摘 要：介紹了平板顯示器(FPD)非線性校正的經(jīng)典常用算法，簡(jiǎn)要說明了FED非線性校正所具有的特點(diǎn)。著重討論了場(chǎng)致發(fā)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(yù)校正曲線，并基于目前所普遍采用的標(biāo)準(zhǔn)電視信號(hào)作為圖像信號(hào)源，提出了FED非線性校正算法。利用行消隱時(shí)間來處理非線性校正過程的方法，達(dá)到實(shí)時(shí)圖像顯示和減少硬件成本的目的。給出了基于PW113的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，該方案成功地運(yùn)用于25英寸彩色FED非線性校正電路中，為系統(tǒng)提供了優(yōu)質(zhì)的圖像。最后，給出了該算法與經(jīng)典算法的實(shí)驗(yàn)對(duì)比圖。

關(guān)鍵詞：PW113；非線性校正；FED；FPD

中圖分類號(hào)：TN27文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：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，F(xiàn)uhzou University，F(xiàn)uzhou，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(chǎng)致發(fā)射顯示器(FED)與傳統(tǒng)的陰極射線管(CRT)相比，具有輕薄便攜、功耗小、全數(shù)字化、無閃爍、輻射低(健康環(huán)保)等優(yōu)點(diǎn)。作為平板顯示器(FPD)的新成員FED顯示器，預(yù)期到2010年全球市場(chǎng)份額將達(dá)到100億美元。目前，F(xiàn)ED顯示器樣機(jī)在圖像顯示質(zhì)量上還有待進(jìn)一步提高；其中，F(xiàn)ED圖像灰度的非線性校正在提高圖像顯示質(zhì)量方面起著重要的作用。本文研究了FED非線性校正改進(jìn)算法，并給出了基于PW113的實(shí)現(xiàn)方案，獲得較好的圖像質(zhì)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(shù)據(jù)是針對(duì)CRT顯示設(shè)備來設(shè)計(jì)的，為使視頻圖像在CRT上能近乎真實(shí)地顯示出來，數(shù)據(jù)信息己經(jīng)進(jìn)行過伽瑪(γ)校正。直接使用針對(duì)CRT進(jìn)行γ校正的顯示數(shù)據(jù)在FPD顯示器上進(jìn)行顯示時(shí)，由于顯示設(shè)備特性的差異，不可避免地帶來圖像的失真和顯示質(zhì)量的下降，因此需要進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)修正。

1.2 非線性校正的經(jīng)典算法

對(duì)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(duì)視頻源進(jìn)行反γ校正，在電路實(shí)現(xiàn)中就是根據(jù)γ曲線進(jìn)行逆運(yùn)算。一般采用的方法是將校正參數(shù)存儲(chǔ)在ROM中，然后將圖像數(shù)據(jù)作為地址取出對(duì)應(yīng)的校正數(shù)值，從而達(dá)到校正的目的。

1.3 FED非線性校正的特點(diǎn)

在我們的FED驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，灰度非線性校正電路較一般的顯示器件復(fù)雜，首先要對(duì)傳統(tǒng)的CRT視頻信號(hào)進(jìn)行反γ校正，然后再針對(duì)FED顯示屏本身光電特性曲線進(jìn)行灰度非線性校正(即亮度(B)-電流脈沖占空比(T)校正)。

因此，F(xiàn)ED非線性校正不同于一般的FPD，它具有自身的特點(diǎn)。

2 FED灰度非線性校正算法

FED顯示系統(tǒng)在目前研發(fā)中采用的是標(biāo)準(zhǔn)電視信號(hào)，而標(biāo)準(zhǔn)電視信號(hào)是為CRT所使用的；同時(shí)，F(xiàn)ED顯示屏也有自身的光電特性。如果直接使用現(xiàn)有電視信號(hào)而不做預(yù)處理，必然造成圖像灰度信號(hào)嚴(yán)重失真，層次感欠佳和色彩重現(xiàn)性不良等。因此本文針對(duì)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(jīng)典算法的改進(jìn)。

2.1 標(biāo)準(zhǔn)電視信號(hào)特點(diǎn)

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(biāo)準(zhǔn)電視信號(hào)針對(duì)CRT的顯示特性進(jìn)行了伽瑪預(yù)校正，其校正電路的傳輸特性曲線如圖1(b)γ預(yù)校正曲線所示。通過這樣的γ預(yù)校正電路，使得整個(gè)CRT顯示系統(tǒng)的顯示特性恢復(fù)到線性，從而得到比較真實(shí)的輸出圖像。

