摘 要：本文討論了實(shí)現(xiàn)LED電子顯示屏真彩顯示的幾種關(guān)鍵技術(shù)，著重對(duì)圖像采樣、真實(shí)圖像色彩再現(xiàn)、專用驅(qū)動(dòng)電路、亮度控制D/T轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)重構(gòu)與存儲(chǔ)、邏輯電路設(shè)計(jì)中的ISP技術(shù)及其它有關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了深入評(píng)述。

引言

自八十年代以來(lái)，隨著公共場(chǎng)合信息的增多，建立性能優(yōu)良、價(jià)格低廉的大面積信息宣傳媒體一直是工程技術(shù)人員所關(guān)注的問(wèn)題。根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的不同，要求的顯示性能以及對(duì)顯示系統(tǒng)成本的要求的不同，人們可以選擇不同的顯示媒體?？紤]到用于戶內(nèi)外的大屏幕顯示媒體對(duì)顯示設(shè)備的顏色、亮度、視頻效果、可靠性、壽命等性能要求比較苛刻。它要求顯示系統(tǒng)能夠顯示出接近于自然色彩的真彩畫面，并且具有較高的顯示亮度，無(wú)論是在白天還是在晚上，晴天還是陰天，都能夠讓觀眾清楚的看到其內(nèi)容，并且能夠根據(jù)外部自然光強(qiáng)度的變化自動(dòng)地對(duì)其顯示正在播放的視頻節(jié)目，具有較高的可靠性和性能價(jià)格比，易于維護(hù)。綜合上述諸多的因素，工程技術(shù)人員通過(guò)對(duì)磁翻版、真空像素管、電視墻、LED顯示屏的比較，發(fā)現(xiàn)LED作為顯示像素可以很好的滿足上述要求，是一種很好的戶內(nèi)外顯示屏媒體。

同時(shí)，伴隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)今半導(dǎo)體發(fā)光二極管的性能達(dá)到了新的水平，其光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到10cd/w以上，尤其藍(lán)色超高亮LED器件的出現(xiàn)，使得LED器件的光譜覆蓋了自然光的范圍。因此，利用LED器件制造大型平板顯示屏系統(tǒng)成為L(zhǎng)ED器件應(yīng)用的重要領(lǐng)域，進(jìn)而推動(dòng)了大型顯示屏系統(tǒng)發(fā)展并形成一種產(chǎn)業(yè)。用LED器件組成顯示屏的最大特點(diǎn)在于其制造不受面積限制，可以達(dá)到幾十甚至幾百平方米以上，應(yīng)用于室內(nèi)外的各種公共場(chǎng)合顯示文字、圖形、圖像、動(dòng)畫、視頻圖像等各種信息，成百上千人同時(shí)駐足觀看，具有較強(qiáng)的廣告渲染力和震撼力，對(duì)都市的社會(huì)活動(dòng)有較強(qiáng)的氣氛渲染作用，美化和豐富了人們的生活環(huán)境。

1、圖像采集技術(shù)

