LED电子显示屏真彩显示的几种关键技术[转]

刘曙光( 西安工程科技学院 ) 摘 要：本文讨论了实现LED电子显示屏真彩显示的几种关键技术，着重对图像采样、真实图像色彩再现、专用驱动电路、亮度控制D/T转换、数据重构与存储、逻辑电路设计中的ISP技术及其它有关问题进行了深入评述。 引言 自八十年代以来，随着公共场合信息的增多，建立性能优良、价格低廉的大面积信息宣传媒体一直是工程技术人员所关注的问题。根据应用场合的不同，要求的显示性能以及对显示系统成本的要求的不同，人们可以选择不同的显示媒体。考虑到用于户内外的大屏幕显示媒体对显示设备的颜色、亮度、视频效果、可*性、寿命等性能要求比较苛刻。它要求显示系统能够显示出接近于自然色彩的真彩画面，并且具有较高的显示亮度，无论是在白天还是在晚上，晴天还是阴天，都能够让观众清楚的看到其内容，并且能够根据外部自然光强度的变化自动地对其显示正在播放的视频节目，具有较高的可*性和性能价格比，易于维护。综合上述诸多的因素，工程技术人员通过对磁翻版、真空像素管、电视墙、LED显示屏的比较，发现LED作为显示像素可以很好的满足上述要求，是一种很好的户内外显示屏媒体。 同时，伴随着科学技术的发展，当今半导体发光二极管的性能达到了新的水平，其光电转换效率达到10cd/w以上，尤其蓝色超高亮LED器件的出现，使得LED器件的光谱覆盖了自然光的范围。因此，利用LED器件制造大型平板显示屏系统成为LED器件应用的重要领域，进而推动了大型显示屏系统发展并形成一种产业。用LED器件组成显示屏的最大特点在于其制造不受面积限制，可以达到几十甚至几百平方米以上，应用于室内外的各种公共场合显示文字、图形、图像、动画、视频图像等各种信息，成百上千人同时驻足观看，具有较强的广告渲染力和震撼力，对都市的社会活动有较强的气氛渲染作用，美化和丰富了人们的生活环境。 1、图像采集技术 LED电子显示屏要显示真彩图像，必须首先解决视频信号的实时采集，将模拟视频信号采集为数字视频图像。早期的做法是利用视频采集卡和一些带特征口（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特征口获得场频、行频、像素点频以及颜色查找表的索引地址，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时复制，另一种是采用硬件窃取技术，后者更为有效、快速。由于上述这种技术存在着与VGA卡兼容性差、边缘不清晰、图像质量较差等缺点，电子显示屏所显示的图象质量也受到了限制，为此，北京银河电脑公司于1998年研制开发出LED电子显示屏专用视频卡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，从根本上解决兼容性问题。应用全屏分辨率采集，YUV4：2：2无压缩存储技术保证视频图像的最佳化，视频窗口采用EST边缘增强技术，保证缩放后图像的清晰程度。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RGB格式为8：8：8，各可以产生256级灰度，能满足电子显示屏真彩播放的要求。 2、真实图像色彩再现 全彩LED电子显示屏的视觉原理与彩色电视机一样，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像色彩再现的视觉效果。然而白光的三色配比不是简单的三种颜色的叠加。第一、在保证光频纯正的前提下，要求红、绿、蓝光强之比必须接近3：6：1；第二、由于人们视觉对红色的敏感性，要求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，要求不同光强的白光对红、绿、蓝要进行类似电视机里的γ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，在LED电子显示屏的配光上应满足下面一些要求： ① 红、绿、蓝三色的波长应分别为：660nm、525nm、470nm左右； ② 采用4管单元配白光为佳（多管单元也可以，取决于光强）； ③ 红、绿、蓝三色的灰度级为256级； ④ 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、专用显示驱动电路 从目前像素管的几种显示方式来看，可分为：①扫描驱动；②直流驱动；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，要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电路和大电流驱动的双极电路两块组成（如74HC595+MC1413/UNL2803、CD4094/MC14094+MC1413、74HC164+74HC273+MC1413），这种形式的驱动电路存在着焊点多、成本高、可*性低等问题。针对这些缺点，美国TI公司开发生产出TPIC6B595(TPIC6C595)专用集成电路（ASIC），它将串并转换和大电流驱动合二为一，这种ASIC具有如下显著特点：并行输出驱动能力大，单路驱动电流高达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施密特整形电路；串并输出电流大，吸收和供给电流都大于4mA，级连方便；数据处理速度高，串行时钟频率，fmax≥25MHz特别适用于多灰度彩色显示屏的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，但价格大为降低。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，美国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ASIC的优点是：恒流源输出5～80mA（或10～120mA）；驱动能力为80mA×16Bits（或120mA×8Bits）；PWM控制的256级灰度显示；亮度32级可调；时钟同步的8位并行数据输入。该芯片使得256级灰度控制更为简单，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公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具有如下显著特点：内含8×16×32数据扫描阵列，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位并行数据输入和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级灰度；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、 亮度控制D/T转换技术 LED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。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成。大屏幕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大屏幕而言大为增加，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。 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/灭占空比。也就是说，只要对像素点亮/灭占空比进行调节，就能实现对亮度的控制。对LED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。 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=bi2i（其中bi=0或1），Ton为相应于D的发光时间，则像素点亮/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=Ts bi2i，这意味着可将Ton分成几个时间段，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，一般地有，对于n位二进制数据D=bi2i，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)，其中060帧/秒 能否播放静态及动态画面(包括视频画面)，能否满足商业广告及体育比赛实况转播的要求 否随意进行插播和画面特技编辑 是否具有声像同步功能 是否具有网络通信能力（与网管中心进行数据交换） 工作稳定可*，保证节目播放的正常进行 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，尤其是九十年代，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猛进。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。LED电子显示屏是以先进的视频显示技术为核心，采用超高亮LED电致发光材料为显示器件，配以音视频系统，可以音视频同步播放各种图文信息及多媒体信息。由于LED电子显示屏具有色彩丰富、亮度高且可调、音视频同步、能够播放多媒体画面、可随意进行插播和画面特辑编辑等突出特点，因此，LED电子显示屏广泛用于金融、邮电、电力等行业的标准化窗口及广告、宣传、体育场馆等公共场所的电子图文显示，具有广阔的应用前景。 真彩高分辨率LED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（224种颜色）、高分辨率（>4096像素点/平方米）方向发展，因此也要求更为先进的视频显示控制技术紧跟国际潮流。制约这种技术的主要因素是：第一、高速、大规模FPGA具有ISP技术的芯片的问世；第二、直流驱动恒流源方式LED显示控制芯片。美国LATTICE公司在92年已推出了高性能的FPGA 芯片，美国TI公司在98年同样也推出了高性能的LED显示控制芯片。在国外，7100像素点/平方米分辨率的显示单元已经出现，但国内由于视频显示控制技术还没有完全掌握，因此国内高分辨率LED电子显示屏还不能生产。目前，LED电子显示屏的显示单元正向超亮度、高分辨率、高灰度级方向发展，其显示媒体也向多媒体(静止/动态图文、视频图像、音视频同步)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。国内的电子行业及研究机构应不断追踪着国际潮流，加大研制及产业化的步伐，积极开拓国内外市场，努力使其高新技术产品在大屏制造业独领风骚。