由此可見，標(biāo)準(zhǔn)電視信號(hào)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(shè)計(jì)的圖像信號(hào)源；因此，只能用前面介紹的標(biāo)準(zhǔn)電視信號(hào)直接傳送給FED進(jìn)行圖像顯示。從前面的論述我們知道現(xiàn)有的視頻圖像在發(fā)送端做了γ預(yù)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，F(xiàn)ED顯示屏多數(shù)是采用脈寬調(diào)制的方法來實(shí)現(xiàn)灰度等級(jí)的表現(xiàn)。雖然，從理論上講FED是電流型器件，其發(fā)光亮度與通過的電流時(shí)間成正比；但是由于存在屏的特性問題，我們?cè)趯?shí)際的測(cè)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(qū)動(dòng)電流占空比T之間的關(guān)系如圖2中(a)所示。

因此，在進(jìn)行FED非線性校正的過程中，第一步，必須先對(duì)標(biāo)準(zhǔn)電視信號(hào)進(jìn)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(duì)電流占空比T進(jìn)行反B-T曲線校正，提高FED顯示圖像彩色復(fù)現(xiàn)的真實(shí)性，改善畫質(zhì)。

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得到第二步校正的曲線以B=T1.342補(bǔ)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(yù)校正曲線。

根據(jù)前面探討得到在FED非線性校正中需進(jìn)行的反γ校正和B-T預(yù)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(yù)校正這兩個(gè)校正步驟，并根據(jù)實(shí)際實(shí)驗(yàn)校正得到的參數(shù)，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(jù)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(shù)的數(shù)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(shù)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(xiàn)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(zhuǎn)換關(guān)系；根據(jù)映射關(guān)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(shù)據(jù)，d表示原始的灰度數(shù)據(jù)，B表示的是FED非線性校正轉(zhuǎn)換函數(shù)。

在校正的方法上有兩種方法，一種是緩存一幀的圖像數(shù)據(jù)，然后對(duì)一整幀圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。另一種是在輸出灰度數(shù)據(jù)給平板顯示器的同時(shí)進(jìn)行校正。第一種方法優(yōu)點(diǎn)是圖像的亮度調(diào)制時(shí)間不會(huì)損失，但缺點(diǎn)是要多一幀的圖像緩存RAM。第二種方法的優(yōu)點(diǎn)是不需要增加硬件代價(jià)，缺點(diǎn)是圖像的灰度調(diào)制時(shí)間會(huì)損失一部分?？紤]到以上的問題所在，本文提出了一個(gè)新的方法，利用視頻圖像的每一行的行消隱時(shí)間，對(duì)上一行的圖像灰度數(shù)據(jù)進(jìn)行校正?？梢栽诓辉黾佑布鷥r(jià)和損失后級(jí)圖像灰度調(diào)制時(shí)間的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)圖像灰度的校正。

本算法與經(jīng)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(yù)校正曲線結(jié)合在一起，推算出校正函數(shù)，而經(jīng)典非線性校正算法是根據(jù)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(jì)算校正參數(shù)時(shí)，本算法要比經(jīng)典算法慢。而在得到對(duì)應(yīng)的參數(shù)表之后，在實(shí)際的硬件實(shí)現(xiàn)時(shí)，由于本算法和經(jīng)典算法都只要校正一次，在實(shí)際校正中所花費(fèi)的時(shí)間是一樣的。在實(shí)際應(yīng)用中，本算法可以讓標(biāo)準(zhǔn)電視信號(hào)在FED顯示器上得到比經(jīng)典算法好的圖像質(zhì)量。

3 硬件實(shí)驗(yàn)方案

本文所采用的硬件實(shí)驗(yàn)方案是采用高性能的可編程圖像處理器PW113作為圖像增強(qiáng)處理的核心，來實(shí)現(xiàn)FED非線性校正，圖像分辨率調(diào)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(zhì)量的在國(guó)際上獲獎(jiǎng)的圖像縮放技術(shù)，它包括高級(jí)OSD控制、靈活的輸入接口、系統(tǒng)內(nèi)置的SDRAM和強(qiáng)大的80186微處理器，它支持行和場(chǎng)圖像智能縮放、圖像自動(dòng)最優(yōu)化，因而使得屏幕上的圖像顯示精細(xì)完美。

3.1.2 PW113的內(nèi)部主要功能模塊

在屏顯示(OSD)，這個(gè)功能可以作為平板顯示器開機(jī)時(shí)的畫面和菜單。OSD有兩種模式：一種是每個(gè)像素4位，從64k調(diào)色板中選取16種顏色；另一種是每個(gè)像素2位，從64k調(diào)色板中選取4種顏色。在16色模式下，OSD可以達(dá)到120 000個(gè)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(gè)縮放因子可以獨(dú)立編程。具有320節(jié)濾波，濾波器系數(shù)完全可編程，這樣可以讓調(diào)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(gè)獨(dú)立的表，各自對(duì)應(yīng)紅色、綠色和藍(lán)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(yīng)用特點(diǎn)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(chǎn)生器和定時(shí)器。五個(gè)引腳的微理器調(diào)試端口可以連接到外部JATG調(diào)試器來設(shè)置硬件中斷點(diǎn)(最多4個(gè))、單步、讀/寫存儲(chǔ)器和查詢內(nèi)部X86 CPU的狀態(tài)。

