拼墙系统的颜色校正和多层图像处理系统设计

[摘要]介绍一种基于DLP（数字光处理）显示技术拼接墙系统的颜色校正方法和可灵活配置的多层实时图像处理系统的设计，首先对每个DLP显示单元进行三基色校正，再对超高分辨率的拼接墙显示系统图像进行生成、分割、叠加等信号处理。颜色校正和多层图像处理系统与拼接墙每个显示单元构成一个分布式的系统，能同时显示大量信号源，且信号源的类型和数量可以灵活配置，所有信号均能实时高质量的在全拼接墙范围以任意大小、任意位置、任意顺序进行多个窗口的叠加显示。作为一种新型的多层图像处理系统，既增加了应用的灵活性，又可以减少资源浪费，降低成本。

[关键词]颜色校正 总线结构 叠加 实时 同步

中图分类号：TP2 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2008）1110009－03

一、引言

拼墙显示系统的多种综合应用集中显示功能广泛应用于电信、电力、交通、公安等控制中心。特别是超高分辨率的单一逻辑屏整合计算机系统、图像处理技术、多种不同类型信号采集技术等处理和集成功能，提供了集实时信息采集、传输、处理、显示于一体的高科技综合性系统。本文针对超高分辨率拼墙显示系统的颜色校正、图像的生成、分割、叠加等信号处理部分进行研究与设计。传统的颜色校正方法仅仅是调节红、绿、蓝三基色的比例一致，但是每个光学部件本身的物理特性存在很大差异导致校正效果较差；另外，目前市场上出售的多屏图像处理器大部分采用多屏图形卡生成一个高分辨率的且被分割的桌面，同时采用信号采集卡，将VIDEO和RGB等信号采集后通过总线传输到图形卡进行显示，但这种结构的图像处理器因受总线带宽、CPU的处理能力及结构的限制能同时在桌面上显示的信号的数量较少、实时性较差、图像的质量也较差；还有采用专用的纯硬件集中处理结构，所有信号的采集、分配、分割、叠加全部由ASIC或FPGA完成，虽然所有信号都能实时显示，且图像质量非常好，但这类处理器因受结构和成本的限制，每个单元能同时显示的信号数量较少且固定，整个显示系统能同时显示的信号数量也较少。而利用本文的颜色校正方法和多层图像处理系统技术方案即能同时显示大量信号源，而且信号源的类型和数量可灵活配置，又能保证所有信号均能实时高质量的显示。

二、颜色校正方法

由于DLP显示技术中的两个关键光学部件色轮和灯泡的光谱特性存在很大离散性，即使将所有DLP显示单元的红、绿、蓝三基色的比例调节成一致，拼墙各个显示单元的颜色也很难达到一致。采用本文介绍的颜色校正方法后，所有DLP显示单元每种基色的色度和亮度都能调到一致，这样整个拼墙系统无论在显示彩色或白色时其颜色的色度和亮度偏差均能达到人眼几乎无法分辨的程度，在显示整墙高分辨率图片时，整墙颜色高度一致且鲜艳锐利，完全能满足超高分辨率拼墙显示系统颜色校正的要求。

（一）方法原理

本论文的颜色校正方法原理如图1所示，其中，Red_in、Green_in、Blue_in分别为3基色的红色、绿色、蓝色输入信号，1a、1b、1c分别为输入锁存器，2a、2b、2c分别为伽玛矫正模块，Red_out、Green_out、Blue_out分别为校正后的三基色的红色、绿色、蓝色输出信号，Clk_in、Hsync_in、Vsync_in、DDE_in分别为时钟输入信号、行同步输入信号、场同步输入信号和数据有效输入信号，Hsync_out、Vsync_out、DDE_out分别为行同步输出信号、场同步输出信号和数据有效输出信号。

三基色校正方法依次包括以下的处理步骤：

（1）输入的每种基色8bit数字信号Red_in、Green_in、Blue_in首先由输入锁存器处理，使输入信号与时钟同步，克服因外部传输延时不一致造成的信号不同步而引起的彩色噪点问题；

（2）经输入锁存器锁存处理后的信号送到8bit进10bit出的伽玛矫正模块处理，伽玛矫正模块由一个双端口RAM和一个伽玛矫正表写入控制器组成，用来矫正DLP显示部件的光学特性的非线性，此时如果数字光处理显示部件本身带有伽玛矫正功能应关闭；

