1、大连海事大学硕士学位论文全彩LED显示屏视频信号处理及IP核实现姓名：王瑜申请学位级别：硕士专业：电力系统及其自动化指导教师：王丹20100601中文摘要摘要LED显示屏将成为显示领域里最有发展潜力的显示技术。中国的LED显示屏产业发展迅速，显示控制技术已达国际水平，但在色度理论研究、改善视频显示效果方面，尚无成熟技术，因而成为亟待解决的问题。本论文以改善LED显示屏的显示效果为主题进行研究。从LED显示屏在国内外的发展及研究现状讲起，从色度学的角度出发，利用色度学的相关理论知识，研究我国LED显示屏行业面临的部分共性问题，并用IP核实现。本论文从LED显示屏的反Y校正、色温修正和色域修正技术
2、三个方面，研究处理视频源信号的算法。特别是在色域修正方面，在研究已有算法的基础上，从发挥宽色域的色彩表现力和通用性两个方面出发，对已有算法进行了改进，并提出了一种新算法且验证了其有效性，能够以较简单的算法扩展视频源的色域。该算法已申报国家知识产权局发明专利。根据所述算法，用DSP Builder对上述三种技术分别进行系统建模，经Simulink仿真后将系统级模型转化成VHDL。以Altcra公司CycloneII EP2C35为核心，以减少硬件资源使用率为目标，对系统模型进行评估和优化，设计出LED视频处理软IP核，并给出视频处理效果及RTL级仿真波形。特别是在色域修正的IP核实现方面，提出了
3、一种资源使用率小、兼容性好的实现方案，已申报国家知识产权局发明专利。本文设计的视频处理IP核既可以使用纯硬件的方法实现，也可作为用户自定义逻辑挂接在NioslI系统中，实现对视频数据的处理。在对可靠性和实时性要求较高的情况下，可用纯硬件实现；在NiosII系统中可实现LED视频处理口核的移植。关键词：LED显示屏；视频处理；DSP BuiIder：IP核ABSTRACTLED display will be the most potentialdisplay technology in the are蕊of displaycllinatS LED djsp】ay indus时has deve】
4、opedrapidly,and the control technolo科of thedlsDlay has reached the international levelBut there are rio mature teCh0109ies in tlle猢ofcolor theory and the display qualitySo it becomes锄urg饥tproblelllHow to 1mprove the quality of LEDdisplay is the goal in this pap瓯From nle Viewof the research and devel
5、opment LEDdisplay in domestic and abroad nowadays，andttle p铘pective of chromaticity,using theknowledge of color science，some commonproblelTls whi饥LED display industry faces will be researched，and will beimpleInelltedwith妒core1 nc V1de0 proCessing algorithm such as de-gamma correction，colortemperatur
6、eco删10n，colorgamut correction will be researched in this thesisEspeciallv in thereseach ofcolor gamut correction，a more simple algorithm whichc觚eXpand the ga-mut 1s ra塔ed first based on the aspects includingimproving the expression ofbig gamuand啪atileof the algorithmThis algorithm has been projposed
