LCOS高清晰度背投电视中的图像处理系统

1、LCOS高清晰度背投电视中的图像处理系统巢洪斌江西鸿源数显科技有限公司二零零五年四月关键词：背投电视 高清晰度 数字电视 数字显示 图像处理 LCOS 像素寻址 V-T曲线 摘要：本文介绍了LCOS显示技术的基本原理以及LCOS背投式高清晰度数字电视中信号处理系统的整体结构，并着重介绍了图像信号从输入、数字化、彩色解码、图像变换和合成处理直至LCOS显示输出的全过程。一、前言LCOS技术是当前数字显示技术大潮中令人瞩目的新技术，它具有功耗低、分辨率高、成本低、重量轻等诸多优点。特别应指出的是，该显示技术未被一个或多个跨国公司所垄断，为我国具有自主知识产权的大屏幕高清晰数字电视的发展提供了一个重

2、要契机。由于LCOS显示技术本身的特点，它特别适用于高分辨率、大屏幕显示应用领域，是未来高清晰度数字电视系统中理想的显示技术，因而具有广阔的发展前景。为了适应高清晰度电视信号这一潮流，在这里介绍的图像处理系统完全支持由ITU-R BT.709定义的高清晰度分量视频信号输入。DVI-D数字图像输入接口不仅可以作为计算机图像输入接口，它已成为高清晰度数字视频信号输入接口的一个事实标准，采用数字图像的回扫时间片传送数字音频和其它非视听信息的协议也已完成。应着重指出的是，该图像处理系统采用数字技术来支持传统的模拟电视信号，极大地提高了传统电视信号的显示输出质量。本文以视频和计算机图像信号的转换过程为线

3、索，详细介绍了LCOS高清晰度背投电视图像处理和显示系统的实现方案。二、电子系统的整体结构LCOS背投电视是一台采用数字显示技术的电视机，一方面在显示方式和功能上与传统的CRT电视有本质的不同；另一方面，作为电视广播信号的接收机，必须从消费者的实际需要和目前电视广播依然是以传统的模拟信号为主这一客观事实出发，完全支持目前的电视信号制式。因此，LCOS背投电视首先将接收到的模拟电视信号数字化，再采用先进的数字处理手段对数字视频信号进行处理，最后将数字图像信号发送给LCOS显示驱动电路，以驱动LCOS显示单元，显示出高质量的图像。LCOS背投电视电子系统的整体结构如图一所示。 图一 电子系统的整体

4、结构在图一所示的系统中包括如下主要部分：1 图像信号输入视频图像输入是电视接收机的基本功能。作为视频图像输入模块的一部分，符合ITU-R BT.709标准的高清晰度分量视频信号YPbP.r经A/D转换后，以数字形式提供给图像处理模块的视频输入口；从高频调谐器或其它视频接口输入的复合模拟电视信号和S-端子信号（Y/C）被变换成数字图像信号，输入图像处理模块。视频图像输入模块生成的数字图像扫描频率通常为每秒25至30帧。图像输入模块包括VESA标准的模拟RGB图像信号和DVI标准的数字图像信号。对模拟RGB信号必须先进行A/D转换，对DVI信号，必须对T.M.D.S串行信号解码，再向图像处理系统提

5、供并行数字图像输入。通常情况下，计算机图像输入具有较高的分辨率和扫描频率。2 图像处理模块图像处理模块是整个电子系统的核心，它接受经预处理的数字图像输入和数字视频输入，对它们进行较为复杂的图像处理和操作，以提高图像质量，并实现特定的显示功能，如PIP、OSD等。经处理后的数字图像被放入输出缓存，根据显示单元的要求以一定格式发往显示驱动单元。图像处理模块是一个基于高性能微处理器内核和高速数字图像处理电路的单片系统(SoC)。该芯片采用嵌入式实时操作系统（RTOS）作为其软件支撑平台，使用户可以在这个软件支撑平台上开发和完善应用软件，以满足不同的电视功能要求。芯片上的数字图像处理电路在微处理器的协

6、调下，由硬件高速地完成各种复杂的图像处理算法，以满足实时高分辨率数字图像处理的要求。同时，图像处理模块还要处理系统中的其他事务，包括接收控制命令，并根据命令对系统中的其它单元进行外部控制；产生光学系统上电和关闭时的控制时序；监测系统中其它部件的工作状态以及实现其它高级功能要求。3 显示驱动模块该模块的功能在于接受图像处理模块输出的高分辨率、高扫描频率数字图像信号，并把它们转化为LCOS显示单元的视频显示输出。在该模块中，将对数字视频图像信号进行非线性交换，以补偿显示单元固有的输入/输出非线性特性，再生成与LCOS的显示特性相匹配的像素信号驱动电压，并产生显示单元内像素的寻址逻辑。由于采用三片式

