基于單片LCoS的時序彩色顯示系統設計及色域特性影響因素的研究*

宋自力,湯勇明,吳 忠

(東南大學電子科學與工程學院,南京 210096)

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基于單片LCoS的時序彩色顯示系統設計及色域特性影響因素的研究*

宋自力,湯勇明*,吳 忠

(東南大學電子科學與工程學院,南京 210096)

設計了一套采用單片LCoS實現時序彩色FHD(全高清)視頻顯示系統。依據時序彩色實現原理,給出了系統硬件設計方案,以及對數據流處理的方法。本文還重點討論了LCoS液晶響應時間等對系統顯示色域特性的影響,并在本系統平臺進行了測試。實驗結果表明,提升LCoS液晶響應速度特性和優選RGB三色光源是改進的主要途徑。

時序彩色;液晶響應時間;LCoS;FHD

隨著人們對視頻質量的要求不斷提升,LCoS(Liquid Crystal on Silicon)顯示技術得到了迅速發展。LCoS采用一種三明治式結構,液晶材料被夾在一層作為公共電極的透明玻璃板和含有像素單元及其控制電路的硅基板之間。硅基板經過化學拋光處理,非常光滑且不透光,光自透明玻璃板射入再從硅基板反射回來,從而實現更大的光輸出,提高了亮度。像素控制電路置于液晶背面的硅基板上,使得LCoS芯片可以利用已有的CMOS集成工藝進行大量制備,而無需開發新的工藝,從而可以大大節約生產成本。目前,LCoS技術已經進入了一個相對成熟時期。市場上能看到的產品主要由高清大屏幕投影機、便攜式微型投影機和近眼顯示器等。

LCoS顯示技術實現彩色顯示主要有兩種方法。第1種方法是空間混色法,即采用三片LCoS面板,分別顯示視頻的紅、綠、藍分量,通過光學系統將3個分量進行混合得到彩色圖像。這種方法系統較為復雜、成本高、體積大,而且對光學系統的要求很高。第2種方法是采用時序彩色法,即將視頻紅、綠、藍分量輪流顯示在同一塊LCoS面板上,只要交替速度足夠快,就能利用人眼的視覺暫留效應而實現彩色視覺。這種方法較容易實現高密度、大畫面顯示,在高像素密度顯示和微型顯示方面具有明顯的優勢[1-2]。

隨著人們對顯示質量的要求提高,色域范圍指標也格外重要。對于CRT和PDP來說,其采用的3種熒光粉所能達到的色度坐標值就決定了其色域范圍。對于LCoS這種通過反射并結合人眼的視覺暫留效應而實現彩色顯示的器件,影響其色域特性的因素在本文中進行了研究。

本文給出了一種基于單片LCoS的時序彩色FHD視頻顯示系統的解決方案,并討論了LCoS液晶響應時間等對系統顯示色域特性的影響。

1 實現原理

如圖1所示,將單個幀顯示周期分為R、G、B 3個單色子場,每個子場分別向LCoS芯片寫入視頻的R、G、B分量。同時在液晶響應之后,分別點亮對應的三基色光源。可以看出,每個子場由數據加載、液晶響應和三基色光照三部分組成[1]。

這是液晶工作在逐行掃描模式下的典型時序。如果LCoS芯片工作在幀刷新模式下,可同時進行數據加載和光源光照,有效增加時間利用率,提高顯示亮度。

圖1 時序彩色實現典型時序安排示意圖

2 實驗平臺設計

實現時序彩色要求驅動電路的工作頻率較高,而且對時序信號的要求更加精確。同時,輸入通用標準數字視頻信號格式與LCoS芯片要求輸入的視頻信號格式不同,這無疑給系統實驗平臺設計提出了要求。

2.1 硬件設計[3-6]

系統硬件設計框圖如圖2所示,經解碼后的DVI視頻數據經過主控制器的組織、存儲處理后,輸送至數據處理模塊并產生LCoS所需的模擬數據信號。然后,將模擬數據信號與主控制器產生的LCoS時序信號一并輸送至LCoS芯片。在所對應時序的三色LED配合下,完成原視頻圖像的再現。

圖2 系統硬件設計框圖

目前流行的視頻接口有很多,本文選用DVI-D接口。具體硬件模塊實現功能如下:

(1)視頻解碼模塊[8]

該模塊主要功能是將DVI-D視頻信號解碼,得到所需的24 bit RGB視頻信號及幀同步、行同步等視頻控制信號。本設計選用SiIicon Image公司的DVI解碼芯片SiI161B,該芯片所達到的最大帶寬為165 MHz,滿足系統需求。

