（电工理论与新技术专业论文）基于分形模型的fpd灰度控制方法研究及fpga实现.pdf

上海大学硕士学位论文 a bs t r a c t f 1 a tp a n e ld i s p l a yi n d u s t r ya t t r a c t sm o r ea n dm o r ea t t e n t i o na n di n v e s t m e n ti n r e c e n ty e a r s h o w e v e r t e c h n o l o g yo ff p di sn o tm a n u r ee n o u g hc u r r e n t l y s u c ha s l o wi n t e g r a t i o n n o n u n i f o r ml u m i n a n c e a n dl o ws c a ne f f i c i e n c ya c c o r d i n gt of l a t p a n e ld i s p l a y t h eg r a y s c a l ei sa ni m p o r t a n tp a r a m e t e rt oj u d g et h ed i s p l a yq u a l i t y t h em a i n m e t h o dt oc o n t r o lt h ef p d s 缪a ys c a l e sn o w a d a y si sp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n p w m o n et h a to r d e r l ys c a n st h ed i s p l a yp i x e lb yr o w c o l u m na n df r a m et oo b t a i n t h eg r a ys c a l ed i s p l a y t h et i m ew a s t ep r o d u c e di nt h es c a n n i n gp r o c e s sr e s u l t si nt h e b o t t l ep r o b l e mo fh i g ha r t i c u l a t i o nm u l t i m e d i af p d sd e v e l o p m e n t a i m i n ga tt h et i m er e d u n d a n c yi nt h ef p di m a g i n gp r o c e s s t h et h e s i s t h o r o u g h l ys t u d i e dt h es o m ep r o b l e m sf o rf p dg r a ys c a l ec o n t r o l l i n gb a s e do nt h e f r a c t a lt h e o r y d i s s e r t a t e st h ec o n s t r u c t i o no ft h es p a c e t i m em a p p i n gt o p o l o g y a r c h i t e c t u r e t h ep r o p o s i t i o no fo p t i m a ls c a n n i n gs t r u c t u r ef o rf p d sg r a yi m a g i n g a n dt h ec r e a t i o no ft h ef r a c t a lt h e o r e t i cm o d e l t h e nd i s c u s s e sd e t a i l e d l yt h e d e s i g n i n g i m p l e m e n t a t i o np r o c e s sa n dt h ea p p l i c a t i o nr e s u l to faf p g av a l i d a t i o n f o rt h ep u r p o s eo fe l i m i n a t i n gt i m er e d u n d a n c ya n di n c r e a s i n gt h e s c a n n i n g a v m l a b i l i t y a c c o r d i n gt ot h et r a n s f o r m i n gc h a r a c t e r i s t i c s t h i sp a p e ru t i l i z e sd r a ma st h e d a t ab u f f e r t h i ss t r u c t u r eh a si t so w na d v a n t a g e s g r a y s c a l ec o u l db es c a n n e dw i m l l i g hr e l i a b i l i t ya n df a s ts p e e di nd a t ap r o c e s s i n g w i t