DLP TV視頻前端系統(tǒng)構(gòu)架與設(shè)計(jì)的分析

目前，全球已有超過(guò)20家公司研制和生產(chǎn)大尺寸、高清顯示的dlp光顯電視。視頻前端是dlp tv的重要組成部分，涵蓋廣播電視接收、視頻格式轉(zhuǎn)換、圖像質(zhì)量增強(qiáng)等各個(gè)方面。如何接收和處理模擬視頻信號(hào)，使其獲得細(xì)膩真實(shí)的再現(xiàn)，為視頻前端的處理提出了挑戰(zhàn)……

前言
ti的 digital light processing技術(shù)是一項(xiàng)先進(jìn)的數(shù)字顯示技術(shù)，具有高清晰度、高對(duì)比度、豐富色彩再現(xiàn)和高可靠性的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于投影儀、電視和數(shù)字影院。目前，全球已有超過(guò)20家公司研制和生產(chǎn)大尺寸、高清顯示的dlp光顯電視。其中l(wèi)g和samsung的dlp tv已進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)。

視頻前端是dlp tv的重要組成部分，它涵蓋了廣播電視接收、視頻格式轉(zhuǎn)換、圖像質(zhì)量增強(qiáng)等各個(gè)方面。視頻前端的處理性能、系統(tǒng)構(gòu)架，以及與光學(xué)系統(tǒng)的匹配程度，對(duì)dlp tv的圖像質(zhì)量有著很大影響。本文從dlp顯示技術(shù)的特點(diǎn)和dlp tv的應(yīng)用需求出發(fā)，討論了視頻前端的系統(tǒng)構(gòu)架，并為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出了建議。

dlp顯示技術(shù)的特點(diǎn)

dlp光學(xué)系統(tǒng)的核心是digital micromirror device（數(shù)字微鏡芯片），該器件基于cmos標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體工藝，并具有調(diào)節(jié)反射面的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。dmd表面上每片被尋址的微鏡對(duì)應(yīng)著一個(gè)顯示像素。隨著視頻數(shù)據(jù)電信號(hào)的變化，微鏡以每秒五千次的速度在兩個(gè)狀態(tài)間傾斜，實(shí)現(xiàn)光開(kāi)關(guān)的作用，從而產(chǎn)生精確的數(shù)字灰階。配合色輪機(jī)構(gòu)的高速旋轉(zhuǎn)，就可以獲得豐富的色彩再現(xiàn)。

由于成像機(jī)理的差別，不同顯示技術(shù)在光學(xué)機(jī)構(gòu)、亮度/對(duì)比度表現(xiàn)能力、分辨率、輸入/輸出響應(yīng)特征等方面有著巨大的差別。因此，在設(shè)計(jì)dlp tv視頻前端系統(tǒng)的過(guò)程中，必須注意dlp技術(shù)的一些特點(diǎn)。只有當(dāng)視頻前端處理良好匹配這些顯示特性時(shí)，才能夠?qū)崿F(xiàn)dlp技術(shù)最佳的圖像質(zhì)量。

高清晰度

dmd表面微鏡陣列的規(guī)模決定了dlp光學(xué)系統(tǒng)可以達(dá)到的顯示分辨率。目前在大屏幕光顯電視應(yīng)用中，最新一代dmd芯片可以實(shí)現(xiàn)1920 1080的高清顯示。高清視頻實(shí)時(shí)處理的要求，以及大尺寸電視的顯示特性，對(duì)dlp tv視頻前端系統(tǒng)的處理性能提出了很高的要求——除了視頻處理芯片的帶寬、實(shí)時(shí)性、算法性能之外，還需要考慮存儲(chǔ)空間的大小和讀寫(xiě)訪問(wèn)速度。

