全彩LED显示屏的色温修正及IP核实现方案

全彩LED显示屏的色温修正及IP核实现方案

摘要：为改善全彩LED显示屏的显示效果，文章提出了一种色温修正的实现方案。本方案采用FPGA（现场可编程门阵列）来完成系统功能，利用AlteraFPGA的DSPBuilder(数字信号处理生成器)工具，在FPGA内部实现对视频数据进行色温修正的处理，并采用查找表的方法，将视频信号修正至预设的不同色温。最终可将该系统优化成参数可修改的功能模块，即lP核，使其他用户可以直接调用。关键词：全彩LED显示屏；色温修正；现场可编程门阵列；数字信号处理生成器；IP核引言近年来，以全彩LED显示屏为代表的数字平板显示技术发展迅速，并广泛应用于生产和生活的很多领域。目前，全彩LED显示屏的技术和产业处于良好的发展态势。作为重要的现代信息发布媒体方式，全彩LED显示屏已成为金融信息、交通诱导系统、体育场馆信息发布和现场转播、户外广告、机场港口车站信息发布等领域广泛选择的显示终端，全彩LED显示已成为大型公众信息传媒的主流方式。在我国，从上世纪90年代开始，全彩显示屏就已被广泛应用。LED显示控制系统的256级灰度控制技术、网络传送技术、亮度调节技术、静态恒流驱动、客户端软件、帧同步技术等相关通用技术方面，国内科研机构与企业已经具备了行业领先的技术研究、设计制造能力，但是对于LED显示的基础理论——如色域空间变换、色温修正、非线性灰度控制等相关方面的研究还未建立统一规范的理论。在色度学理论方面，国外在理论研究及应用上更加成熟，并以这些理论成果为核心形成了产业化的格局，其产品在色还原效果、色保真度上均比国内高一档次。因此，加强LED色彩理论的研究，提高视频显示效果成为目前亟待解决的问题，也是缩小与国外差距，拓宽海外市场的必经之路。本文利用色度学的相关理论知识，提出了一种色温修正方案，以改善视频显示效果。1色温简介色温(colortemperature)是表示光源光谱质量最通用的指标，19世纪末由英国物理学家洛德·开尔文创立。色温是按绝对黑体来定义的：光源的辐射在可见光区和绝对黑体的辐射完全相同，此时黑体的温度就称此光源的色温…。色温跟我们日常看到的景物景色有关，例如，接近赤道的地区，平均色温约为11，OOOK：纬度较高的地区，平均色温约为6，OOOKo在中国，一年四季的色温为8，000—9，500K，为适合中国观众观看，视频是以9，300K的色温进行制作的。所以，在用LED显示屏播放不同国家或地区的影片时，应对影片数据进行色温修正，使其适合当地观众观看，从而达到改善全彩LED显示屏显示效果的目的。白光可由色温来描述。将某光源的输出与某温度下的“黑体辐射器”辐射的光相比较，即可确定此光源的色温。例如，光源的色温为5，OOOK—5，500K时是典型的日光；2，OOOK时为红色或橙色：15，OOOK时接近蓝色。对数字显示器而言，白色可由R、G、B光源发射出的R、G、B色叠加得到。RGB数据可转化为CIE1931-XYZ色度图中的数据，图[]1给出了色温在CIE1931-XYZ色度图上的表示⑵。如图1所示，X、y、z（z=l-x-y）色品坐标分别表示匹配该颜色所需的红、绿、蓝三原色的比例，它们与理想三原色的刺激值X、Y、Z的关系如公式(1)所示。CIE1931RGB使用红、绿、蓝三基色系统匹配某些可见光光谱颜色时，需要使用基色的负值，而且使用也不方便。由于任何一种基色系统都可以从一种系统转换到另一种系统，因此1931年国际照明委员会采用了一种新的颜色系统，叫做CIEXYZ系统。这个系统采用想象的X、Y和Z三种基色，它们与可见颜色不相应。CIExyY色度图是从XYZ直接导出的一个颜色空间，它使用亮度Y参数和颜色坐标x、v来描述颜色。