（3）经伽玛矫正模块矫正后的每种基色信号同时送到交叉运算模块处理，实现输入信号和输出信号的全交叉运算，全交叉运算后混合输出的效果等同于修改基色的色坐标，这时能将每种基色和补色都调到一致；

（4）经交叉运算模块运算后的信号再送到空间扩散模块处理，以相邻的几个像素为一个单位进行控制，采用两维空间和一维时间的扩散模式，将输入信号中的最低2bit定义为M，将输入信号中去掉M后的部分定义为N，则空间扩散模块的特征在于相邻的几个像素随M的增大而输出N+1的像素的个数逐渐增加，在接下来的一场将取N和取N+1的像素的位置重新排列，这样将DLP显示部件的显示灰度提高2bit或2bit以上，经空间扩散模块扩散后的信号直接送到DLP显示部件进行显示；

（5）行同步输入信号Hsync_in、场同步输入信号Vsync_in及数据有效输入信号DDE_in在以上步骤处理的同时，由同步延时器进行延时处理，同步延时器的延迟时间应与数据信号的延迟时间一致；经同步延时器延时后的同步输出信号Hsync_out、Vsync_out、DDE_out一路送给DLP显示部件用于显示的同步控制，另一路送到奇偶场、奇偶线、奇偶像素识别模块，产生空间扩散模块所需的控制信号。

（二）交叉运算模块的设计

交叉运算模块由九个乘法器和三个三端口加法器组成，九个乘法器分成三个为一组，每组乘法器各自接入一种基色信号，每组乘法器中各个乘法器的输出端按照交叉运算规则交叉连接到各个加法器。运算过程如图2所示。

矫正后的红色输入信号Red_in"与红基色增益寄存器Reg_Krr的值、矫正后绿色输入信号Green_in"与绿到红增益寄存器Reg_Kgr的值、矫正后蓝色输入信号Blue_in"与蓝到红增益寄存器Reg_Kbr的值由各自的乘法器3a、4c、4e进行乘法处理，上述三组乘法处理所得的信号再由加法器5a进行加法处理后得出10bit红色输出信号Red_out"。其运算表达式为Red_out"= Red_in" * Reg_Krr + Green_in" * Reg_Kgr + Blue_in" * Reg_Kbr；

矫正后的绿色输入信号Green_in"与绿基色增益寄存器Reg_Kgg 的值、矫正后红色输入信号Red_in"与红到绿增益寄存器Reg_Krg的值、 矫正后蓝色输入信号Blue_in"与蓝到绿增益寄存器Reg_Kbg的值由各自的乘法器3b、4a、4f进行乘法处理，上述三组乘法处理所得的信号再由加法器5b进行加法处理后得出10bit绿色输出信号Green_out"。其运算表达式为Green_out" = Green_in" * Reg_Kgg + Red_in" * Reg_Krg + Blue_in" * Reg_Kbg；

矫正后的蓝色输入信号Blue_in"与蓝基色增益寄存器Reg_Kbb的值、矫正后红色输入信号Red_in"与红到蓝增益寄存器Reg_Krb的值、 矫正后绿色输入信号Green_in"与绿到蓝增益寄存器Reg_Kgb的值由各自的乘法器3c、4b、4d进行乘法处理，上述三组乘法处理所得的信号再由加法器5c进行加法处理后得出10bit蓝色输出信号Blue_out"。其运算表达式为Blue_out" = Blue_in" * Reg_Kbb + Red_in" * Reg_Krb + Green_in" * Reg_Kgb。

（三）空间扩散模块的设计

空间扩散模块6a、6b、6c的功能和结构完全相同，分别对应红绿蓝三个颜色通道。

如图1和图2所示，空间扩散模块6a将加法器5a输出的10bit红色输出信号Red_out"进行三维（两维空间和一维时间）扩散后变为8bit红色输出信号Red_out送到DLP显示部件的红色输入口，空间扩散模块6b将加法器5b输出的10bit绿色输出信号Green_out"进行三维（两维空间和一维时间）扩散后变为8bit绿色输出信号Green_ou送到DLP显示部件的绿色输入口，空间扩散模块6c将加法器5c输出的10bit蓝色输出信号Blue_out"进行三维（两维空间和一维时间）扩散后变为8bit蓝色输出信号Blue_out送到DLP显示部件的蓝色输入口。