7、 to achjeye a11dveilned，and has been applied南r tlle pateIlt of Intellectual Pr叩eny Omce ofChinaAccording to the video processing algorithms，some Syst锄modules using DSPBuilder in Simulink are generatedAnd then the system1evel modulesare C0n吲cd intoVHDLThen CyclonelI EP2C3 5 in Altera Corporation isse
8、t aS dle core，雒d thell meaSsessmellt and optimizating of the system modules are done basedon the coreFollowed，-P core of LED video processing is worked out，and the e鼢ion of video骶a舡11印t锄d the simulation waveform aregivenEspedaIl弘a method t量lat have t11e advantagcS of less utilization of hardware res
9、ources and good conlp灿ili够t0implementcoJor gamut correction is raised first，and has been applied forlepateIlt of IntellectualProperty Office of ChinaThis design of IP core of video processing in the paper can be impl锄锄tedeitheruslng龇pure h删呲，or in Niosll soft-core systemIn nleSe caseS啦at嘲uirenigh凹qu
10、a“ty of real-time and reliability,nle impl锄e11tionofpurc hard啪鹏is des昏Ved；when the IP core is needed be transplanted，the NioslI sySt铋is deserved英文摘要KEY WORD：LED Display；Video Processing；DSP Builder；IP Core大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，撰写成博硕士学位论文 ：垒驻塑韪盔塑拯篮生盐至望塑型抛：。除论文中已
11、经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。学位论文作者签名： 皇翌蓟学位论文版权使用授权书本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士学位论文全文数据库
12、(中国学术期刊(光盘版)电子杂志社)、中国学位论文全文数据库(中国科学技术信息研究所)等数据库中，并以电子出版物形式出版发行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。论文作者躲娟导师签轹9咎日期：如f。年6月搿日全彩LED显示屏视频信号处理及IP核实现11课题研究背景及意义第1章绪论发光二极管(LED，LightEmitting Diode)是20世纪60年代发展起来的一种半导体显示器件，具有发光效率高、响应速度快、使用寿命长、节约能源等优势。LED显示屏是利用发光二极管点阵模块或像素单元组成的平面式显示屏幕。与其他户外信息发布平台相比，它发光效率高、色彩丰富、使用寿命长、对室内外环境适应
13、能力强，从20世纪80年代后期开始，在国内外得到了广泛的应用【2】13】。经过30多年的发展，中国LED产业已初步形成了较为完整的产业链。从事该产业的人数达5万多人，研究机构20多家，企业4000多家，其中上游企业50余家，封装企业1000余家，下游应用企业3000余家。在“国家半导体照明工程”的推动下，形成了上海、大连、南昌、厦门和深圳等国家半导体照明工程产业化基地。作为LED产业的一个分支产业，LED显示屏行业也在同期得到快速发展。在辽宁省，大连市的LED产业发展较快，已经成为国家半导体照明工程产业化基地之一。在LED显示屏制造方面也有一些快速增长型企业，如大连路明集团、大连达明科技有限公