LED電子顯示屏要顯示真彩圖像，必須首先解決視頻信號(hào)的實(shí)時(shí)采集，將模擬視頻信號(hào)采集為數(shù)字視頻圖像。早期的做法是利用視頻采集卡和一些帶特征口（Feature-connect）的VGA卡相結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)。視頻采集卡用來(lái)捕獲視頻圖像，再通過(guò)VGA特征口獲得場(chǎng)頻、行頻、像素點(diǎn)頻以及顏色查找表的索引地址，在跟蹤C(jī)RT圖像時(shí)可以通過(guò)復(fù)制顏色查找表的方法來(lái)獲得紅、綠、藍(lán)分離的數(shù)字信號(hào)。一種方法是用軟件定時(shí)復(fù)制，另一種是采用硬件竊取技術(shù)，后者更為有效、快速。由于上述這種技術(shù)存在著與VGA卡兼容性差、邊緣不清晰、圖像質(zhì)量較差等缺點(diǎn)，電子顯示屏所顯示的圖象質(zhì)量也受到了限制，為此，北京銀河電腦公司于1998年研制開(kāi)發(fā)出LED電子顯示屏專用視頻卡JMC-LED。該卡基于PCI總線，采用64位圖形加速器，將VGA和視頻功能合二為一，負(fù)責(zé)視頻數(shù)據(jù)與VGA數(shù)據(jù)的疊加，色空間變換，從根本上解決兼容性問(wèn)題。應(yīng)用全屏分辨率采集，YUV4：2：2無(wú)壓縮存儲(chǔ)技術(shù)保證視頻圖像的最佳化，視頻窗口采用EST邊緣增強(qiáng)技術(shù)，保證縮放后圖像的清晰程度。支持制式為PAL和NTSC，視頻窗口可以任意縮放、移動(dòng)。該卡可以將電子顯示屏播放視頻時(shí)所需的場(chǎng)頻、行頻、像素點(diǎn)頻幾個(gè)同步信號(hào)提取出來(lái)，并將紅、綠、藍(lán)三色信號(hào)分離出來(lái)。數(shù)字RGB格式為8：8：8，各可以產(chǎn)生256級(jí)灰度，能滿足電子顯示屏真彩播放的要求。

2、真實(shí)圖像色彩再現(xiàn)

全彩LED電子顯示屏的視覺(jué)原理與彩色電視機(jī)一樣，是通過(guò)紅、綠、藍(lán)三種顏色的不同光強(qiáng)實(shí)現(xiàn)圖像色彩的還原再現(xiàn)。紅、綠、藍(lán)的純正度直接影響圖像色彩再現(xiàn)的視覺(jué)效果。然而白光的三色配比不是簡(jiǎn)單的三種顏色的疊加。第一、在保證光頻純正的前提下，要求紅、綠、藍(lán)光強(qiáng)之比必須接近3：6：1；第二、由于人們視覺(jué)對(duì)紅色的敏感性，要求紅色發(fā)光源在空間上要分散分布；第三、由于人們視覺(jué)對(duì)紅、綠、藍(lán)三種顏色光強(qiáng)的不同的非線性曲線響應(yīng)，要求不同光強(qiáng)的白光對(duì)紅、綠、藍(lán)要進(jìn)行類似電視機(jī)里的γ校正；第四、人的視覺(jué)對(duì)色差的分辨能力有限。因此必須找出圖像色彩再現(xiàn)真實(shí)性的客觀指標(biāo)。為了再現(xiàn)真實(shí)圖像色彩，在LED電子顯示屏的配光上應(yīng)滿足下面一些要求：
① 紅、綠、藍(lán)三色的波長(zhǎng)應(yīng)分別為：660nm、525nm、470nm左右；
② 采用4管單元配白光為佳（多管單元也可以，取決于光強(qiáng)）；
③ 紅、綠、藍(lán)三色的灰度級(jí)為256級(jí)；
④ 必須采用針對(duì)LED像素管的非線性校正。
紅、綠、藍(lán)三色配光及非線性校正可以用顯示控制系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)，也可由播放系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)。

