作者：David Katz, Ching Lam, and Rick Gentile

隨著低功耗、定點(diǎn)處理器（如ADI公司的Blackfin系列）性能和普及程度的提高，它們可以服務(wù)于越來(lái)越多的多媒體應(yīng)用。其中許多應(yīng)用需要小型、低功耗液晶顯示器（LCD）面板，其視頻分辨率通常低于用于廣播電視的完整NTSC/PAL視頻。這些面板通常由微控制器或?qū)Ｓ肔CD控制器芯片控制。但如今，Blackfin處理器具有足夠的性能來(lái)處理信號(hào)處理和控制功能，并直接連接到LCD顯示器，從而大大降低了系統(tǒng)成本和復(fù)雜性。本文將討論ADSP-BF561 Blackfin處理器的并行外設(shè)接口（PPI）如何將LCD顯示功能集成到高性能媒體處理領(lǐng)域，從而允許單個(gè)處理器同時(shí)用于系統(tǒng)處理和顯示驅(qū)動(dòng)。

被動(dòng)與主動(dòng)

LCD陣列技術(shù)主要分為兩大類——無(wú)源矩陣和有源矩陣。

在前者中，印有行的玻璃基板形成液晶夾層，基板印有柱子。像素在行列交點(diǎn)處定義。為了激活給定的像素，定時(shí)電路在將其行接地的同時(shí)激勵(lì)像素的列。由此產(chǎn)生的電壓差使液晶在該像素位置附近不透明，從而阻擋光線通過(guò)。

雖然簡(jiǎn)單明了，但無(wú)源矩陣技術(shù)確實(shí)存在一些缺點(diǎn)。首先，屏幕刷新時(shí)間相對(duì)較慢（這可能導(dǎo)致快速移動(dòng)的圖像出現(xiàn)重影）。此外，行列交叉處的電壓場(chǎng)傾向于滲入相鄰像素，部分解開(kāi)液晶并阻止一些光線通過(guò)周圍的像素區(qū)域。效果是模糊圖像中的邊緣并降低對(duì)比度。

有源矩陣LCD技術(shù)，使用類似IC的制造工藝，是一個(gè)相當(dāng)大的改進(jìn)。每個(gè)像素都有一個(gè)電容器，用于在刷新周期之間保持電荷，以及一個(gè)晶體管開(kāi)關(guān)（由此產(chǎn)生流行的術(shù)語(yǔ)，薄膜晶體管 - TFT - 顯示器）。為了對(duì)特定像素進(jìn)行尋址，將啟用其行，并對(duì)其列施加電壓。這具有僅隔離感興趣像素的效果，因此附近的其他像素不會(huì)受到影響。控制給定像素時(shí)消耗的電流減少，因此可以以更快的速率切換像素，從而與無(wú)源顯示器相比，TFT的刷新率更快。更重要的是，調(diào)制施加到像素的電壓電平允許許多離散的亮度水平。今天，通常有 256 個(gè)級(jí)別，對(duì)應(yīng)于 8 位強(qiáng)度。

對(duì)于彩色顯示器，每個(gè)像素實(shí)際上有三個(gè)子像素 - 帶有紅色，綠色和藍(lán)色（R-G-B）濾鏡 - 人眼將其視為單色斑點(diǎn)。例如，320 × 240 像素的顯示器實(shí)際上有 960 × 240 個(gè)子像素，占 R、G 和 B 分量。每個(gè)子像素具有8位強(qiáng)度，從而構(gòu)成了常見(jiàn)的24位彩色LCD顯示器的基礎(chǔ)。

由于LCD技術(shù)依賴于在像素級(jí)別調(diào)節(jié)光的通過(guò)，因此人們可能想知道光將在哪里產(chǎn)生。許多小型、低成本的單色LCD具有反射性，這意味著外部光從基板反射，但在液晶段充電的區(qū)域被阻擋。

由于TFT彩色顯示器具有數(shù)百萬(wàn)個(gè)過(guò)濾入射光的晶體管，因此反射式顯示器在有源矩陣技術(shù)中無(wú)效。相反，顯示器是背光的（或透射式）;通常，集成在顯示器中的熒光燈或白光發(fā)射二極管（LED）陣列產(chǎn)生的光在通過(guò)LCD“三明治”的各個(gè)層傳輸時(shí)經(jīng)過(guò)調(diào)制。不幸的是，晶體管消耗的大表面積需要從背光輸出更大的光。此外，TFT顯示器的每個(gè)晶體管都會(huì)耗散功率，因此有源矩陣顯示器與其無(wú)源表親相比有些耗電。

