彩色FED非线性校正算法研究

摘 要：介绍了平板显示器(FPD)非线性校正的经典常用算法，简要说明了FED非线性校正所具有的特点。着重讨论了场致发射显示器(FED)所具有的显示特性，给出了FED显示特性的B-T预校正曲线，并基于目前所普遍采用的标准电视信号作为图像信号源，提出了FED非线性校正算法。利用行消隐时间来处理非线性校正过程的方法，达到实时图像显示和减少硬件成本的目的。给出了基于PW113的系统设计方案，该方案成功地运用于25英寸彩色FED非线性校正电路中，为系统提供了优质的图像。最后，给出了该算法与经典算法的实验对比图。

关键词：PW113；非线性校正；FED；FPD

中图分类号：TN27文献标识码：A文章编号：1004373X(2008)1916404

Research on Color FED Nonlinear Correction Arithmetic

HUANG Bingle,YAO Jianmin,LIN Zhixian,XU Sheng,GUO Tailiang

(College of Physics and Information Engineering,Fuhzou University,Fuzhou,350002,China)

Abstract：The general method of Flat Panel Display (FPD)nonlinear correction is introduced in this paper,specification of the character of Field Emission Display (FED) nonlinear correction is explained. And the characteristics of display of FED is deeply discussed.Then B-T pre-correction curve of the character of FED′s display is given,and the arithmetic of nonlinear correction of FED is provided.A project of a system design based on PW113 is proposed.The project has been successfully used in the circuit of 25 inch color FED nonlinear correction which provides excellent video source. Finally,the contrast graphics between the arithmetic in this paper and the general arithmetic is provided.

Keywords：PW113；nonlinear correction；FED；FPD

场致发射显示器(FED)与传统的阴极射线管(CRT)相比，具有轻薄便携、功耗小、全数字化、无闪烁、辐射低(健康环保)等优点。作为平板显示器(FPD)的新成员FED显示器，预期到2010年全球市场份额将达到100亿美元。目前，FED显示器样机在图像显示质量上还有待进一步提高；其中，FED图像灰度的非线性校正在提高图像显示质量方面起着重要的作用。本文研究了FED非线性校正改进算法，并给出了基于PW113的实现方案，获得较好的图像质量。

1 FPD非线性校正

1.1 FPD非线性校正的原因

一般视频图像的显示数据是针对CRT显示设备来设计的，为使视频图像在CRT上能近乎真实地显示出来，数据信息己经进行过伽玛(γ)校正。直接使用针对CRT进行γ校正的显示数据在FPD显示器上进行显示时，由于显示设备特性的差异，不可避免地带来图像的失真和显示质量的下降，因此需要进行图像数据修正。

1.2 非线性校正的经典算法

对于FPD中的PDP和LCD,由于它们的显示特性是接近线性的，因此，通常所做的非线性校正，就在于对视频源进行反γ校正，在电路实现中就是根据γ曲线进行逆运算。一般采用的方法是将校正参数存储在ROM中，然后将图像数据作为地址取出对应的校正数值，从而达到校正的目的。

1.3 FED非线性校正的特点

在我们的FED驱动系统中，灰度非线性校正电路较一般的显示器件复杂，首先要对传统的CRT视频信号进行反γ校正，然后再针对FED显示屏本身光电特性曲线进行灰度非线性校正(即亮度(B)-电流脉冲占空比(T)校正)。

因此，FED非线性校正不同于一般的FPD，它具有自身的特点。

2 FED灰度非线性校正算法

FED显示系统在目前研发中采用的是标准电视信号，而标准电视信号是为CRT所使用的；同时，FED显示屏也有自身的光电特性。如果直接使用现有电视信号而不做预处理，必然造成图像灰度信号严重失真，层次感欠佳和色彩重现性不良等。因此本文针对目前视频源和FED特性非线性提出了FED灰度非线性算法。该算法与常用的FPD非线性算法不同，可以称为是经典算法的改进。

2.1 标准电视信号特点

由于CRT显示器本身存在特性曲线，如图1中(a)CRT显示特性所示，因此，标准电视信号针对CRT的显示特性进行了伽玛预校正，其校正电路的传输特性曲线如图1(b)γ预校正曲线所示。通过这样的γ预校正电路，使得整个CRT显示系统的显示特性恢复到线性，从而得到比较真实的输出图像。

由此可见，标准电视信号是非线性的。

2.2 FED非线性校正原理

首先，目前没有专门为FED显示器设计的图像信号源；因此，只能用前面介绍的标准电视信号直接传送给FED进行图像显示。从前面的论述我们知道现有的视频图像在发送端做了γ预校正，因此，要得到线性的图像源就必须在接收电路做反γ校正，其校正的曲线就是CRT的显示特性曲线,如图1中(a)所示。