ht h es i m p l ec o r es t r u c t u r e i ti s c o n v e n i e n tt of u l f i l lt h ed a t ab u f f e rd e s i g nw i t hs u i t a b l es i z e b e s i d e s t h em i s t a k ei n t h ed e s i g np r o c e s si se a s yt ob ef o u n d a c c o r d i n g l y t h ed i s s e r t a t i o na l s op r e s e n t st h e d e s i g no fo t h e ra u x i l i a r ym o d d e i n c l u d i n gd v i i n t e r f a c es i g n a lp r o c e s s i n gm o d u l e g r a y s c a l es c a np a r a m e t e rc o m p u t i n ga n dc o n t r o l l i n gm o d u l ea sw e l la so u t p u ts i g n a l d e t e c t i o nm o d u l e h 上海大学硕士学位论文 t h ed e s i g nf i r s tm a k e sr t ld e s c r i p t i o nt oa l lt h em o d u l e sw i t hv e r i l o gh d l t h e np e r f o r m sl o g i cs i m u l a t i o nw i me d at o o l sa tl a s t c o m p l e t e st h ec e r t i f i c a t i o n w i t hf p g ac h i p sf r o ma l t e r a t h ed i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e st h eb u i l d i n go ff p g a v e r i f i c a t i o np l a t f o r ma n dt e s t i n gi ni t a n dt h e nv e r i f i e st h a tt h ed e s i g no fg r a y s c a l e c o n t r o la c h i e v e st h ed e s i r e do b j e c t i v e s f l a tp a n e l d i s p l a y g r a y s c a l es c a n t i m er e d u n d a n c y f r a c t a l a l g o r i t h m f p g a i i i 原创性声明 本人声明 所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作 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发 表或撰写过的研究成果 参与同一工作的其他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 签名 聋妞 日期 型 兰 旦 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留 使用学位论文的规定 即 学校有权保留论文及送交论文复印件 允许论文被查阅和借阅 学 校可以公布论文的全部或部分内容 保密的论文在解密后应遵守此规定 日期 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 随着科学技术发展 电子显示技术也在不断更新换代 从传统的c r t c a t h o d er a y t u b e 阴极射线管 发展到l c d l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y 液晶显 示器 现在又正向第3 代显示技术过渡 当前盛行的显示技术包括o l e d o r g a n i cl i g h te m i t t i n gd i o d e 有机电致发光显示器件 p d p p l a s m ad i s p l a y p a n e l 等离子体放电显示板 f e d f i e l de m i s s i o nd i s p l a y 场发射显示 等 它们各有所长 追求的目标是体质轻 薄 高亮度 快速响应 高清晰度 低电 压 高效率 长寿命 低成本等特点 在目前的f p d f l a tp a n e ld i s p l a y 平板显示 技术中 液晶显示占有主要 市场份额 液晶显示由于其轻薄短小 低功耗 无辐射 平面直角显示以及影像 稳定等优点 应用非常广泛 然而它视角小 响应速度慢 温度特性差 显示依 赖于背光源或环境光 其垄断地位正面临着l e d o l e d 