TFT-LCD 系統(tǒng)的組件

考慮到所涉及的所有不同組件，連接到TFT-LCD面板似乎很復(fù)雜。首先是面板本身，它包含一個(gè)像素?cái)?shù)組，用于高速按行和列排列，參考像素時(shí)鐘頻率。

背光通常是冷陰極熒光燈（CCFL）。在CCFL中，激發(fā)的氣體分子發(fā)出明亮的光，同時(shí)產(chǎn)生的熱量非常少。這種低耗散，加上其耐用性、長(zhǎng)壽命和簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)要求，使其成為L(zhǎng)CD面板應(yīng)用的理想選擇。如上所述，LED也是一種流行的背光方法，主要用于中小型面板。它們具有成本低、工作電壓低、壽命長(zhǎng)、強(qiáng)度控制好等優(yōu)點(diǎn)。然而，在較大的面板中，與CCFL解決方案相比，LED背光可以消耗大量功率。

LCD 控制器包含將輸入視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為正確格式以在 LCD 面板上顯示所需的大部分電路。它通常包括一個(gè)時(shí)序發(fā)生器，用于控制面板上各個(gè)像素的同步和像素時(shí)鐘定時(shí)。此外，它還可以提供多種額外功能，例如屏幕顯示、圖形疊加混合、顏色查找表、抖動(dòng)和圖像旋轉(zhuǎn)。更精致的芯片可能非常昂貴，通常超過(guò)它們所連接的處理器的成本。一些媒體處理器，如ADI公司的Blackfin系列，具有可用作LCD接口的端口，無(wú)需外部芯片。

需要LCD驅(qū)動(dòng)器芯片才能為L(zhǎng)CD面板生成適當(dāng)?shù)碾妷弘娖健Ｋ洚?dāng)LCD控制器輸出和LCD面板之間的轉(zhuǎn)換器。行和列通常單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，時(shí)序由時(shí)序發(fā)生器控制。由于直流電流會(huì)對(duì)晶體結(jié)構(gòu)施加應(yīng)力并最終導(dǎo)致劣化，因此必須以周期性的極性反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)液晶。因此，根據(jù)實(shí)現(xiàn)方式的不同，施加到每個(gè)像素的電壓極性因每幀、每行或每像素而異。

連接到 TFT-LCD 模塊

隨著更小、更便宜的多媒體設(shè)備的趨勢(shì)，人們一直在推動(dòng)將驅(qū)動(dòng)器、控制器和 LCD 面板結(jié)合起來(lái)。如今，集成TFT-LCD模塊包括定時(shí)生成和驅(qū)動(dòng)電路，因此只需要數(shù)據(jù)總線連接、時(shí)鐘/同步線路和電源。然而，為了滿足較小的PDA型LCD面板的面板厚度和成本要求，時(shí)序發(fā)生器通常無(wú)法集成到LCD模塊中。在這種情況下，需要一個(gè)單獨(dú)的外部定時(shí)ASIC來(lái)產(chǎn)生定時(shí)信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)LCD面板的各個(gè)行和列。

不過(guò)，ADSP-BF561 Blackfin處理器可以通過(guò)其并行外設(shè)接口（PPI）直接連接到許多TFT-LCD模塊。PPI 是一個(gè)多功能并行接口，寬度可在 8 位到 16 位之間配置。它支持雙向數(shù)據(jù)流，包括三條同步線和一個(gè)時(shí)鐘引腳，用于連接到外部提供的時(shí)鐘。除了連接到LCD面板外，PPI還可以無(wú)縫解碼ITU-R BT.656數(shù)據(jù)，還可以連接到ITU-R BT.601視頻流。

由于ADSP-BF561為許多具有脈寬調(diào)制（PWM）功能的通用定時(shí)器提供了，因此可以將其配置為為模塊提供適當(dāng)?shù)腖CD時(shí)序，因此無(wú)需外部定時(shí)ASIC。圖 1 顯示了 Blackfin 處理器和 TFT-LCD 模塊之間基本連接的框圖。圖中還顯示了ADSP-BF561 EZ-KIT Lite評(píng)估板;它的許多便利性提供了一種簡(jiǎn)單的方法來(lái)開(kāi)始使用各種Blackfin應(yīng)用程序，包括這里討論的應(yīng)用程序。