其次，FED显示屏多数是采用脉宽调制的方法来实现灰度等级的表现。虽然，从理论上讲FED是电流型器件，其发光亮度与通过的电流时间成正比；但是由于存在屏的特性问题，我们在实际的测量中得到的印刷型FED特性曲线并不是线性的，其图像亮度B与驱动电流占空比T之间的关系如图2中(a)所示。

因此,在进行FED非线性校正的过程中，第一步，必须先对标准电视信号进行反γ校正以得到线性的图像源,其校正曲线如图1中(a)所示；第二步，再对电流占空比T进行反B-T曲线校正,提高FED显示图像彩色复现的真实性,改善画质。

经过实验验证，得到第二步校正的曲线以B=T1.342补偿曲线可以获得较佳的效果；如图2中(b)所示是FED显示器的B-T预校正曲线。

根据前面探讨得到在FED非线性校正中需进行的反γ校正和B-T预校正，本文提出了FED显示器非线性校正曲线如图3所示。该曲线考虑了反γ校正和B-T预校正这两个校正步骤，并根据实际实验校正得到的参数，因此，可以起到良好的校正效果。

2.3 FED非线性校正算法

根据前面探讨得到的FED非线性校正最终曲线如图3所示。从曲线中可以看出参数的数值都是归一化条件下的曲线，在色深为16.7M即三基色的位数各为8位的情况下，每一色的灰度取值范围为0~255，共256阶灰度表现力；而FED非线性校正曲线的灰度变换范围为0~1之间。因此，需要得到它们之间的转换关系；根据映射关系，可以得到如下公式：

D=B(d/256)*256

(1)

其中，D表示校正后的灰度数据，d表示原始的灰度数据，B表示的是FED非线性校正转换函数。

在校正的方法上有两种方法，一种是缓存一帧的图像数据，然后对一整帧图像数据进行校正。另一种是在输出灰度数据给平板显示器的同时进行校正。第一种方法优点是图像的亮度调制时间不会损失，但缺点是要多一帧的图像缓存RAM。第二种方法的优点是不需要增加硬件代价，缺点是图像的灰度调制时间会损失一部分。考虑到以上的问题所在，本文提出了一个新的方法，利用视频图像的每一行的行消隐时间，对上一行的图像灰度数据进行校正。可以在不增加硬件代价和损失后级图像灰度调制时间的基础上实现图像灰度的校正。

本算法与经典非线性校正算法的不同在于，它将视频源的反γ校正与B-T预校正曲线结合在一起，推算出校正函数，而经典非线性校正算法是根据FPD的一般特性，将视频图像校正成线性图像源即可。因此，在前期计算校正参数时，本算法要比经典算法慢。而在得到对应的参数表之后，在实际的硬件实现时，由于本算法和经典算法都只要校正一次,在实际校正中所花费的时间是一样的。在实际应用中，本算法可以让标准电视信号在FED显示器上得到比经典算法好的图像质量。

3 硬件实验方案

本文所采用的硬件实验方案是采用高性能的可编程图像处理器PW113作为图像增强处理的核心，来实现FED非线性校正，图像分辨率调整和OSD等功能。

3.1 PW113芯片性能及功能介绍

3.1.1 PW113芯片特性

PW113是第二代的高性能的可编程的图像处理器，它采用高质量的在国际上获奖的图像缩放技术，它包括高级OSD控制、灵活的输入接口、系统内置的SDRAM和强大的80186微处理器，它支持行和场图像智能缩放、图像自动最优化，因而使得屏幕上的图像显示精细完美。

3.1.2 PW113的内部主要功能模块

在屏显示(OSD)，这个功能可以作为平板显示器开机时的画面和菜单。OSD有两种模式：一种是每个像素4位，从64k调色板中选取16种颜色；另一种是每个像素2位，从64k调色板中选取4种颜色。在16色模式下，OSD可以达到120 000个像素，图像尺寸大约有480×248。

图像缩放功能具有垂直方向和水平方向缩放因子，这两个缩放因子可以独立编程。具有320节滤波，滤波器系数完全可编程，这样可以让调整图像缩放的锐度成为可能。

颜色查找表的有效尺寸是256×10位,有三个独立的表，各自对应红色、绿色和蓝色。在图像处理中可以将颜色查找表作为γ矫正的映射表。

处理器模块，PW113提供了具有普通图像处理应用特点的80X86微处理器。该处理器模块具有端口中断、通用目的IO(GPIO)、通用异步接收器(UART)、红外解码器、PWM产生器和定时器。五个引脚的微理器调试端口可以连接到外部JATG调试器来设置硬件中断点(最多4个)、单步、读/写存储器和查询内部X86 CPU的状态。