14、司等。从现有的行业统计数据可以看出，LED显示屏的制造企业主要在华南和华东地区，与其相比，辽宁，甚至整个北方地区在LED显示屏的制造规模所占份额很小。事实上，辽宁地区的LED显示屏市场要由南方产品填充。这与大连的五大产业基地之一的身份是不相符的。究其原因，大连地区专业制造LED显示屏的企业发展起步较晚，掌握的技术尚不全面，拥有自主技术的企业较少，技术更新不及时，没有领先的核心技术，因而在规模的发展上跟不上南方LED显示屏制造企业的发展速度。本课题组从2008年开始与大连达明科技有限公司合作，在经过对国内外LED显示屏控制技术的认真研究的基础上，研发了具有完全自主技术的LED显示屏控制系统，其技
15、术水平属于国内一流。目前，该技术正处于产品化阶段。LED显示屏控制技术发展迅速，在技术进步的洪流中，不进则退。为了不断扩大企业的市场占有份额和生产规模，必须不断更新技术，保持技术的先进性。经过对已有技第1章绪论术的总结，全面分析LED显示屏控制技术的发展趋势，我们认为需要在LED视频信号处理技术及集成电路IP核设计方面进行攻关研究，推出新一代LED显示屏控制的核心技术，促进大连及辽宁地区LED显示屏产业的发展。在国家自然科学基金(60674037)和辽宁省高等学校优秀人才支持计划(2009R06)部分资助下，并与大连达明科技有限公司合作，开始了本课题的研究。12国内外研究现状综述121 LED
16、显示屏控制系统的发展现状由于2l世纪的显示技术将是平板显示的时代，LED显示屏也正向更高亮度、更高耐气候性、更高的可靠性、全色化、多媒体方向发展，系统的运行、操作与维护也向集成化、网络化、智能化方向发展【4】。目前，世界上LED显示屏生产厂家主要分布在日本、美国、德国和我国台湾等国家和地区，国内主要有电子系统部、中科院等研究单位。国外对LED显示屏的研究起步较早，且在真彩色显示方面有深入研究。国内对显示屏真彩色显色方面的研究较少，大多研究主要集中在控制方面。主要为以下三个方面：基于单片机的控制技术研究51【6】；基于CPLDFPGA的控制技术研究【7】IS】【9】；基于嵌入式系统的控制技术研究
17、【10111】f12】f13】【141。尽管目前的主流显示设备已大规模地由模拟型的阴极射像管向平板显示方向过渡f15】，但由于传统技术特征的影响，人们只将目光集中于数字化显示系统的材质或图像编码压缩的前端处理上，却忽略了数字图像信息向物理发光体成像扫描的中间状态。与国外相比，国内企业与科研机构仅仅着眼于LED显示控制系统的256级灰度控制技术、网络传送技术、亮度调节技术、静态恒流驱动、客户端软件、帧同步技术f16】等相关通用技术的研究，对于LED显示的基础理论一如色域标定、色域空间变捌171、色温修J下、非线性灰度控制及LED高清视频技术等相关方面还未展开研究。目前国内所进行的大多数研究均没有
18、考虑色度学基础理论、LED发光特性等，因此无论采用何种控制技术，都无法保证显示屏达到最佳显示效果。但国外在色度学理论研究及应用上更加成熟，并以这些理论成果为核心卖点形成了产业化的2全彩LED显示屏视频信号处理及IP核实现格局，其产品在色还原效果l”I、色保真度上均比国内商一档次。以三菱公司的Resolia”1全彩LED视频显示系统为例该产品运JI亮度变化补偿与色域空间变换技术，使iJ!示效果更加自然逼真。如图I 1所示。图l 1对比了LED显示屏直接显示和经过色域空间变换的显示效果，很显然，经过色域变换后苹果的颜色变得自然柔和。无色域变换 色域变换厉剀11色域修止前后对比州Fig 1 l Co
19、ntrastbetweenBefom andAfterCGC随着人们对显示屏的显示质量的要求同益提高LED显示屏色彩的真实再现问题尤为重要。虽然也有一些针对具体问题的色彩修jF方法被提出，如针对显示屏发光像素的自平衡匹配问题【20喀，但这些研究没有形成统一的理论体系，也没有针对LED的发光特性进行系统的理论分析，并不能从根本上解决LED显示屏的色彩失真问题。因而，加强LED色度理论的研究提高视频显示效果和色彩还原性成为目前亟待解决的问题，也是缩小与国外差距拓宽海外市场的必经之路。本课题从色度学的角度出发，利用色度学的相关理论知识，研究目前我国LED显示屏行业面临的部分共性问题。l 2 2LED
