一種超高清激光電視系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

作者 李堅(jiān) 徐遙令 張曼華

　　深圳創(chuàng)維-RGB電子有限公司全球研發(fā)中心(廣東 深圳 518108)

摘要：提出一種超高清激光電視系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，詳細(xì)闡述了方案的設(shè)計(jì)原理。系統(tǒng)TV SoC模塊將電視信號(hào)處理成像素為4M*2N@f的超高清圖像信號(hào)，圖像處理模塊對(duì)超高清圖像信號(hào)進(jìn)行采樣、分割和倍頻處理后得到2路M*N@2f的高清圖像信號(hào)，DMD驅(qū)動(dòng)模塊對(duì)2路高清圖像信號(hào)進(jìn)行合并處理得到M*N@2f圖像信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)DMD芯片，DMD芯片投射出分辨率為M*N的圖像光;采用振鏡使DMD投射的相鄰幀圖像光位置微移，從而顯示出4M*2N@f的合成畫面。該方案可以快速應(yīng)用于超高清激光電視產(chǎn)品，具有廣泛應(yīng)用價(jià)值。

　　*基金項(xiàng)目：深圳市技術(shù)攻關(guān)項(xiàng)目，4K超高清激光電視關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)(編號(hào)：JSGG20160229103804363)

　　李堅(jiān)，碩士，高級(jí)工程師，創(chuàng)維集團(tuán)全球研發(fā)中心國(guó)內(nèi)產(chǎn)品院院長(zhǎng)，研究方向：電視的研究開(kāi)發(fā)及項(xiàng)目管理;徐遙令，碩士，高級(jí)工程師，研究方向：電視的研究開(kāi)發(fā)及項(xiàng)目管理工作;張曼華，主任工程師，研究方向：電視技術(shù)研究及項(xiàng)目策劃組織。

0 引言

　　激光顯示具有色域覆蓋率大、顏色飽和度高、功耗低、顯示畫面尺寸可變等特點(diǎn)，被認(rèn)為是最具有發(fā)展前景的顯示技術(shù)之一^[1-2];與液晶、OLED等技術(shù)相比，激光電視還能以更低的成本實(shí)現(xiàn)超大尺寸畫面;目前激光顯示包括DLP、LCOS和LCD，而DLP(數(shù)字光處理)顯示能更好地保持顏色不失真、環(huán)保，應(yīng)用廣泛^[3-4]。超高清激光電視具有更大屏幕、超高分辨率、逼真色彩等，能為消費(fèi)者提供更健康良好的家庭視聽(tīng)體驗(yàn)，吸引了創(chuàng)維和海信等傳統(tǒng)電視廠商、小米等新興互聯(lián)網(wǎng)公司、極米創(chuàng)業(yè)型公司的參與。目前采用DLP技術(shù)的超高清激光電視處于前期研究階段，包括超高清成像芯片、DMD(數(shù)字微鏡裝置)、光學(xué)引擎等并未成熟，方案非常少。

　　本文設(shè)計(jì)出一種超高清激光電視系統(tǒng)方案：系統(tǒng)首先將電視信號(hào)處理成像素為4M*2N@f的超高清圖像信號(hào)，并進(jìn)行采樣、分割和倍頻處理后得到2路M*N@2f的高清圖像信號(hào);然后利用2個(gè)高清驅(qū)動(dòng)器對(duì)2路高清圖像信號(hào)處理后合并為M*N@2f圖像信號(hào)驅(qū)動(dòng)DMD芯片，DMD芯片投射出分辨率為M*N的圖像光;最后采用振鏡使DMD投射的相鄰幀圖像光位置微移、從而顯示出4M*2N@f的合成畫面。

1 系統(tǒng)原理

　　超高清激光電視系統(tǒng)原理框圖如圖1所示，包括超高清圖像幀生成、超高清圖像幀轉(zhuǎn)換、激光超高清顯示三個(gè)部分組成。

　　超高清激光電視系統(tǒng)工作原理為：

　　1)超高清圖像幀生成部分(即TV SoC模塊)，包括信號(hào)接口和解碼及圖像處理模塊，將電視信號(hào)處理成像素為4M*2N@f的超高清圖像信號(hào)。具體為：

　　信號(hào)接口模塊接收射頻、HDMI、USB、網(wǎng)絡(luò)等電視信號(hào)。信號(hào)解碼及圖像處理模塊對(duì)電視信號(hào)進(jìn)行解碼及色域轉(zhuǎn)換、伽瑪校正、降噪等圖像處理，然后進(jìn)行像素分辨率轉(zhuǎn)換及幀頻轉(zhuǎn)換，將接收到的電視信號(hào)轉(zhuǎn)換成超高清幀圖像Xi，形成超高清圖像幀序列X{X1、X2、...、Xi、...、Xf}，幀頻為f，如圖2所示。幀圖像Xi的像素矩陣為4M*2N、像素為Xi(u*v);其中i為1、2、...、f，u為1、2、...、4M，v為1、、2、...、2N。