等迅猛发展技术的严 峻挑战 然而 针对形形色色的平板显示装置 扫描冗余过高 亮度损失严重等效率 问题严重限制了平板显示效果和平板显示行业的发展 本文针对目前平板显示领 域内 灰度控制扫描效率不高的问题 提出了分形扫描理论 为减少时间冗余 提高显示亮度 提升扫描效率提供解决方案 1 1 研究背景 研究表明 在人们经各种感觉器官从外界获得的信息中 视觉占6 0 听觉 占2 0 触觉占1 5 味觉占3 嗅觉占2 可见 最大量的信息是通过眼 睛获取的 视觉信息的重要远胜于其他信息来源 视觉信息不仅数量最大 而且 最准确 最及时 也最可靠 因此 长久以来 人们一直致力于将各种信息转变 为视觉信息再传递给人们 这种将各种信息转化为视觉信息的过程就称之为显 示 这种转化技术就称之为显示技术 随着科学技术的发展及社会的进步 人类所接触的信息量也在不断增加 统 计表明 信息量的增长平均每年在1 3 以上 今后更将以每年4 0 以上的速度 i 饰 学碰l 学证论立 增长 面临着如此浩如烟海的大量信息 a j f 已经成功地使用了计算机柬进行处 理 计算机町以将人们原米一生都处理不完的信息在几秒钟内处理完毕 但是要 想将处理后的信息及时 准确地传递给人 还必须通过显示技术束实现 进入 2 0 世纪以来 显示技术作为人机联系和信息展示的窗门已应用于娱乐 r 业 军市 交通 教育 航空航天 卫星遥感和医疗等各个方血 显示产业已经成为 电子信息工业的一大支柱产业 在我国 显示技术及相关产业的产品占信息产业 总产值的4 5 左右 作为现代显示技术发展的产物 现代显示器种类繁多 发展迅速 从种类到 原理 从使月j 方式到应用范围差异很大 它们各有t 秋 因此它们的发展目标小 同 所应用的领域也各自不同 平板显示是一种平板型 低压 微功耗 易于和 大规模集成电路匹配 具有众多硅示优点的新型显示器件 平板显示器的分类见 崮1 一i 4 4 z 癌 i 一 直剜塞巫 l 二二二 二二 二二二二二二二 一 圈1 1 平扳显示器 f p d 的分娄 上海大学硕士学位论文 自7 0 年代起 随着大规模集成电路的发展 各类平板显示器件有如雨后春 笋 日新月异迅猛发展 虽然有些平板显示器件诞生很早 由于自身的弱点和缺 陷 未能成长 发展 但还是有一些平板显示器件以其独特的优势发展 壮大 形成显示技术中的一支支新秀 特别是随着新型材料的应用和电子工业的革新 平板显示发展迅猛 1 2 液晶显示器件 l c d 异军突起 电致发光显示 e l 东山再起 发光二极管 l e d 显示寿命长 可靠性高 等离子显示 p d p 发 展前景不可低估 荧光显示器件显示 v f d 优美 豪华 具有极好的显示效果 有机电致发光显示 o l e d 平板场发射显示器 f e d 刚刚诞生 就已显示出 巨大的生命力和竞争力 尽管各种显示器件各自有其独特的优点 但是由于它们 本身性能存在不同程度的缺点 因此使得其应用受到了一定程度的限制 各种显 示器件特性比较示于表1 1 表1 1 各种平板显示器件的显示特性 非主动发光型主动发光型 l c dp d p 显示特性 p m 型 a ma cd cf e dl e do l e d de l dc l 玎 型型型 a c d cd ca cd c 工作电压 a cd cd cd c 9 0 1 8 0 5 0 0 1 0 0 2 3 v 2 52 53 1 51 0 4 0 1 5 02 5 0l x l 0 42 0 0 x 1 0 4 单位面积 数十微十几 消耗电流数微安数毫安数十毫安数毫安数毫安约l u a l c m 2 安毫安 5 0 对比度 1 0 2 52 0 5 0约1 0 0约4 0约4 0 约5 0约4 0 约1 0 0 8 0 3 0 2 0 响应时间 2 2 0 u s约l u s约l u s2 3 u s约1 0 u s5 5 0 u s约1 u s 2 0 0 m s6 0 m s 亮度1 0 2 1 8 0 1 4 0 一 c d m 2 02 5 0 4 0 03 0 01 7 0 1 6 0 07 0 2 0 0 1 0 31 5 0 05 0 0 黑色 多色 红橙 多色 黑白红 橙 红 蓝绿 黄橙 黑白 显示色绿 蓝红橙 绿 红多色 全白全色全色绿 蓝 全色绿 蓝 全色 存储功能 x o o 工作寿命oo o ooo 注 o 一不存在问题 容易实现 一存在一些问题 可以实现 x 存在难以解决的问题 不能实现 p m 型一无源矩阵型 a m 型一有源矩阵型 其中 发光二极管 l e d 是一种电 光转换型器件 其驱动电压低 1 5 2 v 3 上海大学硕士学位论文 工作电流小 3 2 0 m a 发光均匀稳定 响应速度快 随工作电流变化可作暗 灰度等级的变化等优点 因而成为目前被广泛用来制作电子显示屏的最重要的发 光器件 l e d 电子显示屏具有低功耗 控制灵活 可靠性高 寿命长等独特优 势而受到用户欢迎 被广泛应用于银行 证券 体育场馆 商场 机场 港口以 及工业 交通 商业 广告 金融 体育比赛 模拟军事演习 电子景观等领域 l 2 1 己成为当今信息时代的最佳信息显示媒体之一 l e d 电子显示屏一般都具 有以下特点 1 系统设计模块化 将电路设计按功能划分成不同的模块 模块与模块之 间只需要极少的连接 极大地提高了系统的稳定性和可靠性 具有良好的通用性 互换性 