（光学工程专业论文）基于编码方式优化提高smpdp图像质量的研究.pdf

摘要 等离子体显示器在进入2 l 世纪后已经确立了其在大屏幕高清晰度显示领域的重要地位，但是目 前仍然有许多需要改进的地方，如发光效率、功耗、成本等。新型荫罩式等离子显示器( s m p d p ) 的 出现为进一步提高等离子体显示屏分辨率、亮度以及降低成本，延长使用寿命提供了可能，然而将 该技术推向产业化还有许多工作需进一步完善。本论文的研究重点是通过优化视频信号的编码方案， 以及对视频信号进行处理，从而提高荫罩式等离子体显示器的图像质量。 本论文针对现有s m p d p 图像质量不足之处，分析出图像质量不高的主要原因：寻址和显示分离 a d s ( a d d r e s sa n dd i s p l a ys e p a r a t e ) 的驱动时序方式、驱动波形对发光的影响。据此分别提出基 于子场调整编码法和基于子场发光积累编码法两种解决方案 本论文详细介绍了基于子场调整提高s m p d p 图像显示质量的方法的设计过程。通过建立人眼对 亮度的感知模型，设计出d f c ( d y n a m i cf a l s ec o n t o u r ) 仿真软件，并通过适当调整系统逻辑控制， 把软件的仿真结果应用到4 2 英寸x g a - s m p d p 系统上，同时验证了d f c 仿真软件的合理性。 本论文详细介绍了基于子场发光积累的编码方式的设计过程。从原理上证明采用误差扩散可以 丰富s m p i ) p 的灰度等级，采用通过于场发光积累的驱动时序可以有效的消除d f c 现象，重点论述了 在4 2 英寸x g a - s m p d p 系统上实现误差扩散和发光积累相结合的过程。 本论文通过实验对基于子场调整和子场发光积累方案的实际效果进行比较，结合两者的优势提 出一种低位子场采用子场调整技术，高位子场采用子场发光积累技术的驱动时序。最终在4 2 英寸 s m p d p 系统上实现，获得较为理想的静态和动态图像效果。 关键词；荫罩式等离子体显示屏，寻址和显示分离的驱动方式，视频编码 a b s t r a c t p l a s m ad i s p l a yp a n e lf f d p it e c h n o l o g yh a sa c h i e v e dm a n ye x c e l l e n tp e r f o r m a n c e sa n di th a sb e e n r e g a r d e d 鹧o n eo f t h eb e s tc a n d i d a t e sf o rh d t v ( 1 l i g h - d e f i n i t i o nt e l e v i s i o n ) h o w e v e r , t h e r ea r es t i ns o l n e p r o b l e m sa n dd i f f i c u l t i e s , t h eh i g hp o w e re o n s u m p t i o n , h i g hc o s ta n dl o wl u m i n a n c ee f f i c a c y , f o re x a m p l e t h eb i r t ho fs h a d o w m a s kp l a s m ad i s p l a yp a n e l ( s m p d p ) p r o v i d e st h ep o s s i b i l i t yt h a ts o m ep d p p e r f o r m a n c e s 1 i k er e s o l u t i o na n dl u m i n a n c e , c a nb ef u r t h e ri m p r o v e d c e r t a i n l y , m o r ee f f o r t sa l er e q u i r e d w h e nt h i st e c h n o l o g yi sb e i n gt r a n s f e r r e df r o ml a bd e s i g nt om a s sp r o d u c t i o n t h em a i nf o c u so f t h i sp a p e r i st oi m p r o v et h ei m a g eq u a l i t yo fs m p d pb yo p t i m i z i n gt h em e t h o do fv i d e os i g n a le o d m ga n di t s p r o c e s s i n g t h r o u g ha n a l y s i so nt h ei m a g eq u a l i t y , t w om a i n “s o i 坞mf o u n d ：t h ea d d