0   引言

隨著微顯示概念的不斷發(fā)展，微顯示技術(shù)的逐漸成熟，未來市場(chǎng)對(duì)微顯示系統(tǒng)的尺寸與顯示效果有著更高的要求，在顯示系統(tǒng)中，顯示效果直接決定于顯示屏上的像素個(gè)數(shù)也就是顯示分辨率，而為了提升顯示分辨率，最為直接的方法就是增加顯示屏的像素個(gè)數(shù)，但這樣做會(huì)大幅增加顯示屏與驅(qū)動(dòng)芯片的尺寸與成本，不適用于微顯示領(lǐng)域的應(yīng)用場(chǎng)景^[1]。

因此本文設(shè)計(jì)了一個(gè)小尺寸高分辨率的微顯示系統(tǒng)，通過將源圖拆分后對(duì)子圖像進(jìn)行動(dòng)態(tài)子像素融合，在只對(duì)部分?jǐn)?shù)據(jù)臨時(shí)儲(chǔ)存的情況下對(duì)高分辨率的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，并顯示在低分辨率的顯示屏上，使顯示分辨率提升為原來的四倍，且不增加顯示屏的尺寸，無需儲(chǔ)存圖像數(shù)據(jù)節(jié)省了70% 的FPGA 存儲(chǔ)資源，等效至顯示系統(tǒng)中則減小了驅(qū)動(dòng)芯片接近80% 的面積，實(shí)現(xiàn)了顯示系統(tǒng)微型化的同時(shí)提高了顯示分辨率，滿足了更高要求的微顯示技術(shù)應(yīng)用。

作者簡(jiǎn)介：謝博文，碩士生，主要研究方向?yàn)榧呻娐吩O(shè)計(jì)。

黃嵩人，教授，主要研究方向?yàn)镃MOS集成電路研發(fā)。

陳弈星，博士，主要研究方向?yàn)?a class="contentlabel" href="http://cafeforensic.com/news/listbylabel/label/微顯示芯片">微顯示芯片設(shè)計(jì)。

1   方法原理

一般來說，顯示屏的分辨率與顯示屏上的最小成像單元總個(gè)數(shù)一致，即分辨率與尺寸成正比^[2]。為了在不增加顯示屏尺寸的情況下提高分辨率，復(fù)用相鄰像素的信息，使一個(gè)發(fā)光二極管參與到多個(gè)相鄰像素的成像，這樣一來就能使成像點(diǎn)更多更密，從而不增加顯示屏尺寸也能提高顯示分辨率^[3]。但這里面包含了對(duì)圖像數(shù)據(jù)的復(fù)雜處理與存儲(chǔ)，大大增加了驅(qū)動(dòng)部分的面積與功耗，所以本文針對(duì)這一問題進(jìn)行了研究與改進(jìn)，通過對(duì)進(jìn)來的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理與計(jì)算，在一幀的時(shí)間內(nèi)達(dá)到同樣的顯示效果，既提升了顯示分辨率，又實(shí)現(xiàn)了顯示系統(tǒng)的微型化。

1.1 源圖像拆分方式

根據(jù)實(shí)際的需求，源圖像可有不同的拆分方式，本文選擇以奇偶行列來劃分源圖像，這種拆分方式不僅簡(jiǎn)易且更利于顯示效果的提升^[4]。以1080P 的視頻源為例，源圖像的像素共有1 080 行1 920 列，且每個(gè)像素內(nèi)包含R、G、B 三種顏色分量，以奇偶行列為標(biāo)準(zhǔn)拆分，具體拆分方式如下，將源圖像偶數(shù)行與偶數(shù)列的像素取出重新組合為子圖像1，將源圖像偶數(shù)行與奇數(shù)列的像素取出重新組合為子圖像2，將源圖像奇數(shù)行與奇數(shù)列的像素取出重新組合為子圖像3，將源圖像奇數(shù)行與偶數(shù)列的像素取出重新組合為子圖像4，即將1 920×1 080 的源圖像拆分成了四幅960×540 的子圖像，以供后續(xù)的子像素組合。

