動態圖像顯示屏虛擬組合像素技術及其算法實現

摘 要：針對圖像信息顯示屏的動態圖像顯示效果，提出了一種全新的具有虛擬組合的像素排列方法，按照該排列方法，1個具有M×N個物理像素的動態顯示屏可以得到約8×M×N分辨率的顯示效果。通過實驗研究還提出了一種算法及其邏輯結構，能將計算機輸出的圖像原始數據根據相應算法予以處理后，得到與屏幕上相對應像素的組合值。顯示屏數據的提取和處理是流水線結構，處理是實時的，且通過此算法處理后圖像帶寬減少了2/3，圖像的顯示效果提高了近8倍。

關鍵詞：動態顯示;實像素;虛擬像素;虛擬組合像素;數據算法

Virtual-Combined Pixels Technology for Dynamic Image Display and Implement of Algorithm

XU Feng1，ZHANG Junsheng2

(1.Computer Department，Harbin Medical University，Harbin，150086，China;2.Harbin Electronic Compute Technology Institute，Harbin，150080，China)

Abstract：A novel arrangement method of virtual-combined pixels is proposed for the dynamic image display effect.In this method，the dynamic display with 1×M×N physical pixels will be the same demonstration effect as the dynamic display with 8×M×N physical pixels.A data algorithm and its logical structure are also presented.After processed by the algorithm，the original image data acquired by the computer can obtain the combination value of corresponding image pixels.Experiment shows that the data extraction and processing are the class of water line structure and processing is real-time.Moreover the image bandwidth is reduced by 2/3 and the image demonstration effect is enhanced almost 8 times.

Keywords：dynamic display;physical pixels;virtual pixels;virtual- combined pixels;data algorithm

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1 引 言

動態圖像顯示屏能與計算機顯示器同步實時顯示動態圖像，在通常情況下它們之間的點對點是一一對應的，我們稱之為同屏顯示。我們將計算機方稱為“源”，顯示屏方稱為“屏”，則動態顯示屏的顯示即“源”圖像向“屏”映射，圖像是由“像素”組成的。源圖像向屏的映射實質上是源像素向屏像素的映射。

像素是圖像中的一個像點，它的色彩屬性由R，G，B三基色的取值確定，源像素R，G，B的值各由8位表示^［1］。如果屏像素由單色LED管組成，則源對屏的映射只有256種取值，是單色的；如果屏像素由雙色LED管組成(如R、G)，則源對屏的映射有64k種取值，是偽彩色的；如果屏像素由三基色LED管組成，則源對屏的映射有16M種取值，為真彩色^［2］。

傳統的動態信息顯示屏顯示方式為同屏顯示即顯示屏與計算機顯示器點對點對應，這種顯示方式浪費大量硬件資源，顯示效果一般。通過大量實驗研究，本文提出了一種全新的具有虛擬組合概念的像素排列方法及相應數據整合算法，可以在相同數量像素的顯示區域內比同屏顯示提高8倍顯示效果，而且通過此算法處理后圖像帶寬減少2/3。

2 實像素、虛擬像素、組合像素的排列關系

我們稱由基色LED管組成的像素為物理像素，一般它是集聚放置的，我們可以將屏上的物理像素分散均勻排列，每個物理像素分別由4只三基色LED管組成，如圖1(a)所示。

可以看出圖1(b)，在兩個物理像素之間存在著一個由RGB三基色組成的區域，它客觀上也形成了一個“像”，只不過這個像沒有源對屏的映射，所以稱為“虛擬像素”；相應地我們稱有源對屏映射的像素為“實像素”。這樣，將一行上N個源像素映射到N個物理像素，會得到N個實像素和N－1個虛擬像素，共計2N－1個屏像素。這種由N個源像素形成2N－1個屏像素的技術稱為“虛擬像素技術”。

在圖1(b)中，對于N個物理像素，如果我們不是用N個源像素，而是用2N－1個源像素去映射它，即圖中的N個實像素和N－1個虛擬像素都有一個相對應的源像素映射，我們稱這種屏像素為“組合像素”，這種技術稱為“組合像素技術”。如此稱謂是因為除邊界以外的每一LED管為與它相鄰的4個像素所共有，它的值與這4個像素有關，只有“組合”這4個像素才能得到該管的值，如圖1(c)所示。

圖1 三種像素排列

一個由M×N個物理像素組成的顯示屏，用實像素映射技術，其分辨率為M×N；用虛擬像素映射技術，其分辨率則為(2M－1)×(2N－1)，約為用實像素映射技術分辨率的4倍，因而圖像質量較前者高。如果采用組合像素映射技術，雖然分辨率也為(2M－1)×(2N－1)，然而其每一個屏像素都有一個源像素映射，它是“實”的，而不是“虛”的，因此采用組合像素映射技術的圖像質量又要比采用虛擬像素映射技術的圖像質量高。可以看出，對于同樣的圖像分辨率，采用組合像素映射技術或虛擬像素映射技術要比采用實像素映射技術節省3/4物理像素。采用虛擬像素優勢如下：