20、视频信号处理TP核的发展现状随着集成电路设计水平和工艺技术的提高，集成电路规模越来越大，芯片设计规模和设计复杂度也急剧提高，EDA设计逐步发展和完善。IP核的出现是集成啦路设计产业分二L产生的结果，一些公司专注丁自己的技术特长，丌发不同类型3第1章绪论的、经过验证的IP核，另一些公司在复用这些IP核的基础上设计集成电路。IP核的重复使用既缩短了系统设计周期，又提高了系统设计的成功率。由于在研发过程中所使用的技术和应用环境的差异，LED显示屏显示控制系统的结构比较复杂。目前市场上一般采用FPGA作为主控制器，尚无LED显示屏显示控制的专用集成芯片，所以各公司在设计控制系统时必须重复设计相应的硬件
21、。由于对相关理论了解甚少，且受研发周期限制，各公司往往简化或完全忽略LED视频处理方面的设计，以致于LED显示屏在色保真度和色还原度上跟国外产品相比有很大的差距。目前，国外已经有针对LED视频处理的专用处理器，而国内在这一领域尚属空白。因此，通过对LED色域变换等相关理论的研究，设计出LED显示屏视频处理IP核，对缩短LED显示系统的开发周期，提高产品显示效果具有重大意义。13论文的主要工作本课题对LED显示屏视频处理系统及其IP核设计进行研究，立足于与大连达明科技合作的第一代LED显示控制系统，深入研究LED的色域、色温及灰度特性与其显示效果的关系，并依据IP核的设计标准，进行LED视频处理
22、IP核的设计。本论文首先研究了色度学基础理论，并从色度学的角度出发，立足于LED的物理特性，面向LED显示屏，总结进行LED视频校正及IP核实现所需要考虑的问题：(1)反Y校正方面研究灰度与反丫校正的关系；反丫校正对图像显示质量的影响；7参数的选取与LED图像显示质量的关系研究；可参数化的反丫校正m核的建立。(2)色温修正方面研究LED中色温修正与白平衡的关系；如何对LED显示屏进行色温修正；色温修正方法的硬件构架设计及其IP核实现方法。(3)色域修正方面研究CIE 1931 xyY系统下视频源色域与LED色域之间的定量变换关系，以及同种颜色在不同色域之间的映射关系；视频源色域与LED色域之间
23、变换模型的构4全彩LED显示屏视频信号处理及IP核实现建；如何减小直接用电视信号RGB三基色数据控制LED三基色发光产生的色偏差；色域修正方法的硬件构架设计及其IP核实现方法。其次，根据上述三方面所要考虑的问题，研究LED视频处理的算法。特别提出了一种LED显示屏视频处理中对色域进行修正的方法，将在332中具体介绍。该色域修正方法已经申报国家知识产权局发明专利。再次，基于Altera公司的DSP Builder对系统建模，分析仿真结果。将系统级模型转化成VHDL，基于Altera CyclonelI系列FPGA，对各校正模型进行RTL级的时序或功能仿真，对视频处理的系统建模进行评估和优化，根据
24、优化结果设计LED视频处理软IP核。特别提出了一种LED显示屏视频信号的色域修正IP核及其方法，将在53中具体介绍。该色域修正的IP核实现方法已经申报国家知识产权局发明专利。最后，在FPGA中嵌入NioslI软核，基于Altera的SOPC Builder，将自主设计的LED视频处理IP核挂接到AvalonMM总线上，设计硬件构架并将其下载到DE2开发板的EP2C35F672C6型号的FPGA芯片中。用NioslI完成基于NioslI系统的软件开发与调试。以上所述也即本论文的组织结构。5第2章色度学基础理论第2章色度学基础理论色度学是研究人眼对颜色感觉规律的一门科学，是彩色显示设备的理论基础之
25、一。正确运用色度学基础理论，可以使彩色图像逼真地重现。彩色图像不仅要有亮度信息来反映景物的阴暗层次，还要有色度信息来表现大自然的丰富颜色【2l】。所以要复现彩色图像信号，必需掌握色度学的基础知识。21颜色的分类及属性颜色分为黑白系列和彩色两类。黑色、白色和各种深浅不同的灰色称为黑白系列。对发光物体来说，黑白的变化相当于白光的亮度变化，高亮度时人眼感觉到的是白色，亮度低时感觉到的是灰色，无光是黑色f22】。黑白系列的颜色只有亮度的差异。除黑白系列以外的各种颜色均为彩色【231。要准确的描述一种彩色，需要三个参数：色调、亮度和饱和度：色调决定彩色的本质，反映了彩色的类别，如红、绿、蓝等；亮度描述光