r e s s i n ga n dd i s p l a yp e r i o d s e p a r a t e d ( a d s ) d r i v i n gs c h e m ea n dt h ei n f e c t i o no fd r i v i n gw a v e f o r mt ol i g h to u t p n lt w od r i v i n g m e t h o d sa 坤p r o p o s e dt or e s o l v et h ep r o b l e m ：c o d m gm e t h o db a s e do ns u b f i e l da d j u s t ( c m s a 、a n dc o d i n g m e t h o db a s e do nl i g h t i n ga c c u m u l a t i o n ( c m l a ) t h ed e s i g np r o c e s so fc m s ai n c l u d e st h ef o l l o w i n gw o r k w i t ht h ec o n s t r u c t i o no na p e r c e p t i o n m o d e lo fh u m a nv i s u a ls y s t e m ，ad y n a m i cf a l s ec o n c u rs i m u l a t i n gs o f t w a r eh a sb e e nd e v e l o p e d t h e s i m u l a t i n gr e s u l th a sb e e na p p l i e do nt h e4 2 i n c hx g a - r e s o l u t i o ns m p d ps y s t e mb ya d j u s tt h es y s t e m c o n t r o li o 舀c ，越t h es a m et i m e ，t h es o f t w a r ew 器p r o v e dt ob ei ne f f e c t t h ed e s i g np r o c e o fc m l ai n c l u d e st h ef o l l o w i n gw o r k b e c a u s et h ee r l r o rd i f f u s i o nc a ne n h a n c e t h eg r a yl e v e lo fs m p d pa n dt h el i g h t i n ga c c m u n l a t i o nm e t h o dc a ne l i m i n a t et h ed f ce f f e c t i v e l y , t h e r e f o r e , t h et w om e t h o d sl i s t e da b o v eh a v eb e e nc o m b i n e dt o g e t h e ra n da p p l i e d0 1 1t h e4 2i n c hs m p d p c o m p a r i n gt h ep r a c t i c a le f f e c to f c m s aa n dc m l am e t h o d s ，an o v e ld r i v i n gs c h e m ei sp r o p o s e db y c o m b i n i n gt h ea d v a n t a g e so fb o t h g o o ds t a t i ca n dd y n a m i ci m a g eq u a l i t yh a sb e e na c h i e v e dw i t ht h e a p p l i c a t i o no f t h en o v e lm e t h o d i no u r s y s t e m k e yw o r d s ：s h a d o wm a s kp l a s m ad i s p l a yp a n e l , t h ea d d r 嘲a n dd i s p l a ys e p a r a t ed r i v i n gm e t h o d , t h e c o d i n gm e t h o do f v i d e os i g n a l s n 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己在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 研究生签名： 越圭 日期：越：! 兰 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。 