts=f(i)b.

即为此像素点的亮/火占空比.由于函数f(i)对所有像素点而言可以是共同的，因而上式表白，只

要用f(i)统一控制各个像素点，就能实现全屏.所有像素点互相独立而又同步的D/T转换对于

单个像素点来说用图1的电路可实现上式.图中SFR为8位移位寄存器，图为时间分割函数f(i)

的波形.

大屏幕显示驱动电路通常采用“串行移位+锁存+驱动”的结构，以期尽量减少数据传送线.要

全屏幕同时实现上式，只要将所有ST信号统一由f(i)控制即可.当然这样做的前提是规定移位

寄存器中存放的是各个像素点控制数据中的同权位,而这可通过预先的数据解决做到.

5.数据重构与存储技.

存储器有两种组织方式(图2):①组合像素法(Packe.Pixe.Method):即画面上每个像素的所有位

均集中存放在单个存储体中:②位平面法(Bi.Plan.Method):即像素的每一位各自存放在不同

的存储体中.由于使用了多个存储体，它们可以一次同时读出更多的像素信息.从两种存储结

构来分析,运用位.面结构有助于提高LED屏的显示效果.

整个LED显示屏显示控制电路结构框图如图3所示.其中，数据重构电路完毕RGB数据的转

换，将不同像素的同权位组合在一起，然后存放在相邻的单元中，从而以位的形式完毕整个数

据的重新组合.

数据重构电路重要由四大部分组成：8位数据并行传送电路;8位并•串转换电路;8位数据锁存

电路;8位加1计数器.R/G/B各8位数据由经同.解决后的像素点频打入并行锁存器,8位加1

计数器输出进位脉冲LD,将8位数据同时锁存到8位并•市转换电路，由时钟控制电路完毕并・

串转换电路时钟的.制.数据通过重构后，一个存储体中不再是一个像素值，而是不同像素值的

同权位.将所有的同权位存放在一起，从而构成以位为单位的位平面存储结构.在读出.必须按

相反的规则取出各像素的相邻权值.

读写地址发生器必须满足四格的时序.对同一存储芯片来说，可将其分为N片（一个像素值用

N位表达）,每片表达一个位平面.像素通过转换向同一存.器写入时，一方面写0位，再写1位,

最后写N位.对于8coiXRow点阵的显示屏，每个位平面存有8ColXRow位.存储器内部组织

取决于驱动屏体上.素管的逻辑连线关系.根据存储器组织，读地址发生器由列驱动行，再由行

驱动位;写地址发生器则采用由位驯动列、列驱动行的方式，从而可以保证读写同步性.对的地

同步显示原始图像信息.

6.逻辑电路设计中的ISP技.

在初期的LED电子显示屏显示控制电路中，大量采用的是常规数字电路系统设计，用数字电

路组合M复杂控制逻辑.在常规数字电路系统设计中，当电.设计完毕后，须先制作电路板.然后

安装元件，调试.假如电路板的逻辑功能不符合规定就必须重新设计制作电路板,再重新调试,

直到实现逻辑功能为止.很.然，这种设计方法的设计周期长,成本高，且成品可靠性差，维修麻烦.

运用普通可编程的逻辑器件，虽可减少印刷电路板的设计与制作，但在修改该逻辑时依旧.能

避免器件的反复插拔.

在系统可编程技术(In-Sysle.Programmable,缩写1SP),是指在用户自己设计的目的系统中或电

路板上为重构逻辑器件编程或反复改写的能力.常规PLD在使用中通常是先.程后装配、而采

用ISP技术的PLD则是先装配后编程，成为产品之后还可以反复编程.在系统可编程技术的出

现，从实践上实现了逻辑设计师们数年来梦寐以•的“硬件设计与修改软件化”的愿望，使得数

字系统面貌焕然一新.采用ISP技术后，硬件设计变得像软件同样易于修改，硬件的功能可以随

时加以修改或按预.的程序改变组态.这不仅扩展了器件的用途，缩短了系统调试周期,并且根

除了对器件单独编程的环节，省却了器件编程设备，简化了目的设备的现场维护和升级•作.ISP

技术尚有一个特点是采用系统设计软件进行逻辑输入时，输入与所选器件无关.因此，在输入

之前可选择任何一种器件，甚至可以选择一种“虚拟器(Virtua.Device).在输入完后,再根据

仿真和适配的结果选择器件.

ISPLSI器件是美国LATTICE公司于1992年推出的新一代高密度可编程逻辑器件，容量可达

25000门,具有现场可编程门阵.(FPGA)的容量和灵活性.它采用E2CMOS工艺,时钟频率可以

高达180MHz，传输延时为5ns，低功耗,电擦除，编程内容2023不.失,100%参数测试，可以加密.

器件内部有抗“锁定”电路，以防止出现CMOS器件中也许产生的有害的锁定效应.

7.其它有关问.

LED电子显示屏一般重要由显示单元、驱动单元、控制单元、数传通信单元、视频采集单

元组成.在显示单元中,三基色LED管芯为核心器件，对于.质量的LED电子显示屏必须选用高

质量的LED管芯，对此应严格挑选波长及发光强度•致性好的管子.从LED管芯质量上看，日

亚公司（日本）、丰出公.（FI本）、光高公司（台湾）、HP公司的产品质量上佳.在驱动单元中应选

用低功耗、长寿命、工作范围宽、驱动电流大的功率器件，美国TI公司生产的功率.件具有较

大的产品优势.在控制和通信单元中，重要为逻辑和时序控制.目前在逻辑电路设计上最先进

的技术为IS.技术，美.LATTICE公司的ISP产品具有较大的产品优势.在视频采集单元中、不仅

要考虑高频信息解决的噪音、畸变问题,还要考.VGA信号的采样精度及各种同步信号的同步

性能，这方面国内北京银河电脑公司的LED视频卡质量上佳.

检查LED电子显示屏的性能,重要应考察以下几项指标.

显示分辨率（像素点/平方米.

电子屏的可视距离及视.

亮度及可调性、色彩及对比度、•致性及稳定.

配光纯正性,RGB非线性校正（Y校正.

灰度:256.

帧频:>60帧/.

能否播放静态及动态画面［涉及视频画面），能否满足商'I。告及体育比赛实况转播的规.

否随意进行插播和画面特技编.

是否具有声像同步功.

是否具有网络通信能力（与网管中心进行数据互换.

工作稳定可靠，保证节目播放的正常进.

操作简便，修改易行，维修方便.

作为新一代的信息传播媒体，它自八十年代问世以来发展迅速，特别是九十年代，随着电子技

术、信息产业的蓬勃发展，巨型彩色显示屏的发展更是突飞.进.高亮度、色彩鲜艳的巨幅彩色

画面能使成千上万的人同时观看，有着极大的渲染力.L