26、作用于人眼引起的明亮程度；饱和度表示颜色深浅的程度。色调及饱和度合起来称为色度【241。彩色是由客观量以及主观量共同确定的，不仅是光学原理所描述的客观存在，同时也包含了人眼视觉感受的主观因素。22人眼的彩色视觉人对颜色的响应受大脑和眼睛共同支配。人眼对颜色的感觉来源于锥状细胞【251。人眼中红、绿、蓝三种光谱灵敏度不同的锥状细胞的存在，是彩色视觉的三基色理论的心理物理学基础1261。三种细胞的共同作用的结果，就是人对颜色的总体感觉。用红、绿、蓝三基色不同比例的混合就能调配出从黑到白的各种颜色的光。23颜色相加原理格拉斯曼于1854年总结出色光混合的基本规律，这就是格拉斯曼颜色混合定律，其内容如
27、下：6全彩LED显示屏视频信号处理及IP核实现(1)人的视觉只能分辨颜色的三种变化，它们是明度、色调和饱和度；(2)两种颜色混合，如果一种颜色成份连续变化，混合色的外貌也连续变化【27】o虽然不同波长的光会引起不同的色觉反应【281，但是相同色彩的感觉却可能来自不同的光谱成分。自然界中的所有色彩都能由红、绿、蓝三基色混合而成【291。例如，用一定比例的红光和绿光配合就能产生与黄光相同的视觉反应。为了标准化起见，国际照明委员会(CIE)作了统一规定，即选用红光波长700nm，绿光波长5461nm，蓝光波长4358nm的三色光作为三基色【30】。根据颜色混合定律，上述原理可以表示为c(c)=尺(R
28、)+G(G)+艿(B)，C、R、G、B分别表示被匹配颜色和红、绿、蓝三基色的数量。对于LED显示屏来说，一个LED像素点的颜色可以通过控制RGB三基色来控制。但是，并不是所有的光源都适合于混色技术【3I】。LED光源本身具有谱线窄、体积小、响应速度快的特点，使得其非常适合于混光、混色技术的应用。24 CIE 193 1 RGB系统根据三基色原理，颜色实际上也是物理量，可以对其进行计算和度量。所以，人们就产生了用红绿蓝单色光匹配所有可见颜色的想法，并且做了许多实验。CIE1931 RGB系统是建立在WDavid Wright32】和John Guildt33】的两项颜色匹配实验基础上的。1931
29、年国际照明委员会采用了他们两人的实验结果的平均值，确定了RGB颜色匹配函数(Color Matching Functions)341，其横坐标表示光谱波长，纵坐标表示用以匹配等能光谱色所需要的RGB三刺激值，、g、b，如图21所示。为了匹配在4381 nln和5461 nm之间的光谱色，出现了负值，这说明，在匹配负值区域里的光谱色时，混合颜色需要使用补色才可以。这样使用起来不方便且不易理解。7第2章色度学基础理论、 l 1| ；g l 6 r | |支r | |j 、 |。 、 、 入阁2lRGB颜色匹配函数Fi921 RGBColor-matchingfunctions25CIE 193l
30、xYZ系统CIE 1931 RGB使用红绿蓝三基色系统匹配某些可见光谱色时，出现了负值。继此之后，国际照明委员会推荐了一种新的颜色系统cIE 1931 XYZ系统，其颜色匹配函数如图2 2所示。该系统采用理想的x，Y和z三种基色，它们是这样假设的：(1)X、Z代表色度，没有亮度信息，亮度只畸Y成比例；(2)X、Y和z是相加基色。混合彩色光时，x、Y、Z均为正值，要求在选择三原色时，必须使三原色所形成的颜色三角形能够包括整个光谱轨迹135】：(3)当X=Y=Z时仍合成等能白光。全彩LED显示屏视频信号处理及IP核实现2 0j 81 61 41 21 008O 6O 4O 200、一Z y 0，f
31、 ) ， ， | l |J | | i I | l |l 、 )一 乡一 ， 、 380 420 460 500 540 580 620九660 nm700创22xYz颜色匹配函数Fig 2 2XYZColor-matchingfunctionsCIE 1931 XYZ色度系统由CIE 1931 RGB系统推导而来，二者的关系为X=04900R+0 3100G+n2000BY=n1770胄+n8124G+001063Z=n0000R+n0100G+n9900占R=+2 3646X0 8965Y0468lZG=-0 5152工+l 4264y+00888ZB=十00052爿0 0144Y+1 0
