LED平板显示器开放式显示模型研究

摘要:随着全彩LED显示屏显示面积日益增大及在各个行业内的应用逐步深入,不同用户对屏幕信息显示提出诸多需求。文章旨在分析各种信息显示需求并提出一种开放式的通用显示模型,该模型解决了绝大部分全彩LED显示屏的显示需求,并同样适用于其它平板显示器,该开放式显示模型也有利于为扩展和用户定制开发。

关键词:全彩LED显示屏;多区域显示;开放式显示模型

中图分类号:TN312+.8文献标识码:B

Research on Open Display Model for LED Panel

DING Tie-fu1,2, CHEN Wei1,2, WANG Rui-guang1,2

(1. Changchun xida Electronic Technology Co., Ltd., Changchun Jilin 130103, China;

2. Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Changchun, CAS,

Changchun Jilin 130033, China)

Abstract: Along with the size of full-color LED display panel increasing gradually and more popular in various profession application, many demands for the screen information demonstrated are proposed by the different users. This paper gives an open style general demonstration model for panel display which fulfills various applications in information and video processing. Based on analyzing each kind of information demands, this model solves most display requirements on LED panel, and is suitable similarly for other flat-panel display. This open style demonstration model also has advantages in extension and custom development.

Keywords: full-color LED panel; multi-zone display; open display mode

1LED显示屏显示需求

通过对体育、商业广告、车站、机场等场合的大型LED屏幕使用需求[1]、用户的基本需求可总结如下:

(1) 广泛的多媒体及信息显示支持。如各种音视频格式、流媒体、图片、表格、动画、office文档、数据库、摄像机等;

(2) 动态多区域并行显示。如体育赛事多角度画面同时呈现在显示屏幕上,或者主视频区周围镶嵌多个广告图片、动画、文字、时钟、倒计时等;

(3) 叠加显示。如画中画显示、多个视频透明叠加、实时动态字幕显示。叠加方式可分为覆盖、ALPHA混和、Color Key三种;

(4) 多样化的显示动态效果。如滚动、闪烁、平移、百叶、拉帘、淡入淡出等;

(5) 实时插播、定时播放、循环播放、全局播放等灵活的显示安排;

(6) 可定制的显示内容。

2显示模型的提出

综合上述显示需求,本文提出一种开放式的大屏幕显示模型,该显示模型的基本特点为动态多区域并行显示,图1为显示模型的示意图。

如图1所示,在这个显示模型中,显示内容按节目进行组织和管理。每个节目拥有特定的类型,如循环播放节目、全局播放节目、定时播放节目、实时插播节目等。节目列表的管理必须配套一个节目调度器,每种类型的节目都被赋予一定优先级,调度器以优先级为调度标准。全局节目优先级最高,应始终处于播放状态,实时插播节目次之,定时节目在定时时间到达时优先级较普通循环节目高。调度时机存在于实时插播、定时触发、节目播放完成三个时间点。

一个节目可以占据全屏显示范围,也可以划分为多个子区域并行显示。节目只是管理区域的容器,区域是最终完成显示的单元。区域的基本属性是区域位置大小、层次和叠加方式。

叠加方式分为三种:覆盖、Alpha混和、Color Key[2]。图2、3、4分别表示这三种叠加效果,图中叠加的上层区域显示内容一般为文字,其前景色为黑色,背景为白色;下层区域则是正在播放的视频。两个区域之间出现交叠的情况时,层次决定了区域覆盖时的最终效果。

三种叠加方式中覆盖是最简单的,上层的区域遮盖下层的区域;而Alpha混和是最富有特效的方式,该方式将处于叠加的两个区域之间以一定的透明度混和在一起,目前已经在游戏开发等领域大量应用。Alpha混和的公式如下:

Color=( SrcRGB×SrcAlpha ) + ( DestRGB ×( 1-SrcAlpha ) )

其中SrcAlpha是控制源图片透明度的混合因子,范围为[0,1],当SrcAlpha为0时,源图片完全透明,而为1时,则完全不透明。

Color Key是指在两个区域叠加时,指定一种关键颜色作为透明色,关键色可以指定在源图片上也可指定在目标图片上。Color Key技术可以用于在动态视频上显示文字、人物头像,还可以合成背景,很多电影中惊险场面如爆炸等都是通过该技术合成的。

在上述显示模型中,每个显示区域中管理一组显示项,构成显示项列表。显示项是一个抽象概念,它将所有的显示内容抽象成一个统一的接口,采用面向对象的思想设计。显示项为所有显示内容抽象了几个基本接口:显示、停止、暂停。