空间扩散模块6a、6b、6c以相邻的4个像素为一个单位进行控制，采用两维空间和一维时间的扩散模式，控制信号为输入信号中的最低2bit和来自于奇偶场奇偶线奇偶像素识别模块10的奇偶场信号、奇偶线信号、奇偶像素信号。将奇偶线信号、奇偶像素信号和奇偶场信号组合成3bit二进制数L（最高位为奇偶线信号、中间位为奇偶像素信号、最低位为奇偶场信号），将输入信号中的最低2bit定义为M，将输入信号中去掉M后的部分定义为N，则扩散模块的逻辑关系可用表1表示，其中L和M的交叉点的值（N或N+1）表示满足L和M条件时扩散模块的输出值。

三、多层图像处理系统设计

（一）系统工作原理

本文所述的基于总线结构可灵活配置的多层实时图像处理系统包括一个核心控制模块，一个输出模块和n个数量可配置输入模块，这些模块通过总线插座及背板相连接，系统原理框图如图3所示。

首先，由核心控制模块产生整个处理系统所需要的像素时钟及同步信号，这些信号传递给连接在信号总线上的所有信号处理模块，使所有进入信号总线的图像信号同步。在信号总线上可以同时连接多个输入模块并且数量可以灵活配置，核心控制模块内的微控制器通过读取每个输入模块的配置信息而获取整个处理系统的所有输入通道信息，由这些信息再进行控制端口等硬件资源的分配，从而实现输入通道数和输入信号类型的可任意配置性。然后，核心控制模块同时产生整个处理系统所需的叠加控制信号并通过控制总线连接到每个信号通道的总线驱动控制端，进行信号选通，从而保证任意时刻只有一路信号进入信号总线实现叠加显示，进入信号总线的信号经过输出模块内的信号锁存器及信号格式转换器后输出给显示设备显示。

（二）核心控制模块的设计

上述的核心控制模块由一个系统时钟发生器、一个同步信号发生器、一个桌面信号格式化器、一个桌面信号帧率转换器、一个关键色提取和叠加控制器及一个微控制器组成，其原理框图如图4所示。

系统时钟发生器用来生成一个完成所有连接到信号总线上的信号处理模块同步的像素时钟，可以使用晶体振荡器或锁相环等手段实现，这是实现图像叠加的基础，它通过信号总线连接到每一个输入信号通道的处理模块，其频率由输出信号的分辨率决定，如输出符合VESA标准60Hz刷新率的XGA信号的像素时钟频率为65MHz。

同步信号发生器在系统时钟的控制下生成输出图像所需的同步信号，它可以配置为主模式或从模式。工作在主模式时，生成整个处理器显示所需的行同步信号HS、场同步信号VS、数据有效信号DE，HS、VS、DE信号经过信号总线连接到整个处理系统内每一个输入信号通道的处理模块，同时被输出给工作在从模式的处理器；工作在从模式时，接收工作在主模式的处理器输入的同步信号并经过信号总线连接到本处理系统内每一个输入信号通道的处理模块。在一个显示系统中只有一个处理器工作在主模式，其它全部工作在从模式，这样保证整个显示系统全部同步。

桌面信号格式化器将输入的模拟RGB信号、DVI（数字视频信号）或LVDS（低电压差分信号）串行数字信号变成标准LVTTL电平的数字RGB信号送到桌面信号帧率转换器，桌面信号帧率转换器在系统时钟和同步信号的控制下完成帧率转换实现与信号总线的同步，实现与信号总线同步后的桌面信号连接到关键色提取器。

关键色提取器按照微控制器命令所指定的坐标，采集经桌面信号帧率转换及信号同步化器转换后的桌面信号相对应位置处的红绿蓝三基色数字量，即color-key，为克服干扰问题还需在Color_Key坐标附近采集多点取平均值及加入容差范围。如果输入桌面信号为数字信号也可以通过命令指定color-key值，桌面的某些区域填充成与color-key相同的颜色，叠加控制器只将桌面信号中与color-key值相同的区域用输入信号窗口替换即可实现将桌面中的某些应用程序窗口浮在其它输入信号窗口的上面，进而改进了目前拼接墙系统中信号窗口永远只能浮在桌面窗口之上的技术缺陷。叠加控制器除利用color-key实现将桌面中的某些应用程序窗口浮在其它输入信号窗口的上面之外，还根据微控制器命令协调所指定各输入信号窗口的坐标、宽度和叠层顺序来控制各信号的显示。关键色提取器及叠加控制器用来完成从桌面信号中提取Color_Key及生成实现所有信号窗口叠加所需要的控制信号，它是实现各种信号任意叠加显示最核心的逻辑控制机构。