32、092Z26C1E 193l xyY色度图(21)(22)CIE 1931 XYZ系统定义颜色很有用，但是使用比较复杂不直观。1931年国际照明委员会为克服这个不足而定义了一个叫做CIE 1931 xyY的颜色空问。第2章色度学基础理论定义CIE xyY颜色空间的根据是：对于给定的一种颜色，如果增加它的明度，每一种基色的光通量也要按比例增加，才能匹配出该颜色【361。故当颜色离丌原点(X=0，Y=0，z=O)时，X：Y：Z的比值保持不变。此外，由于色度值仅与主波长(即色调)及饱和度有关，而与总的辐射能量无关，因此在计算颜色的色度时，把X，Y和Z值相对于总的辐射能量(X吖+Z)进行规格化，并只需
33、考虑它们的相对比例。CIE xyY色度图是从CIE 1931 xryz系统直接导出的一个颜色空间，二者的转换关系为：XX+Y+Zy： 一! (23)1，=一 LZj，7X十Y+ZZX+Y+Z由于Z可以从x+y+z=1导出，因此通常不考虑z，而用另外两个变量X和Y表示颜色，并绘制以X和Y为坐标的二维图形。这相当于把X+Y+Z=I平面投射到(X，平面，也就是Z=0的平面。如图23所示。xyY中的Y值与XYZ中的Y刺激值一致，表示颜色的亮度；用颜色坐标x，Y在图上指定颜色。例如一个点在色度图上的坐标是(x=04832，y-03045)，那么它的颜色与红苹果的颜色相匹配。CIE 1931 xyY色度图
34、中，x表示红色分量，Y表示绿色分量。白光的坐标为(O3333，03333)；所有单色光都位于舌形曲线上，即单色轨迹。曲线旁的数字是单色光的波长。自然界中所有的颜色都位于这条闭合曲线内【371。lO全彩LED显示屏视频信号处理及IP核实现。鼍渤 裔色一、，r第3章LED显示屏的视频信号处理算法研究第3章LED显示屏的视频信号处理算法研究根据加色原理，R、G、B三基色按不同的比例混色，能够合成从黑色到白色问各种颜色的光。全彩LED显示屏就是采用RGB三种颜色的LED作为光源。对视频源信号进行处理是LED显示屏控制系统中重要的环节之一，将直接影响LED显示屏的显示质量。本论文从反Y校正、色温修正、色
35、域修正三方面对LED显示屏的视频处理技术进行研究，以改善LED显示屏的显示质量。31对视频源信号的反丫校正311灰度等级灰度是指亮度的明暗程度【381。灰度越高，显示的色彩越丰富，画面越细腻。灰度等级主要取决于系统的AD转换位数。目前，国内LED显示屏主要采用8位处理系统，也即256级灰度。即：从黑色到白色共有256种亮度变化。采用RGB三原色即可构成256x256x256=16777216种颜色。国际品牌显示屏主要采用lO位处理系统，即1024级灰度，RGB三原色可构成107亿色。312 y校正Y校正是一种参数值，用来表达阴极射线管(CRT)显示器的非线性特性【391。为了使电视机或监视器能
36、逼真地再现自然界的真实场景，要求从视频的摄入、视频信号处理、视频信号的显示等完整过程中，总的传输特性是线性的，即显示亮度与真实场景的亮度成正比【加】。摄像模块对景物的响应特性、信号处理电路及信号传输是线性的，但CRT是非线性的显示系统，其输出的图像亮度与输入的控制信号电压成指数函数的关系：B=kEr (31)式中，B为显示的图像亮度，E为视频控制信号电压，k为比例常数，y为指数常数，一般地，由于视觉环境和显示设备特性的差异，Y值取2228之间。如图31所示。 12全彩LED显示屏视频信号处理及IP核实现图31 CRT输入输出曲线Fig31 Output-Input cllrve ofCRT正是
37、这种非线性的存在使得CRT的输出较原始图像产生失真，在低亮度(灰度级)段图像偏暗，失真的程度由显示设备的丫值决定【411。送给电视机的视频信号标准为了与CRT的物理特性相匹配，克服在低狄度级段图像偏暗的缺点，发送系统采用预补偿办法，即Y校正，使总的传输特性是线性的。按B=kEv厂 (32)的关系对图像信号校正。如图32所示。因此，电视接收系统所显示的图像是公式(31)和公式(32)曲线的叠加，实现了图像亮度与输入的图像信号的线性变换，如下图33所示，消除了低灰度级图像偏暗的缺点。第3章LED显示屏的视频信号处理算法研究B0图32丫校正曲线Fig32 Curve ofGamma Correcti
