彩色ＦＥＤ非線性校正算法研究

摘 要：介紹了平板顯示器(FPD)非線性校正的經典常用算法，簡要說明了FED非線性校正所具有的特點。著重討論了場致發射顯示器(FED)所具有的顯示特性，給出了FED顯示特性的B-T預校正曲線，并基于目前所普遍采用的標準電視信號作為圖像信號源，提出了FED非線性校正算法。利用行消隱時間來處理非線性校正過程的方法，達到實時圖像顯示和減少硬件成本的目的。給出了基于PW113的系統設計方案，該方案成功地運用于25英寸彩色FED非線性校正電路中，為系統提供了優質的圖像。最后，給出了該算法與經典算法的實驗對比圖。

關鍵詞：PW113；非線性校正；FED；FPD

中圖分類號：TN27文獻標識碼：A文章編號：1004373X(2008)1916404

Research on Color FED Nonlinear Correction Arithmetic

HUANG Bingle，YAO Jianmin，LIN Zhixian，XU Sheng，GUO Tailiang

(College of Physics and Information Engineering，Fuhzou University，Fuzhou，350002，China)

Abstract：The general method of Flat Panel Display (FPD)nonlinear correction is introduced in this paper，specification of the character of Field Emission Display (FED) nonlinear correction is explained. And the characteristics of display of FED is deeply discussed.Then B-T pre-correction curve of the character of FED′s display is given，and the arithmetic of nonlinear correction of FED is provided.A project of a system design based on PW113 is proposed.The project has been successfully used in the circuit of 25 inch color FED nonlinear correction which provides excellent video source. Finally，the contrast graphics between the arithmetic in this paper and the general arithmetic is provided.

Keywords：PW113；nonlinear correction；FED；FPD

場致發射顯示器(FED)與傳統的陰極射線管(CRT)相比，具有輕薄便攜、功耗小、全數字化、無閃爍、輻射低(健康環保)等優點。作為平板顯示器(FPD)的新成員FED顯示器，預期到2010年全球市場份額將達到100億美元。目前，FED顯示器樣機在圖像顯示質量上還有待進一步提高；其中，FED圖像灰度的非線性校正在提高圖像顯示質量方面起著重要的作用。本文研究了FED非線性校正改進算法，并給出了基于PW113的實現方案，獲得較好的圖像質量。

1 FPD非線性校正

1.1 FPD非線性校正的原因

一般視頻圖像的顯示數據是針對CRT顯示設備來設計的，為使視頻圖像在CRT上能近乎真實地顯示出來，數據信息己經進行過伽瑪(γ)校正。直接使用針對CRT進行γ校正的顯示數據在FPD顯示器上進行顯示時，由于顯示設備特性的差異，不可避免地帶來圖像的失真和顯示質量的下降，因此需要進行圖像數據修正。

1.2 非線性校正的經典算法

對于FPD中的PDP和LCD，由于它們的顯示特性是接近線性的，因此，通常所做的非線性校正，就在于對視頻源進行反γ校正，在電路實現中就是根據γ曲線進行逆運算。一般采用的方法是將校正參數存儲在ROM中，然后將圖像數據作為地址取出對應的校正數值，從而達到校正的目的。

1.3 FED非線性校正的特點

在我們的FED驅動系統中，灰度非線性校正電路較一般的顯示器件復雜，首先要對傳統的CRT視頻信號進行反γ校正，然后再針對FED顯示屏本身光電特性曲線進行灰度非線性校正(即亮度(B)-電流脈沖占空比(T)校正)。

因此，FED非線性校正不同于一般的FPD，它具有自身的特點。

2 FED灰度非線性校正算法

FED顯示系統在目前研發中采用的是標準電視信號，而標準電視信號是為CRT所使用的；同時，FED顯示屏也有自身的光電特性。如果直接使用現有電視信號而不做預處理，必然造成圖像灰度信號嚴重失真，層次感欠佳和色彩重現性不良等。因此本文針對目前視頻源和FED特性非線性提出了FED灰度非線性算法。該算法與常用的FPD非線性算法不同，可以稱為是經典算法的改進。

2.1 標準電視信號特點

由于CRT顯示器本身存在特性曲線，如圖1中(a)CRT顯示特性所示，因此，標準電視信號針對CRT的顯示特性進行了伽瑪預校正，其校正電路的傳輸特性曲線如圖1(b)γ預校正曲線所示。通過這樣的γ預校正電路，使得整個CRT顯示系統的顯示特性恢復到線性，從而得到比較真實的輸出圖像。