高對(duì)比度

基于dynamic black（動(dòng)態(tài)黑色補(bǔ)償）技術(shù)的dlp光學(xué)系統(tǒng)能夠達(dá)到>5000:1的全開(kāi)/全關(guān)對(duì)比度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他平面或微顯技術(shù)的同類(lèi)指標(biāo)。高對(duì)比度顯示能夠生動(dòng)再現(xiàn)豐富的灰度層次，畫(huà)面銳利、具有立體感。但同時(shí)，高對(duì)比度的顯示特點(diǎn)要求視頻前端系統(tǒng)具有更高的數(shù)據(jù)精度。傳統(tǒng)8 bit的數(shù)據(jù)寬度已無(wú)法滿足高對(duì)比度dlp系統(tǒng)的應(yīng)用需要，容易在畫(huà)面上產(chǎn)生輪廓和等高線失真。由于數(shù)據(jù)精度不足，視頻前端處理過(guò)程中量化誤差和截?cái)嗾`差產(chǎn)生的噪聲問(wèn)題也會(huì)進(jìn)一步惡化。

線性傳輸特性

dlp光學(xué)系統(tǒng)具有線性的傳輸特性，數(shù)據(jù)帶寬高，不存在gamma特性的光像畸變。由于其頻率響應(yīng)特性呈現(xiàn)全通特性，不論是畫(huà)面的平坦區(qū)域，還是細(xì)膩的高頻細(xì)節(jié)，都能夠得到真實(shí)地再現(xiàn)，畫(huà)面細(xì)膩、細(xì)節(jié)豐富。然而，作為一種特殊的高頻部分——噪聲，也會(huì)經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)的投射而出現(xiàn)在屏幕上。因此，去噪濾波模塊（如三維去噪濾波，或是針對(duì)mpeg視頻源塊效應(yīng)和量化噪聲的去噪濾波）在dlp tv視頻前端處理中不可或缺，其性能直接影響了圖像質(zhì)量。

dlp tv視頻前端的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架

目前，我國(guó)尚處于模擬電視向數(shù)字電視過(guò)渡的時(shí)期。dlp tv視頻前端系統(tǒng)需要能夠接收多種制式、多種格式的視頻節(jié)目，并通過(guò)視頻格式轉(zhuǎn)換和圖像增強(qiáng)，將其轉(zhuǎn)變?yōu)閐lp光學(xué)系統(tǒng)能夠接收的固定視頻數(shù)據(jù)格式。傳統(tǒng)的顯示技術(shù)（如crt）頻響范圍較窄，成像不夠精細(xì)，也容易隱藏細(xì)微的圖像失真。由于dlp技術(shù)在成像上具有高保真的特點(diǎn)，因此，dlp tv視頻前端系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)之一就是如何進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)與視頻處理，使得模擬視頻輸入獲得與數(shù)字視頻相當(dāng)?shù)膱D像質(zhì)量。

如圖1所示，dlp tv視頻前端系統(tǒng)的輸入接口包括了模擬視頻信號(hào)與數(shù)字視頻信號(hào)兩大部分。模擬電視信號(hào)經(jīng)高頻調(diào)諧下變頻為模擬基帶視頻信號(hào)，和復(fù)合視頻、s端子視頻、分量視頻一同進(jìn)入video decoder。在video decoder中經(jīng)模數(shù)變換、亮色分離、色度解調(diào)與輸出格式轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)以bt.601或bt.656的格式輸入video processor。另一類(lèi)模擬視頻信號(hào)來(lái)自計(jì)算機(jī)——以rgb格式輸入的計(jì)算機(jī)圖形信號(hào)在視頻格式轉(zhuǎn)換和圖像增強(qiáng)之前經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字信號(hào)。為了兼顧數(shù)字電視廣播的應(yīng)用，數(shù)字視頻輸入通道包括了數(shù)字高頻調(diào)諧、信道解碼、mpeg-2信源解碼等模塊。