便于大规模生产 制造 安装 调试 维修 维护 使显示屏的制作更 加系统化 标准化 2 控制系统技术先进 显示系统的控制核心部件全部采用超大规模集成电 路 系统集成度极高 使控制功能大大增强 可靠性 安全性 灵活性大大提高 3 显示屏信息可长距离传输 采用以太网标准进行接口设计 极大地提高 了信息远距离传送的抗干扰能力 使显示屏更易于远距离控制 在无中继条件下 l e d 彩色屏最大通信距离可达3 0 0 到5 0 0 米 4 开放式软件 显示屏使用w i n d o w s 系列操作系统作为应用平台 用户既 可自行编制显示屏播放程序或专用程序 更可随心所欲使用市场上流行的各类优 秀的图形 图像 动画 视频制作软件来任意编排制作播出节目 真正实现了开 放式软件结构 5 可视性好 寿命长 l e d 发光管管芯 发光亮度高 色彩鲜艳 视角宽 无拉丝闪烁现象 使用寿命长 大于1 0 万小时 6 安装使用简便 采用标准化模块显示单元 可根据应用要求任意组装成 所需的尺寸 便于使用 安装和维护 7 显示方式多样化 可根据应用要求 显示各种图案 具有上下移动 左 右移动 横开纵开 瀑布显示 快速切换 图文 动画 视频播放多种控制方式 基于l e d 的种种优点和在实际应用领域的可操作性 本文灰度控制算法的 验证平台 搭建在以l e d 显示器为对象的实验平台上 通过对l e d 这类显示设 备的灰度控制和调制 为今后应用到通用平板显示领域提供一种解决方案 4 上海大学硕士学位论文 1 2 研究内容及意义 目前 平板显示器基本采用数字量化的标准视频显示源 而且无论采用哪一 种数字式平板显示设备 其成像扫描原理都遵从传统的模拟视频标准 在显示成 像过程中将逐行扫描对应于数字显示的逐行存贮 图像灰度的实现多采用脉宽调 制的方法 按传统计数节奏 顺序地扫描显示像素的点 行和帧 在写入显示像 素点的重复次数中获得灰度时延宽度的调制 完成数据深度 色度 的变化 以 平板显示器的一个单色像素形成1 6 级灰度的过程来分析 假如要显示4 级亮度 传统方法要进行四次 1 的比较写像素操作 拟形成四个时间单位的亮度脉宽 再进行十一次 0 的比较写像素操作 拟形成十一个时间单位的暗信号脉宽 最 后进行一次写 0 的消隐操作 显然传统脉宽调制方法存在着如下问题 1 传统方法要求有非常快的视频图像存贮空间的数据向发光介质空间的传 递速度 这种传递速度随着表示显示灰度等级的数据位数的提高而成倍的增加 而且传统计数形式对像素存贮过程中的寄存器译码会造成逻辑时序竞争 从而使 数字存贮型显示系统有 拖影 抖动 等干扰发生 影响了显示质量 2 核心运算实体时钟速度必将伴随着半导体材料和加工工艺的发展而提高 而目前现有为降低传递速度采用的分块小单元逐行逐点扫描方法大大增加了平 板显示器驱动电路的生产成本 3 在完成数据深度 灰度 的变化而采用重复写入像素 获得灰度时延宽度 调制的过程中 必然有较多的时间资源的浪费 即时间冗余 因此 在追求f p d 视频的高清晰度 超高灰度级和高还原度的同时 仅仅 将目光集中于数字化显示系统的材质或图像编解码压缩的前端处理上是不够的 还必须重视数码图像信息向物理发光体成像扫描 映射 的中间状态 图像质量与 人眼视觉特性之间的关系 因此 研究f p d 存贮空间中灰度信息在时间分布中 存在的数据 时间冗余以及人眼的视觉冗余问题 是解决存贮空间到显示平面的 传递速度瓶颈问题的关键所在 本文针对目前广泛应用的平板显示器扫描成像中的时间冗余问题 从理论分 析和实验验证的角度分析图像 介质及视觉空间信息传递机理与时间冗余分布特 征 分析并验证了时间冗余产生的原因和对灰度控制带来的效率问题 然后从分 5 上海大学硕士学位论文 形几何学的角度研究平板显示器灰度成像的最优扫描结构 从理论上导出具有严 格自相似分形的最优扫描模型 研究理论模型到逻辑实现的通用算法和分形模型 在平板显示灰度控制实现的关键技术 设计了基于分形理论的灰度控制扫描模 块 搭建了f p g a 系统验证平台 3 并在验证中证实 所设计模块有助于消除平 板显示器灰度扫描进程中的时间冗余问题 提高平板显示器扫描效掣4 5 1 高清 晰度大屏幕平板显示产品是我国科学规划的优先主题和国民经济发展的重点领 域 因而本项目的研究与技术成果不仅将拓展分形理论的应用领域 而且能从理 论和实际应用上解决多媒体数字存贮型平板显示器在高清晰度发展方向上的瓶 颈问题 具有科学意义和广阔的应用前景 1 3 主要研究成果及创新点 本文主要研究了平板显示器灰度控制的最优扫描结构的构造 分形模型的建 立和分形扫描模块的系统验证 在高清晰度大屏幕平板显示技术中 屏幕的像素 数与帧 行刷新频率密切相关 一般情况下 刷新频率随像素数增大而提高 而 刷新频率的提高将对系统的器件与材料提出更高的要求 人眼作为各种形式光信 号系统的接收终端 其视觉特性直接决定着对光信号显示系统的特性要求 本文 首先分析了临界闪烁频率和视觉阈限的关系 研究人眼视觉响应和光能积累模 型 为消除平板显示器扫描成像过程中的时间冗余 建立可实施的扫描方法 降 低刷新频率提供重要依据 在此基础上 展开了深层次研究并获得了以下创新性 成果 1 针对平板显示器扫描成像中的时间冗余 通过将分形理论的数学模型应 用于平板显示技术之中 为消除时间冗余 提高扫描效率 降低刷新频率提供一 种新思路 2 从理论上导出了f