由此可見，標準電視信號是非線性的。

2.2 FED非線性校正原理

首先，目前沒有專門為FED顯示器設計的圖像信號源；因此，只能用前面介紹的標準電視信號直接傳送給FED進行圖像顯示。從前面的論述我們知道現有的視頻圖像在發送端做了γ預校正，因此，要得到線性的圖像源就必須在接收電路做反γ校正，其校正的曲線就是CRT的顯示特性曲線，如圖1中(a)所示。

其次，FED顯示屏多數是采用脈寬調制的方法來實現灰度等級的表現。雖然，從理論上講FED是電流型器件，其發光亮度與通過的電流時間成正比；但是由于存在屏的特性問題，我們在實際的測量中得到的印刷型FED特性曲線并不是線性的，其圖像亮度B與驅動電流占空比T之間的關系如圖2中(a)所示。

因此，在進行FED非線性校正的過程中，第一步，必須先對標準電視信號進行反γ校正以得到線性的圖像源，其校正曲線如圖1中(a)所示；第二步，再對電流占空比T進行反B-T曲線校正，提高FED顯示圖像彩色復現的真實性，改善畫質。

經過實驗驗證，得到第二步校正的曲線以B=T1.342補償曲線可以獲得較佳的效果；如圖2中(b)所示是FED顯示器的B-T預校正曲線。

根據前面探討得到在FED非線性校正中需進行的反γ校正和B-T預校正，本文提出了FED顯示器非線性校正曲線如圖3所示。該曲線考慮了反γ校正和B-T預校正這兩個校正步驟，并根據實際實驗校正得到的參數，因此，可以起到良好的校正效果。

2.3 FED非線性校正算法

根據前面探討得到的FED非線性校正最終曲線如圖3所示。從曲線中可以看出參數的數值都是歸一化條件下的曲線，在色深為16.7M即三基色的位數各為8位的情況下，每一色的灰度取值范圍為0~255，共256階灰度表現力；而FED非線性校正曲線的灰度變換范圍為0~1之間。因此，需要得到它們之間的轉換關系；根據映射關系，可以得到如下公式：

D=B(d/256)*256

(1)

其中，D表示校正后的灰度數據，d表示原始的灰度數據，B表示的是FED非線性校正轉換函數。

在校正的方法上有兩種方法，一種是緩存一幀的圖像數據，然后對一整幀圖像數據進行校正。另一種是在輸出灰度數據給平板顯示器的同時進行校正。第一種方法優點是圖像的亮度調制時間不會損失，但缺點是要多一幀的圖像緩存RAM。第二種方法的優點是不需要增加硬件代價，缺點是圖像的灰度調制時間會損失一部分。考慮到以上的問題所在，本文提出了一個新的方法，利用視頻圖像的每一行的行消隱時間，對上一行的圖像灰度數據進行校正。可以在不增加硬件代價和損失后級圖像灰度調制時間的基礎上實現圖像灰度的校正。

本算法與經典非線性校正算法的不同在于，它將視頻源的反γ校正與B-T預校正曲線結合在一起，推算出校正函數，而經典非線性校正算法是根據FPD的一般特性，將視頻圖像校正成線性圖像源即可。因此，在前期計算校正參數時，本算法要比經典算法慢。而在得到對應的參數表之后，在實際的硬件實現時，由于本算法和經典算法都只要校正一次，在實際校正中所花費的時間是一樣的。在實際應用中，本算法可以讓標準電視信號在FED顯示器上得到比經典算法好的圖像質量。

3 硬件實驗方案

本文所采用的硬件實驗方案是采用高性能的可編程圖像處理器PW113作為圖像增強處理的核心，來實現FED非線性校正，圖像分辨率調整和OSD等功能。

3.1 PW113芯片性能及功能介紹

3.1.1 PW113芯片特性

PW113是第二代的高性能的可編程的圖像處理器，它采用高質量的在國際上獲獎的圖像縮放技術，它包括高級OSD控制、靈活的輸入接口、系統內置的SDRAM和強大的80186微處理器，它支持行和場圖像智能縮放、圖像自動最優化，因而使得屏幕上的圖像顯示精細完美。

3.1.2 PW113的內部主要功能模塊

在屏顯示(OSD)，這個功能可以作為平板顯示器開機時的畫面和菜單。OSD有兩種模式：一種是每個像素4位，從64k調色板中選取16種顏色；另一種是每個像素2位，從64k調色板中選取4種顏色。在16色模式下，OSD可以達到120 000個像素，圖像尺寸大約有480×248。