xyY中的Y值与XYZ中的Y刺激值一致，表示颜色的亮度或者光亮度，颜色坐标x、v用来在二维图上指定颜色。CIE色度图及CIE1931XYZ、RGB系统间的转换关系如公式(2)、(3)所示。在色度图中，“白点”可近似定义为色温。马蹄形内的曲线上各点表示相关色温，色温越高越偏蓝，越低越偏红。相关色温的范围为2，000—25，OOOK，如图1所示，5，500K时的白点在点(0.3333，0.3333)附近。光源不同，则显示技术不同，色温也不相同。例如，与阴极射线管(CRT)显示器相比，LED显示屏、等离子平板显示器(PDP)的色温较低。所以，这些数字显示设备的输出必须经过色温修正才能得到更好的显示质量。2算法与硬件实现本文研究了一种全彩LED显示屏的色温修正算法，并提出了一种硬件实现方案。色温修正的算法为：对于被处理的视频图像，首先找到各帧的白点值，并与给定的参考色温相比较，若二者一致，则视频数据不需要修正；若二者不同，则用比值法将视频数据校正至设定的色温之后，再将处理后的视频数据输出。功能框图如图2所示。最终将利用FPGA实现硬件功能。首先利用DSPBuilder工具及Matlab(matrixlaboratory，矩阵实验室)/Simulink(可视化仿真工具)对系统功能进行验证。DSPBuilder是Altera公司提供的一种DSP系统设计工具，它是Mathworks公司的Matlab/Simulink设计工具和Altera的Quartusll设计工具之间的一个桥梁，提供了一个从Matlab/Simulink直接到FPGA硬件实现的设计接口，把Matlab/Simulink中的DSP系统设计转化为HDL文件，在Quartusll工具中实现到具体的器件中。DSPBuilder极大地简化了DSP功能的硬件实现流程，并提供了系统级仿真测试功能，[来自www.lw5U.coM]设计者甚至可以不了解硬件描述语言HDL的设计流程，不必懂硬件描述语言本身，也能进行DSP应用系统的FPGA开发旧。如图2所示，色温修正算法及硬件系统中包括以下几个关键环节：参考色温的预置、白点的判定方法、色温比较及视频数据处理。本文提到的色温校正系统利用Simulink及其中的DSPBuilderBlockset（模块库）进行设计并完成验证。2.1设定参考色温（白点）视频图像各帧的实际白点将与给定的参考色温相比较。参考色温一般以CIE1931-XYZ色度图的坐标×、y的形式给出，而视频数据一般以实际三原色的三刺激值R、G、B的形式输出，故在亮度Y已经确定的条件下，运用公式(2)、(3)经过色域变换CIE1931xyY-CIE1931XYZ-CIE1931RGB，可以将参考色温变换成RGB的形式，方便与RGB形式的实际色温相比较。硬件实现原理图如图3所示。本方案用查表的方法预设参考色温，在FPGA内部的存储空间来实现查表的功能。定制只读存储器(ROM)，在系统刚开始工作时将若干组参考色温预先写入ROM，然后对其进行读取操作就可以了。也可以用外部按键作为地址来选择不同的标准色温。如图3所示，输入信号即为色温的×、Y、y对应的地址（x、v一一对应，故二者地址选择一致）。读取参考色温后，根据色度学原理，由色域转换公式(2)和(3)，运用Simulink的DSPBuilder工具箱中的除法器(divider)、乘加器（multiplyadd）、乘法器(multiplier)等，即可将以xyY形式给出的参考色温转换为RGB格式输出。2.2白点的判定视频处理技术中，一般以各像素点三基色的三刺激值RGB作为处理对象。根据色度学原理，对于输入的一帧视频数据，其白点可理解为R+G+B最大的像素点。