p d 灰度控制的扫描路径结构的数学表达式 并证明这 种扫描结构具有最优性和通用性 可以获得有规律的扫描方式和最大的扫描利用 率 3 提出了最优扫描结构的分形模型 这对如何实现平板显示器灰度成像高 压缩比 高速扫描 和最高扫描效率具有指导性意义 4 设计并搭建了l e d 平板显示器系统 其中 在l e d 扫描灰度控制器中 6 上海大学硕士学位论文 实现了f p g a 的硬件环境框架与v e r i l o g 描述的分形扫描模块 有效地提高了成 像灰度等级和画面质量 配合分形扫描技术 提高了显示系统的帧频速度 从而 在理论上和实际应用上解决了多媒体平板显示器向高清晰度发展方向时在传递 速度上的瓶颈问题 1 4 论文安排 本文围绕平板显示灰度控制的分形模型及最优扫描结构而开展的研究 内容 包括基础理论研究和与应用实例 具体安排如下 第一章绪论 主要介绍了本课题的研究背景 研究意义 主要研究成果及创 新点 第二章通过研究人眼视觉响应和光能积累模型 分析f p d 扫描成像机理 探讨目前灰度控制方法所存在的缺陷以及时间冗余的分布 并比较分析传统灰度 扫描方法与改进灰度扫描方法对扫描效率的影响 第三章围绕f p d 最优扫描结构展开研究 导出并证明了f p d 灰度成像的最 优扫描结构 通过研究最优扫描结构的自相似分形特征 建立了通用意义的自相 似分形扫描模型 第四章主要研究并设计了f p d 灰度扫描控制模块以及系统各周边模块的设 计过程和仿真结果 扫描效率的分析与比较 第五章阐述了灰度扫描控制模块的系统实现与f p g a 验证 第六章结束语 主要对本文开展的研究工作进行总结 同时还分析了尚待研 究和解决的问题 为将来进一步的研究开拓思路和打下基础 7 上海大学硕士学位论文 第二章灰度扫描控制方法研究 由于近几年多媒体技术的日新月异发展 尤其是视频影像显示已搬上计算机 显示屏幕 给l e d 视频显示系统提供了强有力的支持 但是 在l e d 视频显示 系统上实现彩色影像显示 是近年来在开发利用l e d 视频显示系统需要进一步 探讨的课题 其中 视频l e d 视频显示系统如何构架 l e d 灰度产生的机理是 我们需要面对的问题 本章着手对于这方面问题进行探讨 以求可以为我国科学 工作者在这个领域方面的研究和开发提供有益的借鉴 2 1 临界闪烁频率及视觉响应 2 1 1 临界闪烁频率 当光刺激人眼时 感觉并不是立即产生的 因为光作用于视网膜 产生兴奋 再传导至大脑有关部位引起感觉 这中间需要一段传导时间 而且光刺激在眼睛 内所产生的兴奋并不随着刺激的终止而立即消失 而是要维持若干时间 在刺激 停止后所留下来的感觉称为视觉后像或视觉残留 视觉后像又分为正后像和负后像两种 正后像是一种与真实刺激相符合的感 觉 负后像则是一种相反的情况 视觉后像不是静止不变的 它们由迅速相互交 替的几个时 相 所组成 即黑暗 相 代替光明 相 然后光明 相 又代替黑暗 相 一直到完全消失为止 视觉暂留时间受如下一些因素影响 1 由弱的发光物体所得到的后像1 2 s 内就会消失 而由强的光刺激所引发 的后像则可保持数分钟 2 刺激光的作用时间越长 后像的延续时间也越长 3 不同色光的刺激 后像的延续时间不同 黄色光的后像消失得最快 此外 后像的持续时间还与人眼的疲劳程度和作用于人眼视网膜不同部位有 关 疲劳眼睛中后像延续时间长 作用于视网膜外周产生的后像要比作用于中央 部位所产生的后像消失得快 上海大学硕士学位论文 由上可知 人眼并不是一种完美的记录工具 因为视网膜的反应并不能随闪 光开始而立即开始 也不能随闪光停止而立即停止 在断续照明下 这种视觉时 滞对我们知觉物体是一种优点而不是缺点 6 1 1 7 1 如果我们的眼睛在时间上具有完 全的分辨率 在现代交流电的灯光下 就会觉得任何物体都是闪烁的了 现行的 电视体制也不能用了 对于由一个亮的和一个暗的时相组成的一个周期的断续光 当频率低时 观 察者看到一系列的闪光 当频率增加时 变为粗闪 细闪 当闪光频率增加到一 定程度时 人眼就不再感到是闪光 而感到一种固定的或连续的光 这样一种频 率称为闪光融合频率或临界闪烁频率 简称c f f c r i t i c a lf l i c k e r yf r e q u e n c y 当周期光信号的频率高于c f f 时 眼睛对这种周期变化光的感觉就像一个 恒定的光一样 其视亮度i 为 1 1f 27 j i 三 以 2 1 式中l t 为周期变化光的实际亮度 t 为周期 眼睛感觉到的是周期性变化 光亮度的平均值 c f f 是人眼对光刺激时间分辨能力的指标 但一般达到3 0 5 5 冼s 即不再有闪烁感觉 光的强度对c f f 是有影响的 与l o gi 成比例 可用 式 2 2 表示 z a l o g i b 2 2 式中n 为临界频率 单位是周 秒 i 是光的强度 a b 是两个参数 c f f 随光强增加而变高 在光很弱时c f f 可以低到5 h z 在高强度下 提 高到3 0 5 5 h z 但只要c f f 大于6 0 h z 不管光强如何变化均能引起融合感觉 在电影放映中 视网膜接受的是断续的刺激 因为在两个图片之间有一个暗的时 相 一般放映速度为每秒2 4 个图片 在银幕亮度太大时 会产生不愉快的闪烁 所以在每张图片放映中用挡板挡一下 使图片切换频率提高到每秒4 8 次 从而 