研究生签名：越妄导师签名：翌勉日期：塑丑。r 第一章绪论 第一章绪论 1 1 等离子体显示器( p d p ) 发展概述 等离子体显示屏( p l a s m ad i s p 崎p a n e l ，简称p d p ) 是目前主流平板显示器的一种，它是通过将 强电场施加到低气压惰性气体两端。使其击穿产生强烈电离而直接发光或产生紫外光激发紫外荧光 粉发光的显示器件l ”。由于其厚度小重量轻、显示面积大、无显示视角问题、图像色彩鲜艳等特 点，已被公认为目前高清晰度电视接收机( h d l v ) 口】和大屏幕家庭影院显示终端的最有力竞争者p l l 4 j 。 1 9 6 4 年在美国的伊利诺依大学( u n i v e r s i t y o f i l l i n o i s ) 内，由两位教授( p r o f g e n e s l o t t o w & p r o f d o nb i t z e r ) 和一名研究生( r o b e r tw i i s o n ) 共同研制了世界上第一块单像素的交流等离子体显示屏 i s ，由此开启了向当今高性能全彩色等离子体显示屏及其电视产品转化的漫长的发展道路。 伊利诺依大学的研究人员在1 9 6 4 年至1 9 6 8 年之间先后开发了4 x 4 以及1 6 x 1 6 像素的等离子体 显示屏，首先提出了矩阵寻址技术；他们还在1 9 6 7 年率先研制了彩色p d p 的雏形，它由三个子单 元组成，并利用氙气进行气体放电时产生的紫外线激发红绿荧光粉发光，目前所有的彩色p d p 皆采 用此基本工作方式。由于他们的杰出研究，他们荣获1 9 6 8 年评选的美国工业研究1 0 0 强的奖项“。 其后，p d p 技术研究的发展主要以公司行为为主。o w e n s - i l l i n o i s 公司于1 9 6 8 年开发了在4 英 寸见方的玻璃板上1 2 8 x1 2 8 像素的p d p ，这是第一个具有现实意义、可产业化的显示屏结构，且一 直沿用至今。该公司还于1 9 7 1 年推出了具有5 1 2 x 5 1 2 像素的等离子体显示屏，它也是第一个实际的 交流p d p 产品，可用于各种图形显示。1 9 7 3 年由m m 推出的银行终端产品中，采用了p d p 阴极上 涂敷m g o 层的技术，该技术由i b m 、o w e n s q l l i n o i s 和f u j i t s u 等几家公司各自独立开发，可大大提 高p d p 的寿命和稳定性。 1 9 7 2 年由日本松下和日立公司先后独立开发了灰度显示方法，它利用交流p d p 的记忆效应。第 一次在p d p 上实现了真止意义上的满灰度显示，我们把这种方法称为显示期同时寻址法( a d d r e s s w h i l e d i s p l a y , a w e ) ) ，此方法目前迎来新一轮研究热潮。 1 9 7 8 年日本n h k 公司推出了1 6 英寸直流p d p 样机。该产品极大刺激了彩色p d p 电视技术的 发展。1 9 7 9 年日本富士通( f u j i t s u ) 公司的s h i n o d a 等人推出了表面放电型p d p 样机”j ，虽然其结 构中x o y 电极在背基板上，荧光粉在前基板上，与现在的结构相反，但其表面放电的机理已被目前 绝大多数p d p 采用。日立的研究人员于1 9 8 4 年在直流p d p 中利用高压窄脉冲实现了早期1 5 1 m w 的发光效率记录，它同时证明了交流p d p 具有更高的发光效率。1 9 8 7 年由p h o t o n i c s 公司推出了一 敖5 9 寸的单色交流p d p 产品阿，它的分辨率达到2 0 4 8 x 2 0 4 8 ，不过该p d p 屏最大的作用是证明了 p d p 技术在大尺寸显示屏领域的可行性，它验证了在大尺寸下各电极电阻、引线电感、屏电容以及 寻址能力等都能得到良好的控制 与此同时，伊利诺依大学的l a r r y 、b e r 等人于1 9 8 6 年提出了含能鼍复得功能( e 舱r 科r e c o v e r y ) 的维持驱动电路1 i ，此概念及电路系统的提出，大大降低了p d p 的整机系统功耗，已被广泛用于当 今所有的p d p 产品之中。 1 9 9 0 年，由富士通公司推出了一款3 1 寸全彩色p d p 产品l ，它堪称第一款“现代p d p ”产品， 因为它包含了现代主流p d p 的所有特征，例如三电极表面放电型结构、荧光粉涂敷在后基板上、采 用a d s 驱动时序方案实现全彩色显示、采用n c - x e 混合气体作为工作气体等。而且其亮度及显示动 态画面质量也大大优于之前的各款产品。 东南大学颂l 论文 早期p d p 童饕实验样机及产品如嘲l - t 所示。 