基于FPGA的高光效LCD投影機設(shè)計

引言
顯示技術(shù)正朝著大屏幕、高清晰度、高亮度和高分辨率的方向發(fā)展。通常說來，將屏幕顯示面對角線尺寸在1米(40英寸)以上的顯示稱為大屏幕顯示。投影機作為一種重要的顯示設(shè)備，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用到了金融、教育、企業(yè)、軍事等多個領(lǐng)域，它所具有的大幅面、高清晰多媒體演示功能，使信息的傳遞具有更好的效果。目前，市面上的主流產(chǎn)品是三片式LCD投影機和DLP投影機，其中，三片式LCD投影機的市場份額高達三分之二。

然而，投影機的主要采購者絕大多數(shù)是政府部門、企業(yè)和高校。無論是三片式LCD投影機還是DLP投影機，其高昂的價格一直妨礙著投影機進入普通家庭。為了簡化設(shè)備結(jié)構(gòu)，降低成本，本文給出了一種基于FPGA的高光效單片彩色LCD投影機的設(shè)計方法。

1 投影原理

三片式LCD投影機的一般電路原理如圖1所示。由圖1可以看出，傳統(tǒng)LCD投影機的電路原理是把傳送過來的視頻信號通過彩色解碼，以產(chǎn)生R、G、B信號，然后通過視頻處理電路把該三基色信號加載在紅、綠、藍三只單色液晶屏上，最后加在三只單色投影管上，并經(jīng)三只單色投影管還原后，再把圖像通過光學(xué)透鏡放大幾十倍后由反射鏡反射到屏幕上，最后在屏幕上合成出彩色圖像。由此可以看出，由于三只投影管和投影鏡頭并非都正對屏幕放置，三種圖像信號還原到屏幕上所經(jīng)過的光路各不相同，而這必然導(dǎo)致R、G、B三色信號在屏幕上不能完全重合在一起，進而引起會聚失真。

于是，本文從圖1的視頻處理電路和控制電路著手，設(shè)計了一種新的投影方式，即在一個液晶屏上呈現(xiàn)R、G、B三基色的單色圖像數(shù)據(jù)，并對照射進來的R、G、B三單色光進行調(diào)制，然后經(jīng)過透射、折射以及圖像拉寬等光學(xué)系統(tǒng)的處理，最終在屏幕上形成彩色網(wǎng)像，該方法的原理圖如圖2所示。

通過圖2可以看出，該沒計的最大特點是在一塊LCD屏上分別顯示出R、G、B三基色圖像，并通過對單色光進行調(diào)制來投影，而不像傳統(tǒng)的投影系統(tǒng)，要用三塊LCD屏分別顯示R、G、B基色圖像。

2 投影機系統(tǒng)電路

在投影機設(shè)計中，控制電路的作用是對輸入的視頻和數(shù)字圖像信號進行處理，以將其轉(zhuǎn)變成適合LCD屏顯示的信號。投影系統(tǒng)的電路部分如圖3所示。當(dāng)圖像信號由DVI接口傳送到DVI解碼芯片后，系統(tǒng)可將視頻信號分解成24位R、G、B單色信號以及相應(yīng)的控制信號，再通過FPGA組成的視頻信號處理電路進行相關(guān)轉(zhuǎn)換，然后經(jīng)過DVI編碼芯片恢復(fù)成DVI信號，最后送至液晶屏。

從系統(tǒng)電路的示意圖可知。以FPGA為核心(包括DVI解碼、編碼芯片在內(nèi))的信號處理電路是整個設(shè)計中最為關(guān)鍵的部分，圖4所示是其數(shù)據(jù)讀寫和傳輸示意圖。從DVI解碼芯片進入FPGA的數(shù)據(jù)包括8位并行R／G／B信號以及行、場控制信號和時鐘信號。事實上，為實現(xiàn)實時視頻顯示，應(yīng)該對一幀(筆者使用的LCD屏所支持的最高分辨率為XGA，即1024×768)數(shù)據(jù)進行處理?？墒?，如果對整幀數(shù)據(jù)一起處理，至少需要2 MB以上的外部存貯器來對數(shù)據(jù)進行緩存，這樣既提高了成本，又增加了電路的復(fù)雜性。因此，在本設(shè)計中，筆者采用了一種新思路，即對輸入的視頻數(shù)據(jù)一行一行的進行處理，并且在相鄰兩行的數(shù)據(jù)流處理中采用“乒乓操作”，這樣既可實現(xiàn)實時顯示，又簡化了電路。具體操作如下：