　　2)超高清圖像幀轉(zhuǎn)換部分(即圖像處理模塊)包括第一子圖像幀和第二子圖像幀生成模塊，對(duì)超高清圖像信號(hào)進(jìn)行采樣、分割和倍頻處理后，得到2路M* N@2f的高清圖像信號(hào)。具體為：

　　第一子圖像幀生成模塊接收到超高清幀圖像Xi后，對(duì)其進(jìn)行水平和垂直采樣，得到第一子幀圖像XFi，XFi像素矩陣為M*N，像素為XFi(e*g)，其中e為1、2、...、M，g為1、、2、...、N。移除超高清幀圖像Xi的上述像素Xi(u*v)，將剩余像素進(jìn)行重新排列組合，形成第一子幀圖像XBi，XFi的像素矩陣也為M*N，像素為XBi(p*q)。其中，p為1、2、...、M，q為1、、2、...、N。將XFi和XBi按順序排列組成序列幀，形成第一子圖像幀序列XFB{XF1、XB1、XF2、XB2、...、XFi、XBi、...、XFf、XBf}，幀頻為2f，如圖2所示。

　　第二子圖像幀生成模塊接收到第一子幀圖像XFi和XBi后，對(duì)其進(jìn)行垂直圖像分割，得到第二子幀圖像(XFLi,XFRi)和(XBLi,XBRi)，XFLi和XFRi分別為第一子幀圖像XFi的左半像素和右半像素，XBLi和XBRi分別為第一子幀圖像XBi的左半像素和右半像素，XFLi和XFRi、XBLi和XBRi的像素矩陣為M*N; 將第二子幀圖像(XFLi,XFRi)和(XBLi,XBRi)按順序排列成序列幀，形成第二子圖像幀序列XFBLR{(XFL1,XFR1)、(XBL1,XBR1)、(XFL2,XFR2)、(XBL2,XBR2)、...、(XFLi,XFRi)、(XBLi,XBRi)、...、(XFLf,XFRf)、(XBLf,XBRf)}，幀頻為2f，如圖2所示。將第二子幀圖像(XFLi,XFRi)和(XBLi,XBRi)依次送至DMD驅(qū)動(dòng)器，其中，XFLi(或XBLi)送至DMD驅(qū)動(dòng)器A，XFRi(或XBRi)送至DMD驅(qū)動(dòng)器B。

　　3)激光超高清顯示部分包括DMD驅(qū)動(dòng)模塊、激光及光學(xué)處理模塊、DMD芯片、菱鏡、振鏡、鏡頭及顯示屏幕。利用2個(gè)高清DMD驅(qū)動(dòng)器A和B分別對(duì)第二子幀圖像的2路高清圖像信號(hào)處理后合并為M*N@2f圖像信號(hào)驅(qū)動(dòng)DMD芯片，DMD芯片投射出分辨率為M*N的圖像光;最后采用振鏡使DMD投射的相鄰幀圖像光位置微移，從而顯示出4M*2N@f的合成畫面。具體為：

　　DMD驅(qū)動(dòng)器A和驅(qū)動(dòng)器B先分別對(duì)XFLi和XFRi同時(shí)進(jìn)行處理，輸出合并圖像信號(hào)COL_S為COL_S_F以及振鏡同步信號(hào)SF_SYN為高電平;然后DMD驅(qū)動(dòng)器A和驅(qū)動(dòng)器B分別對(duì)XBLi和XBRi同時(shí)進(jìn)行處理，輸出合并圖像信號(hào)COL_S和COL_S_B以及振鏡同步信號(hào)SF_SYN為低電平;如圖2所示。在輸出COL_S信號(hào)的同時(shí)輸出色輪控制信號(hào)CW_CTR。

