DLP TV視頻前端系統構架與設計的分析

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、視頻格式轉換、圖像質(zhì)量增強等各個(gè)方面。如何接收和處理模擬視頻信號，使其獲得細膩真實(shí)的再現，為視頻前端的處理提出了挑戰……

前言
ti的 digital light processing技術(shù)是一項先進(jìn)的數字顯示技術(shù)，具有高清晰度、高對比度、豐富色彩再現和高可靠性的特點(diǎn)，廣泛應用于投影儀、電視和數字影院。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lg和samsung的dlp tv已進(jìn)入中國市場(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、視頻格式轉換、圖像質(zhì)量增強等各個(gè)方面。視頻前端的處理性能、系統構架，以及與光學(xué)系統的匹配程度，對dlp tv的圖像質(zhì)量有著(zhù)很大影響。本文從dlp顯示技術(shù)的特點(diǎn)和dlp tv的應用需求出發(fā)，討論了視頻前端的系統構架，并為系統設計提出了建議。

dlp顯示技術(shù)的特點(diǎn)

dlp光學(xué)系統的核心是digital micromirror device（數字微鏡芯片），該器件基于cmos標準半導體工藝，并具有調節反射面的旋轉機構。dmd表面上每片被尋址的微鏡對應著(zhù)一個(gè)顯示像素。隨著(zhù)視頻數據電信號的變化，微鏡以每秒五千次的速度在兩個(gè)狀態(tài)間傾斜，實(shí)現光開(kāi)關(guān)的作用，從而產(chǎn)生精確的數字灰階。配合色輪機構的高速旋轉，就可以獲得豐富的色彩再現。

由于成像機理的差別，不同顯示技術(shù)在光學(xué)機構、亮度/對比度表現能力、分辨率、輸入/輸出響應特征等方面有著(zhù)巨大的差別。因此，在設計dlp tv視頻前端系統的過(guò)程中，必須注意dlp技術(shù)的一些特點(diǎn)。只有當視頻前端處理良好匹配這些顯示特性時(shí)，才能夠實(shí)現dlp技術(shù)最佳的圖像質(zhì)量。

高清晰度

dmd表面微鏡陣列的規模決定了dlp光學(xué)系統可以達到的顯示分辨率。目前在大屏幕光顯電視應用中，最新一代dmd芯片可以實(shí)現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dlp tv視頻前端系統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，還需要考慮存儲空間的大小和讀寫(xiě)訪(fǎng)問(wèn)速度。

高對比度

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

線(xiàn)性傳輸特性

dlp光學(xué)系統具有線(xiàn)性的傳輸特性，數據帶寬高，不存在gamma特性的光像畸變。由于其頻率響應特性呈現全通特性，不論是畫(huà)面的平坦區域，還是細膩的高頻細節，都能夠得到真實(shí)地再現，畫(huà)面細膩、細節豐富。然而，作為一種特殊的高頻部分——噪聲，也會(huì )經(jīng)光學(xué)系統的投射而出現在屏幕上。因此，去噪濾波模塊（如三維去噪濾波，或是針對mpeg視頻源塊效應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視頻前端的系統結構框架

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

如圖1所示，dlp tv視頻前端系統的輸入接口包括了模擬視頻信號與數字視頻信號兩大部分。模擬電視信號經(jīng)高頻調諧下變頻為模擬基帶視頻信號，和復合視頻、s端子視頻、分量視頻一同進(jìn)入video decoder。在video decoder中經(jīng)模數變換、亮色分離、色度解調與輸出格式轉換的數字信號以bt.601或bt.656的格式輸入video processor。另一類(lèi)模擬視頻信號來(lái)自計算機——以rgb格式輸入的計算機圖形信號在視頻格式轉換和圖像增強之前經(jīng)模數轉換變?yōu)閿底中盘?。為了兼顧數字電視廣播的應用，數字視頻輸入通道包括了數字高頻調諧、信道解碼、mpeg-2信源解碼等模塊。