3.2 硬件設(shè)計(jì)方案

硬件設(shè)計(jì)框圖如圖4所示，主要是由三個(gè)部分組成：視頻轉(zhuǎn)換部分、圖像處理部分和FED驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)部分。

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

PW113是整個(gè)視頻處理板的核心部分，負(fù)責(zé)將前端輸出的數(shù)字視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成FED顯示器所支持的分辨率，同時(shí)完成FED灰度的非線性校正。

FED驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)將PW113送來的圖像數(shù)據(jù)通過PWM調(diào)制方式調(diào)制成灰度脈沖，然后再經(jīng)功率放大電路將電壓信號(hào)放大成適合FED的驅(qū)動(dòng)電壓波形。

3.3 FED非線性校正硬件實(shí)現(xiàn)

在實(shí)現(xiàn)FED非線性校正時(shí)，可以根據(jù)式(1)得到輸入灰度與校正灰度的對(duì)應(yīng)關(guān)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(duì)輸入的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性校正。

在實(shí)際使用中，PW113的顏色查找表中的每一個(gè)顏色有64個(gè)字節(jié)寄存器，其中有33個(gè)字節(jié)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(gè)數(shù)據(jù)；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(shí)現(xiàn)校正，把非線性校正曲線分成32段，這32段曲線的參數(shù)可以由33個(gè)對(duì)應(yīng)的灰度校正值來定義。我們就可以把33個(gè)點(diǎn)的校正參數(shù)載入到顏色查找表中，來實(shí)現(xiàn)FED γ校正。

在校正的過程中，利用PW113內(nèi)部強(qiáng)大的MCU功能，在行消隱時(shí)間內(nèi)將上一行的數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，并存放在PW113內(nèi)部的緩存器中。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 結(jié)果對(duì)比

實(shí)驗(yàn)測(cè)試中采用的亮度測(cè)試儀器是日本Topcon公司生產(chǎn)SR-3A分光輻射計(jì)。測(cè)量的灰度數(shù)據(jù)是從0到255范圍，每隔4個(gè)灰階測(cè)量一個(gè)亮度值。共得到51個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，將這些點(diǎn)用平滑曲線連接如圖5所示。

采用經(jīng)典算法進(jìn)行校正的灰度數(shù)據(jù)與亮度的關(guān)系曲線和采用本算法得到灰度與亮度的關(guān)系曲線如圖5中(a)和(b)所示。

4.2 結(jié)果分析

經(jīng)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(shù)據(jù)與亮度關(guān)系不是線性的。本文采取的算法是在經(jīng)典算法的基礎(chǔ)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(shù)據(jù)與亮度是接近線性的。

5 結(jié) 語

本文探討了FPD非線性校正的經(jīng)典算法，并結(jié)合FED顯示器自身電光特點(diǎn)在經(jīng)典算法的基礎(chǔ)上改進(jìn)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(qiáng)方案，著重闡述了其在FED灰度非線性校正的實(shí)現(xiàn)方法。最后，給出了改進(jìn)算法與經(jīng)典算法在FED非線性校正中實(shí)驗(yàn)對(duì)比曲線?？梢钥闯龈倪M(jìn)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(jī)采用本算法后得到演示視頻圖片。

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作者簡(jiǎn)介 黃炳樂 男，1982年出生，福州大學(xué)電子系光電顯示技術(shù)研究所碩士研究生。主要從事平板顯示圖像增強(qiáng)研究。

姚劍敏 男，1978年出生，福州大學(xué)物理與信息工程學(xué)院，講師。主要研究方向?yàn)橐曨l圖像處理、模式識(shí)別等。

林志賢 男，1975年出生，福州大學(xué)物理與信息工程學(xué)院，副教授。主要研究方向?yàn)镕ED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)。

徐 勝 男，1974年出生，福州大學(xué)物理與信息工程學(xué)院，助研。主要研究方向?yàn)镕ED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)。

郭太良 男，1963年出生，福州大學(xué)物理與信息工程學(xué)院，研究員，博士生導(dǎo)師，國(guó)家863平板顯示器專題組副組長(zhǎng)。主要研究方向?yàn)槌袚?dān)863重大專項(xiàng)FED顯示器研制。