3.2 硬件设计方案

硬件设计框图如图4所示，主要是由三个部分组成：视频转换部分、图像处理部分和FED驱动系统部分。

视频转换部分可以接收三类不同的视频信号：模拟视频信号(VGA信号)、DVI数字视频信号和全电视信号及亮色分离信号(CVBS/S-Video)。

PW113是整个视频处理板的核心部分，负责将前端输出的数字视频信号转换成FED显示器所支持的分辨率，同时完成FED灰度的非线性校正。

FED驱动系统将PW113送来的图像数据通过PWM调制方式调制成灰度脉冲，然后再经功率放大电路将电压信号放大成适合FED的驱动电压波形。

3.3 FED非线性校正硬件实现

在实现FED非线性校正时，可以根据式(1)得到输入灰度与校正灰度的对应关系。然后利用PW113中的颜色查找表，即把灰度校正表载入到颜色查找表中，就可以对输入的图像数据进行非线性校正。

在实际使用中，PW113的颜色查找表中的每一个颜色有64个字节寄存器，其中有33个字节寄存器用于映射表(从00h~20h)，由于灰度值的范围是从0~255灰阶，共有256个数据；因此，可以采取分段曲线的方法来拟合FED非线性校正曲线来实现校正，把非线性校正曲线分成32段，这32段曲线的参数可以由33个对应的灰度校正值来定义。我们就可以把33个点的校正参数载入到颜色查找表中，来实现FED γ校正。

在校正的过程中，利用PW113内部强大的MCU功能，在行消隐时间内将上一行的数据进行校正，并存放在PW113内部的缓存器中。

4 实验结果

4.1 结果对比

实验测试中采用的亮度测试仪器是日本Topcon公司生产SR-3A分光辐射计。测量的灰度数据是从0到255范围，每隔4个灰阶测量一个亮度值。共得到51个点的数据，将这些点用平滑曲线连接如图5所示。

采用经典算法进行校正的灰度数据与亮度的关系曲线和采用本算法得到灰度与亮度的关系曲线如图5中(a)和(b)所示。

4.2 结果分析

经典校正算法由于没有考虑到FED显示器本身的电光特性，因此，其校正后的灰度数据与亮度关系不是线性的。本文采取的算法是在经典算法的基础上增加了FED显示器本身特性的校正，因此，其最终校正的灰度数据与亮度是接近线性的。

5 结 语

本文探讨了FPD非线性校正的经典算法，并结合FED显示器自身电光特点在经典算法的基础上改进得到FED非线性校正算法；提出了以PW113为图像处理

核心的FED的图像增强方案，着重阐述了其在FED灰度非线性校正的实现方法。最后，给出了改进算法与经典算法在FED非线性校正中实验对比曲线。可以看出改进算法可以满足灰度校正的要求。如图6所示，该图为FED显示器样机采用本算法后得到演示视频图片。

参考文献

［1］林志贤，郭太良，林韵英，等.图像处理技术在低逸出功印刷型FED中的应用［J］.发光学报,2007,28(2):263-268.

［2］黄慧娟,王瑞光,丁铁夫,等.SAA7111A 在平板显示视频接口中的应用［J］.液晶与显示,2004,19(4):293 - 298.

［3］林志贤,廖志君,郭太良.大屏幕FED 集成驱动电路的研制［J］.液晶与显示,2005,20(5):443-445.

［4］胡建民，郭太良，林志贤.AD9883在平板显示视频接口中的应用［J］.现代电子技术,2007,30(2):25-32.

［5］Hong Jaeshin,Kar Dal-kwack.A Novel Driving System for High Performance True Color FED［J］.IEEE Transactions on Consumer Electronics,2001,47(4):802-808.

作者简介 黄炳乐 男,1982年出生,福州大学电子系光电显示技术研究所硕士研究生。主要从事平板显示图像增强研究。

姚剑敏 男,1978年出生，福州大学物理与信息工程学院，讲师。主要研究方向为视频图像处理、模式识别等。

林志贤 男,1975年出生，福州大学物理与信息工程学院，副教授。主要研究方向为FED驱动电路设计。

徐 胜 男,1974年出生，福州大学物理与信息工程学院，助研。主要研究方向为FED驱动电路设计。

郭太良 男,1963年出生，福州大学物理与信息工程学院，研究员，博士生导师，国家863平板显示器专题组副组长。主要研究方向为承担863重大专项FED显示器研制。