圖1.5-6-5 LCD連接：ADSP-BF561通過(guò)提供虛線連接，無(wú)需定時(shí)ASIC。

電源要求

TFT-LCD 面板通常需要兩個(gè)獨(dú)立的電源。首先，面板本身有電源線。盡管 LCD 面板的電源電壓要求各不相同，但通常的值為 3.3 V 或 5 V。其次，CCFL背光需要高壓電源來(lái)激發(fā)氣體分子發(fā)出熒光。該電壓通常由TFT-LCD模塊內(nèi)單獨(dú)電路板上的DC-AC逆變器產(chǎn)生。另一方面，不需要高壓交流電源的LED背光通常可以直接由5 V或12 V直流電源供電。

時(shí)鐘和同步

像素時(shí)鐘周期定義了像素采樣率，因此速度因面板分辨率和刷新間隔而異。例如，刷新率為640 Hz的VGA面板（480×60有效像素）將需要250 MHz時(shí)鐘，而QVGA面板（320×240有效像素）可以在5 MHz下運(yùn)行。

同步線控制掃描每條線和視頻幀并在LCD上顯示的時(shí)間。有兩種掃描方法，隔行掃描和逐行掃描。在隔行掃描中，首先將視頻幀的奇數(shù)線繪制到屏幕上，然后填充偶數(shù)行。在逐行掃描中，視頻線按順序連續(xù)顯示。

許多較新的逐行掃描TFT-LCD面板使用同步線來(lái)控制每條線和幀的開(kāi)始和結(jié)束位置。水平同步 （HSYNC） 表示每個(gè)新行的開(kāi)頭，而垂直同步 （VSYNC） 表示每個(gè)新幀的開(kāi)頭。它們確保生成對(duì)齊且可查看的圖像。HSYNC和VSYNC脈沖的極性以及脈沖寬度的持續(xù)時(shí)間因面板而異。

ADSP-BF561通過(guò)可配置的PWM輸出生成HSYNC和VSYNC信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)最大的靈活性。這允許調(diào)整特定TFT面板指定的極性，脈沖寬度和周期。

通常，LCD時(shí)序要求指定水平同步信號(hào)置位與實(shí)際顯示的圖像數(shù)據(jù)之間的無(wú)效數(shù)據(jù)周期。ADSP-BF561的PPI允許在接收到HSYNC信號(hào)后，傳出數(shù)據(jù)延遲指定數(shù)量的時(shí)鐘周期，從而可以處理此時(shí)序。

數(shù)據(jù)線

盡管模塊的數(shù)據(jù)接口很簡(jiǎn)單，但在選擇合適的 RGB 數(shù)據(jù)格式時(shí)需要考慮許多事項(xiàng)。三種最常見(jiàn)的配置對(duì) RGB（8-8-8 格式）使用每通道 8 位，對(duì) R 和 B 使用每通道 6 位（6-6-6 格式），對(duì) G 使用 5 位（6-5-6 格式）。

8-8-8 RGB 數(shù)據(jù)格式可提供最大的色彩清晰度。總共有 24 位分辨率，可提供超過(guò) 16 萬(wàn)種色調(diào)。這種格式提供高性能液晶電視所需的精度和分辨率。

6-6-6格式在便攜式電子產(chǎn)品中很受歡迎。18 位分辨率提供超過(guò) 262，000 種色調(diào)。但是，由于 18 引腳 （6+6+6） 數(shù)據(jù)總線不能很好地符合 16 位處理器數(shù)據(jù)路徑，因此一個(gè)流行的行業(yè)折衷方案是使用 R 和 B 各 5 位，以及 6 位 G （5+6+5 = 16） 來(lái)匹配 16 位數(shù)據(jù)總線。此方案效果很好，因?yàn)樵谌N顏色中，綠色是視覺(jué)上最重要的顏色。紅色和藍(lán)色的最低有效位與面板上各自的最高有效位相關(guān)聯(lián)。這確保了每個(gè)顏色通道的完整動(dòng)態(tài)范圍（從完全飽和到全黑）。

系統(tǒng)算法流程

要了解在媒體處理器上仿真LCD控制器（為了更換外部設(shè)備）所涉及的內(nèi)容，讓我們看一下在集成的TFT-LCD模塊上顯示傳入的原始視頻流所涉及的系統(tǒng)流程。以圖2為例，NTSC相機(jī)的數(shù)字化輸出提供應(yīng)用于ADSP-BF561處理器視頻端口的圖像流。我們將討論圖中所示的每個(gè)步驟。

