作者：David Katz, Ching Lam, and Rick Gentile

隨著低功耗、定點處理器（如ADI公司的Blackfin系列）性能和普及程度的提高，它們可以服務于越來越多的多媒體應用。其中許多應用需要小型、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專用LCD控制器芯片控制。但如今，Blackfin處理器具有足夠的性能來處理信號處理和控制功能，并直接連接到LCD顯示器，從而大大降低了系統成本和復雜性。本文將討論ADSP-BF561 Blackfin處理器的并行外設接口（PPI）如何將LCD顯示功能集成到高性能媒體處理領域，從而允許單個處理器同時用于系統處理和顯示驅動。

被動與主動

LCD陣列技術主要分為兩大類——無源矩陣和有源矩陣。

在前者中，印有行的玻璃基板形成液晶夾層，基板印有柱子。像素在行列交點處定義。為了激活給定的像素，定時電路在將其行接地的同時激勵像素的列。由此產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。

雖然簡單明了，但無源矩陣技術確實存在一些缺點。首先，屏幕刷新時間相對較慢（這可能導致快速移動的圖像出現重影）。此外，行列交叉處的電壓場傾向于滲入相鄰像素，部分解開液晶并阻止一些光線通過周圍的像素區域。效果是模糊圖像中的邊緣并降低對比度。

有源矩陣LCD技術，使用類似IC的制造工藝，是一個相當大的改進。每個像素都有一個電容器，用于在刷新周期之間保持電荷，以及一個晶體管開關（由此產生流行的術語，薄膜晶體管 - TFT - 顯示器）。為了對特定像素進行尋址，將啟用其行，并對其列施加電壓。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受到影響。控制給定像素時消耗的電流減少，因此可以以更快的速率切換像素，從而與無源顯示器相比，TFT的刷新率更快。更重要的是，調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 個級別，對應于 8 位強度。

對于彩色顯示器，每個像素實際上有三個子像素 - 帶有紅色，綠色和藍色（R-G-B）濾鏡 - 人眼將其視為單色斑點。例如，320 × 240 像素的顯示器實際上有 960 × 240 個子像素，占 R、G 和 B 分量。每個子像素具有8位強度，從而構成了常見的24位彩色LCD顯示器的基礎。

由于LCD技術依賴于在像素級別調節光的通過，因此人們可能想知道光將在哪里產生。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域被阻擋。

由于TFT彩色顯示器具有數百萬個過濾入射光的晶體管，因此反射式顯示器在有源矩陣技術中無效。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射二極管（LED）陣列產生的光在通過LCD“三明治”的各個層傳輸時經過調制。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顯示器的每個晶體管都會耗散功率，因此有源矩陣顯示器與其無源表親相比有些耗電。

TFT-LCD 系統的組件

考慮到所涉及的所有不同組件，連接到TFT-LCD面板似乎很復雜。首先是面板本身，它包含一個像素數組，用于高速按行和列排列，參考像素時鐘頻率。

背光通常是冷陰極熒光燈（CCFL）。在CCFL中，激發的氣體分子發出明亮的光，同時產生的熱量非常少。這種低耗散，加上其耐用性、長壽命和簡單的驅動要求，使其成為LCD面板應用的理想選擇。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、強度控制好等優點。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轉換為正確格式以在 LCD 面板上顯示所需的大部分電路。它通常包括一個時序發生器，用于控制面板上各個像素的同步和像素時鐘定時。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、抖動和圖像旋轉。更精致的芯片可能非常昂貴，通常超過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，無需外部芯片。

需要LCD驅動器芯片才能為LCD面板生成適當的電壓電平。它充當LCD控制器輸出和LCD面板之間的轉換器。行和列通常單獨驅動，時序由時序發生器控制。由于直流電流會對晶體結構施加應力并最終導致劣化，因此必須以周期性的極性反轉驅動液晶。因此，根據實現方式的不同，施加到每個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、更便宜的多媒體設備的趨勢，人們一直在推動將驅動器、控制器和 LCD 面板結合起來。如今，集成TFT-LCD模塊包括定時生成和驅動電路，因此只需要數據總線連接、時鐘/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，時序發生器通常無法集成到LCD模塊中。在這種情況下，需要一個單獨的外部定時ASIC來產生定時信號，以驅動LCD面板的各個行和列。