1.2 子圖像組合方式

由于人眼對(duì)亮度的敏感程度大于對(duì)色度的敏感程度，本文采用目前十分流行的RGBW 像素排列方式，對(duì)比傳統(tǒng)的RGB 像素排列方式，每個(gè)像素顯示單元增加了一個(gè)White 白色子像素，構(gòu)成四色型像素設(shè)計(jì)，這種排列方式在提高屏幕亮度的同時(shí)降低了顯示功耗^[5]。

具體組合方式如圖所示，子圖像1 在第一個(gè)子幀時(shí)間內(nèi)以圖1 所示位置進(jìn)行顯示，子圖像2 在第二個(gè)子幀時(shí)間內(nèi)以圖2 所示位置進(jìn)行顯示，子圖像3 在第三個(gè)子幀時(shí)間內(nèi)以圖3 所示位置進(jìn)行顯示，子圖像4 在第四個(gè)子幀時(shí)間內(nèi)以圖4 所示位置進(jìn)行顯示，最終在一幀時(shí)間內(nèi)完成了四幅子圖像的顯示，雖然每個(gè)子幀顯示圖像都為低分辨率圖像，但通過時(shí)間與空間的抖動(dòng)疊加成功將高分辨率圖像所有的像素信息保留并顯示出來。

1.3 動(dòng)態(tài)子像素融合

動(dòng)態(tài)子像素融合能使每個(gè)像素點(diǎn)包含多個(gè)位置的像素信息，以此來參加相鄰像素的成像，根據(jù)四幅子圖像空間上的不同位置計(jì)算疊加后的每個(gè)點(diǎn)的子像素信息，融合后的圖像如圖5 所示，田字格橫線代表該點(diǎn)包含一幅子圖像在該點(diǎn)的子像素信息，田字格豎線代表該點(diǎn)融合了兩幅子圖像在該點(diǎn)的子像素信息，田字格橫豎網(wǎng)格線代表該點(diǎn)融合了四幅子圖像在該點(diǎn)的子像素信息，從而高分辨率的圖像信息得以在低分辨率的顯示屏上顯示，顯示分辨率得到提升且無需儲(chǔ)存大量的圖像數(shù)據(jù)。

2   MATLAB驗(yàn)證

在完成對(duì)動(dòng)態(tài)子像素融合方法的設(shè)計(jì)之后，使用MATLAB 對(duì)這種融合方法進(jìn)行了可行性分析與驗(yàn)證，驗(yàn)證這種動(dòng)態(tài)子像素融合的顯示效果是否有提升以及提升效果如何。

首先對(duì)高分辨率的源圖像根據(jù)奇偶行列進(jìn)行拆分，同樣分為四幅子圖像，將只保留偶數(shù)行偶數(shù)列的圖像作為對(duì)比圖像1，不在空間上進(jìn)行移動(dòng)，直接將四幅子圖像的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加并取平均值的圖像作為對(duì)比圖像2，在空間上進(jìn)行抖動(dòng)疊加，進(jìn)行動(dòng)態(tài)子像素融合的圖像作為對(duì)比圖像3，對(duì)比結(jié)果如圖6 所示。

可以看到，對(duì)比圖像1 即只保留四分之一原圖的圖像顯示效果最差，不進(jìn)行動(dòng)態(tài)子像素融合而直接疊加的對(duì)比圖像2 效果同樣不佳但優(yōu)于對(duì)比圖像1，而完成了動(dòng)態(tài)子像素融合的對(duì)比圖像3 效果提升顯著，與源圖像只有著些微差距。