f 8 ) 伊捌诺镀穴学p d p 实验瓣 ( b ) o w e n s 1 1 1 i n o i s 公司单色p d p 产品 c ) p h o t o n i e s 公递5 9 英寸擎色p d p d ) 富t 遥公霹3 l 蕉寸伞彩色p 瓣 隧1 - 1 警期p d p 主要实验样桃及产晶 伴随着p d p 技术的不断发展和进步，目前的p d p 产品在4 0 寸以上平板显示产品领域保持其性 价比上的明显优势，是全球该领域内的市场主导者。在大显示屏市场领域，p d p 已经t 叶领并将继续 保持葜警酝地往，且其中的主滚产品仍娃4 2 英寸失主，僵粥英寸及以上熬p d p 市场也籍隧着徐揍 的卜降丽不断扩大 农p d p 技术研究的初期，其研究内容主要集中在以下基本显示器功能的实现方面：单像素 多像豢：攀色彩色；低灰疫缓嶷获度缓；甄寿鑫 蔫寿鑫；夺曩示莲获 大显示垂承。 从二十世纪九十年代中尉期开始等离子体显永技术及其产业进入了快速发展的阶段，p d p 已经 确立了其在大屏幕高清晰度照示器领域的重要地饨，其技术研发完全针对专业显示器产品或电视机 产蒴避行。嚣藏等离子律鬟示技末亟蟹解决豹弱鬏毽摇： ( i )提商发光效率，降低系统功耗 1 i l l ”j ： i i ) 降低生产成本，提高产品竞争力： ( i i i ) 提嶷黼橡质鼍，瓒攫显示赫矮u 3 1 1 吲： ( - v ) 实现高分辨率显示，满足将来h d t v 艨嗣要求l 蚓稍 ”。 这些问题是阻碍或减缓锋离子体显示屏大规横进入家用龆示屏市场的主要囡索。为此，备生产 厂家簿l 臻究萃链覆p d p 技寒臻究寿嚣傍不蕺革凝+ 运瓣多狰辑究方法鞫攀段，挺毽大潼薪豹敷邀摹 元结构“碰1 ”、制造工艺，琢材料硼及驱动方法和电路”1 1 2 2 1 。 2 第一章绪论 1 2p d p 的工作原理和主流结构 1 2 1p d p 的基本工作原理 1 ) 气体放电过程 等离子体显示屏的工作原理是利用气体放电产生的紫外线来激发紫外荧光粉从而产生光图像， 图1 - 2 所示为一般气体放电的组成和伏安特性。其中，圈1 - 2 ( a ) 表示气体在辉光放电过程i ”l 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则主要集中在正柱区。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o 1 5 r a m ，因此等离子体显示屏在放电过程中主要是负辉区。图1 - 2 ( 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，此时大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。 ( 曩) 辉光放电 电压 ( b ) i v 特性 图1 - 2 气体放电的特性曲线 2 ) 潘宁效应 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，放电空间中的少最电子在电场的作用下作迁移运动，在迁移运动的过程中，电 子会碰撞到氖、氙的原子，并促使它们电离产生一对电子、离子对，电子在单位移动距离上碰撞产 生的电子、离子对通常记为n 电离产生的离子在外电场的作用下会向阳极运动，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离子在单位移动距离上碰撞产生的电子、离子对通常 记为y 。通过不断的碰撞，电场空间的电子会不断的增加，并进而产生放电的电流1 2 4 1 。 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。可以大大的降低氖气的着火电压。这一现象是 3 东南大学硕士论文 潘宁所发现，故此命名为潘宁效应嘲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。早期氙气的浓度大约在5 左右，目前为了进一步提高发光效率，氙气的浓度已经提高到接近 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 层一方面，m 9 0 具有良好的耐轰击性能，可作为介质层的保护层；另 一方面，m g o 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到2 0 0 v 左右瞄l 。 3 ) 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 3 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。 图l - 3 氖氙潘宁混合气体的主要电离过程 从上图中可以看出，波长为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( 他s 锄 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的氙分子的激于辐射反应( 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后，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l o o n s 时衰减到一半，l l i s 时紫外线的激发基本停止。 