video processor是dlp tv視頻前端系統(tǒng)的核心所在。在這個(gè)模塊中，經(jīng)過(guò)去隔行變換、幀頻轉(zhuǎn)換、視頻縮放等視頻格式轉(zhuǎn)換算法，不同來(lái)源的各路視頻信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閐lp光學(xué)系統(tǒng)能夠支持的分辨率和刷新率。同時(shí)，圖像增強(qiáng)模塊提供黑/白電平延伸、亮/色邊緣增強(qiáng)、去噪濾波、膚色校正等算法，能夠顯著提升畫(huà)質(zhì)，改善主觀視覺(jué)效果。多通道視頻處理結(jié)合osd屏顯模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)pip、pop、菜單導(dǎo)航等復(fù)雜的多窗口顯示，給用戶提供更多樣的觀賞風(fēng)格。

高性能的實(shí)時(shí)視頻處理有賴于cpu、rom、ram和晶振的協(xié)同工作。隨著視頻處理向集成化方向發(fā)展，部分高端視頻處理芯片內(nèi)嵌cpu核，能夠直接通過(guò)i2c總線實(shí)現(xiàn)對(duì)片外器件的控制。rom存儲(chǔ)了視頻前端的自舉代碼和參數(shù)表，用于系統(tǒng)初始化；ram大容量存儲(chǔ)空間和高速率讀寫(xiě)訪問(wèn)保證了視頻處理的高效實(shí)時(shí)。
由于dvi和lvds數(shù)據(jù)格式采用差分方式傳輸，具有高效率、低功耗、低雜波干擾、帶寬大的特點(diǎn)，video processor輸出的rgb信號(hào)經(jīng)tmds/lvds編碼，發(fā)送到dlp光學(xué)系統(tǒng)中，從而完成整個(gè)視頻前端處理過(guò)程。

dlp tv視頻前端的系統(tǒng)設(shè)計(jì)建議

dlp tv視頻前端的系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須和dlp顯示技術(shù)的特點(diǎn)，以及dlp tv的應(yīng)用需求相結(jié)合?？紤]到dlp 技術(shù)高清晰度、高對(duì)比度、線性傳輸特性的特點(diǎn)，以及dlp光學(xué)系統(tǒng)的具體構(gòu)架，本文為dlptv視頻前端的系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供下列建議。

保持?jǐn)?shù)據(jù)動(dòng)態(tài)范圍

亮度、對(duì)比度、色調(diào)、色飽和度的設(shè)置，以及gamma校正的算法大都基于輸入/輸出響應(yīng)曲線的調(diào)整，容易產(chǎn)生數(shù)據(jù)截?cái)?，縮小動(dòng)態(tài)范圍。反映在灰階測(cè)試圖中，體現(xiàn)為暗處和亮處的灰階信號(hào)丟失。雖然大多數(shù)video decoder及video processor都具有亮色設(shè)置，或是gamma校正的圖像增強(qiáng)模塊，但是隨著動(dòng)態(tài)范圍逐級(jí)壓縮，會(huì)直接影響到后續(xù)的視頻處理和圖像質(zhì)量，因此這類(lèi)操作不宜在視頻前端中進(jìn)行。

相對(duì)于前端，亮色設(shè)置與gamma校正更適合在后端中實(shí)現(xiàn)。與其他平面顯示技術(shù)不同，dlp 光學(xué)系統(tǒng)中的ddp asic專(zhuān)用于dlp技術(shù)相關(guān)視頻處理算法的實(shí)現(xiàn)，并能夠設(shè)置亮度、對(duì)比度、色調(diào)、色飽和度和gamma查找表。實(shí)驗(yàn)證明，將亮色設(shè)置與gamma校正的算法從視頻前端轉(zhuǎn)移到dlp光學(xué)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，能夠很大程度提高圖像的主觀視覺(jué)質(zhì)量。因此，建議在ddp asic中進(jìn)行上述圖像增強(qiáng)的處理。

主通道與子通道處理能力相當(dāng)