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

由于ADSP-BF561為許多具有脈寬調制（PWM）功能的通用定時器提供了，因此可以將其配置為為模塊提供適當的LCD時序，因此無需外部定時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評估板;它的許多便利性提供了一種簡單的方法來開始使用各種Blackfin應用程序，包括這里討論的應用程序。

圖1.5-6-5 LCD連接：ADSP-BF561通過提供虛線連接，無需定時ASIC。

電源要求

TFT-LCD 面板通常需要兩個獨立的電源。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激發氣體分子發出熒光。該電壓通常由TFT-LCD模塊內單獨電路板上的DC-AC逆變器產生。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。

時鐘和同步

像素時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時鐘，而QVGA面板（320×240有效像素）可以在5 MHz下運行。

同步線控制掃描每條線和視頻幀并在LCD上顯示的時間。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線繪制到屏幕上，然后填充偶數行。在逐行掃描中，視頻線按順序連續顯示。

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

ADSP-BF561通過可配置的PWM輸出生成HSYNC和VSYNC信號，以實現最大的靈活性。這允許調整特定TFT面板指定的極性，脈沖寬度和周期。

通常，LCD時序要求指定水平同步信號置位與實際顯示的圖像數據之間的無效數據周期。ADSP-BF561的PPI允許在接收到HSYNC信號后，傳出數據延遲指定數量的時鐘周期，從而可以處理此時序。

數據線

盡管模塊的數據接口很簡單，但在選擇合適的 RGB 數據格式時需要考慮許多事項。三種最常見的配置對 RGB（8-8-8 格式）使用每通道 8 位，對 R 和 B 使用每通道 6 位（6-6-6 格式），對 G 使用 5 位（6-5-6 格式）。

8-8-8 RGB 數據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 16 萬種色調。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品中很受歡迎。18 位分辨率提供超過 262，000 種色調。但是，由于 18 引腳 （6+6+6） 數據總線不能很好地符合 16 位處理器數據路徑，因此一個流行的行業折衷方案是使用 R 和 B 各 5 位，以及 6 位 G （5+6+5 = 16） 來匹配 16 位數據總線。此方案效果很好，因為在三種顏色中，綠色是視覺上最重要的顏色。紅色和藍色的最低有效位與面板上各自的最高有效位相關聯。這確保了每個顏色通道的完整動態范圍（從完全飽和到全黑）。

系統算法流程

要了解在媒體處理器上仿真LCD控制器（為了更換外部設備）所涉及的內容，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流程。以圖2為例，NTSC相機的數字化輸出提供應用于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步驟。

圖2.系統流程示例：將來自攝像頭源的信號轉換為 LCD 顯示屏輸出。

去隔行

在示例中NTSC相機使用的隔行掃描視頻中，奇數場和偶數場被分開，因此給定幀中的所有奇數行都先于任何偶數行傳輸。對于此示例，來自攝像機的視頻流在進入視頻端口后必須取消隔行掃描。這是通過多種方式之一完成的，具體取決于所需的輸出質量。最簡單的方法是行倍增，它將每條奇數線復制到隨后的偶數線上，有效地消除偶數場，轉而支持奇數場的移位版本。由于這會產生明顯的偽影，因此通常使用處理密集型方法。其中包括線性插值、運動補償和中值濾波。后一種方法將每個像素的強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。

掃描率轉換

視頻去隔行掃描后，可能需要掃描速率轉換過程，以確保輸入幀速率與輸出顯示刷新率匹配。為了平衡兩者，可能需要刪除或復制字段。與去隔行掃描一樣，需要某種濾波來平滑由創建突然的幀過渡引起的高頻偽影。