1 2 2 主流p d p 结构介绍 等离子体显示屏按照放电单元的结构来划分，有三种典型的结构1 2 7 l ：直流放电型( d cp d p ) 、 交流对向放电型( a c mp d p ) 和交流表面放电型( a c cp d p ) 。三种结构的截面图如图l - 4 所示， 图中上半部表示水平方向的截面图，下半部表示对应的垂直方向的截面图 如图1 - 4 ( a ) 所示，直流放电型p d p 结构相对比较简单嗍，每个放电单元有两个交叉的行列电 极相对应，当两个电极的电压差达到某个数值时，气体产生放电，并进一步激发荧光粉发出亮光。 由于电极直接裸霸在放电空间，放电电流由电极提供。为了限制放电过程的电流，通常在每个放电 单元都串接一个电阻，对于整屏所有的像素而言，电阻的相对误差必须小于0 5 ，而这一要求在大 规模的生产过程中比较难控制。另外，直流p d p 在提高亮度和发光效率方面存在比较大的阻碍。 图i - 4 ( b ) 所示为交流对向放电型p d p 2 9 l 单元的结构图，与直流型相比，交流对向放电型在前 一4 - 第一章绪论 后基板的电极上增加了介质层。电极不再锞露在放电空间。因此，在放电过程中介质层表面将由于 放电电流而不断积累壁电荷，随着肇电荷的进一步积累，放电空间的场强被逐步减弱，并最终导致 放电的停止。因此为了使放电过程不断继续，在行列电极的两端必需交替施加：i = 作电压这个交替 的电压起到了放电维持作用，因此称为维持电压。交流对向型p d p 由于荧光粉较易受到离子的轰击 而产生发光性能下降，因此寿命和工作稳定性受到一定的影响。 图! - 4 ( c ) 给出交流表面放电型p d p 单元结构它与对向放电型结构的主要区别在于。在前基 板每个象素拥有两个平行的电极，维持电压就加载在这两个电极之上因此，该结构中放电集中在 前基板的表面，而荧光粉涂敷在后基板之上，因此离子对荧光粉的轰击很弱，从而可以提高荧光粉 的寿命。 图i 4 三种典型的放电单元结构 1 3 荫罩式等离子体显示器( s 肝d p ) 简介 1 3 1s i i p i ) p 结构及优势 国内东南大学提出了荫罩型等离子体显示屏( s m p d p ) 结构该结构与传统a c c p d p 结构相比， 用成熟的荫罩替代障蔽结构，从而简化了生产工艺流程，带动了整屏成本的降低。 图l - 5 所示为荫罩式等离子体显示屏的三维结构示意图。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d “，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。 图i - 5 荫罩式等离子体显示屏三维模拟图 5 - 东南大学硕士论文 荫罩式结构与其它结构的最大区别在于中间障蔽所采用材料的不同，荫罩式结构采用的是导电 的金属材料。图1 6 所示为放大的荫罩结构图片，对于整屏所有的显示单元而言相当于一个公用的 公共电极t 如果将荫罩引出，则可以在扫描期和维持期给荫罩加载不同的电压波形从而进一步优 化放电过程，提高显示的效率。并且由于金属材料的特性，荫罩型等离子体显示屏在e m i 和散热等 方面也优于传统障蔽型结构的等离子体显示屏 图l _ 6 荫罩式等离子体显示屏所采用的荫罩放大图 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下降，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1 ，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 rc 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 aa l i 等方式来降 低整机的最大输出功耗 1 3 2s i d p d p 的驱动波形 荫罩式等离子体显示屏的放电单元属于交流对向放电式结构，可以采用a d s 驱动方式。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，驱动波形如图卜7 所 示。 图l - 7 s m p d p 驱动波形 图1 7 中各参数的含义： v 。：正向斜坡电压超过正向维持电压的值 - 6 第一章绪论 v h ；负向斜坡电压低于负向维持电压的值 k ：正向斜坡电压的上升时间 钿：负向斜坡电压的下降时间 寻址波形的t 作原理“”：对于需要点亮的像素，如图i - 7 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 维持期的工作原理口2 弘删：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 - ，维持脉冲电压为v s ，则选取v w + v s y y f ，则又会产生 气体放电。 