畫(huà)中畫(huà)技術(shù)在車(chē)載娛樂(lè)系統(tǒng)中的應(yīng)用

隨著汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，汽車(chē)信息系統(tǒng)的復(fù)雜性和信息密度在日益上升，顯示器不再僅僅是基本的集中儀表顯示，而是要滿足越來(lái)越詳細(xì)和多樣化的車(chē)內(nèi)信息顯示需求。汽車(chē)顯示系統(tǒng)已經(jīng)從傳統(tǒng)的純音頻，如MP3、CD演變成了集成GPS導(dǎo)航、影音娛樂(lè)的綜合顯示系統(tǒng)。顯示的內(nèi)容通常包括：GPS地圖信息、DVD播放、數(shù)字廣播電視和倒車(chē)畫(huà)面等。對(duì)于如此多的顯示信息，通常需要配備多個(gè)顯示器，或者用一個(gè)視頻開(kāi)關(guān)在不同信號(hào)間進(jìn)行切換，這些方法無(wú)疑需要增加成本，增大操作的復(fù)雜性，并且在同一時(shí)段只能獲得一種顯示信息。

畫(huà)中畫(huà)（PIP，picture in picture）技術(shù)產(chǎn)生于20世紀(jì)80年代，主要應(yīng)用于電視中，用戶可同時(shí)觀看多個(gè)節(jié)目。畫(huà)中畫(huà)的子畫(huà)面位置可調(diào)、可以放大、縮小或者靜止顯示；主子畫(huà)面的內(nèi)容也可以交換，利用這些功能，人們?cè)谟^看某一頻道電視節(jié)目時(shí)，能在屏幕的一角監(jiān)視其他頻道節(jié)目或者室內(nèi)外安全；并可利用子畫(huà)面功能欣賞某些分解動(dòng)作。

本文提出的利用畫(huà)中畫(huà)技術(shù)實(shí)現(xiàn)在特殊的車(chē)載環(huán)境中的多畫(huà)面同時(shí)顯示，可以較好的解決這些問(wèn)題。

設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)采用TECHWELL公司的TW8811，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

對(duì)于車(chē)載娛樂(lè)系統(tǒng)的信號(hào)源，一般地，DVD播放器輸出信號(hào)為CVBS或S-VIDEO,攝像頭為CVBS或CCIR656，TV為CVBS，GPS為Digital RGB。多路復(fù)合信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波、A/D轉(zhuǎn)換及解碼后，進(jìn)入主畫(huà)面及子畫(huà)面處理。通過(guò)視頻開(kāi)關(guān)適時(shí)控制主畫(huà)面及子畫(huà)面信號(hào)的切換，子畫(huà)面經(jīng)過(guò)一定比例抽樣，存入存儲(chǔ)器，再以一定速度讀出，實(shí)現(xiàn)縮放顯示。如同在主畫(huà)面的某個(gè)位置開(kāi)了一個(gè)窗口，將子畫(huà)面嵌入窗口內(nèi)。視頻開(kāi)關(guān)脈沖與主畫(huà)面的行場(chǎng)同步信號(hào)有嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系。 

圖2為主、子畫(huà)面均為8階灰階圖的畫(huà)中畫(huà)顯示原理。在場(chǎng)掃描過(guò)程中，在第A～B行間建立場(chǎng)窗口；行掃描過(guò)程中，第C～D列間建立行窗口，并在此區(qū)間插入子畫(huà)面信號(hào)。從圖2中可看出，子畫(huà)面的行場(chǎng)同步與主畫(huà)面的行場(chǎng)同步時(shí)序一致，但信號(hào)數(shù)據(jù)只在C～D列間送入，并且是一個(gè)經(jīng)過(guò)了壓縮的完整灰階波形。子畫(huà)面的縮放大小由抽樣頻率及讀寫(xiě)速度控制，抽樣頻率越低，讀取速度如果也快，那么壓縮比例越大。子畫(huà)面的位置以主畫(huà)面的行場(chǎng)同步為基準(zhǔn)，由時(shí)序嚴(yán)格控制。當(dāng)主畫(huà)面開(kāi)始掃描，經(jīng)過(guò)ΔTV的時(shí)間掃到第A行，再經(jīng)過(guò)ΔTH掃到第C列。

圖2 畫(huà)中畫(huà)原理

此時(shí)，輸出信號(hào)源切換為子畫(huà)面信號(hào)，開(kāi)始從存儲(chǔ)器中讀出子畫(huà)面數(shù)據(jù)，作為T(mén)FT屏的顯示數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)THW,讀到第D列后，顯示數(shù)據(jù)源重新切換到主畫(huà)面。如此往復(fù)，直到第B行的第D列，子畫(huà)面顯示信號(hào)全部掃描完畢。插入窗口可以在主畫(huà)面的任何位置，但一般都放于四個(gè)角上。

本方案有如下特點(diǎn)：采用TW8811控制器，解碼包含3D梳妝濾波器，提高了動(dòng)態(tài)顯示效果。通過(guò)畫(huà)中畫(huà)技術(shù)，可控制多信號(hào)源同時(shí)顯示，并可靈活調(diào)整主子畫(huà)面的大小和位置，滿足了人們對(duì)汽車(chē)中多樣化顯示信息的需求，增加了娛樂(lè)性?？芍С值?280×1024的分辨率；屏的接口支持TTL接口、TCONLESS接口、LVDS接口和模擬屏接口，足以滿足目前車(chē)載娛樂(lè)系統(tǒng)的要求。屏的Gamma電壓可編程控制，取代傳統(tǒng)的電阻網(wǎng)絡(luò)串，更精確方便。

硬件電路設(shè)計(jì)