每一种具体显示内容,如上面说到的视频、图片、摄像机、动画、流媒体等,都从显示项派生,并根据自身特点实现上述三个抽象接口。由于使用了抽象的接口,从而有效地隔离低层变化,使得这个模型具有极强的可扩展性。当需要扩展一个用户自定义的显示项时,只需要按照用户要求实现三个基本接口,然后插入到播放项列表中就可以显示了。

3显示模型的实现

3.1底层图形显示核心

上述显示模型的实现主要依赖于高性能的底层图形显示接口。由于各个显示区域并行播放任何类型的媒体,实时的叠加将会极度频繁的发生,如果系统没有相应的图形硬件加速支持肯定是无法实现这种模型的。而实际中使用的PC机几乎都具备独立显卡或者支持硬件加速的集成显卡,同样目前高端的面向多媒体应用的RISC处理器如OMAP3530、i.MX51系列、S5PC110等都内置了2D/3D图形加速IP核。对于像Alpha混合、Color Key这些经典的2D图形操作,都可以通过3D渲染核心提供硬件支持。

在Windows/WinCE平台下,首选的显示接口当然是Direct3D了。Direct3D可以让开发人员直接使用GPU硬件加速完成对图形的渲染。而在(嵌入式)Linux或者其它平台下,可使用OpenGL/ OpenGL ES[3]来发挥图形加速功能。

在上述模型中,可使用双缓冲机制,为每个显示区域创建两个绘图表面(Surface),一个用于绘制,另一个用于当前显示。当区域完成绘制时,可以通过交换的方法将绘制好的新图像放到显示核心更新显示。

显示核心维护一个专门用于渲染的线程,该线程检测各区域是否有要更新的图像,并实时地使用硬件加速将各区域的图像叠加后呈现到屏幕上。

在使用OpenGL/Direct3D等3D渲染接口时,区域被表示为存在于3D空间中的一个显示平面,区域的层次作为绘图时深度测试的Z坐标,各个区域的图像作为纹理贴于显示面[4]。由于显示平面的3D特性,可以通过对平面乘以各种空间运算矩阵达到各种动态显示效果,如3D翻转、区域动态移动等等。

通过实现底层显示核心可以有效地提高显示性能,同时分离了各种显示内容的播放与图像的呈现,简化上层设计,提高显示内容的可扩展性。

3.2显示模型的层次结构

区域、显示项及显示核心关系如图5所示。

显示项只对显示区域提供的绘图缓冲进行绘制,然后通知显示区域需要更新,显示区域则只负责完成显示缓冲交换,通知图形显示核心更新显示,图形显示核心最终将多个区域的可能叠加的图像处理后呈现到屏幕上。

多个显示区域并行显示的实现可通过多线程技术来实现[5],区域与区域之间可以同步。而节目管理层对于多个区域线程的管理则可以通过消息机制来实现。

4结论

本文详细探讨了一种开放式的LED显示模型及其实现。该模型以较高的性能解决了动态多区域显示、动态区域叠加、多种媒体内容播放等关键问题。而模型的开放性使得基于该模型开发的显示软件可以更容易的扩展,为特殊用户群提供定制。这些优势有利于后续开发中从通用的显示软件转型为面向各个行业的专业显示软件。值得说明的是,实际应用中需要开发与模型相配套的界面友好的节目制作软件。

参考文献

[1] 李熹霖. 备受关注的LED显示新技术[J]. 激光与红外,36(12),pp. 1092-1095,2006.

[2] 丁铁夫,陈 伟,郑喜凤,苑 振. 多媒体协处理器SM501在全彩LED显示屏脱机播放系统的应用[J]. 液晶与显示,pp. 860-865,2009,6.

[3] Aaftab Munshi, Dan Ginsburg, Dave Shreiner. The OpenGL ES 2.0 programming guide[M]. Addison - Wesley, U.S., 2008: 181-198.

[4] 段晓娟. 基于OpenGL的纹理映射技术[J]. 长沙大学学报,2000,4:41-43.

[5] 李 鑫. 基于多线程的OpenGL渲染方法研究[J]. 微计算机信息,2005 ,1:184-186.

作者简介:丁铁夫(1946-),男,吉林省长春人,中国科学院长春光学精密机械与物理研究所研究员,博士生导师,长春希达电子技术有限公司总工程师,主要从事平板显示驱动技术及显示系统控制等方面研究工作。E-mail:。