基于CPLD的LED大屏幕視頻控制系統(tǒng)

3 視頻控制器單元的實現(xiàn)

3.1 灰度掃描方法

對于多灰度級LED大屏幕顯示而言,灰度的分層(灰度掃描)顯示方法是視頻控制器設(shè)計的關(guān)鍵,由于LED的發(fā)光亮度與掃描周期內(nèi)的發(fā)光時間近似成正比,所以灰度等級的實現(xiàn)通常是由控制LED的發(fā)光時間與掃描周期的比值,即采用調(diào)制占空比來實現(xiàn)的。

(1) 灰度掃描約束公式

首先給出幾個定義:行周期h指視頻控制器輸入1行數(shù)據(jù)的時間,即計算機(jī)輸出視頻行周期。顯示基本時間單位td定義為灰度級為1的像素在屏體的對應(yīng)點亮?xí)r間。幀掃描周期T定義為存儲單元的存儲器中1幀圖像的讀出時間,存儲器中1幀圖像對應(yīng)2×8×16行1/n屏(n=l,2,3,…)輸入視頻圖像。幀頻F為幀掃描周期的倒數(shù),為滿足人眼的視覺要求,假定幀頻不低于60Hz。屏體顯示效率η定義為幀掃描周期內(nèi)LED屏體全亮(即全屏數(shù)據(jù)皆為最高灰度級)時間與幀掃描周期的比值。全屏顯示指視頻控制器每個存儲單元存儲的數(shù)據(jù)列數(shù)為計算機(jī)屏幕全屏的有效顯示列數(shù),相對應(yīng)的是半屏顯示、l/3屏顯示等等。

設(shè)顯示灰度等級數(shù)為N,由于灰度級為1的像素在屏體的對應(yīng)點亮?xí)r間為td,因而灰度線性調(diào)制后灰度級為i的數(shù)據(jù)顯示時間為i×td,灰度級最高的數(shù)據(jù)顯示時間為(N-1)×td。通常的考慮[3]是在td內(nèi)完成對存儲器一行數(shù)據(jù)的一次讀出,同時以td為周期將讀出的一行數(shù)據(jù)打入到屏體進(jìn)行灰度顯示。由于共有N 級灰度級數(shù),幀掃描周期為

由以上分析可知,高的灰度級數(shù)、高掃描幀頻與低的存儲器讀出速率是相互矛盾的。要獲得高的灰度級數(shù),就必須提高存儲器讀出速率,或者降低幀掃描頻率,當(dāng)灰度級數(shù)較高時,以目前的集成電路實現(xiàn)水平難以達(dá)到三者的兼顧。

解決的方法之一是大量采用并行結(jié)構(gòu),但掃描頻率每減小一倍成本就增加將近一倍,而且電路的復(fù)雜程度也有所增加;另一種方法是適當(dāng)犧牲屏體顯示效率η以求得幀頻與速率的折中,這種方法經(jīng)實踐驗證是可行的。

仍然以td作為顯示基本時間單位,以對存儲單元1行數(shù)據(jù)的一次讀出時間作為屏體數(shù)據(jù)更新時間(屏體數(shù)據(jù)打入周期),引入“消隱時間”的概念:“消隱時間”指屏體正常工作時間里的無效顯示時間。屏體數(shù)據(jù)更新時間可以大于顯示基本時間單位,即在屏體數(shù)據(jù)更新低灰度級時存在“消隱時間”,它雖然使顯示效率有所下降,但可以實現(xiàn)較低的掃描速率和較高的掃描幀頻。舉例來說,若屏體數(shù)據(jù)更新時間為h,而顯示基本時間單位td為h/16,則灰度級為1的數(shù)據(jù)會引入 15/16行“消隱時間”,灰度級為2的數(shù)據(jù)會引入7/8行“消隱時間”…,灰度級為8的數(shù)據(jù)會引入1/2行“消隱時間”,而灰度級為16的數(shù)據(jù)則不會引入“消隱時間”,這樣就能在不提高存儲器讀出速率(λ≤1)的情況下(而且可以降低存儲器讀出速率Vo=32.5MHz,h=31.7,λ=0.5)實現(xiàn) 256級灰度掃描。這時幀掃描周期為

T=(1+1+1+1+1+2+4+8)×h×m=304h=9.64(ms) (11)

幀頻為,F=1/T=103.6(Hz) (12)

但這時LED大屏幕顯示屏體的顯示效率降低為

η''=(1/16+1/8+1/4+1/2+1+2+4+8)×h×m/T=83.88% (13)