圖6 Matlab仿真對(duì)比圖

3   RTL設(shè)計(jì)

RTL 設(shè)計(jì)中使用Verilog 語(yǔ)言，整體實(shí)現(xiàn)的功能是將1080P 60 Hz 的RGB888 輸入信號(hào)，在數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊中計(jì)算并轉(zhuǎn)換成RGBW 格式的圖像數(shù)據(jù)，在輸入模塊中實(shí)現(xiàn)對(duì)源圖像數(shù)據(jù)的拆分的同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行臨時(shí)儲(chǔ)存，而輸出模塊直接根據(jù)動(dòng)態(tài)子像素融合的規(guī)律，將臨時(shí)儲(chǔ)存的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算，在一幀的時(shí)間內(nèi)完成整幅圖像數(shù)據(jù)的融合并送出至顯示屏上，整體的設(shè)計(jì)框圖如圖7 所示。

3.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊在視頻數(shù)據(jù)作為RGB888 格式進(jìn)來之后，通過輸入時(shí)鐘產(chǎn)生延時(shí)信號(hào)，在一定的延時(shí)時(shí)間內(nèi)完成對(duì)亮度信息W 的計(jì)算，具體可通過Gray (W) = R×0.299 +G×0.587 + B×0.114計(jì)算而得^[5]，這時(shí)數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)化為了RGBW 的數(shù)據(jù)格式，并與數(shù)據(jù)同步信號(hào)一起輸出至數(shù)據(jù)處理模塊。

3.2 數(shù)據(jù)處理模塊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)處理模塊設(shè)計(jì)圖如圖8 所示，在RGBW 格式的數(shù)據(jù)信號(hào)輸入的同時(shí)，對(duì)視頻源的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行子圖像劃分，偶數(shù)行偶數(shù)列作為子圖像1 處理，偶數(shù)行奇數(shù)列作為子圖像2 處理，奇數(shù)行偶數(shù)列作為子圖像3 處理，奇數(shù)行奇數(shù)列作為子圖像4 處理，由于動(dòng)態(tài)子像素融合實(shí)時(shí)處理的特性，需要用8 個(gè)緩存模塊來暫存四行的數(shù)據(jù)，以此來保證每個(gè)像素點(diǎn)都能包含多個(gè)相鄰像素點(diǎn)的信息，同時(shí)將行列與讀寫的控制信號(hào)送入數(shù)據(jù)緩存模塊與子像素融合模塊。

3.3 數(shù)據(jù)緩存模塊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)緩存模塊共有8 個(gè)緩存模塊，設(shè)計(jì)框圖如圖9 所示，該模塊可同時(shí)進(jìn)行讀寫，讀寫時(shí)鐘都為148.5 MHz，輸入的數(shù)據(jù)以RGBW 格式進(jìn)行緩存，數(shù)據(jù)每輸入四行完成對(duì)緩存模塊的一次刷新，在數(shù)據(jù)處理模塊至少寫入一行圖像數(shù)據(jù)之后開始讓子像素融合模塊讀取數(shù)據(jù)，同時(shí)將數(shù)據(jù)的控制信號(hào)送入子像素融合模塊用于進(jìn)一步計(jì)算( 如圖9)。

3.4 子像素融合模塊設(shè)計(jì)

子像素融合模塊設(shè)計(jì)圖如圖10 所示，在數(shù)據(jù)緩存模塊至少存入一行時(shí)開始讀取圖像數(shù)據(jù)，同時(shí)根據(jù)送入的控制信號(hào)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算，確定融合方式之后每個(gè)子像素點(diǎn)得以根據(jù)行列的控制信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，從而完成子像素的融合，再將得到的數(shù)據(jù)與控制信號(hào)送入數(shù)據(jù)輸出模塊。

3.5 數(shù)據(jù)輸出模塊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)輸出模塊的輸入時(shí)鐘為148.5 MHz，由于輸入的視頻源數(shù)據(jù)為1080P/60 Hz，而輸出的數(shù)據(jù)格式為RGBW，總的數(shù)據(jù)量為原來的1/3，這里選擇同樣以60 Hz 的幀率進(jìn)行輸出顯示，那么輸出時(shí)鐘為49.5 MHz即可滿足要求^[6]。