控制接口用于与外界进行信号交换，如同步信号和控制命令的传递，外部的控制命令经过控制接口后传递给微控制器，微控制器再协调整个处理系统的工作。

微控制器是本处理系统的控制中枢，由它完成所有的协调工作，包括对输入模块信息的采集，对控制端口的分配，输入参数的传递，各种窗口参数（包括Color_Key坐标、窗口坐标、叠层顺序等）的配置等等。

（三）输入模块的设计

如图3所示的n个输入模块，具体数目可以灵活配置而且每个模块可以相同，也可以不同，还可以任意组合，每个模块可以根据需要支持不同类型和不同数量的输入信号，但每个模块具有相同的结构，其结构框图如图5所示。

如图5所示每个输入模块有1~m个输入通道，通道个数可以灵活配置，每个通道均由输入信号格式化、切割缩放帧率转换信号同步化和三态总线驱动三部分组成。每个输入通道的输入信号类型可以相同，也可以不同，输入信号首先进入输入信号格式化器，在输入信号格式化器内完成各种输入信号格式到标准LVTTL电平RGB数字信号格式的转换，如模拟RGB信号需要经过AD转换成数字RGB信号，VIDEO信号或流媒体信号需要经过解码和去隔行转换后送到切割缩放、帧率转换及信号同步化器实现信号的切割缩放、帧率转换及与信号总线的同步，最后送到三态总线驱动器，在叠加控制器所产生的控制信号的控制下传递到信号总线，叠加控制器所产生的控制信号保证任意时刻只有一路信号传递到信号总线，从而实现信号的叠加显示。

每个输入模块中有一个功能识别配置器，它由一片非易失的存储器构成，用来记录本输入模块所有硬件特征信息，包括本输入模块总共有多少个输入通道，每个输入通道有几个输入端口，每个端口是何种类型的信号等信息。在整个处理系统上电初始化期间，核心控制模块内的微控制器通过收集所有插在总线上输入模块中功能识别配置器的信息来获得本处理系统的全部输入通道信息，由这些信息来进行控制端口等硬件资源的分配，从而实现输入通道数和输入信号类型的可任意配置性。

每个输入模块中有一个独立的微控制器，主要负责本输入模块各IC初始化配置，并接收核心控制模块内的微控制器所发送的窗口坐标及输入参数，并由这些参数计算出各IC寄存器对应的值并设置这些寄存器。还负责输入信号处理，包括对输入信号端口的切换及格式的检测，信号格式化处理以及对每个通道切割缩放、帧率转换等的控制，所有这些控制都是在核心控制模块内微控制器的协调下完成的，每个输入模块中有一个独立的微控制器也是实现输入通道数和输入信号类型可任意配置的基础，因为核心控制模块内的微控制器可以脱离对具体信号的控制。

（四）输出模块的设计

如图3所示的输出模块设计较简单，由一个信号锁存器和一个信号格式变换器组成，信号锁存器将总线输入的数据和同步信号经系统时钟锁存后保持与系统时钟同步，用于克服因数据和同步信号在总线中传输的延迟时间差异而可能引起的彩色噪点问题。信号格式变换器将信号锁存器输出的标准LVTTL电平的数字信号转换成便于传输和显示的模拟RGB信号、DVI信号或LVDS信号。

四、结论

本文所述的拼墙系统的颜色校正和基于总线结构可灵活配置的多层实时图像处理器的优点在于采用纯硬件处理结构，解决了传统拼墙颜色调整效果差的问题，并且所有信号均能高质量实时显示，同时所有信号都能在全墙范围以任意大小、任意位置、任意顺序以窗口形式叠加显示；采用color-key控制手段使桌面应用窗口可以与信号窗口以任意大小、任意位置、任意顺序叠加显示；采用分布式处理结构，不会受结构限制，能同时处理和显示大量不同类型信号源的图像；同时采用可灵活配置的处理结构，信号数量和类型可以根据需要配置，即增加了应用的灵活性，又可以减少资源浪费，降低成本。

参考文献：

[1]广东威创视讯科技股份有限公司.多层实时图像叠加控制器[P].中国：200510037591.0，2006.03.22.

[2]广东威创视讯科技股份有限公司.基于数字光处理显示技术的基色矫正装置[P].中国：03267626.3.2004.08.11.

作者简介：

刘文军，男，湖北天门，工学学士学位，主要研究方向为电气传动及自动化。

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