完全消除了放映中的闪烁现象 电视机选场频为5 0 或6 0 h z 时 人眼就不感 到画面是间断的 而是感到图像是连续的 融合的 c f f 受许多因素影响 主要因素如下 1 刺激的强度 c f f 明显地依赖刺激强度 微光时低于1 0h z 在高亮度时 1 0 0 0 c d m 2 可 9 上海大学硕士学位论文 高达4 5 6 0h z 渐近值 2 刺激的面积 小面积的c f f 比大面积的c f f 低 两者也是对数关系 z c l o g a d 2 3 式中n 为临界频率 a 代表面积 c d 为两个参数 3 不同的背景光及不同的刺激色光 白光的最大c f f 值大于其他色光的相应值 绿光的c f f 值大于红 蓝光的 相应数值 自光的c f f 值因背景光不同而变化 在蓝光背景上c f f 最高 红光 背景上中等 绿光背景上最低 另外 c f f 还与视网膜的不同部位 年龄 疲劳 缺氧和其他感官刺激有关 2 1 2 视觉阈限的量子理论与差别感觉阈限 如果光刺激限于短的呈现时间及小的范围 决定视觉阈限的主要因素是光的 总量 i x t x a 对暗适应的眼睛来说是一个非常小的量 约为5 x 1 0 以7 j 相当于 射在角膜上的5 4 个光量子 经过眼球各层时被吸收约一半 达到视网膜的光量 子为2 7 个 视网膜外部的黑色素层又吸收一部分光量子 因此实际上只有5 1 4 个光量子被杆细胞的视紫红质所吸收 完成空间积累区大约包括5 0 0 个杆体 细胞 即大约l o 个光量子散布在5 0 0 个杆体细胞之间 这样一个以上的量子很 少有机会落到同一个杆体细胞上 即一个光量子可以在一个杆体细胞内分裂一个 分子的视紫红质 说明人眼的进化己发展到了理论上的最大敏感度 8 9 但要使 我们感觉到一个闪光仍需5 一1 4 个杆体细胞的效果积累起来才能达到反应的阈 值 实验测定 初次觉察出来的光度变化同这种光度原有水平的比始终是一个常 数 这种觉察出两个刺激间的最小差别量 叫作差别感觉阈限 也可叫作最小可 觉差 人对重量的感觉也有同样的规律 例如1 0 0 9 重量加上3 9 即可感到重量的变 化 那么在2 0 0 9 重量之上 要加6 9 才能感觉到重量的变化 如果i 表示最初刺激 的强度 以 世表示刚刚觉察出变化的较强刺激强度 则 k 是一个 1 0 上海大学硕士学位论文 常数 式中 是刺激物的增加量 是刺激物原有水平 对于视觉刺激来说k 1 1 0 0 如果原照度是1 0 0 l x 那么照度增1 l x 我们 才能觉察出照度的增加 如果照度为1 0 0 0 l x 那么就应当增加1 0 l x 图像背景 噪声在小信号时明显 在大信号时被抑制就是这个原理 上述规律只适用于中等照度范围内才正确 如果光刺激十分弱时 比值可达 1 1 而当光刺激极强时 比值可降为1 1 6 7 刚刚可觉察出来的光刺激的增 量 差别阈限值 是感觉的单位 用e 表示 其表达式为 e k x l o g i c 2 4 由此式可知 感觉的大小同刺激强度的对数成正比 这意味着刺激强度增加 1 0 倍感觉强度才增加k 倍 当前者按几何级数递增时 则后者是按算术级数递 增的 2 1 3 人眼视觉响应和光能积累模型 实验表明 人眼对空间景物细节的分辨力是有限的 对亮度的响应有时延和 暂留 冗余 因而对景物空间亮度的变化 有一个空间分辨力限制 对时间轴 上的过快的变化也存在时间分辨力限制 同时 由于人眼的差别感觉阈限 见式 2 4 人眼对景物亮度层次的分辨力也是有限的 过小的亮度差别就无法分辨 通常称此为幅度分辨力 此外还有对彩色信号的色调和色饱和度的两种分辨力 以及对立体图像的景深分辨力等 实验表明 人眼的空间 时间和幅度三种分辨力具有图2 1 所示的相关特性 即当某一分辨增高时 必然使另两分辨力降低 图中卧卧 分别为空间 时 间和幅度的分辨力 人眼所具有的分辨力就在o 跏a o t o 四点所构成的一个 三棱四面体内 该四面体的三个面与三坐标面相合 而其底面是一内凹的曲面 若再考虑彩色分辨力 体视分辨力等 则相应的分辨力制约关系就要用超过三维 的模型来表示 人眼的视觉机理是一个有待于进一步研究的课题 有很多问题尚未弄清楚 但已有的实验结果可为我们分析提供部分基础 l o 1 1 1 实验表明 人眼对外来光 的亮度感觉是属于能量积累型的 而光的接收到产生亮度感觉并不是瞬时的 两 者有一个延时差 称为视觉延迟 而从外来光的消失到主观亮度感觉的消失 也 上海大学硕士学位论文 有一个延时差 称为视觉暂留 其特性如图2 2 所示 响应 开关式的光激励信号 o 图2 1 人眼三种分辨力的制约关系图2 2 人眼视觉响应特性 间 图中实线为开关式的光激励信号 虚线为相应的人眼视觉响应 由图2 2 可 见 a b 之间为视觉延迟时间 用 表示 这是人眼视网膜上的感光细胞产生视 神经能够觉察到的光亮度所需的能量积累时间 随着光激励能量 照度或发光亮 度 的增大 q 相应减少 b c 段是能量的继续积累过程 也是视觉的建立过程 直到c 点处能量的积累与耗散已达到给定光激励下的动态平衡点 这时的视亮 度达最大值 而过了c 点 在光激励信号不变 人眼视觉细胞的能量积累和耗 损的平衡状态不变的情况下 视神经却会产生疲劳而使主观亮度的感觉有所下 降 如图中c d 段所示 被称为视觉疲劳 若再考虑到人眼瞳孔的缩小 从而减 