DLP TV视频前端系统构架与设计的分析

　　目前，全球已有超过20家公司研制和生产大尺寸、高清显示的DLP光显电视。视频前端是DLP TV的重要组成部分，涵盖广播电视接收、视频格式转换、图像质量增强等各个方面。如何接收和处理模拟视频信号，使其获得细腻真实的再现，为视频前端的处理提出了挑战……
　　前言

　　TI的 Digital Light Processing技术是一项先进的数字显示技术，具有高清晰度、高对比度、丰富色彩再现和高可靠性的特点，广泛应用于投影仪、电视和数字影院。目前，全球已有超过20家公司研制和生产大尺寸、高清显示的DLP光显电视。其中LG和Samsung的DLP TV已进入中国市场。

　　视频前端是DLP TV的重要组成部分，它涵盖了广播电视接收、视频格式转换、图像质量增强等各个方面。视频前端的处理性能、系统构架，以及与光学系统的匹配程度，对DLP TV的图像质量有着很大影响。本文从DLP显示技术的特点和DLP TV的应用需求出发，讨论了视频前端的系统构架，并为系统设计提出了建议。

　　DLP显示技术的特点

　　DLP光学系统的核心是Digital Micromirror Device（数字微镜芯片），该器件基于CMOS标准半导体工艺，并具有调节反射面的旋转机构。DMD表面上每片被寻址的微镜对应着一个显示像素。随着视频数据电信号的变化，微镜以每秒五千次的速度在两个状态间倾斜，实现光开关的作用，从而产生精确的数字灰阶。配合色轮机构的高速旋转，就可以获得丰富的色彩再现。

　　由于成像机理的差别，不同显示技术在光学机构、亮度/对比度表现能力、分辨率、输入/输出响应特征等方面有着巨大的差别。因此，在设计DLP TV视频前端系统的过程中，必须注意DLP技术的一些特点。只有当视频前端处理良好匹配这些显示特性时，才能够实现DLP技术最佳的图像质量。

　　高清晰度

　　DMD表面微镜阵列的规模决定了DLP光学系统可以达到的显示分辨率。目前在大屏幕光显电视应用中，最新一代DMD芯片可以实现1920 1080的高清显示。高清视频实时处理的要求，以及大尺寸电视的显示特性，对DLP TV视频前端系统的处理性能提出了很高的要求——除了视频处理芯片的带宽、实时性、算法性能之外，还需要考虑存储空间的大小和读写访问速度。

　　高对比度

　　基于Dynamic Black（动态黑色补偿）技术的DLP光学系统能够达到>5000:1的全开/全关对比度，远远高于其他平面或微显技术的同类指标。高对比度显示能够生动再现丰富的灰度层次，画面锐利、具有立体感。但同时，高对比度的显示特点要求视频前端系统具有更高的数据精度。传统8 bit的数据宽度已无法满足高对比度DLP系统的应用需要，容易在画面上产生轮廓和等高线失真。由于数据精度不足，视频前端处理过程中量化误差和截断误差产生的噪声问题也会进一步恶化。

　　线性传输特性

　　DLP光学系统具有线性的传输特性，数据带宽高，不存在gamma特性的光像畸变。由于其频率响应特性呈现全通特性，不论是画面的平坦区域，还是细腻的高频细节，都能够得到真实地再现，画面细腻、细节丰富。然而，作为一种特殊的高频部分——噪声，也会经光学系统的投射而出现在屏幕上。因此，去噪滤波模块（如三维去噪滤波，或是针对MPEG视频源块效应和量化噪声的去噪滤波）在DLP TV视频前端处理中不可或缺，其性能直接影响了图像质量。

　　DLP TV视频前端的系统结构框架

　　目前，我国尚处于模拟电视向数字电视过渡的时期。DLP TV视频前端系统需要能够接收多种制式、多种格式的视频节目，并通过视频格式转换和图像增强，将其转变为DLP光学系统能够接收的固定视频数据格式。传统的显示技术（如CRT）频响范围较窄，成像不够精细，也容易隐藏细微的图像失真。由于DLP技术在成像上具有高保真的特点，因此，DLP TV视频前端系统设计的难点之一就是如何进行系统设计与视频处理，使得模拟视频输入获得与数字视频相当的图像质量。

　　DLP TV视频前端系统的输入接口包括了模拟视频信号与数字视频信号两大部分。模拟电视信号经高频调谐下变频为模拟基带视频信号，和复合视频、S端子视频、分量视频一同进入Video Decoder。在Video Decoder中经模数变换、亮色分离、色度解调与输出格式转换的数字信号以BT.601或BT.656的格式输入Video Processor。另一类模拟视频信号来自计算机——以RGB格式输入的计算机图形信号在视频格式转换和图像增强之前经模数转换变为数字信号。为了兼顾数字电视广播的应用，数字视频输入通道包括了数字高频调谐、信道解码、MPEG-2信源解码等模块。