圖像縮放功能具有垂直方向和水平方向縮放因子，這兩個縮放因子可以獨立編程。具有320節濾波，濾波器系數完全可編程，這樣可以讓調整圖像縮放的銳度成為可能。

顏色查找表的有效尺寸是256×10位，有三個獨立的表，各自對應紅色、綠色和藍色。在圖像處理中可以將顏色查找表作為γ矯正的映射表。

處理器模塊，PW113提供了具有普通圖像處理應用特點的80X86微處理器。該處理器模塊具有端口中斷、通用目的IO(GPIO)、通用異步接收器(UART)、紅外解碼器、PWM產生器和定時器。五個引腳的微理器調試端口可以連接到外部JATG調試器來設置硬件中斷點(最多4個)、單步、讀/寫存儲器和查詢內部X86 CPU的狀態。

3.2 硬件設計方案

硬件設計框圖如圖4所示，主要是由三個部分組成：視頻轉換部分、圖像處理部分和FED驅動系統部分。

視頻轉換部分可以接收三類不同的視頻信號：模擬視頻信號(VGA信號)、DVI數字視頻信號和全電視信號及亮色分離信號(CVBS/S-Video)。

PW113是整個視頻處理板的核心部分，負責將前端輸出的數字視頻信號轉換成FED顯示器所支持的分辨率，同時完成FED灰度的非線性校正。

FED驅動系統將PW113送來的圖像數據通過PWM調制方式調制成灰度脈沖，然后再經功率放大電路將電壓信號放大成適合FED的驅動電壓波形。

3.3 FED非線性校正硬件實現

在實現FED非線性校正時，可以根據式(1)得到輸入灰度與校正灰度的對應關系。然后利用PW113中的顏色查找表，即把灰度校正表載入到顏色查找表中，就可以對輸入的圖像數據進行非線性校正。

在實際使用中，PW113的顏色查找表中的每一個顏色有64個字節寄存器，其中有33個字節寄存器用于映射表(從00h~20h)，由于灰度值的范圍是從0~255灰階，共有256個數據；因此，可以采取分段曲線的方法來擬合FED非線性校正曲線來實現校正，把非線性校正曲線分成32段，這32段曲線的參數可以由33個對應的灰度校正值來定義。我們就可以把33個點的校正參數載入到顏色查找表中，來實現FED γ校正。

在校正的過程中，利用PW113內部強大的MCU功能，在行消隱時間內將上一行的數據進行校正，并存放在PW113內部的緩存器中。

4 實驗結果

4.1 結果對比

實驗測試中采用的亮度測試儀器是日本Topcon公司生產SR-3A分光輻射計。測量的灰度數據是從0到255范圍，每隔4個灰階測量一個亮度值。共得到51個點的數據，將這些點用平滑曲線連接如圖5所示。

采用經典算法進行校正的灰度數據與亮度的關系曲線和采用本算法得到灰度與亮度的關系曲線如圖5中(a)和(b)所示。

4.2 結果分析

經典校正算法由于沒有考慮到FED顯示器本身的電光特性，因此，其校正后的灰度數據與亮度關系不是線性的。本文采取的算法是在經典算法的基礎上增加了FED顯示器本身特性的校正，因此，其最終校正的灰度數據與亮度是接近線性的。

5 結 語

本文探討了FPD非線性校正的經典算法，并結合FED顯示器自身電光特點在經典算法的基礎上改進得到FED非線性校正算法；提出了以PW113為圖像處理

核心的FED的圖像增強方案，著重闡述了其在FED灰度非線性校正的實現方法。最后，給出了改進算法與經典算法在FED非線性校正中實驗對比曲線。可以看出改進算法可以滿足灰度校正的要求。如圖6所示，該圖為FED顯示器樣機采用本算法后得到演示視頻圖片。

參考文獻

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［5］Hong Jaeshin，Kar Dal-kwack.A Novel Driving System for High Performance True Color FED［J］.IEEE Transactions on Consumer Electronics，2001，47(4):802-808.

作者簡介 黃炳樂 男，1982年出生，福州大學電子系光電顯示技術研究所碩士研究生。主要從事平板顯示圖像增強研究。

姚劍敏 男，1978年出生，福州大學物理與信息工程學院，講師。主要研究方向為視頻圖像處理、模式識別等。

林志賢 男，1975年出生，福州大學物理與信息工程學院，副教授。主要研究方向為FED驅動電路設計。

徐 勝 男，1974年出生，福州大學物理與信息工程學院，助研。主要研究方向為FED驅動電路設計。

郭太良 男，1963年出生，福州大學物理與信息工程學院，研究員，博士生導師，國家863平板顯示器專題組副組長。主要研究方向為承擔863重大專項FED顯示器研制。