(1) 可以提高顯示性能：顯示器件在同等數量下，虛擬像素顯示相當于4倍的實像素顯示的效果。

(2) 可以大幅降低整屏的造價：使用虛擬像素大屏可以在同等分辨率下少用1/4的顯示器件，而且顯示效果要遠遠高于使用相同數量顯示器件實像素排列的視覺效果。

(3) 使用虛擬像素可以降低人觀看時的疲勞感，因為在動態大屏上發光點越是均勻分布，同等面積下發光越是均勻，所以人在觀看時的疲勞感就越低。虛擬像素是現在世界最先進的動態顯示技術，使用虛擬像素意味著走在世界前列。 

3 虛擬組合像素的排列

一個像素點的像僅由三基色確定而與組成像素LED管的數量無關，以上4管排列是為了形成“虛擬” 或“組合”。能不能只用R，G，B三管排列得到“虛擬”或“組合”呢？我們提出了這種排列。不僅如此，我們還提出了它的一種高效實現方法。

圖2為三管排列虛擬組合像素原理圖。圖中每一圓圈代表一個源像素可映射的屏像素，它由它周圍的R，G，B三管組成，顯然它們是組合像素。

從圖2上可看出，X方向上任意兩個組合像素之間都存在一個R，G，B三基色組成的虛擬像素(圖2小黑點處)，所以我們稱這種技術為“虛擬組合像素技術”。

圖2 三管排列虛擬組合像素

對于M×N個源像素點的源圖像，用４管排列的組合像素技術，它將映射成M×N個屏像素(組合像素)的屏幕圖像，用3管排列的組合虛擬像素技術，則可映射成N×(2M－1)個屏像素(組合虛擬像素)。屏幕圖像顯示效果將更好。

像素點的像是人的視覺結果，因此，實現時為了加工方便，可以不必按原理圖方式排列，而是采用縱橫對齊排列。

圖3為組合像素技術、虛擬組合像素技術的仿真效果圖。

圖3 組合像素技術效果及虛擬組合像素技術

4 數據整合算法實現

(1) 我們的目的是將源圖中源像素的值經過數據整合得到屏幕上對應處LED管的值。源的數據流是：從X方向逐點流形成行，再從Y方向流形成幀。

(2) 在圖4中，我們稱第一行為偶行，第二行為奇行，依此類推。同樣，我們稱第一排LED管為偶數排，第二排LED管為奇數排，依此類推。將偶行與奇行像素的三個LED管，不管其顏色，只按其位置標上序號，如圖所示。可以看出，除邊界外任一LED管的值，都與上下兩行和前后兩點有關，因此算法有存儲和結果兩部分。

(3) 算法的實現

存儲：對于偶行，將前一像素點2的值與后一像素點1的值相加取均值，存儲。對于奇行，直接將像素點3的值存儲。可見偶行存儲的是奇數排的數據，奇行存儲的是偶數排的數據。

結果：對于偶行，將上一次奇行存儲的偶數排的數據與當前像素點3的值相加取均值輸出。對于奇行，首先將前一像素點2的值與后一像素點1的值相加取均值，接著再與前次偶行存儲的奇數排的數據相加取均值輸出。

圖4 虛擬組合像素數據流向圖

經過上述運算得到的數據與屏幕上的LED管一一對應，對于一分辨率為M×N圖像，它只有M×N個一基色數據，而不是M×N個三基色數據，因此帶寬減少了2/3。經過上述處理后，屏幕方的結構十分簡單，如同單色屏一樣。

5 結 語

對于動態圖像信息的顯示系統，我們可以采用具有虛擬組合效果的像素排列方法和算法，使得圖像的邊緣更加柔和、順暢，消除了圖像邊緣過硬過重的視覺效應，圖像的整體視覺效果別具一格，具有飄逸灑脫之感。帶寬的減少，對于數據的傳輸距離和傳輸容量都具有重要的實際意義。此外，在圖像處理上還可以采用γ校正、白平衡處理等圖像處理技術^［3］，來進一步提高圖像顯示效果。

參 考 文 獻

［1］趙麗，趙宇明.計算機輔助彩色立體圖像生成中的誤差分析與處理 ［J］.光電技術，2003(4):54-55.

［2］劉勇奎.多灰度級圖像的二級顯示的誤差分散算法 ［J］.計算機工程與設計，1995，16(4):50-54.

［3］汪明霓.視差立體圖像的生成算法［J］.杭州師范學院學報:自然科學版，2007，3(5):420-422.

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作者簡介 許 峰 男，1969年出生，黑龍江哈爾濱人，副教授，碩士。主要研究方向為圖形圖像處理、顯示技術、體育電子計時設備設計。