張春燕，陳文棟，季 淵*，趙浩然，冉 峰,， 閆 科

(1. 上海大學(xué) 微電子研究與開發(fā)中心，上海 200444；2. 上海大學(xué) 機電工程與自動化學(xué)院，上海 200444)

1 引 言

微顯示器具有極小物理尺寸和極低功耗的特點，可以通過光學(xué)系統(tǒng)呈現(xiàn)大屏幕高質(zhì)量圖像的顯示效果，主要應(yīng)用在投影機和近眼顯示領(lǐng)域[1-2]。例如，航空航天顯示器、飛行員頭盔系統(tǒng)、夜視儀、可穿戴醫(yī)療和頭戴式虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實(Augmented Reality，AR)模擬器等[3-5]。近年來虛擬現(xiàn)實的持續(xù)升溫推動微顯示器向高分辨率、高清晰度、高灰度級和高集成度方向發(fā)展，借助于成熟的CMOS工藝技術(shù)，硅基微顯示器可以在單位面積中集成更多的顯示單元，獲得更高的像素密度和系統(tǒng)集成度，可提高佩戴舒適感，減少紗窗效應(yīng)，提升用戶的沉浸感[6-7]。但是隨著分辨率的提高，圖像數(shù)據(jù)量大幅增加，微顯示器的極小尺寸限制了數(shù)據(jù)帶寬的增大，所以迫切需要一種方法來提高數(shù)據(jù)的傳輸效率，許多研究者將目光轉(zhuǎn)向圖像信息向顯示芯片成像掃描的這個過程。

傳統(tǒng)的掃描成像采用模擬驅(qū)動的方法，通過控制電壓大小來調(diào)節(jié)像素的灰度，難以達到高精度的灰度值。數(shù)字驅(qū)動方式采用脈沖寬度調(diào)制(PWM)方法，通過改變像素的亮暗時間占空比來產(chǎn)生不同的灰度，穩(wěn)定性高，切換速度快，噪聲低，圖像色彩豐富，得到了廣泛的應(yīng)用[8]。其中直接掃描法[9]根據(jù)每一個像素的灰度值掃描相應(yīng)的時間，要求非常高的數(shù)據(jù)傳輸速率，適用于低灰度級的掃描。子場掃描法[10]采用將一幀的數(shù)據(jù)分成若干部分的方法，每個部分的點亮時間對應(yīng)不同的權(quán)值，通過權(quán)值組合來產(chǎn)生不同的灰度，提高了刷新率和線性度，但是降低了顯示器的發(fā)光亮度。分形掃描[11]采用分子空間的掃描方法，將整個顯示區(qū)域分成若干空間，不同時間掃描不同的子空間，減少了亮度損失，提高了傳輸效率，但是降低了像素數(shù)據(jù)和灰度值之間的線性度，導(dǎo)致圖像輪廓線現(xiàn)象明顯。針對分形掃描的缺點，本小組提出了原子掃描策略[12]。

原子掃描通過搜索傳輸效率為100%的掃描矩陣，建立了掃描時空圖模型，采用分子空間按位的掃描方法，有效解決了以上存在的問題。本文首先給出了原子掃描的核心算法，然后在掃描模型的基礎(chǔ)上設(shè)計了原子掃描控制器，接著通過硅基OLED微顯示器對所設(shè)計的控制器進行了驗證，最后對比了實驗結(jié)果與前人的研究成果，證明了原子掃描控制器適用于高分辨率、高灰度級微顯示器。

2 原子掃描算法

原子掃描算法是在分形掃描的基礎(chǔ)上提出的，能夠同時實現(xiàn)高傳輸效率和高線性度。掃描時采用分子空間按位的掃描方法，將整個顯示區(qū)域劃分成一定數(shù)量的子空間，若表示一個像素點灰度的數(shù)據(jù)位寬為n，則可以劃分的最大子空間數(shù)為2n/n。每個子空間有連續(xù)若干行像素數(shù)據(jù)，且掃描權(quán)值位順序不同，權(quán)值的大小對應(yīng)像素點保持亮滅狀態(tài)的相對時間長度。在不同的時間掃描不同的子空間或同一個子空間的不同位，使數(shù)據(jù)在傳輸過程中沒有時間冗余。

圖1 (a)可4倍原子掃描矩陣；(b)掃描時空圖。Fig.1 (a)4 times atomic scan matrix; (b) Time and space map.