白点由以下方法判断得到：将每个像素点的R、G、B三个值相加，得到和值，同时逐一比较该帧各像素点的和值，找到最大值，R、G、B之和最大的那个像素点就是白点。例如当视频某帧的实际色温为5，440K时，其白点的x、v坐标为(0.3333，0.3333)，其R、G、B值分别达最大，均为255。一帧处理结束后将发出帧结束信号，进行下一帧的处理。这一部分的硬件原理图如图4所示。图4中，输入信号1—3为视频信号的R、G、B值，用并行加法器（paralleladdersubtractor）将三个并行值相加后，与已存储的当前最大值相比较。若此时的R+G+B小于当前最大值，则保持当前最大值不变；反之，则将此R+G+B作为当前最大值存储起来。待此帧结束时，将当前存储的最大值所对应的R、G、B值作为该帧的白点输出，并将存储区清零，为下一帧的比较做准备。输入信号4为帧结束信号，可由计数器实现。根据不同LED显示屏的大小，可自主定义计数器的溢出值。输出信号即为该帧的实际色温（白点）值，以R、G、B的形式给出。图中的registerwp(wp缓存器)和clearmaxofeachframe（清零每帧最大值）模块应用了HDL(hardwaredescriptionlanguage．硬件描述语言)lm-port(导入)模块，分别完成有选择的数据存储和清零功能。HDLlmport模块使设计者能很容易地将VHDL（VHSIChandwaredescriptionlanguage，超高速集成电路硬件描述语言）设计功能加入到Simulink系统中，并在Simulink环境中仿真⑺。2.3用比值法进行色温修正每帧的视频数据是否需要进行修正取决于实际色温与目标色温是否相同，故在修正之前要先将该帧的实际色温与参考色温进行比较。若二者相同，可将此帧的各像素点数据直接输出；若二者不同，就要对视频数据进行修正并输出。由于在一帧结束后才能得到该帧的白点值，并且同一视频各帧的白点相差不大，故可以用下面提出的比值法实现色温修正。比值法的公式如下：公式(4)中涉及乘除运算，故本环节运用乘法器、具有除法功能的divid模块以及乘加器来完成功能。原理图中的divid模块应用HDLimport模块，把VHDL设计加到系统中，不但具有除法功能，其商值还可以精确到小数点后4位。应用乘加器也是为了能够更精确地进行修正。每帧的白点在该帧的每个像素点都扫描结束后才能得到，故在比值法中，与标准色温相比较的是该帧前一帧的白点的RGB值。同一视频各帧的白点相差并不大，所以这种比值法是可行的。将各环节的输入／输出信号对应相连就可以得到较为完整的色温修正系统了。这样，经过色温修正后的视频数据就能够直接输出或输出到下一级进行其它处理了。对系统功能进行验证并达到预期效果后，就可以将设计的DSP系统转化为VHDL文件，然后在Quartusll工具中进行仿真，再实现到具体的器件中。在经过严格的测试和验证之后，该系统可以被优化为lP核，以供其他用户直接调用，能够减少设计和调试时间，降低开发成本，提高开发效率。3结论目前，用于全彩LED显示屏的色温修正技术还较少。本文介绍的方案，由设定参考色温、寻找白点、对各像素点进行校正三部分实现，其设计灵活、结构简单，具有一定的可靠性。且每一像素点的数据都能得到修正，修正后的视频显示效果较修正前有很大改善，达到适合本地区观众观看的目标。采用查表的方法预设多种色温，在不同的处理条件下可读取不同的参考色温值，具有可选择性。用Matlab/Simulink对本文设计的方案进行验证，若初始化系统时设定一个较低的标准色温，经过色温修正的视频较原视频偏蓝：设定色温较高时，处理后的视频较原视频偏红，Matlab验证结果证明了本方案的可行性。把Matlab/Simulink中的DSP系统设计转化