重置期的作用p 习：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，用以调接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 1 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。 i 3 3 针对s m p d p 图像质量提高的方案 由于s m p d p 放电单元类似于交流对向放电式结构采用了a d s 驱动方式。因此荫罩式等离子体显 示屏和其他一切采用a d s 方式的等离子体显示屏一样，在运动图像的显示上存在一些问题，包括： 运动图像的模糊( m o t i o nb l u r r i n g ) ，动态伪轮廓( d y n a m i cf a l s ec o n t o u r ，d f c ) s z i 画面闪 烁( f l i c k i n g ) 和长时间静止图像的残像( i m a g es t i c k ) 1 等。 上述运动图像显示问题中部分与它的视频驱动方式相关，如动态伪轮廓的产生就是由于等离子 体显示屏a d s 驱动方式下于场的分别显示造成的。因此改善等离子体显示屏的图像质量，需要对等 离子体显示的驱动方式进行改进和优化。对于等离子体显示这一类的平板显示而言，由于采用了行 列共同寻址的方式来实现每个象索的点亮，即平板显示通常采用数字视频信号来驱动，故此可以在 等离子体显示的视频驱动模块中加入相应的数字视频处理功能来改进和优化其驱动方式，从而提高 显示的图像质量。 目前，已有的针对于s m p d p 的图像质量提高主要有两个方面： i ) 驱动波形的优化 驱动波形优化是通过对s 时d p 壁电压的理论分析研究完成驱动方案的制定。主要包括规划重置 波形，研究影响寻址速度和显示亮度的因索，并在实际的s m p d 系统上进行工作范围的测试，由实验 得出的数据和结论对初步方案进行参数选择和优化，从而提高s m p d p 的显示质量。 2 ) 视频信号处理 视频信号处理方案是通过分析s m p i ) p 的结构，对人眼在观看视频图像时的视觉心理过程进行了 研究，并在此基础上，提出了子场和视频帧频率分离的驱动方法和基于b i t 位的运动补偿方法。其 中针对视频帧的优化主要是利用运动补偿将视频帧的频率提高到l o o h z 。实际的图像显示效果表明， 在1 0 0 h z 的视频帧下，子场显示图像的最大延迟被压缩到了传统标准视频帧格式的一半，因此显示 7 - 至里查兰堡主堡兰 运动图像时的画面模糊和伪轮廓线现象降低了许多。运动补偿方法通过补偿运算，使显示的图像与 物体的运动轨迹保持一致。从而可以基本消除等离子体显示屏上运动图像的视觉失真现象。 1 - 4 论文的主要研究目的及内容 1 4 1 论文的研究目的及意义 等离子体显示器在进入2 1 世纪后已经确立了其在大屏幕高清晰度显示领域的重要地位，但是目 前仍然有许多需要改进的地方，如效率、功耗、成本等。s i l p d p 的出现为进一步提高等离子体显示 屏分辨率、亮度以及提高屏的制造成品率，降低成本，延长寿命提供了可能。目前，荫罩式等离子 体显示屏已经基本完成了实验室阶段研究，无论从理论分析，还是从实验、样屏等角度，均已成功 的证明了这种技术的可行性与优越性。 随着s h p d p 视频显示系统( 即s m p d p 模组) 设计要求的不断提升。针对于s i i p d p 的图像处理的 重要性和急迫性逐渐显现。鉴于s i f p d p 放电结构和电极位置具有一定的特殊性，不能直接沿用国际 上已有的图像处理方案来提高s i 护i ) p 视频显示质量。为此，论文的研究工作及期望结果是通过优化 视频信号的编码，并对视频信号进行处理，从而提高s m p d p 图像质量。 1 4 2 论文的主要研究内容 本课题的主要研究内容包括主要包括以下四个方面： 分析现有s m p d p 图像质量不足之处，找出分析图像质量不高的原因：寻址和显示分 离( a d s ) 的驱动方式，以及驱动波形对发光的影响。 针对上述原因分别对静态图像质量和动态图像质量进行调整，并提出基于子场调整编 码法和基于于场发光积累编码法两种解决方案。 分别在现有4 2 英寸s m p d p 系统上，将上述驱动方法加以实现。 结合各驱动方案的优势，提出一种子场调整编码法和子场发光积累编码法相结合的新 的驱动方案，最终在s m p d p 系统上实现。获得较为理想的静态和动态图像效果 结合上述研究内容，本论文的结构安排如下： 第二章，讨论目前针对于等离子体显示屏的视频编码方式优化方案。为了对现有的s m p d p 系统 不作太大改动，并考虑到屏的结构、成本、可行性等因素，确定本文的基于编码优化的方案。 第三章，详细介绍基于子场调整提高s i p d p 图像显示质量的方法的设计过程。