圖2.系統(tǒng)流程示例：將來(lái)自攝像頭源的信號(hào)轉(zhuǎn)換為 LCD 顯示屏輸出。

去隔行

在示例中NTSC相機(jī)使用的隔行掃描視頻中，奇數(shù)場(chǎng)和偶數(shù)場(chǎng)被分開(kāi)，因此給定幀中的所有奇數(shù)行都先于任何偶數(shù)行傳輸。對(duì)于此示例，來(lái)自攝像機(jī)的視頻流在進(jìn)入視頻端口后必須取消隔行掃描。這是通過(guò)多種方式之一完成的，具體取決于所需的輸出質(zhì)量。最簡(jiǎn)單的方法是行倍增，它將每條奇數(shù)線復(fù)制到隨后的偶數(shù)線上，有效地消除偶數(shù)場(chǎng)，轉(zhuǎn)而支持奇數(shù)場(chǎng)的移位版本。由于這會(huì)產(chǎn)生明顯的偽影，因此通常使用處理密集型方法。其中包括線性插值、運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償和中值濾波。后一種方法將每個(gè)像素的強(qiáng)度值替換為其近鄰的中值灰度值，以幫助消除圖像中的高頻噪聲。

掃描率轉(zhuǎn)換

視頻去隔行掃描后，可能需要掃描速率轉(zhuǎn)換過(guò)程，以確保輸入幀速率與輸出顯示刷新率匹配。為了平衡兩者，可能需要?jiǎng)h除或復(fù)制字段。與去隔行掃描一樣，需要某種濾波來(lái)平滑由創(chuàng)建突然的幀過(guò)渡引起的高頻偽影。

色度重采樣和顏色轉(zhuǎn)換 （YCrCb -> RGB）

一些相機(jī)以原始形式提供像素信息，就像圖像傳感器提供的那樣。這可能意味著傳感器中的每個(gè)像素都有一個(gè)紅色、藍(lán)色和綠色值，或者每個(gè)像素有一個(gè) Y、Cr 和 Cb 值。Y、Cr 和 Cb 在數(shù)學(xué)上與 RGB 值相關(guān)，但與 RGB 數(shù)據(jù)相比，它們的相互關(guān)聯(lián)性較低，因此它們?cè)试S更好的壓縮比。然而，更常見(jiàn)的是，相機(jī)輸出一個(gè)利用眼睛生理學(xué)的冷凝流，為綠色（在RGB情況下）或YCrCb空間中的強(qiáng)度（Y）提供更大的權(quán)重。在圖 2 的示例中，視頻流以 4：2：2 YCrCb 格式進(jìn)入 PPI。“4：2：2”意味著給定視頻線上每?jī)蓚€(gè)色度（Cr和Cb）值有四個(gè)亮度（Y）強(qiáng)度值。每個(gè) （Y，Cb） 或 （Y，Cr） 16 位對(duì)代表一個(gè)像素值。

為了在LCD面板上顯示，數(shù)據(jù)流最終需要轉(zhuǎn)換為RGB空間。更準(zhǔn)確地說(shuō)，它需要轉(zhuǎn)換為 R'G'B' 空間，這是 RGB 空間的伽馬校正版本。伽馬校正會(huì)根據(jù)LCD面板的非線性特性進(jìn)行調(diào)整，因?yàn)榻o定像素的亮度不是在該像素位置施加的電壓的線性函數(shù)。不同的伽瑪會(huì)改變圖像中紅色、綠色和藍(lán)色的比例以及圖像亮度。圖 3 顯示了用于在 YCrCb 空間和 R'G'B' 坐標(biāo)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換的示例方程集。

圖3.伽馬校正 RGB 和 YCrCb 色彩空間之間的轉(zhuǎn)換方程示例（假設(shè)為 8 位像素分量）。

在進(jìn)行R'G'B'轉(zhuǎn)換之前，必須對(duì)Cb和Cr通道進(jìn)行重新采樣，以實(shí)現(xiàn)4：4：4格式，其中Y、Cb和Cr各一個(gè)字節(jié)代表一個(gè)像素值，如圖4所示。重新采樣的一種明確方法是通過(guò)簡(jiǎn)單平均從最近的鄰居中插值缺失的色度值。對(duì)于某些應(yīng)用程序，可能需要高階過(guò)濾，但這種簡(jiǎn)化的方法通常就足夠了。實(shí)際上，色度重采樣和色彩空間轉(zhuǎn)換的步驟都可以作為單個(gè)操作執(zhí)行，因?yàn)槊總€(gè)離散步驟都涉及線性像素操作。