(2)主控制器

主控制器的主要功能是對解碼產生的24 bit RGB信號進行處理,并將其存儲在外部存儲模塊中;對兩組外部存儲模塊實現乒乓操作控制,同時完成數據讀寫;將視頻數據傳輸至數據處理模塊,進而配合所產生的LCoS時序信號傳輸至LCoS芯片,同時時序控制三基色光源完成彩色視頻的顯示。本設計選用ALTERA公司的FPGA芯片EP2C35F672作為主控制器核心,其內部資源、電氣參數、引腳數目等符合系統設計要求。

(3)存儲模塊

該模塊主要功能是配合主控制器實現乒乓操作,完成視頻數據的存儲與讀取。本設計選用SDRAM IS42S32200E作為存儲單元。IS42S32200E存儲容量為64 Mbit,32 bit 數據寬度,時鐘頻率最高可達200 MHz。一幀視頻的數據量為1 920×1 080×24=49 766 400 bit,約為50 Mbit。所以,選擇SDRAM IS42S32200E作為存儲單元是可行的。

(4)數據處理模塊

該模塊的主要功能是將數字視頻信號轉換為與LCoS芯片所匹配的模擬視頻信號。本文采用ADV7123芯片完成DA轉換,采用OPA3690芯片得到LCoS芯片所需的模擬視頻信號。ADV7123芯片可以達到330 Msample/s(MSPS)的數據吞吐量,輸入時鐘可以達到140 MHz,輸出時鐘可達到40 MHz,OPA3690芯片的工作時鐘可以達到220 MHz。由此可見,采用這兩個芯片完成數據的處理是可行的。

2.2 數據處理過程

根據時序彩色原理的要求,FPGA需要將經視頻解碼產生的串行輸入RGB視頻數據,按照3個單色子場依次進行顯示。由于輸入視頻的時鐘頻率、SDRAM工作頻率以及LCoS芯片工作頻率是不同的,即對視頻流的處理是跨時鐘域的,因此應在視頻解碼數據輸入與SDRAM數據的寫入、SDRAM數據的讀出與LCoS芯片數據輸入之間進行數據緩存來克服跨時鐘域所帶來的問題。本文使用異步FIFO緩存視頻流數據,兩組SDRAM進行乒乓操作的方法進行視頻流數據的處理方法。

外部SDRAM分為兩組,其位寬為32 bit,每組SDRAM分為3個存儲區用來分別存儲RGB數據,所以需要將并行輸入的24 bit RGB數據分別轉換為32 bit單色數據進行存儲。每個像素的RGB單色數據為8 bit,則需要對連續4個像素的單色數據進行緩存合并為32 bit后,送入異步FIFO進而存入SDRAM相應的存儲區域。

如圖3所示,完成該數據處理采用的方法是:前4個時鐘將前4個像素的單色數據分別緩存入3個32 bit移位寄存器。第5個時鐘將3個移位寄存器中的數據并行寫入位寬為96 bit的異步FIFO進行緩存,同時向移位寄存器存入第5個像素的單色數據。根據時序要求,等待異步FIFO內的數據量到達一定程度時,將各單色數據讀出FIFO并存入SDRAM相應存儲區域。

圖3 數據處理過程示意圖

利用上述同樣的方法可實現SDRAM數據的讀出及LCoS芯片數據的寫入。

在使用異步FIFO進行數據緩存的過程中應著重注意避免出現“讀空”或者“寫滿”這兩種狀態。否則,視頻流數據將會紊亂或者丟失。處理方案是根據視頻解碼出的時鐘頻率、SDRAM工作頻率及LCoS工作時鐘信號,準確計算出足夠的FIFO深度,以保證視頻流的連續性與完整性。

3 液晶響應時間對系統的影響

根據之前時序彩色實現原理的介紹可知,單個幀周期分為RGB 3個子場,每個子場由數據加載、液晶響應和三基色光照三部分組成。由于時序彩色顯示中相鄰子場的圖像是同一幅彩色圖像的RGB分量,其差異較大,因此在任一子場中必須清除上一子場的所有信息,否則圖像色彩將出現嚴重偏差。因此,LCoS器件的液晶響應時間指標就成為影響系統顯示效果的關鍵因素。

首先我們討論最基本的問題,即在時序彩色實現方式下進行RGB單色顯示性能測試,這直接影響到系統顯示的色域特性。

如圖4所示,根據上文中提出的硬件模塊實現方案,我們搭建出一套采用單片LCoS實現時序彩色視頻顯示的實驗平臺。

圖4 LCoS時序彩色顯示控制驗證平臺

針對本設計所使用的某款LCoS面板,其液晶由全亮到全黑的響應時間為9 ms～12 ms。在不同的幀周期下,我們分別進行了R、G、B 3種單色圖像色度坐標值的測量,所采用的方法步驟是:

(1)根據時序彩色原理,由FPGA內部產生RGB 3個子場,單個幀周期為8.33 ms;

(2)向R子場寫入8 bit 255級灰度數據,向G、B子場寫入8 bit 0級灰度數據;

(3)同時在每個子場的液晶響應之后,按照寫入RGB數據的順序依次點亮RGB光源;