38、on控制信号电压 E图33反T校正后曲线Fig32 Curve After de-Gamma Correction14越根肇匝$憔嘲全彩LED显示屏视频信号处理及IP核实现313 LED显示屏视频信号的反Y校正LED显示屏显示系统中，当决定发光强度的电流保持恒定时，图像灰度级完全由电流脉冲宽度的占空比决定【421。其亮度B与电流脉冲占空比T之间的关系是线性的，即LED显示屏显示的图像亮度与输入信号成正比。由于目前尚无专门用于全彩LED显示屏的视频源及标准，故都是将送给CRT的视频信号作为LED显示屏的视频源。由于广泛用于CRT显示的视频信号在显示前已经过丫变换，而LED显示屏的物理特性是线性的
39、，所以，若直接把送给CRT的视频信号送给LED显示，会出现低灰度级的亮度跳变太快，图像层次感欠佳的情况。为克服这一缺点，必须对输入信号进行反丫校正：B=T， (33)如图34所示：刨根逝囹濯7品m爿B0电流脉冲占空比 T图34LED显示屏反丫校正曲线Fig34 Curve ofde-Gamma Correction for LED DisplayY的值越大，修正曲线弯曲的弧度越大，经反Y修正后图像的对比度越大。原图像的高亮度处经处理后层次感较清晰，但原图像较暗处经处理后较黑用LED显示屏的反丫校J下曲线与信号源的7校正曲线合成后，显示的图像亮度与输入信号接近线性关系。如图35所示。15第3章L
40、ED显示屏的视频信号处理算法研究伊 视频源 反y曲线LED显示屏图35 LED显示屏的反r校正原理图Fig35 Schedule Diagram ofdeGamma Correction for LED Display假设图像中有这样一个像素A，且输入的视频信号值为0-255之间的整数，用A=(彳-6 05)256)y256一O5 (34)对输入信号进行校正【43】。在Y值已知且输入信号位宽为8位的情况下，输出值唯一并且位宽也为8位。这样既能够改善LED显示屏低灰度段亮度跳变太快的缺点，同时又不损失灰度等级。32对视频源信号的色温修正321白平衡和色温白色是衡量显示设备显示的颜色是否正常的一个
41、基本指标。例如，在摄影上，白平衡就是指在不同的色温条件下，摄像头所拍设的标准白色经过电路的调整，使之成像后依然是白色。色温(ColorTemperature)是表示光源光谱质量最通用的指标，19世纪末由英国物理学家洛德开尔文创立。色温是按绝对黑体来定义的：光源的辐射在可见光区和绝对黑体的辐射完全相同，此时黑体的温度就称为此光源的色温441。绝对黑体指既不反射也不投射的理想物理体。光源的色温高低并不决定于光源的物理温度，只是说明该光源所含的光谱成分不同。将某一光源所发出的光和绝对黑体加热到某一温度时所发出的光相比较，两者光谱成分相同时的绝对黑体的温度称为该光源的色温。当绝对黑体连续加热时，随着温
42、度的升高，发出的光线的颜色是按红一白一蓝的顺序变化的。因此光源色温越低越显红色，色温越高越显蓝色【451。16全彩LED显示辫视频信号处理及IP核实现对于日常生活中用到的光源，目光灯含有较多的蓝、绿成分所以色温相对较高；白炽灯台有较多的红光成分，色温较低。一天之内，早、中、晚所含的光谱成分也不尽相同，阴灭和晴天所古的光谱成分差别比较大。因为人眼对色彩有较大的适应性，所以人眼对光源的色温变化并不敏感。对数字显示器而言，白色可由R、G、B光源发射出的R、G、雕原色叠加得到。经过转换，每组RGB数据对应CIE 1931 xyY色度图中的一个坐标，闭3 6给出了色温在CIE 193l xyY色度图上的
43、表示m】。闰36色温庄xyY色度幽的表示Fig 3 6ColorTmperatu咒inCIEl931 xyY在色度图中，“白点”可近似定义为色温。马蹄形内的曲线上各点表示相关色温，色温越高越偏蓝，越低越偏红。相关色温的范围为2000-25000K，如图l所示5500K时的白点在点(0 3333，0 3333)附近。各相关色温见表3 l。光源不同显示技术不同，则色温也不相同。例如，与阴极射线管(CRT)显示器相比，LED显示屏、等离子平板显示器(PDP)的色温较低。所以，这些数字显示设备的输出必须经过色温修正才能得到更好的显不质量。第3章LED显示屏的视频信号处理算法研究表31相关色温Tab31