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

高性能的實(shí)時(shí)視頻處理有賴(lài)于cpu、rom、ram和晶振的協(xié)同工作。隨著(zhù)視頻處理向集成化方向發(fā)展，部分高端視頻處理芯片內嵌cpu核，能夠直接通過(guò)i2c總線(xiàn)實(shí)現對片外器件的控制。rom存儲了視頻前端的自舉代碼和參數表，用于系統初始化；ram大容量存儲空間和高速率讀寫(xiě)訪(fǎng)問(wèn)保證了視頻處理的高效實(shí)時(shí)。
由于dvi和lvds數據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信號經(jīng)tmds/lvds編碼，發(fā)送到dlp光學(xué)系統中，從而完成整個(gè)視頻前端處理過(guò)程。

dlp tv視頻前端的系統設計建議

dlp tv視頻前端的系統設計必須和dlp顯示技術(shù)的特點(diǎn)，以及dlp tv的應用需求相結合?？紤]到dlp 技術(shù)高清晰度、高對比度、線(xiàn)性傳輸特性的特點(diǎn)，以及dlp光學(xué)系統的具體構架，本文為dlptv視頻前端的系統設計提供下列建議。

保持數據動(dòng)態(tài)范圍

亮度、對比度、色調、色飽和度的設置，以及gamma校正的算法大都基于輸入/輸出響應曲線(xiàn)的調整，容易產(chǎn)生數據截斷，縮小動(dòng)態(tài)范圍。反映在灰階測試圖中，體現為暗處和亮處的灰階信號丟失。雖然大多數video decoder及video processor都具有亮色設置，或是gamma校正的圖像增強模塊，但是隨著(zhù)動(dòng)態(tài)范圍逐級壓縮，會(huì )直接影響到后續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。

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

主通道與子通道處理能力相當

在傳統電視中，子畫(huà)面顯示窗口小，僅起到信源檢索和監控的作用，無(wú)需保持與主通道相當的處理性能，就能得到不錯的主觀(guān)視覺(jué)效果。因此，在視頻格式轉換和圖像質(zhì)量增強方面，子通道往往采用簡(jiǎn)單的視頻處理算法，以降低系統成本。 隨著(zhù)dlp tv分辨率和屏幕尺寸的提升，dlp tv的應用中需要更為強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)。只有當主通道與子通道具有對等的處理性能（通道帶寬、實(shí)時(shí)性能、視頻算法）時(shí)，在同一畫(huà)面中才能呈現出相當的圖像質(zhì)量。

10 bit數據精度

根據人眼視覺(jué)系統特有的對比靈敏度響應特性，在較大的亮度范圍內，人眼可以察覺(jué)2%的相對亮度變化。一旦相對亮度變化超過(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，視頻前端處理的數據精度必須與顯示系統的對比度相適應，否則會(huì )在畫(huà)面中產(chǎn)生輪廓和等高線(xiàn)失真。 在消費電子應用中，8 bit數據精度適合于ansi對比度在100:1以?xún)鹊娘@示設備。然而，針對高對比度、線(xiàn)性傳輸特性的dlp tv，建議在視頻處理過(guò)程中采用10 bit數據精度。更高的數據精度不僅能夠避免畫(huà)面中出現輪廓和等高線(xiàn)失真，而且還有助于降低視頻處理中的量化誤差、截斷誤差，有效提高信噪比，降低噪聲。

3d video decoder

模擬電視制式中，亮度信號與色度信號采用公用頻帶的頻譜交錯方式。所以，video decoder首先需要對數字化的電視信號進(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節較少的情況。在3d video decoder中，由于增加了對幀/場(chǎng)間信號的處理，該類(lèi)decoder對靜止或慢速運動(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、串亮現象。對于運動(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視頻前端設計中，建議選用數據精度高、adc高速過(guò)采樣的3d video decoder。這是因為3d video decoder具有理想的亮色分離特性，高數據精度能夠降低量化誤差和截斷誤差、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還應涵蓋macrovision、圖文等功能，并支持非標信號的接收。