(4)用色度計CS-200測量所顯示的紅色單色圖像的色度坐標值;

(5)依照步驟(2)～步驟(4),向G子場寫入255級灰度數據,向R、B子場寫入0級灰度數據,實現綠色單色圖像的顯示,測得其色度坐標值。

(6)依照步驟(2)～步驟(4),向B子場寫入255級灰度數據,向R、G子場寫入0級灰度數據,實現藍色單色圖像的顯示,測得其色度坐標值。

(7)返回步驟(1)將幀周期依次改為9 ms、10 ms、12.5 ms和16.67 ms,按照步驟依次分別測量不同幀周期下的3種單色圖像的色度坐標值。

依照以上測試方法測得的數據(取顯示中心點的色度坐標值)如表1所示。

表1 不同幀周期下色度極值點坐標測量結果

從表1中可以看出,當幀周期為8.33 ms,小于液晶由全亮至全黑的響應時間時,系統所呈現的色域范圍已非常小。三色光源的色度坐標值以及幀周期分別為9 ms、10 ms、12.5 ms和16.67 ms時色度極值點坐標值,在CIExy色度圖中的對比如圖5所示。

圖5 不同幀周期下系統色域范圍示意圖

可以看出,針對這款LCoS面板,隨著幀周期的變短,系統顯示色域范圍也將變小。由于該LCoS面板液晶由全亮至全黑的響應時間為9 ms～12 ms,且為行刷新模式,因此當進入顯示255級灰度的子場的下一子場時,如果液晶沒有足夠的時間切換至關閉狀態,下一子場的一段時間內液晶將仍部分處于偏轉狀態,導致圖像出現拖影現象整個視頻顯示效果出現偏色。同時,由于每個子場中摻入了上一子場的色彩,使得色度極值點坐標向上一子場顏色坐標的方向偏轉,構成的色域三角形在縮小的同時發生扭轉。由此可見,液晶響應時間對系統顯示起著關鍵影響。

對于常規的60 Hz彩色視頻信號幀頻而言,按照時序彩色原理,每個子場的顯示時間應為5.56 ms,所以LCoS液晶響應時間需在3 ms以內才能實現時序彩色的顯示。在同樣的幀頻下,液晶響應時間越慢,則系統所呈現的色域范圍越小,而且所顯示的視頻圖像與視頻源偏差越大。同時,每個子場中光照時間也將縮短,使得視頻圖像亮度降低。當LCoS液晶響應時間比較慢時,若想得到色純比較好的單色圖像,必須延長每一子場的時間,這樣勢必會降低幀頻,而使得人眼觀看視頻圖像時感到強烈的閃爍感。

綜上所述,時序彩色LCoS視頻顯示系統對于LCoS器件液晶響應時間的要求是比較嚴格的。另外,顯示系統所使用的RGB三色光源直接決定了顯示色域范圍的大小。因此,只有提升LCoS液晶響應速度特性,優選RGB三色光源,才能更有效的改善系統顯示色域特性,進而更真實的還原視頻圖像。

4 結語

本文介紹了基于單片LCoS實現時序彩色全高清視頻顯示的原理和系統設計解決方案,重點討論了LCoS液晶響應時間及RGB三色光源對系統顯示色域特性的影響,并搭建了硬件平臺進行了驗證。對于基于單片LCoS時序彩色顯示系統,液晶響應時間對系統顯示色域特性有著非常關鍵的影響。液晶響應速度較慢時,系統顯示色域范圍將變小,而且所顯示的視頻圖像與視頻源會有較大偏差。對于常規的60 Hz彩色視頻源而言,LCoS液晶響應時間只有在3 ms以內才能實現時序彩色的顯示。所以,只有提升LCoS響應速度特性以及優選RGB三色光源,才能從根本上改善系統顯示色域特性,獲得更好的顯示效果。

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湯勇明(1973-),男,漢族,江蘇省江都市人,東南大學研究員,主要研究方向為電子電路設計,tym@seu.edu.cn。

StudyonColor-SequentialDisplaySystemBasedonSingleLCoSandtheInfluenceFactorsonColorGamutCharacteristics*

SONGZili,TANGYongming*,WUZhong

(School of Electronic Science and Engineering,Southeast University,Nanjing 210096,China)

A color-sequential display system is presented based on single LCoS with FHD resolution. According to the principle of color sequential,the design scheme of hardware and the data processing are presented. The effect of LC response time on the system display color gamut is also discussed. And we built the hardware platform to demonstrate this effect. Experiment results show that the main solution to improve the system display quality is to improve the LC response speed characteristics and to select perfect RGB light source.

Sequential Color;LC Response Time;LCoS;FHD

項目來源:國家“973”項目二級子課題項目(2010CB327705)

2013-10-31修改日期:2013-11-13

TN873

:A

:1005-9490(2014)06-1107-04

10.3969/j.issn.1005-9490.2014.06.020