少了进入瞳孔而照到感光细胞上的光通量 d 点还将下降得更多些 过了d 点 又进入了视网膜上光能量的积累 耗散和瞳孔收缩的动态平衡 因而视觉亮度可 基本保持不变 如图中d e 段所示 最后 当外界光激励消失后 视网膜上的能量 耗散需要有一定的时间 因而仍有主观视亮度 但它将随时间而逐渐减弱 这就 是视觉暂留效应 如图中的e f 段所示 并用k 来表示 1 2 1 可以想见 视网膜原 有积累的能量越大 即d e 段的动态平衡水平越高 则光激励消失后所需的能量 耗散时间也越长 即视觉暂留时间不是恒定的 它随原景物的亮度的增高而延 1 2 上海大学硕士学位论文 长 而且还随各人视觉功能的差别 其k 值也将不同 图2 3 为相应的视觉冗余和光能积累模型响应仿真分析系统 光源定时地发 出具有一定持续时间的矩形 开关型 光激励信号 经接收器光电转换后变为相 应的电信号 该信号一路送往积分器 另两路分别送往前沿和后沿的比较检测器 并与积分后的信号进行比较 从而分别求出相应的视觉延时勺和视觉暂留h 而 积分器的输出s o 则是视觉响应信号 调整积分时间常数和时基参数 可以使龟 k 和s o 与人眼的视觉特性相对应 图2 3 视觉冗余和光能积累模型响应仿真分析系统 实验表明 约为1 0 3 0 s 而1 c r 约为1 0 3 0 m s 即两者差了约三个数量 级 因而图2 3 中的积分器应在脉冲的前沿和后沿有不同的时间常数 上述分析表明 在平板显示器图像信号扫描过程中 人眼的各种分辨力都将 下降 这为平板显示器亮度信号的能量冗余的利用提供基础 l3 1 并且由于存在 着确定的视觉延迟和视觉暂留 所以人眼视觉平面在接受各像素点序列仿射成像 时 并非要求在同一时刻以同步的方式完成图像存贮矩阵向介质矩阵的传递 当 图像存贮矩阵空间向介质空间以逐点 逐行 逐帧扫描方式传递时 并非要求严 格遵从计算机的v g a 标准 逐行 或电视标准 隔行 只要扫描方式传递速度足够 快 任何扫描方式 如跳跃扫描 随机扫描方式 都可完成扫描成像过程 上海大学硕士学位论文 2 2 灰度扫描原理 2 2 1 直接灰度扫描 灰度时分的直接灰度扫描原理如图2 4 所示 每一列根据灰度值扫描其相应 时间 图中黑色部分 通过脉宽调制控制灰度 当扫描帧频达到6 0 h z 以上 人的眼睛就基本感觉不到闪烁 只能感受到亮度变化 定义扫描时间单位n b a s e 为灰度值为1 的像素的有效发光时间 其时间长短可由扫描单位时间寄存器决 定 它决定了屏幕帧 行刷新频率 图2 4 中一行具有1 5 个扫描时间单位 可 产生包括0 在内的1 6 种灰度值 列j 至列 j 列分别扫描了单位时间为1 2 4 8 1 5 的灰度值 扫描 使能 列j r 二 二 二 口 n j i n j 2 歹l l j 3 歹l j j 4 扫描时间 12345 6 7891 01 11 2 1 3 1 4 1 5 图2 4 直接灰度扫描 图2 4 中消隐定义为每行扫描完成后控制器发出的行驱动输出无效信号 其 时间长度由消隐寄存器决定 一般控制信号发出后要经过一段延时显示器件才会 打开或关闭 对于开关延时较长的器件会影响有效像素周围点的正常发光时间 形成器件延时交叉效应 表现为有效发光点周围点也会微弱发光 1 4 1 但是由于 消隐信号的存在 残留在行电极上的剩余电流有充分时间流失 器件延时交叉效 应得到改善 1 4 上海大学硕士学位论文 另一方面 对于列电极数量非常多的屏幕 2 6 1 如果采用传统的串行扫描驱 动 即将显示数据按照传送总线的位宽移位输入至列驱动芯片 则驱动第一列像 素与最后 歹 j 像素之间存在一定延时 图2 5 中黑色部分表示列电极有效驱动时 间 b 嘞为传输总线位宽 无消隐驱动时 由于列j 的数据传输时间比列j b 咖 提前l 啪 t 呦为数据传送单位时延 因此列j b 呦的扫描时间就要比列j 少 t s 呦 仅管t 呦本身非常小 但由于驱动列电极数量非常多 t s 嘶的影响就不 能忽略不计了 若设数据传输总线位宽b 岫为8 位 传送时钟频率 l l 为5 m h z 扫描帧频 为6 0 h z 扫描列数x 为1 2 8 行数y 为6 4 则 卜一行i 斗行i 1 列j n j b t 纽 歹u j 2 b t n 歹i j j 3 b t 姐 列j 歹l j j b t n 二二 无消隐驱动 i 卜 士存t 一行t 消隐1 行t n j 3 b t 蛐 f 瑚 图2 5 尢硐隐驱功与有嗣隐驱动 每行扫描时间 乇w f f r m l ex y 2 6 嬲 数据传送单位时延 正彻 士 1 6 淞 j e l k 数椐侍洪最大时征 有消隐驱动 2 5 2 6 上海大学硕士学位论文 tt 25 6 坫max y s t r a nx x 5 1 2 2 5 6 凇 2 7 理想状态下 扫描行最前b 胁列的扫描时间占总时间的1 0 0 式 2 7 说 明最后b 拗列的扫描时间占扫描总时间 t r o w t tm a x 9 0 2 w 2 8 由式 2 8 可见 如果不进行消隐而直接驱动下一行 那么当前行最后风伽 列电极的驱动时间就会比开始的前b 胁列电极驱动时间少1 0 这种现象定义 为无消隐交叉效应 它随着列电极数的增多而越来越明显 从而形成屏幕列间亮 度不均 无消隐交叉效应一方面可以通过提高传送时钟频率来改善 另一方面可 以通过增加行消隐功能来消除 2 