首先，通过建立 人眼对亮度的感知模型，设计出d f c 仿真软件；然后，通过适当调整系统逻辑控制，把软件的仿真 结果应用到4 2 英寸x g a - s i f f d p 系统上 第四章，重点讨论另一种驱动时宁一基于子场积累的编码方式的设计过程。先从原理上证明 采用误差扩散可以丰富s i q p d p 的灰度等级，采用通过子场发光积累的驱动时序可以有效的消除d f c 现象，最后重点论述了如何在4 2 英寸x g a - s m p d p 系统上实现前面两者的结合，以获得较好的图 像质量。 第五章，对第三第四章中实现的驱动方法的实现效果进行比较，搭建对比实验环境，选定对比 实验测试仪器。最后，结合两种驱动方法的优点提出新的驱动方案加以实现。 8 簿= 蠢撵赢嚣豫震量绩辩蠢寰酶璃立 第二章提高图像质量编码方案的确立 s m p d p 单个象素靛点亮是遴避襁应的行列电极共嘲罨址来完成的，郾象素摊列成矩阵的形式。 然嚣这种特辣熬援额驱动方式爨然存在耄等多弱题，熹簧举鞭的菠进，魏游豫或澍弱灰疫等级的苓连 续住和逛渤鬻缘豹伪轻薅线( d y n a m i cf a l s ec o n t o u r ) 簿。强裁解决这些薅蘸豹主要方法是傀纯纛 示屏的视频驱动方式，或者封税额信号进行处理本章通过分析s m p d p 翻像上童婺问题的产生原因， 在目前已村解决方案的基础上，掇出了基于编码方式优化的实现方法。 2 1 提高圈像灰度等级盼连续性 根据人眼的视觉生理，在光脉冲的重复频率高于临界闪烁频率( 5 0 h z ) 时。可以通过控制光脉 冲的个数米驻示不同的亮度。对于s m p d p 来讲，在显示湖像时每个单元的状态只有点亮或不点壳 鼹种，两魅繇次放电都在瞬间完成，因此与c r t 的通避调节电子柬流的强度来投制显示灰度不同， 不能瘸瀵麓熬 孛宠疫或控裁敷惫滏凄懿方法去竣变显示瓣亮度，帮实瑷多获菠缓显忝。毽考虑副冀 维持稼狰麓鞭率遥常在强+ 翻扎鞭千赫兹韵范围，嚣摄每次维持菝电的疆发酃籀同，一次放电藏会 产生一个教光脉冲，所以在s m p i ) p 中可以利用调节维持脉冲个数的方法来实现多灰度级显示。 对予a d s 驱动方法，是在场时间内顺序扫描寻址番最示行，然后整屏所宵显示单元同时维持 显示。下腻介绍采用寻址和显示分离的子场驱动方法炭现拳级灰度。 将繁一静颜色盼电平信号繁纯舞n 位数据，砖显零数据按住进程显示，餐便曩示赣静维持放龟 瓣蔫长爱，帮笈惫豫捧个数秘该攮豹权重相关联，投_ 燕趟文，该显忝絮戆发毙躲冲个数越多，爱乏， 剿发光脉冲个数越少。这样，备德髭示豹亮度也就不麟，一经的显示对闯称为一个子场。每个子场 包括重置期，寻址期和维持期。纛鬣期使全屏所有显示单元状态一致，为寻址期做好准备；在寻址 期顺序捆椭备显示行，完成对套屏所有显示单元的寻蚍；在维持期，全屏所肖积累了壁电荷的单 元进行维持照示。各子场的重置期、寻址期时间相同。 嗣2 - 1a d s 对序模式予场构成示意图 以显承数据量化为8 位为例，将一场时间分为8 个予场，8 个子场主要的区别在于其维持期的 时间( 即维持脉冲个数) 不同，通常高位子场是其前缴低位子场的两倍。例如l 8 子场分别对应 显示从蹦像数据的最低位至最赢像，则8 个子场的维持期的时间成l ：2 ：4 ：8 ；1 6 ：3 2 ：6 4 ：1 2 8 豹关系，如翻争l 蒲示( 艟s c 剁斌下一顿视频豳像绔为1 6 7 毫移) 。这样逶避苓嚣子场的点亮靛维 - 9 东南大学硕士论文 合就可以显示2 5 6 级的灰度显示。例如一个数据位0 0 0 0 0 0 0 0 ，则所有子场都不点亮，显示位最暗的 0 级灰度；当数据位0 0 0 0 1 0 0 1 时。只有第一个第四子场点亮，对应灰度级位9 的亮度。数据位1 1 1 1 1 1 1 1 时t 所有子场都点亮，显示图像最亮，对应灰度级为2 5 5 的亮度。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 ( 2 8 ) 级灰度，这样就可以组合出1 6 7 7 7 8 2 1 6 ( 2 2 4 ) 种颜 色，从而实现全色显示。 2 1 。2s m p d p 灰度不连续原因分析 图2 2 所示的是按照典型的a d s 驱动，维持脉冲个数比按1 ：2 ：4 ：8 ：1 6 ：3 2 ：6 4 ：1 2 8 方式显示连续 灰阶时的图片。在实际的s m p d p 系统中，由于维持脉冲个数和灰度等级的非线性对应关系的存在， 可以清晰地看出图片中灰阶在有些部分出现了逆转，本应从左到右为亮度递增的趋势，但在某些区 域，右边的亮度低于左边，如图2 - 2 中方框区域 图2 - 2 典型a d s 驱动方式下连续灰阶图片 现有4 2 英寸s m p d p 测试系统如图2 - 3 所示。利用红外探测器测定各子场的放电次数和维持脉冲 的关系。利用亮度仪测量各灰度( 0 - 2 5 5 ) 的亮度值。 