　　Video Processor是DLP TV视频前端系统的核心所在。在这个模块中，经过去隔行变换、帧频转换、视频缩放等视频格式转换算法，不同来源的各路视频信号转变为DLP光学系统能够支持的分辨率和刷新率。同时，图像增强模块提供黑/白电平延伸、亮/色边缘增强、去噪滤波、肤色校正等算法，能够显著提升画质，改善主观视觉效果。多通道视频处理结合OSD屏显模块，能够实现PIP、POP、菜单导航等复杂的多窗口显示，给用户提供更多样的观赏风格。

　　高性能的实时视频处理有赖于CPU、ROM、RAM和晶振的协同工作。随着视频处理向集成化方向发展，部分高端视频处理芯片内嵌CPU核，能够直接通过I2C总线实现对片外器件的控制。ROM存储了视频前端的自举代码和参数表，用于系统初始化；RAM大容量存储空间和高速率读写访问保证了视频处理的高效实时。

　　由于DVI和LVDS数据格式采用差分方式传输，具有高效率、低功耗、低杂波干扰、带宽大的特点，Video Processor输出的RGB信号经TMDS/LVDS编码，发送到DLP光学系统中，从而完成整个视频前端处理过程。

　　DLP TV视频前端的系统设计建议

　　DLP TV视频前端的系统设计必须和DLP显示技术的特点，以及DLP TV的应用需求相结合。考虑到DLP 技术高清晰度、高对比度、线性传输特性的特点，以及DLP光学系统的具体构架，本文为DLPTV视频前端的系统设计提供下列建议。

　　保持数据动态范围

　　亮度、对比度、色调、色饱和度的设置，以及gamma校正的算法大都基于输入/输出响应曲线的调整，容易产生数据截断，缩小动态范围。反映在灰阶测试图中，体现为暗处和亮处的灰阶信号丢失。虽然大多数Video Decoder及Video Processor都具有亮色设置，或是gamma校正的图像增强模块，但是随着动态范围逐级压缩，会直接影响到后续的视频处理和图像质量，因此这类操作不宜在视频前端中进行。

　　相对于前端，亮色设置与gamma校正更适合在后端中实现。与其他平面显示技术不同，DLP 光学系统中的DDP ASIC专用于DLP技术相关视频处理算法的实现，并能够设置亮度、对比度、色调、色饱和度和gamma查找表。实验证明，将亮色设置与gamma校正的算法从视频前端转移到DLP光学系统中实现，能够很大程度提高图像的主观视觉质量。因此，建议在DDP ASIC中进行上述图像增强的处理。

　　主通道与子通道处理能力相当

　　在传统电视中，子画面显示窗口小，仅起到信源检索和监控的作用，无需保持与主通道相当的处理性能，就能得到不错的主观视觉效果。因此，在视频格式转换和图像质量增强方面，子通道往往采用简单的视频处理算法，以降低系统成本。

　　随着DLP TV分辨率和屏幕尺寸的提升，DLP TV的应用中需要更为强大的多窗口显示能力——PBP模式下，子画面与主画面并排显示；PIP模式下，子画面的大小和位置可以随意改变。在这种情况下，原本在小画面中不起眼的瑕疵和失真经放大被突显出来。只有当主通道与子通道具有对等的处理性能（通道带宽、实时性能、视频算法）时，在同一画面中才能呈现出相当的图像质量。

　　10 bit数据精度

　　根据人眼视觉系统特有的对比灵敏度响应特性，在较大的亮度范围内，人眼可以察觉2%的相对亮度变化。一旦相对亮度变化超过上述阈值，人眼就能明显感知灰度突变。因此，为了获得平缓变化的灰度斜坡信号，视频前端处理的数据精度必须与显示系统的对比度相适应，否则会在画面中产生轮廓和等高线失真。

　　在消费电子应用中，8 bit数据精度适合于ANSI对比度在100:1以内的显示设备。然而，针对高对比度、线性传输特性的DLP TV，建议在视频处理过程中采用10 bit数据精度。更高的数据精度不仅能够避免画面中出现轮廓和等高线失真，而且还有助于降低视频处理中的量化误差、截断误差，有效提高信噪比，降低噪声。

　　3D Video Decoder

　　模拟电视制式中，亮度信号与色度信号采用公用频带的频谱交错方式。所以，Video Decoder首先需要对数字化的电视信号进行亮色分离处理。所谓2D Video Decoder和3D Video Decoder指的就是行梳状滤波和帧/场梳状滤波这两种亮色分离的方法。2D Video Decoder在行平均过程中会损失部分垂直方向的空间分解力，因此适合图像垂直细节较少的情况。在3D Video Decoder中，由于增加了对帧/场间信号的处理，该类Decoder对静止或慢速运动场景具有良好的亮色分离特性，能有效避免2D Video Decoder中常见的串色、串亮现象。对于运动场景，视频解码模块可以软切换到行梳状滤波器，从而保证最大的时间分解力。

　　在DLP TV视频前端设计中，建议选用数据精度高、ADC高速过采样的3D Video Decoder。这是因为3D Video Decoder具有理想的亮色分离特性，高数据精度能够降低量化误差和截断误差、高采样率ADC可以在较差的接收条件下有效降低噪声电平，获得更高的信噪比。此外，Video Decoder还应涵盖Macrovision、图文等功能，并支持非标信号的接收。 作者：德州仪器DLP 应用工程师 汪海鹰    来源：中电网