色度重采樣和顏色轉換 （YCrCb -> RGB）

一些相機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像素都有一個紅色、藍色和綠色值，或者每個像素有一個 Y、Cr 和 Cb 值。Y、Cr 和 Cb 在數學上與 RGB 值相關，但與 RGB 數據相比，它們的相互關聯性較低，因此它們允許更好的壓縮比。然而，更常見的是，相機輸出一個利用眼睛生理學的冷凝流，為綠色（在RGB情況下）或YCrCb空間中的強度（Y）提供更大的權重。在圖 2 的示例中，視頻流以 4：2：2 YCrCb 格式進入 PPI。“4：2：2”意味著給定視頻線上每兩個色度（Cr和Cb）值有四個亮度（Y）強度值。每個 （Y，Cb） 或 （Y，Cr） 16 位對代表一個像素值。

為了在LCD面板上顯示，數據流最終需要轉換為RGB空間。更準確地說，它需要轉換為 R'G'B' 空間，這是 RGB 空間的伽馬校正版本。伽馬校正會根據LCD面板的非線性特性進行調整，因為給定像素的亮度不是在該像素位置施加的電壓的線性函數。不同的伽瑪會改變圖像中紅色、綠色和藍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' 坐標之間進行轉換的示例方程集。

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

在進行R'G'B'轉換之前，必須對Cb和Cr通道進行重新采樣，以實現4：4：4格式，其中Y、Cb和Cr各一個字節代表一個像素值，如圖4所示。重新采樣的一種明確方法是通過簡單平均從最近的鄰居中插值缺失的色度值。對于某些應用程序，可能需要高階過濾，但這種簡化的方法通常就足夠了。實際上，色度重采樣和色彩空間轉換的步驟都可以作為單個操作執行，因為每個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，因為它允許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（輸入數據分辨率、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算負載。作為一種更簡單、更便宜的選擇，可以裁剪處理后的圖像以適應較小的 LCD 面板的范圍。

根據應用的不同，可以向上或向下縮放。了解要縮放的圖像內容的性質（例如，文本和細線的存在）非常重要。縮放不當會使文本不可讀或導致某些水平線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制現有像素。也就是說，當縮小到較低的分辨率時，可以丟棄每行上的像素數（和/或每幀的某些行數）。雖然這表示處理負載較低，但結果會產生鋸齒和視覺偽影。

復雜性上升一小步使用線性插值來提高圖像質量。例如，縮小圖像時，水平或垂直方向的插值都會提供新的輸出像素，以替換插值過程中使用的像素。與以前的技術一樣，信息仍然會被丟棄，因此偽影和混疊將再次出現。

如果圖像質量至關重要，則還有其他方法可以執行縮放，而不會降低質量。這些方法力求保持圖像的高頻內容與水平和垂直縮放一致，同時減少混疊的影響。例如，假設圖像要按 Y × X 的因子進行縮放。為了實現這種縮放，可以按因子Y對圖像進行上采樣（插值），過濾以消除混疊，然后按因子X進行下采樣（抽取）。實際上，這兩個采樣過程可以組合在一個多速率濾波器中。

位提取/字節打包

如前所述，最好在每個傳出LCD時鐘周期傳輸16位。這種 5-6-5 位封裝可以使用源數據完成。Blackfin架構提供了兩種有效方法之間的選擇，以創建所需的字節流。第一種是簡單地將每種顏色（紅色、藍色和綠色）的適當位轉移到目標寄存器中。第二種是利用 EXTRACT/DEPOSIT 指令對從特定位位置開始提取一定數量的位，并將結果存放在目標寄存器中。

應用筆記EE-256詳細介紹了一個系統，其中處理器安裝在ADSP-BF561 EZ-KIT Lite評估板上，接收來自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，并執行抽取、顏色轉換、重采樣和輸出格式化。詳細描述了系統數據流和緩沖區管理，并提供了具有特定LCD模塊的工作應用程序的示例代碼供下載。

結論

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越多的多媒體應用提供服務。它們在需要小型、低功耗、中等分辨率液晶顯示器 （LCD） 面板的顯示器的系統設計中特別有用。對于許多此類應用，Blackfin處理器具有足夠的性能來處理信號處理和控制功能，并直接連接到LCD顯示器，從而大大降低了系統成本和復雜性。本文建議如何通過采用ADSP-BF561 Blackfin處理器的部分備用計算能力及其用于顯示驅動的并行外設接口來實現這種系統。

審核編輯：郭婷