在傳統(tǒng)電視中，子畫(huà)面顯示窗口小，僅起到信源檢索和監(jiān)控的作用，無(wú)需保持與主通道相當(dāng)?shù)奶幚硇阅?，就能得到不錯(cuò)的主觀視覺(jué)效果。因此，在視頻格式轉(zhuǎn)換和圖像質(zhì)量增強(qiáng)方面，子通道往往采用簡(jiǎn)單的視頻處理算法，以降低系統(tǒng)成本。 隨著dlp tv分辨率和屏幕尺寸的提升，dlp tv的應(yīng)用中需要更為強(qiáng)大的多窗口顯示能力——pbp模式下，子畫(huà)面與主畫(huà)面并排顯示；pip模式下，子畫(huà)面的大小和位置可以隨意改變。在這種情況下，原本在小畫(huà)面中不起眼的瑕疵和失真經(jīng)放大被突顯出來(lái)。只有當(dāng)主通道與子通道具有對(duì)等的處理性能（通道帶寬、實(shí)時(shí)性能、視頻算法）時(shí)，在同一畫(huà)面中才能呈現(xiàn)出相當(dāng)?shù)膱D像質(zhì)量。

10 bit數(shù)據(jù)精度

根據(jù)人眼視覺(jué)系統(tǒng)特有的對(duì)比靈敏度響應(yīng)特性，在較大的亮度范圍內(nèi)，人眼可以察覺(jué)2%的相對(duì)亮度變化。一旦相對(duì)亮度變化超過(guò)上述閾值，人眼就能明顯感知灰度突變。因此，為了獲得平緩變化的灰度斜坡信號(hào)，視頻前端處理的數(shù)據(jù)精度必須與顯示系統(tǒng)的對(duì)比度相適應(yīng)，否則會(huì)在畫(huà)面中產(chǎn)生輪廓和等高線失真。 在消費(fèi)電子應(yīng)用中，8 bit數(shù)據(jù)精度適合于ansi對(duì)比度在100:1以內(nèi)的顯示設(shè)備。然而，針對(duì)高對(duì)比度、線性傳輸特性的dlp tv，建議在視頻處理過(guò)程中采用10 bit數(shù)據(jù)精度。更高的數(shù)據(jù)精度不僅能夠避免畫(huà)面中出現(xiàn)輪廓和等高線失真，而且還有助于降低視頻處理中的量化誤差、截?cái)嗾`差，有效提高信噪比，降低噪聲。

3d video decoder

模擬電視制式中，亮度信號(hào)與色度信號(hào)采用公用頻帶的頻譜交錯(cuò)方式。所以，video decoder首先需要對(duì)數(shù)字化的電視信號(hào)進(jìn)行亮色分離處理。所謂2d video decoder和3d video decoder指的就是行梳狀濾波和幀/場(chǎng)梳狀濾波這兩種亮色分離的方法。2d video decoder在行平均過(guò)程中會(huì)損失部分垂直方向的空間分解力，因此適合圖像垂直細(xì)節(jié)較少的情況。在3d video decoder中，由于增加了對(duì)幀/場(chǎng)間信號(hào)的處理，該類(lèi)decoder對(duì)靜止或慢速運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景具有良好的亮色分離特性，能有效避免2d video decoder中常見(jiàn)的串色、串亮現(xiàn)象。對(duì)于運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景，視頻解碼模塊可以軟切換到行梳狀濾波器，從而保證最大的時(shí)間分解力。

在dlp tv視頻前端設(shè)計(jì)中，建議選用數(shù)據(jù)精度高、adc高速過(guò)采樣的3d video decoder。這是因?yàn)?d video decoder具有理想的亮色分離特性，高數(shù)據(jù)精度能夠降低量化誤差和截?cái)嗾`差、高采樣率adc可以在較差的接收條件下有效降低噪聲電平，獲得更高的信噪比。此外，video decoder還應(yīng)涵蓋macrovision、圖文等功能，并支持非標(biāo)信號(hào)的接收。