圖4.4：4：4 和 4：2：2 YCrCb 采樣的圖示。

縮放

下一步，視頻縮放非常重要，因?yàn)樗试S生成分辨率與輸入格式不同的輸出流。理想情況下，固定縮放要求（輸入數(shù)據(jù)分辨率、輸出面板分辨率）是提前知道的，以避免輸入和輸出流之間任意縮放的計(jì)算負(fù)載。作為一種更簡(jiǎn)單、更便宜的選擇，可以裁剪處理后的圖像以適應(yīng)較小的 LCD 面板的范圍。

根據(jù)應(yīng)用的不同，可以向上或向下縮放。了解要縮放的圖像內(nèi)容的性質(zhì)（例如，文本和細(xì)線的存在）非常重要。縮放不當(dāng)會(huì)使文本不可讀或?qū)е履承┧骄€在縮放的圖像中消失。

最直接的縮放方法包括丟棄像素或復(fù)制現(xiàn)有像素。也就是說(shuō)，當(dāng)縮小到較低的分辨率時(shí)，可以丟棄每行上的像素?cái)?shù)（和/或每幀的某些行數(shù)）。雖然這表示處理負(fù)載較低，但結(jié)果會(huì)產(chǎn)生鋸齒和視覺(jué)偽影。

復(fù)雜性上升一小步使用線性插值來(lái)提高圖像質(zhì)量。例如，縮小圖像時(shí)，水平或垂直方向的插值都會(huì)提供新的輸出像素，以替換插值過(guò)程中使用的像素。與以前的技術(shù)一樣，信息仍然會(huì)被丟棄，因此偽影和混疊將再次出現(xiàn)。

如果圖像質(zhì)量至關(guān)重要，則還有其他方法可以執(zhí)行縮放，而不會(huì)降低質(zhì)量。這些方法力求保持圖像的高頻內(nèi)容與水平和垂直縮放一致，同時(shí)減少混疊的影響。例如，假設(shè)圖像要按 Y × X 的因子進(jìn)行縮放。為了實(shí)現(xiàn)這種縮放，可以按因子Y對(duì)圖像進(jìn)行上采樣（插值），過(guò)濾以消除混疊，然后按因子X(jué)進(jìn)行下采樣（抽取）。實(shí)際上，這兩個(gè)采樣過(guò)程可以組合在一個(gè)多速率濾波器中。

位提取/字節(jié)打包

如前所述，最好在每個(gè)傳出LCD時(shí)鐘周期傳輸16位。這種 5-6-5 位封裝可以使用源數(shù)據(jù)完成。Blackfin架構(gòu)提供了兩種有效方法之間的選擇，以創(chuàng)建所需的字節(jié)流。第一種是簡(jiǎn)單地將每種顏色（紅色、藍(lán)色和綠色）的適當(dāng)位轉(zhuǎn)移到目標(biāo)寄存器中。第二種是利用 EXTRACT/DEPOSIT 指令對(duì)從特定位位置開(kāi)始提取一定數(shù)量的位，并將結(jié)果存放在目標(biāo)寄存器中。

應(yīng)用筆記EE-256詳細(xì)介紹了一個(gè)系統(tǒng)，其中處理器安裝在ADSP-BF561 EZ-KIT Lite評(píng)估板上，接收來(lái)自DVD播放器的流視頻輸入并連接到TFT-LCD模塊。Blackfin生成所有必要的定時(shí)，并執(zhí)行抽取、顏色轉(zhuǎn)換、重采樣和輸出格式化。詳細(xì)描述了系統(tǒng)數(shù)據(jù)流和緩沖區(qū)管理，并提供了具有特定LCD模塊的工作應(yīng)用程序的示例代碼供下載。

結(jié)論

由于其性能和受歡迎程度，Blackfin處理器家族的成員正在為越來(lái)越多的多媒體應(yīng)用提供服務(wù)。它們?cè)谛枰⌒汀⒌凸摹⒅械确直媛室壕э@示器 （LCD） 面板的顯示器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中特別有用。對(duì)于許多此類應(yīng)用，Blackfin處理器具有足夠的性能來(lái)處理信號(hào)處理和控制功能，并直接連接到LCD顯示器，從而大大降低了系統(tǒng)成本和復(fù)雜性。本文建議如何通過(guò)采用ADSP-BF561 Blackfin處理器的部分備用計(jì)算能力及其用于顯示驅(qū)動(dòng)的并行外設(shè)接口來(lái)實(shí)現(xiàn)這種系統(tǒng)。

審核編輯：郭婷