7、LCOS显示技术，模块中含有三片LCOS显示驱动专用的集成电路(DPD)，分别支持R、G、B三个显示通道。4 音效处理和音频功放 音效处理和音频功放模块和传统的CRT电视机基本相同。它接收电视伴音信号和其它双声道音频信号输入，并对它们进行各种音效处理后，经音频功率放大电路，驱动两路输出功率分别为15W的扬声器输出。由于采用了先进的数字音效处理电路，用户能选择多种音效输出模式。下面将对系统中的主要图像处理模块进行详细的介绍。三、输入信号的处理输入信号指计算机图像和复合电视视频信号的输入。输入信号处理模块的结构如图二所示。1 DVI-D数字图像信号输入DVI接口是目前高分辨率图像输出的一个较为通用

8、的接口标准。它以数字图像信号输出，即DVI-D作为核心，同时包含了VESA的RGB模拟图像信号输出，并采用了VESA的EDID1.3作为对象识别标准数据结构。DVI-D接口将并行数字R、G、B图像信号和相应的控制信号采用T.M.D.S方法转换成四路串行信号，并采用低幅平衡传输技术将信号传送给接收方，提高了信号的接收质量、减少了线数、降低了EMI。由DVI-D接口输入的T.M.D.S数字图像信号包括RX0/RX0、RX1/RX1、RX2/RX2、RXC/RXC四对信号线及DVI_CLK/DVI_DAT。数字图像信号的行、帧同步信号和点时钟信号包含在RXC/RXC中。DVI_CLK/DVI_DAT

9、信号是I2C总线，作为图像输出终端的计算机可以读取串行E2PROM存贮器，以获得显示设备的信息，包括显示器的分辨率、同步信号格式和参数及生产商信息，以便生成适当的输出图像格式，充分利用显示器的显示输出能力。系统中采用一片SIL161对输入的T.M.D.S编码的串行图像信号解码，恢复并行图像数据和行、帧同步信号，提供给图像处理器的图形输入接口。2 模拟RGB 信号输入经15针D-型接头输入的VESA标准模拟RGB信号及其行、帧同步信号，通过A/D转换电路后，生成数字图像信号和相应的同步信号。和DVI-D接口一样，该图像输入带有一个I2C总线接口，以读取设备的EDID数据结构。DVI数字图像信号和

10、数字化的RGB图像信号经开关选择后，仅一路作为图像处理器的输入。3 复合视频信号输入由调谐器和端子板输入的复合视频信号经预处理和切换开关后，进入视频解码电路。该解码电路能自动识别输入信号的制式，对输入信号进行A/D转换，并用梳状滤波器对复合视频信号进行解码，获得亮度信号和色差信号，再对色差信号进行正交解调，输出数字亮度信号和两个数字色差信号，以及它们的行、场同步信号。数字亮度和色差信号是隔行扫描的电视信号，这个信号必须进行隔行扫描到逐行扫描的变换和滤波，最终经数字视频接口进入图像处理器。4S-端子视频输入S-端子视频信号由两个模拟信号，即亮度和色差信号组成。系统具有多路S-端子视频信号输入，它

11、们和复合视频信号一样，经视频解码电路，生成数字化的亮度信号和两个色差信号，再进行隔行扫描到逐行扫描变换处理后，送入图像处理器。5高清晰度分量视频信号输入分量视频信号接口作为高清晰度电视信号的输入接口，接收符合ITU-R BT.709标准的模拟分量视频信号YPbP.r。该信号经专门的A/D转换电路进行数字化，再通过隔行到逐行的转换后，从数字视频输入口送入图像处理器。 图二 信号输入模块（a）图像输入(b)视频输入四、图像处理模块图像处理模块是LCOS背投电视中图像信号处理系统的核心，它由一个高性能中央处理器控制，并集成了高速数字图像处理逻辑电路，以满足实时、高分辨率数字图像处理的要求。图像处理模

12、块中的信息处理过程中如图三所示。图像处理模块有两个输入接口，分别是数字图像输入接口和数字视频输入接口。从图像接口输入的DVI-D或RGB数字图像经过预处理和分辨率变换后，被置于图像缓冲区内。视频图像输入首先要进行色度空间变换，即将原来的（YCbC.r）图像空间变成（R、G、B）图像空间，再对该视频图像进行预处理、分辨率变换，然后置于图像缓存。系统有128M图像缓存，采用高速SDRAM来实现。对图像缓存中的数字图像首先要根据用户设定进行图像合成，以实现各种不同的输出形式，再根据用户操作和信号源的信息，进行OSD信号叠加，即将一些用户操作信息和状态信息以一定的合成比例叠加于数字图像上。在完成上述操

13、作后，需要再对图像进行非线性校正，其目的在于：一是按用户设定对图像进行GAMMA校正，二是对显示设备的非线性特征进行预补偿，从而使显示器输入/输出关系接近线性。在完成了图像处理后，图像处理系统将高分辨率数字图像信号通过LVDS接口发往显示驱动模块进行显示输出。输出图像的时序由输出扫描逻辑电路来产生。图像处理模块除了实现图像处理外，还承担了系统控制功能，实现与计算机的串行通讯，用户按键和遥控输入操作，以及光学系统控制时序的产生和运行情况监控等。 图三 图像处理模块的方块图五、LCOS驱动模块三片式背投LCOS显示器的驱动电路框图如图四所示。LCOS显示驱动系统要完成如下的任务：（1） 寻址LCO