以16級灰度為例，子空間數(shù)為4，掃描權(quán)值序列為bit3∶bit2∶bit1∶bit0=9∶4∶2∶1，掃描矩陣為Q4,如圖1(a)所示，4行代表劃分的4個子空間，每行的權(quán)值位順序不同，4列代表權(quán)值位數(shù)為4。根據(jù)掃描陣列可以畫出掃描時空圖，如圖1(b)所示，橫坐標代表掃描時間，時間單位為掃描一個子空間的一個bit位所需時間T，縱坐標代表子空間，紅色線稱為掃描線。在0時刻傳輸子空間0所有像素的bit3數(shù)據(jù)，對應(yīng)的權(quán)值為9，在1時刻傳輸子空間1的bit2數(shù)據(jù)，對應(yīng)權(quán)值為4，在2和3時刻分別傳輸子空間2的bit3數(shù)據(jù)和子空間3的bit0數(shù)據(jù)，對應(yīng)的權(quán)值分別為9和1，可以看到每一時刻數(shù)據(jù)都在傳輸，不存在傳輸?shù)却龝r間，傳輸效率可達100%。

原子掃描的核心是通過偽窮舉法搜索傳輸效率為100%的低灰度權(quán)值陣列Qm，然后將其作為一個抽象的原子植入另一個較高灰度的權(quán)值陣列中Q{m,n}，最后擴展為一個更高灰度等級的掃描矩陣Q，其中Qm稱為可m倍原子掃描矩陣，Q{m,n}稱為可m倍植入掃描矩陣，植入過程遵循可植入原則和線性序列最優(yōu)化原則，植入公式為：

(1)

圖2 可4倍植入掃描矩陣Fig.2 4 times implantable scan matrix

以256級掃描矩陣為例，其可4倍原子掃描矩陣為Q4，可4倍植入矩陣為Q{4-5}，如圖2所示，用可4倍原子掃描矩陣Q4代替可4倍植入掃描矩陣Q{4-5}中連續(xù)的4個1，再將其余權(quán)值擴大為原來的4倍就可得到256級灰度的掃描矩陣Q，圖3為Q的轉(zhuǎn)置矩陣QT。

3 原子掃描控制器設(shè)計

針對原子掃描算法，本文提出原子掃描控制器的設(shè)計，其結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要包含數(shù)據(jù)處理、幀緩沖和掃描控制3大部分。數(shù)據(jù)處理模塊負責對接收的像素數(shù)據(jù)進行重新排列，并將重新排列后的數(shù)據(jù)預(yù)存放在內(nèi)部存儲器中。幀緩沖模塊的功能是緩沖一幀的數(shù)據(jù)于外部存儲器中，同時根據(jù)掃描矩陣建立存貯查找表(Look Up Table，LUT)，輸出子空間碼和位碼，控制外部存儲器中數(shù)據(jù)的輸出。幀緩存模塊與掃描控制模塊處于兩個不同的時鐘域，可通過異步FIFO同步數(shù)據(jù)信號，掃描控制模塊是原子掃描控制器的核心模塊，掃描LUT輸出子空間碼用于計算微顯示器的行地址，時序控制部分輸出微顯示器的控制信號和2選1數(shù)據(jù)選擇器的選擇信號，控制像素數(shù)據(jù)和行數(shù)據(jù)的輸出。

圖3 256級灰度掃描矩陣Fig.3 256-level gray scan matrix

圖4 原子掃描控制器框圖Fig.4 Atomic scan controller block diagram

3.1 數(shù)據(jù)的處理和存儲映射

視頻源圖像數(shù)據(jù)是由左及右，由上到下逐個像素輸入的，傳統(tǒng)的掃描方法也遵循“從上到下”、“從左至右”的逐行掃描方式。原子掃描采用分子空間按位的掃描方法，掃描時可以任意切換子空間。為了方便數(shù)據(jù)的讀取，數(shù)據(jù)需要進行重新排列，將相同Bit位的數(shù)據(jù)組合在一起形成與權(quán)值位數(shù)相同的n個位平面(對應(yīng)n位權(quán)值的灰度級圖像數(shù)據(jù))，在傳輸時分n個通道分別傳輸各Bit的像素數(shù)據(jù)。重新排列后的像素數(shù)據(jù)按照Bit位的順序緩沖在存儲器中，如圖5所示?？紤]到輸入圖像的時鐘頻率與掃描輸出圖像的時鐘頻率存在差異，本文采用兩塊片內(nèi)RAM乒乓操作緩沖像素數(shù)據(jù)，但是由于超高清、超高分辨率圖像數(shù)據(jù)流巨大，RAM資源極為有限，為了完整地緩沖一幀圖像數(shù)據(jù)，需采用兩塊片外SDRAM乒乓操作讀寫圖像數(shù)據(jù)。RAM和SDRAM各分n個位平面存儲區(qū)域，當RAM中n個位平面存儲區(qū)域都存夠一個突發(fā)長度的數(shù)據(jù)后，SDRAM讀取RAM中的數(shù)據(jù)，寫入對應(yīng)的n個位存儲區(qū)域。SDRAM的每個位存儲區(qū)域緩沖相應(yīng)子空間數(shù)的像素數(shù)據(jù)，通過存貯LUT輸出的子空間碼和位碼可以尋址SDRAM，輸出像素數(shù)據(jù)。