44、 Color Relative Temperature色温(K) X y 色温(K) X y2000 052669 041331 5714 032775 0336902500 047701 041368 6667 O31101 0321163077 043156 040216 8000 029518 0304773333 041502 039535 10000 028063 0288283636 039792 038690 12500 02701l 0275474000 038045 037676 16667 026070 0263334444 036276 036496 20000 0256
45、45 0257635000 034510 035162 25000 025251 025222色温跟我们日常看到的景物景色有关。例如，接近赤道的地区，平均色温约为1 1000K；纬度较高的地区，平均色温约为6000K。在中国，一年四季的色温为80009500K，所以，为适合中国观众观看，国内的视频是以9300K的色温进行制作的。所以，在用LED显示屏播放不同国家或地区的影片时，应对影片数据进行色温修正，使其适合当地观众观看，从而达到改善全彩LED显示屏显示效果的目的。322 LED显示屏视频信号的色温修正方法LED显示屏的色温修正(CTC，ColorTemperature Correction
46、)包括以下几个关键环节：参考色温的预置、白点的判定方法、色温比较及视频数据处理。功能框图如图37所示。全彩LED显示屏视频信号处理及1P攘实现图像RGB数拙1归一_ =髯_RGIj_ 昌爿陌习 L考白点l _-_一=禹1酗37色温修正的功能框凹Fig 3 7 FunctionalBlkDiagramofCFC首先，从用户可选的色温输入单选择一个xyY色度图F的CIE参考白点。但视频数掘一般以R、G、B的形式给出，所以，在亮度Y已经确定的条件F，运用公式(23)、(22)经过色域变换CIEl931 xyV-C1E1931XYZ-CIEl931 RGB，可以将参考色温变换成RGB的形式，方便与RG
47、B形式的图片的实际色温相比较。其次，估计每一帧的白点大小。根据色度学原理，对于输入的一帧视频数据，其白点可理解为(R+G+B)最大的像素点。其方法是将每一帧的各个像素点的R、G、B相加把三者和最大的点作为此帧的白点值。一帧处理结束后将发出帧结束信号，进行下一帧的处理。然后，将此帧的色温值作为下一帧的色温(相邻两帧之自J色温相差不大)与参考色温相比较，如果这两个色温不相同，就要对下一帧进行色温修正。比值法的修J下公式为：其中也扩如。FRwt吒：输入帧各像素点的R值(3 5)第3章LED显示屏的视频信号处理算法研究如：参考色温转化为RGB形式后的R值；：前一帧图像白点的R值；Rw：色温修正后输出的
48、各像素点的R值471。在完整的一帧中，比值务盟保持不变。对于像素点的G和B值，公式同样适用。 V33对视频源信号的色域修正331色域比较和颜色偏差LED显示屏采用红、绿、蓝LED作为彩色显示的三基色，通过视频源信号对三色LED的驱动控制，在显示屏上显示视频图像。彩色电视信号所采用的制式不同，其编码方式、三基色的色度坐标均不相同。但是不同的制式的电视信号，经过解码后，均能产生红、绿、蓝三基色的控制信号【481。CIE确定的标准红、绿、蓝三原色的波长分别为700nm、5461nm、4358rim，本课题中所用的LED显示屏的三基色波长分别为6241nm、525nm、4712nm。CIE、LED显示
49、屏及常用电视制式的色度坐标如表32所示。表32 CIE、LED及常用电视制式的色度坐标Tab32 Chromaticity values ofCIE、LED and TV StandardCIE标准 LED显示屏 PAL带U式 NTSC$1J式X 073 070 064 O67红色y O27 O30 O33 O33X O27 O17 O29 O21绿色y O72 O。70 O。60 O71X O17 013 015 O14蓝色y 001 0075 007 008X 0313(D65) O313(D65) 0313(D65) 0310(E光源)光源y 0329(D65) 0329(D65) 0329(