7 2 8 1 在带有行消隐的驱动电路中 每行结束都 会产生消隐信号 图2 5 的有消隐驱动中 由于列 层棚的消隐信号要比y l j j 晚 瓦蝴 因此列 占拗的驱动时间与列 相等 从而不会使屏幕列间亮度不均匀 但是 尽管采用了消隐驱动 直接灰度扫描由于方法本身存在问题 还是会 使驱动恒流源不均匀 再来看图2 4 每列的第1 个扫描时间单位内 所有列电 极均输出有效电平而使得驱动恒流源负载最大 而在扫描时段9 至1 5 之间只有 列1 4 有效而使得驱动恒流源负载最小 列电极数量越多 驱动信号相异性越大 随机冲击电流和随机谐波电流越明显 当负载差异超过一定限度 驱动恒流源就 会由于输出过于集中而被分流而导致第1 个扫描时间单位显示面板偏暗 第9 至1 5 的扫描时间单位偏亮 使扫描灰度有所损失 2 2 2 脉宽移位灰度调制 针对直接扫描法存在电流集中性较大的不足 人们提出了脉宽移位灰度调制 y o s h i n o ds a i t o u g i f u 于2 0 0 1 年在美国专利局申请了专利 专利名称 e l e c t r 0l u m i n e s c e n c ed i s p l a ya p p a r a t u s 专利号 u s6 1 9 1 5 3 5b i 以均匀分配列电极对电流的供需 此方法通过对列电极输出灰度数据的起始时间 进行移位处理 从而达到减小电流集中需求的目的 其原理如图2 6 所示 脉宽移位灰度调制方法在列电极扫描过程中 判断上一列是否有输出 若上 一列电极输出不为零 则当前列电极驱动时间起始点向后移位一个时间单位 1 6 上海大学硕士学位论文 舭聊 以分散这一时段内电流的输出 2 9 1 可以把列电极的起始扫描时间点设计成 软件或寄存器实时配置以适应不同视频要求如画面较暗或较亮等 脉宽移位灰度调制方法可以减小由于电流过于集中而造成的灰度损失 但是 它的电路复杂 要求的数据传送工作频率高 与直接灰度扫描法一样 脉宽移位 灰度调制的将扫描时间分为许多时间单元飓啪 每一个 刚的扫描都需要传输 一次列数据 刀级灰度扫描将传送疗次间隔时间为 6 删的数据 若n 很大 批愀 将会超过数据传送单位时延瓦咖 则无法完成数据传送 因而不能扫描出完整 画面或者使扫描频率降低 同时 直接扫描和脉宽移位灰度调制扫描也无法适应 可变灰度等级的扫描要求 扫描 使能 列j 列j l 列j 2 列j 3 列j 4 列j 5 列j 6 列j 7 f e e e i l l r 卫 扫描时间 l234567891 0 1 11 2 1 3 1 41 5 图2 6 脉宽移位灰度调制 2 3 传统灰度扫描方法及时间冗余的产生 传统的灰度扫面方法除了直接灰度扫面外 还有灰度权值扫描法等 为了适 应可变灰度等级的扫描要求 并且尽可能减小驱动恒流源电流集中问题 可以采 用灰度权值扫描法 它将列电极扫描有效时间分为若干个子单元 不同单元占有 不同时间比例 定义为灰度权值 若干个灰度权值的代数和定义为灰度值 2 3 1 2 4 控制像素点在这些子单元中的开通或关断 就可以达到灰度控制的目的 其中 1 7 上海大学硕士学位论文 灰度权值扫描法又可以分为恒定权值扫描和可变权值扫描 但传统的权值分配 都会在一定程度上产生等待时间 这就无法把扫描时序我完全利用起来 即产生 了扫描的时间冗余 2 3 1 恒定权值扫描 恒定权值扫描法原理如图2 7 所示 对于刀级灰度系统 它将扫描时间分为 il 0 9 2 胛1 个子单元 i i 表示向上取整 每个子单元分别占有不同扫描时间 扫 描时间子单元即为权值 这里先讨论权值均为2 的m 次幂 i t 0 的情况 这些 权值共有2 朋种组合方法 可以产生2 m 种灰度 扫描 使能 列j 列j l 列j 2 列j 3 列j 4 扫描时间 图2 7 恒定权值扫描 图2 7 中扫描按1 2 4 8 权值顺序 分别对应显示数据字节b 猡 历毋 列歹 存放的数据0 0 0 1 b 对应权值1 的扫描时间子单元 列j l 中0 0 10 b 对应权值2 的扫描时间子单元 列j 2 中0 1 0 0 b 对应权值4 的扫描时间子单元 列j 3 中 1 0 0 1 b 对应的权值为9 分别在权值1 和8 的扫描时间子单元内使列电极输出有 效 列j 4 中1 1l l b 对应的权值为1 5 在所有扫描时间子单元内均使列电极输 出有效 囹圃囹回画圆圆圆圆圜 上海大学硕士学位论文 2 3 2 可变权值扫描 可变是指扫描顺序和扫描权值均可变 2 5 对于扫描顺序 例如在一个1 6 级 灰度系统中 既可以按1 2 4 8 的权值顺序 也可以按8 1 4 2 或其他权值顺序进 行扫描 图2 8 中权值按8 1 4 2 顺序分别对应显示数据曰猡 曰2 毋 列 存放的 数据0 0 0 1 b 对应权值8 的扫描时间子单元 列 j 中0 0 1 0 b 对应权值1 的扫描 时间子单元 列1 2 中0 1 0 0 b 对应权值4 的扫描时间子单元 列j 3 中1 0 0 1 b 对应的权值为1 0 分别在权值8 和2 的扫描时间子单元内使列电极输出有效 列j 4 中1 1 1 1 b 对应的权值为1 5 列电极输出一直有效 扫描 使能 列j l 列j 2 列j 3 列j 4 扫描时间 二二二二二二二互 二 i 二工二二二二 l234567891 01 l1 2 1 3 1 41 5