14、S显示单元中的像素;（2） 根据与被寻址像素对应的数字图像信息生产像素电压；（3） 实现数字图像显示扫描的时序逻辑；（4） 接收图像处理器发出的数字图像，并将各分量分配到相应的LCOS驱动电路进行缓存和预处理；（5） 实现与外部计算机和图像处理模块的通讯，并根据指令对LCOS驱动电路DPD的相关设置进行调整。为了完成任务（1）、（2）和（3），在设计LCOS显示单元的同时，必须同时设计出驱动电路DPD，将数字图像信号转换成电压信号，并通过适当的寻址方式，将图像电压信号转贮到像素的电容器中。图像电压每次生成8路，并依次先保存到行采样保持电路中，当一行的像素电压都被采样保持后，像素寻址逻辑将选通L

15、COS显示单元的某一行，将采样保持电路中的图像电压一次性加载到被选中的一行像素的电容中。同时，为了更灵活地调整显示刷新频率，提高显示质量，DPD还配备了动态存储器，对输入图像信号进行缓存。在三片式LCOS显示器中，DPD有三路，分别对应于三个输出颜色通道。由图像处理系统输出的数字图像信号，经LVDS信号传输接口输出到LCOS显示驱动模块，经解码后，恢复RGB图像信号和相应的控制信息，分别输出给对应的显示单元DPD。控制系统由一个8位微处理器为核心，其任务是在系统上电时，初始化显示驱动电路DPD，并在工作过程中监视DPD和系统中其它部件的工作状态。同时，控制系统还可以通过RS232接口与外部计算

16、机实现通讯，从而使外部的测试系统能根据显示输出的图像质量和用户要求来调整DPD的内部寄存器设置，使之达到满意的效果。这些调整包括对V-T曲线非线特性的补偿、对输出图像中像素非均匀性的补偿、亮度和对比度的调整等。部分由测试系统完成的功能也可由图像处理模块来实现。图四 LCOS驱动模块的方块图六、LCOS显示模块 1LCOS显示单元LCOS显示单元采用液晶对入射的均匀单色光进行调制，使其的反射输出受控于加在每个像素上的控制电压。图五是LCOS显示单元的原理示意图。在图五中，每个显示像素由CMOS半导体开关电路、电压保持电容、铝反射电极（图中虚线部分）以及覆盖在反射电极上的向列液晶组成。所有的像素构

17、成了可寻址的逻辑阵列，组成了LCOS显示单元，其中像素矩阵的行和列数目构成了显示单元的分辨率。当前系统中所用的LCOS显示单元的分辨率为1400X1050。LCOS显示单元上的CMOS半导体开关电路和电压保持电容均按通常的集成电路制造工艺加工于半导体晶元上，然后再在晶元基片上为每个像素覆盖反射电极和约3微米厚的液晶，并为整个LCOS显示单元设置导电玻璃公共电极（ITO），最后加上为LCOS显示单元特别设计的封装和引脚。在显示单元的像素阵列中，每一行均与对应的采样保持电路相连。在图像输出时，驱动模块的输出控制电路每次输出8个象素的图像信号电压及相应的行内地址。这些电压首先被采样保持，当一行的像素

18、电压都被采样保持后，由移位寄存器构成的行选择器开启某一行的读取开关，将采样保持器中的图像电压信号复制到对应像素的保持电容中，一定时间后关闭行选择，使图像信息得以保持，以完成一行图像信息的写入。随后，驱动电路向采样保持电路送出下一行图像输出，重复上述写入过程，直至完成所有行的写入，再开始新的一帧图像的输出图五 LCOS象素矩阵光线选择率（%）像素电压（伏） 图六 LCOS像素的V-T曲线2V-T响应曲线当光线照射到LCOS显示单元上时，显示单元的每个像素对其反射电极所反射的光的透射取决于加在反射电极上的电压，即电压保持电容上的电压。图六是像素的电压值与光线透射率的关系曲线，通常称为V-T曲线。该曲线具有一定的非线性特征，LCOS显示单元仅工作于该曲线的一部分单调区域。对于不同的基色光输入，该曲线并不完全一致。从图中可以看出，在单调工作区域内，像素的V-T曲线受温度影响很小。这一特点保证了LCOS显示单元在不同的环境温度下显示图像质量有较高的一致性。七、结语LCOS显示技术是当今世界上一种先进的数字式显示技术，是高清晰度数字显示领域的热门技术之一。在国家和江西省的大力支持下，江西鸿源数显科技有限公司经过一年多的努力，推出了国内首台基于LCOS显示技术的高清晰度背投电视，其图像质量达到了世界先进水平，并实现了产业化，开创了我国高清晰度