1 DC/DC、Gamma緩沖    

 
通常，汽車(chē)環(huán)境中的電壓在6～36V范圍內(nèi)，本系統(tǒng)需要的電壓有：+5V、+3.3V、+1.8V、+8.4V及LCD BIAS。 先用DC/DC BUCK電路將輸入穩(wěn)定到+5V?？蛇x用TI的TFT專用電源IC TPS65140主輸出驅(qū)動(dòng)LCD，同時(shí)利用電荷泵產(chǎn)生TFT屏所需的VGH、VGL、VCOM、Gamma等電平。值得一提的是，TPS65140的電源上電順序與TFT所需時(shí)序嚴(yán)格一致，即先上主電源，然后是VGL，最后是VGH。該IC還具備欠壓保護(hù)、斷路保護(hù)、錯(cuò)誤偵測(cè)等功能。主電源電路如圖3所示。

圖3 主電源電路

為了降低輸出電壓紋波，選取22μF、低ESR的陶瓷電容。

本設(shè)計(jì)可采用TI的BUF68120作為屏的Gamma緩沖。該器件可通過(guò)內(nèi)部寄存器設(shè)置14路Gamma及Vcom值，并可在線實(shí)時(shí)修改。

2 圖像處理電路  

圖像處理是本系統(tǒng)的核心。TW8811可支持的信號(hào)源有CVBS、S-VIDEO、YCBCR、24位Digital RGB和Analog RGB。

經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，通過(guò)3D comb filter對(duì)復(fù)合信號(hào)分離成Y、C分量，C包含U、V成分，兩者相位相差90°，再經(jīng)過(guò)色度解調(diào)，最終將復(fù)合信號(hào)解碼為4:2:2的YUV信號(hào)。而對(duì)于數(shù)字RGB信號(hào)，直接通過(guò)色度空間轉(zhuǎn)換為YUV信號(hào)，進(jìn)入PIP處理單元。當(dāng)PIP功能開(kāi)啟后，對(duì)子畫(huà)面YUV信號(hào)流以一定頻率取樣，存入外部存儲(chǔ)器，再通過(guò)寄存器控制重新讀入數(shù)據(jù)。內(nèi)部時(shí)序嚴(yán)格控制取樣及讀取的頻率和時(shí)間點(diǎn)。最終處理后的數(shù)據(jù)和時(shí)序一起輸出驅(qū)動(dòng)TFT屏顯示。TW8811內(nèi)部框圖如圖4所示。

圖4 TW8811內(nèi)部框圖

為了保證有較好的顯示效果，需要對(duì)信號(hào)輸入端作濾波處理，如圖5所示。在輸入端加一個(gè)Π型濾波網(wǎng)絡(luò)，衰減3dB的截止頻率為10MHz，而CVBS信號(hào)的頻率帶寬為0～6MHz，該濾波網(wǎng)絡(luò)可以有效的濾除高頻雜波。

圖5 CVBS輸入端濾波電路

3 MCU及SDRAM控制電路  

MCU是本系統(tǒng)的控制中心，主要用于初始化TW8811、偵測(cè)紅外中斷或按鍵掃描，并執(zhí)行相應(yīng)操作。SDRAM主要用于PIP數(shù)據(jù)的緩存和OSD畫(huà)面的存儲(chǔ)等。

軟件設(shè)計(jì)

軟件也是系統(tǒng)的核心，軟件程序流程如圖6所示。主程序主要完成MCU的初始化設(shè)置，并通過(guò)I2C口對(duì)TW8811的寄存器進(jìn)行初始化配置，實(shí)現(xiàn)正常顯示。主程序如下：
void main(void){
 InitCPU();  //mcu初始化 
 System_init();   // tw8811初始化
 while(1) {    
 main_loop();  //pip按鍵偵測(cè)循環(huán)
 PowerOff();
 WaitPowerOn();
 }}

圖6 程序流程圖

在main_loop()中，MCU的中斷口偵測(cè)到PIP功能開(kāi)啟指令后，通過(guò)更改TW8811寄存器選擇輸入子畫(huà)面的信號(hào)通道。并開(kāi)啟子畫(huà)面窗口，即選擇子畫(huà)面數(shù)據(jù)為輸出顯示數(shù)據(jù)源。

以子畫(huà)面水平和垂直均壓縮1/2為例，設(shè)置子畫(huà)面大小的過(guò)程為：以原頻率的1/2的速度對(duì)4:2:2的子畫(huà)面YUV數(shù)據(jù)進(jìn)行隔行取樣，緩存入外部SDRAM。在行場(chǎng)同步時(shí)序的控制下，再以原頻率從SDRAM中讀出，作為顯示數(shù)據(jù)。

設(shè)置子畫(huà)面位置的過(guò)程為：通過(guò)寄存器設(shè)置子畫(huà)面在主畫(huà)面中的行起始、行結(jié)束、場(chǎng)起始、場(chǎng)結(jié)束的值。并可通過(guò)修改這四個(gè)參數(shù)來(lái)調(diào)整子畫(huà)面的位置。
                         
實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)車(chē)載娛樂(lè)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，針對(duì)其多信號(hào)源的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種利用PIP功能實(shí)現(xiàn)多畫(huà)面同時(shí)顯示的方案。圖7、圖8為本方案的顯示效果，屏的分辨率為800×480，接口為18位Digital RGB。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，用戶能夠方便的控制兩種信號(hào)的畫(huà)中畫(huà)顯示，同時(shí)還可實(shí)現(xiàn)POP（Picture on picture）的顯示。通過(guò)osd菜單可調(diào)整子畫(huà)面的位置及大小，并可將主畫(huà)面及子畫(huà)面互換，達(dá)到良好的顯示效果，非常適用于車(chē)載娛樂(lè)系統(tǒng)。

圖7 POP顯示效果

圖8 PIP顯示效果