3、專用顯示驅(qū)動(dòng)電路

從目前像素管的幾種顯示方式來(lái)看，可分為：①掃描驅(qū)動(dòng)；②直流驅(qū)動(dòng)；③恒流源驅(qū)動(dòng)。對(duì)于戶內(nèi)點(diǎn)陣塊屏，一般采用掃描方式；而對(duì)于戶外像素管屏，要保證所顯示的圖像一致性好、穩(wěn)定、高亮，必須采用直流驅(qū)動(dòng)加恒流源方式。較早的LED電子顯示屏驅(qū)動(dòng)電路大多采用低壓信號(hào)的串并轉(zhuǎn)換CMOS電路和大電流驅(qū)動(dòng)的雙極電路兩塊組成（如74HC595+MC1413/UNL2803、CD4094/MC14094+MC1413、74HC164+74HC273+MC1413），這種形式的驅(qū)動(dòng)電路存在著焊點(diǎn)多、成本高、可靠性低等問(wèn)題。針對(duì)這些缺點(diǎn)，美國(guó)TI公司開(kāi)發(fā)生產(chǎn)出TPIC6B595(TPIC6C595)專用集成電路（ASIC），它將串并轉(zhuǎn)換和大電流驅(qū)動(dòng)合二為一，這種ASIC具有如下顯著特點(diǎn)：并行輸出驅(qū)動(dòng)能力大，單路驅(qū)動(dòng)電流高達(dá)200mA，可直接驅(qū)動(dòng)LED；電流電壓范圍寬，工作電壓可在5～15V內(nèi)靈活選用；串行輸入、移位和鎖存、時(shí)鐘輸入端口都設(shè)有施密特整形電路；串并輸出電流大，吸收和供給電流都大于4mA，級(jí)連方便；數(shù)據(jù)處理速度高，串行時(shí)鐘頻率，fmax≥25MHz特別適用于多灰度彩色顯示屏的LED驅(qū)動(dòng)。我國(guó)的無(wú)錫東大先行微電子有限公司也于1998年生產(chǎn)出與TPIC6B595完全兼容的ASIC芯片AMT9094/9095，但價(jià)格大為降低。由于TPIC6B595的并行輸出口僅為8位，驅(qū)動(dòng)分辨率較高全彩顯示屏?xí)r需要TPIC6B595的數(shù)量較大，且256級(jí)灰度控制較麻煩。為此，美國(guó)TI公司研制開(kāi)發(fā)出LED電子屏顯示驅(qū)動(dòng)專用集成電路TLC5901/5902/5903，這種ASIC的優(yōu)點(diǎn)是：恒流源輸出5～80mA（或10～120mA）；驅(qū)動(dòng)能力為80mA×16Bits（或120mA×8Bits）；PWM控制的256級(jí)灰度顯示；亮度32級(jí)可調(diào)；時(shí)鐘同步的8位并行數(shù)據(jù)輸入。該芯片使得256級(jí)灰度控制更為簡(jiǎn)單，恒流源方式使得圖像顯示一致性更好，TQFP100的封裝使得驅(qū)動(dòng)板面積大為減少。在此基礎(chǔ)上，TI公司又研制性能更好的LED驅(qū)動(dòng)專用芯片TLC5921。北京華虹集成電路設(shè)計(jì)公司也研制開(kāi)發(fā)出性能優(yōu)良的LED專用集成電路9701，這種ASIC具有如下顯著特點(diǎn)：內(nèi)含8×16×32數(shù)據(jù)掃描陣列，實(shí)現(xiàn)從靜態(tài)至1/32動(dòng)態(tài)掃描；數(shù)據(jù)輸入掃描陣列和數(shù)據(jù)輸出灰度控制分別采用兩個(gè)獨(dú)立的時(shí)鐘；采用8位并行數(shù)據(jù)輸入和8位并行數(shù)據(jù)輸出的級(jí)連功能；16個(gè)數(shù)據(jù)輸出端，每個(gè)端驅(qū)動(dòng)LED電流可達(dá)80mA以上，每個(gè)端數(shù)據(jù)輸出耐壓大于20V；數(shù)據(jù)輸出256級(jí)灰度；輸出具有模式選擇端，可用于奇、偶幀選擇；具有非線性校正控制輸入端。

4、 亮度控制D/T轉(zhuǎn)換技術(shù)