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① 通過模塊調(diào)用將FPGA的片內(nèi)RAM分為“RAM_A”和“RAM_B”；

② 在第一個行周期，將輸入的第一行數(shù)據(jù)流緩存到“RAM_A”：因為一行視頻信號有3K字節(jié)，為了實現(xiàn)在LCD屏上三基色的分離，在對數(shù)據(jù)進行存儲時，不能按照數(shù)據(jù)進入FPGA的順序來存儲，而應(yīng)將紅色數(shù)據(jù)依次存放在第1至第1024個存儲單元，綠色數(shù)據(jù)存放在第1025至第2048個存儲單元，藍色數(shù)據(jù)則放在第2049至第3072個存儲單元，即將原來的象素“打亂”存放；

③ 在第二個行周期，按照步驟②中所描述的方法將第二行的視頻信號存入“RAM_B”，同時將“RAM_A”中所存的第一行視頻信號依次從I／O口讀出，再經(jīng)DVI編碼芯片編碼后送至LCD屏，即在讀出數(shù)據(jù)時“按序”讀??；

④ 重復(fù)步驟②、③，使讀、寫操作交替在“RAM_A”和“RAM_B”間循環(huán)進行，直至一幀數(shù)據(jù)傳輸完畢。

此時，LCD屏上顯示數(shù)據(jù)的具體算法如圖5所示，即R1，2占據(jù)G1，1的位置(即第2個單元)，R1，3占據(jù)B1，1的位置(即第3個單元)，R1，4占據(jù)第4個單元，以此類推，直至1024個紅色數(shù)據(jù)在LCD屏上排列完畢，再開始綠色數(shù)據(jù)，繼而是藍色數(shù)據(jù)。這樣便可達到圖2中在一塊LCD屏上分別顯示R、G、B圖像的目的。

本設(shè)計中所采用的FPGA是Altera公司CvclONe系列中的EP1C6Q240C8。該FPGA的片內(nèi)存儲器容量為90kbits，完全能夠勝任對分辨率為XGA顯示模式的視頻信號進行行處理。如果要支持更高分辨率的投影模式或?qū)D像進行整幀的處理，只需更換具有更大片內(nèi)RAM資源的FPGA或是在FPGA的I／O口外接片外存儲器。DVI解碼和編碼芯片分別選用Sil161和Sil164。

這種基于FPGA的控制器除可用投影機的視頻信號處理外，還可應(yīng)用于平板顯示中有關(guān)圖像的翻轉(zhuǎn)、截取以及象素的抽取等。其操作的關(guān)鍵是對數(shù)據(jù)讀、寫地址的控制。

3 液晶屏的處理和光學(xué)調(diào)整

現(xiàn)在市面上的TFT液晶板都是有濾色膜的。本設(shè)計如果直接使用這種液晶板，那么當(dāng)R、G、B三單色光分別照射到R、G、B圖像區(qū)域的時候，濾色膜會吸收掉很大一部分光能，從而從投影亮度過低，無法達到應(yīng)用要求。因此，本設(shè)計中所采用的液晶板需去掉濾色膜或者沒有濾色膜的產(chǎn)品，以提高光源利用率和投影亮度。

由于視頻信號在LCD屏上分為R、G、B三個部分，因此，三基色圖像通過液晶板匯聚以后，會形成一幅高度和原圖像相等。寬度壓縮為原圖像三分之一的彩色圖像。這時，只需要一枚寬銀幕鏡頭即可將該壓縮圖像拉寬，從而使其恢復(fù)到正常圖像。

4 結(jié)束語

隨著家庭影院概念的普及，約來越多的消費者希望在家中享受大制作影片所帶來的強烈震撼。然而，昂貴的投影機卻讓很多家庭望而卻步。本文從實際應(yīng)用出發(fā)，設(shè)計了一種基于FPGA的高光效單片彩色LCD投影方式。不難看出，該投影系統(tǒng)將具有如下優(yōu)勢：

(1) 一旦產(chǎn)業(yè)化，這種新型投影機的成本比其它的LCD投影機要低很多，因而易于進入普通家庭；

(2) 集成度高，體積小，信息容量大，速度快；

(3) 光利用率顯著提高，從而提高了顯示質(zhì)量。