图2 - 34 2 英寸8 m p d p 测试系统示意图 在系统正常工作时，利用示波器捕捉高压驱动波形，同时使用红外探测器对s m p g p 放电进行观 察发现每个子场除在维持期进行放电外，在重置期的起始位置也有一次放电，各子场的放电次数 和维持脉冲的关系如表2 - 1 所示 1 0 第一章提高圈怿瞬蕈编码方案的确 子场数l2345678 维持脉冲对数 l24 81 63 26 41 2 8 放电次数 3591 7 3 36 51 2 92 5 7 ( 1 ) 重置波形的第一段类似于正向维持，所以点亮的像素还是会发生一次强放电，壁电压随之 抬高到接近于正向维持电压的值注意对于点亮的像素而言，这次放电相当于多了半次维持， 不会对对比度有所影响 ( 2 ) 在正向斜坡期间，假设正向斜坡电压上升速度足够慢，而且v d d 小于气体的着火电压，则 理想情况下。壁电压维持不变，实际上由于外加正向斜坡，壁电压会稍有上抬。 ( 3 ) 在负向斜坡期间，仍然假设负向斜坡电压下降速度足够慢，则当壁电压与行电极上的电压 达到着火电压v f 的时候，弱放电开始。根据前面的分析，弱放电过程中，不能产生足够的放电 粒子，壁电压只能缓慢的变化，气体上的电压会保持接近与着火电压的值。所以随着行电极上 电压逐渐下降，壁电压也随之下降，这一过程直到负向斜坡期的结束。 圈2 - 4 前一子场点亮点重置期壁电压变化情况 以下对整个灰度区间0 2 5 5 进行分析：采用数字图像源产生0 2 5 5 级灰度，测最r g b 三色各级 灰度下亮度值。采用数字图像源可以排除视频源板解码不准的干扰因素，使灰度级信息与视频数据 一一对应将测量数据和拟合曲线绘制成折线图如2 - 5 所示。 图2 - 5r g b 三色采集数据和拟合曲线 l l 东南大学硕士论文 为了减少工作量，如上图所示，对于r g b 三色分别采样了包括暗场在内的3 3 个点并以这些采 集数据为基础。使用离散数据的最佳平方逼近的方法，对r g b 三色各拟合了一条灰度亮度曲线 由于系统本身荧光粉的原因，r g b 三色在相同灰度下亮度相差很大，我们取人眼敏感的绿色进行研 究。由于采样数据相距铰远，跳过了易于比较的g r a y l 2 7 、g r a y l 2 8 这些灰度不连续特别明显的点 但我们仍然可以看到图2 - 4 中做出标记的地方，在大约相差十级灰度的地方，亮度差异很小。这是 因为发光亮度本质上取决于放电次数和放电强度，而非取决于维持脉冲个数 2 1 3 基于编码方式优化消除灰度不连续 i ) 调整各子场维持脉冲个数 考虑到s m p d p 图像的灰度不连续是由于维持脉冲个数和灰度等级的非线性对应关系造成的，因 此可以通过调整各子场的维持脉冲个数使得两者线性对应。首先通过分析s h p d p 的放电特性，然后 结合现有的实验结果对各子场的维持脉冲数进行调整，最后通过具体实验来验证调整后数据的有 效性。 首先。按照放电次数，调整各自场的维持脉冲个数。如表2 - 2 所示 子场数l 维持脉冲对数0 。5 放电次数2 2 1 5 4 3 3 5 8 4 7 5 1 6 5678 1 5 53 1 56 3 51 2 7 。5 3 2 6 4 1 2 82 5 6 调整后，按照2 1 2 节中所述的方法，再一次采集r g b 三色在0 2 5 5 灰度范围的亮度变化。并 以所采集的离散数据来拟合红绿蓝三色的灰度亮度曲线。调整后的r g b 三色采集数据和拟合曲 线如图2 - 6 所示。 图2 - - 6 调整后r g b 三色采集数据和拟合曲线 对比图2 5 和2 - 6 发现灰度亮度曲线的线性度得到有效改善，但从曲线图很难看出具体的 改善程度，在此我们以绿色为例，求出维持脉冲个数调整前后的曲线拟合均方误差。在这里取绿色 荧光粉来研究，原因在于s 静i ) p 所使用的荧光粉中绿色荧光粉发光强度最强，是同级灰度下，红 色荧光粉发光强度的两倍，绿色荧光粉发光强度的六倍；同时人服对绿色光最为敏感度。 1 2 第二章提高墅像质量编瓣蠢豢瓣确立 麴线投合筠方误差豹算法魏“l ：； 设拟合的= 次曲线表达式为： q ( x j ) = a o + a l x l + a 2 x i 2 ( 2 - 1 ) 其中。x i 为灰度，q ( 筠) 为致值拟台簇灰度氍对应的亮度德。如、a l 和a 2 为曲线拟含参数。可由m a t l a b 软传蠢谈话舞褥剑。 霰备薮覆缀致慰痘熬亮裹裁鼍壤兔敦，瑙惑线接会均方诶整为： 妒= y x a o + a l x i + a 2 x i 2 - y i ) 2 ( 2 - 2 ) k l l 本实验中i 的范围是1 - 3 3 ，表示擞灰度区间上选取的3 3 个采用点 按照上述计算方法方法维持脉冲个数调整蘸，魏线叛台均方误差为：4 唾。4 0 5 ，调整后豹均方 谟差蠹；4 5 1 8 。枣踅霹箱，驻 孛令数戆调整使褥系统黪森强露麓获霾连续毪爨巍。 2 ) 子场发光积累实现灰疫 子场发光积累方法不同于a d s 驱动方法，它是基于非= 避制编码方式。邋过予场维持发光的积 累来实现获度等级的变化。该驱幼方式可分为两类：点糍式和擦除式。在点亮戏情况下，在一帧图 像时间内，像素一旦点亮就不再熄灭，发光时间从点亮歼贻一直积累到下一帧的汗媳