3.2 掃描控制設(shè)計

原子掃描控制電路主要包含子空間狀態(tài)機模塊、像素數(shù)據(jù)輸出模塊和掃描時序控制模塊。圖6為掃描控制器框圖，為了使數(shù)據(jù)在傳輸過程中沒有時間冗余，子空間狀態(tài)機模塊根據(jù)掃描時空圖建立了掃描LUT，存放子空間碼。時序控制模塊中的掃描使能部分根據(jù)異步FIFO標志產(chǎn)生掃描控制器的工作使能信號，該信號為高電平時行時間計數(shù)器開始計數(shù)，并輸出計數(shù)值給微顯示器控制信號和子空間行計數(shù)這兩個模塊，微顯示器控制信號模塊輸出微顯示器的控制信號，子空間行計數(shù)模塊輸出某一個子空間的確定行，當計數(shù)到該子空間的最后一行時，輸出計數(shù)標志2給LUT控制器，LUT地址指針加1，輸出下一個子空間碼。每一個子空間碼對應(yīng)微顯示器的一個地址，稱該地址為子空間的基地址，基地址與子空間行地址的和即為將要掃描的微顯示器行地址。微顯示器控制信號輸出EDFF信號給數(shù)據(jù)選擇器，當EDFF為高電平時輸出像素數(shù)據(jù)，為低電平時輸出行數(shù)據(jù)。

圖5 數(shù)據(jù)處理與存儲映射Fig.5 Data process and storage map

圖6 掃描控制模塊框圖Fig.6 Scan control module block diagram

4 硬件系統(tǒng)驗證

本節(jié)通過硅基OLED微顯示器測試平臺驗證了原子掃描控制器的可行性，所選微顯示器的分辨率為1.6 k×3×1.6 k，灰度級為256級，掃描權(quán)值序列比為128∶64∶32∶16∶9∶4∶2∶1，劃分子空間數(shù)為32，數(shù)據(jù)傳輸位寬為64，當刷新率為60 Hz時，所達到的幀頻f為：

(2)

其中:Ncol、Nrow分別表示顯示面板的列數(shù)和行數(shù)，TRS為行選時間，Dwidth代表數(shù)據(jù)傳輸位寬，B代表每一個單色像素的灰度值位寬，S為子空間數(shù)，F(xiàn)為刷新率。

圖7 掃描系統(tǒng)框圖Fig.7 Scan system block diagram

針對硅基OLED微顯示器所設(shè)計的原子掃描控制器系統(tǒng)如圖7所示，主要包括視頻源輸入、原子掃描控制器和硅基OLED微顯示器3大部分，每個部分都處于不同的時鐘域，每個時鐘域的電路模塊內(nèi)部采用同步處理方式，不同時鐘域之間采用異步FIFO將異步信號同步化?？刂破飨到y(tǒng)同時驅(qū)動兩片硅基OLED微顯示器，通過例化兩個控制器實現(xiàn)了3D顯示效果。視頻源數(shù)據(jù)為DVI(Digital Visual Interface)或者HDMI(High Definition Multimedia Interface)信號，原子掃描控制器對輸入數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，并向SDRAM和微顯示器發(fā)出命令，控制SDRAM的乒乓讀寫和微顯示器掃描操作。圖8為所搭建的硬件實驗測試平臺及視頻掃描成像結(jié)果，針對圖像采用光譜彩色亮度計測量了0～255級灰度對應(yīng)的硅基OLED微顯示器屏幕亮度，結(jié)果如圖9所示，線性度達到了93.8%。

圖8 硬件實驗測試結(jié)果Fig.8 Hardware experiment test result

圖9 亮度與灰度等級關(guān)系圖Fig.9 Brightness and grayscale diagram

表1列出了在顯示分辨率為1 920×3×1 080，100 MHz像素時鐘頻率和64位數(shù)據(jù)寬度條件下不同掃描策略的比較結(jié)果，分別在傳輸效率、線性度和刷新率方面進行了比較。從表中可以看出，傳統(tǒng)的子場掃描傳輸效率不高，雖然增加子場的數(shù)量能夠提高傳輸效率，但是刷新率會明顯降低，容易使用戶在觀看時產(chǎn)生眩暈感。分形掃描有效的提高了傳輸效率卻降低了線性度，圖像會產(chǎn)生輪廓線。原子掃描在保證傳輸效率的情況下，線性度相對分形掃描得到了提高，刷新率達到了128 Hz，驗證了原子掃描的整體優(yōu)勢和所設(shè)計的原子掃描控制器的可行性。

表1 不同掃描策略的比較結(jié)果Tab.1 Comparison result of different scan strategies

5 結(jié) 論

原子掃描方法打破了傳統(tǒng)的逐行逐列掃描方式，采用分子空間按位的掃描方法，為傳統(tǒng)的視頻掃描成像理論注入了新的思維模式。本文實現(xiàn)了在FPGA中嵌入Verilog硬件描述語言的原子掃描控制器，并通過了新型硅基OLED微顯示器的驗證，實現(xiàn)了3D顯示效果，解決了數(shù)據(jù)傳輸帶寬有限的問題，傳輸效率達到了100%，同時增強了圖像質(zhì)量，線性度達93.8%，提高了刷新率，適用于超高分辨率、高清晰度，海量數(shù)據(jù)的微顯示器顯示。由于文中只研究了256級灰度的顯示效果，建議學(xué)者可以進一步研究更高灰度級的顯示。