LED電子顯示屏是由許多相互獨(dú)立的像素點(diǎn)（發(fā)光元）排列而成，由于像素點(diǎn)的分離性，決定了其發(fā)光的控制和驅(qū)動(dòng)只能以數(shù)字方式進(jìn)行。這些像素點(diǎn)的發(fā)光狀態(tài)由控制器同步地控制，獨(dú)立驅(qū)動(dòng)。視頻真彩色顯示意味著要對(duì)每一個(gè)像素點(diǎn)的亮度分別進(jìn)行控制，并且要在規(guī)定的掃描時(shí)間內(nèi)同步地完成。大屏幕是以數(shù)以萬(wàn)計(jì)的像素點(diǎn)組成的，這使得系統(tǒng)的復(fù)雜性較兩值顯示大屏幕而言大為增加，并對(duì)總體的數(shù)據(jù)傳輸速度提出了更高的要求。給每一像素點(diǎn)設(shè)置一個(gè)常規(guī)D/A顯然是不現(xiàn)實(shí)的，必須尋找一種能最大限度降低系統(tǒng)復(fù)雜性且性能盡可能高的解決方案。

由視覺(jué)原理知道，人對(duì)像素點(diǎn)的平均亮度感覺(jué)可取決于它的亮/滅占空比。也就是說(shuō)，只要對(duì)像素點(diǎn)亮/滅占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)，就能實(shí)現(xiàn)對(duì)亮度的控制。對(duì)LED電子顯示屏而言，這意味著只要將代表像素點(diǎn)亮度的數(shù)字轉(zhuǎn)換為像素點(diǎn)發(fā)光的時(shí)間（D/T轉(zhuǎn)換），即實(shí)現(xiàn)了亮度的D/A轉(zhuǎn)換。

設(shè)屏幕數(shù)據(jù)刷新的周期為，控制任意像素點(diǎn)亮度的數(shù)據(jù)為n位二進(jìn)制數(shù)D= bi2i（其中bi=0或1），Ton為相應(yīng)于D的發(fā)光時(shí)間，則像素點(diǎn)亮/滅的占空比為：d=Ton/Ts=D= bi2i。該表達(dá)式可用可預(yù)置減法計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)，但每一像素點(diǎn)配一計(jì)數(shù)器將使得顯示電路異常復(fù)雜。上式改寫為：Ton=Ts bi2i，這意味著可將Ton分成幾個(gè)時(shí)間段，由于當(dāng)足夠小時(shí)，幾個(gè)分離時(shí)間段合成的Ton與總長(zhǎng)度相同的連續(xù)的Ton其視覺(jué)效果是相同的。于是，一般地有，對(duì)于n位二進(jìn)制數(shù)據(jù)D=bi2i，將分Ts為n段，并選取適當(dāng)時(shí)間分割函數(shù)f(i)，使得第i段Ti=Tsf(i)，其中0 d=Ton/Ts=Tibi/Ts=f(i)bi

即為此像素點(diǎn)的亮/滅占空比。由于函數(shù)f(i)對(duì)所有像素點(diǎn)而言可以是共同的，因而上式表明，只要用f(i)統(tǒng)一控制各個(gè)像素點(diǎn)，就能實(shí)現(xiàn)全屏幕所有像素點(diǎn)相互獨(dú)立而又同步的D/T轉(zhuǎn)換。對(duì)于單個(gè)像素點(diǎn)來(lái)說(shuō)用圖1的電路可實(shí)現(xiàn)上式。圖中SFR為8位移位寄存器，圖為時(shí)間分割函數(shù)f(i)的波形。

大屏幕顯示驅(qū)動(dòng)電路通常采用“串行移位+鎖存+驅(qū)動(dòng)”的結(jié)構(gòu)，以期盡量減少數(shù)據(jù)傳送線。要全屏幕同時(shí)實(shí)現(xiàn)上式，只要將所有ST信號(hào)統(tǒng)一由f(i)控制即可。當(dāng)然這樣做的前提是要求移位寄存器中存放的是各個(gè)像素點(diǎn)控制數(shù)據(jù)中的同權(quán)位，而這可通過(guò)預(yù)先的數(shù)據(jù)處理做到。