　　CW_CTR信號(hào)控制激光及光學(xué)處理模塊將顏色光依次照射至DMD芯片上的微鏡陣列;DMD芯片依據(jù)圖像信號(hào)COL_S_F來(lái)打開(kāi)或關(guān)閉微鏡陣列上圖像信號(hào)像素對(duì)應(yīng)的微鏡、將圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換為圖像光，SF_SYN為高電平，振鏡為第一位置，圖像光經(jīng)過(guò)分光/合光棱鏡、振鏡、鏡頭后，將圖像光投射至顯示屏幕呈現(xiàn)第一圖像，如圖2所示。呈現(xiàn)的第一圖像對(duì)應(yīng)的是第二子幀圖像(XFLi,XFRi)或第一子幀圖像XFi，顯示了超高清幀圖像Xi的一半像素內(nèi)容，分辨率為M*N。緊接著DMD芯片依據(jù)圖像信號(hào)COL_S_B來(lái)打開(kāi)或關(guān)閉微鏡陣列上圖像信號(hào)像素對(duì)應(yīng)的微鏡，將圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換為圖像光，SF_SYN為低電平，振鏡為第二位置，圖像光經(jīng)過(guò)分光/合光棱鏡、振鏡、鏡頭后，將圖像光投射至顯示屏幕呈現(xiàn)第二圖像，如圖2所示。同樣，呈現(xiàn)的第二圖像對(duì)應(yīng)的是第二子幀圖像(XBLi,XBRi)或第一子幀圖像XBi，顯示了超高清幀圖像Xi的另一半像素內(nèi)容，分辨率也為M*N。

　　呈現(xiàn)的第一圖像和第二圖像在屏幕上處于對(duì)角交錯(cuò)的位置，如圖2所示。屏幕形成的第一和第二圖像依次進(jìn)入人眼，由于人眼視覺(jué)暫留、呈現(xiàn)為分辨率為4M*2N、頻率為f的合成畫面。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

　　實(shí)現(xiàn)的超高清激光電視系統(tǒng)框圖如圖3所示，由4K SoC、圖像/格式轉(zhuǎn)換、4K DMD驅(qū)動(dòng)、DMD芯片、色輪激光光學(xué)處理、激光模組等組成;系統(tǒng)中M*N為3840*2160(即4K*2K)。

　　4K SoC模塊對(duì)音視頻電視信號(hào)進(jìn)行解碼、音視頻分離等處理，輸出4K*2K@60Hz VBO圖像信號(hào)，以無(wú)線的方式將音頻信號(hào)送至無(wú)線音箱;及發(fā)出控制信號(hào)或接收檢測(cè)信號(hào)控制電源及激光驅(qū)動(dòng)模組等。圖像/格式轉(zhuǎn)換模塊對(duì)VBO圖像信號(hào)進(jìn)行采樣、分割和倍頻等處理，輸出2路1358*1528@120Hz LVDS信號(hào)給DMD驅(qū)動(dòng)模塊。4K DMD驅(qū)動(dòng)模塊由2個(gè)高清驅(qū)動(dòng)器組成，接收2路LVDS信號(hào)后、將其合并轉(zhuǎn)換成2716*1528@120Hz的TTL電平圖像信號(hào)驅(qū)動(dòng)DMD芯片;及發(fā)出控制信號(hào)或接收檢測(cè)信號(hào)，控制DMD芯片、色輪、激光驅(qū)動(dòng)模塊等。色輪快速旋轉(zhuǎn)、及藍(lán)色光激發(fā)色輪產(chǎn)生紅綠等多色光，各種顏色光依次投射至DMD，DMD在TTL圖像信號(hào)控制下快速偏轉(zhuǎn)、形成圖像光通過(guò)鏡頭投射出后呈現(xiàn)為分辨率為2716*1528的圖像。振鏡以120 Hz振動(dòng)、控制圖像光微移，使得2個(gè)2716*1528的呈現(xiàn)在交錯(cuò)的位置，呈現(xiàn)分辨率為3840*2160的合成畫面。

　　系統(tǒng)中電源模塊將交流電轉(zhuǎn)換成12 V、24 V直流電，為整個(gè)系統(tǒng)供電;驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)激光模組發(fā)出藍(lán)色激光、經(jīng)擴(kuò)散、聚焦等光學(xué)處理后將藍(lán)色激光投射至色輪，激發(fā)色輪彩色各色光。

3 結(jié)論

　　本文提出一種超高清激光電視系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，通過(guò)對(duì)超高清信號(hào)進(jìn)行采樣、分割、倍頻等處理后得到高清信號(hào)，利用高清DMD驅(qū)動(dòng)器、DMD器件等將高清信號(hào)轉(zhuǎn)化為圖像光;及利用振鏡控制2個(gè)圖像光的投射位置，使其交錯(cuò)呈現(xiàn)出合成的超高清顯示畫面。該方案已應(yīng)用于創(chuàng)維超高清激光電視，效果良好;能夠快速應(yīng)用于超高清激光顯示產(chǎn)品，具有廣泛應(yīng)用價(jià)值。

　　參考文獻(xiàn)：

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　　本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第7期第26頁(yè)，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。