4   FPGA實(shí)現(xiàn)

4.1 顯示系統(tǒng)

在完成MATLAB 方法驗(yàn)證以及RTL 設(shè)計(jì)之后，在Xilinx Artix-7 系列型號(hào)為AX7013 的FPGA 開發(fā)板上實(shí)現(xiàn)了這種動(dòng)態(tài)子像素融合方法，該顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)圖如圖11 所示。Sil9013 芯片將HDMI 標(biāo)準(zhǔn)的視頻源數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換成RGB888 格式的圖像數(shù)據(jù)，F(xiàn)PGA 芯片實(shí)現(xiàn)RTL 設(shè)計(jì)的功能^[7]，完成數(shù)據(jù)同步與動(dòng)態(tài)子像素融合，最終輸出960×540 分辨率的RGBW 格式數(shù)據(jù)至LCoS 微顯示屏，在實(shí)現(xiàn)顯示系統(tǒng)微型化的同時(shí)提升了顯示分辨率，使960×540 分辨率的微顯示屏能顯示出1 920×1 080 分辨率的圖像顯示效果，圖12 為上述顯示系統(tǒng)的實(shí)物圖。

圖12 微顯示系統(tǒng)實(shí)物圖

4.2 使用資源對(duì)比

過去提升同等倍數(shù)分辨率的顯示系統(tǒng)，消耗了過多的FPGA 存儲(chǔ)資源^[8]，具體如圖13 所示，可見BRAM資源占用率達(dá)到77%。而本文采用動(dòng)態(tài)子像素融合的設(shè)計(jì)只需將一幀視頻圖像的兩行數(shù)據(jù)暫存下來，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)地計(jì)算處理，并完成高分辨率的顯示，具體如圖14 所示，BRAM 資源占用率僅有3%，節(jié)省了74% 的存儲(chǔ)資源，等效至顯示系統(tǒng)中的驅(qū)動(dòng)芯片可減小80%以上的芯片面積。

圖13 使用動(dòng)態(tài)子像素融合前的FPGA使用資源

圖14 使用動(dòng)態(tài)子像素融合后的FPGA使用資源

4.3 顯示效果驗(yàn)證

為了驗(yàn)證實(shí)際的顯示效果在動(dòng)態(tài)子像素融合之后是否得到了提升，以及實(shí)際提升的效果如何，在已完成的RTL 設(shè)計(jì)中加入了寄存器配置模塊，使點(diǎn)屏之后能通過I2C 接口進(jìn)行配置選擇不同圖像數(shù)據(jù)輸出，在實(shí)際點(diǎn)屏?xí)r切換幾種經(jīng)過不同處理的圖像來進(jìn)行對(duì)比顯示。

實(shí)際點(diǎn)屏的對(duì)比圖如圖15 所示，左圖是未進(jìn)行動(dòng)態(tài)子像素融合而直接將四幅子圖像疊加后的圖像，右圖進(jìn)行動(dòng)態(tài)子像素融合后的圖像，通過高倍放大后的對(duì)比可以看出，經(jīng)過子像素動(dòng)態(tài)融合后的圖像顯示效果遠(yuǎn)好于未經(jīng)處理的對(duì)比圖像顯示效果。

圖15 實(shí)際點(diǎn)屏對(duì)比圖

5   結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)顯示系統(tǒng)的微型化與高分辨率顯示的需求設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種小尺寸高分辨率微顯示系統(tǒng)，相較過去提升同等分辨率的顯示系統(tǒng)，節(jié)省了FPGA 中74%的存儲(chǔ)資源，等效至顯示系統(tǒng)中可減小驅(qū)動(dòng)芯片80%以上的芯片面積，實(shí)時(shí)地對(duì)視頻圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理計(jì)算并顯示，通過這種子像素動(dòng)態(tài)融合兼顧了顯示系統(tǒng)的微型化與高分辨率。在通過MATLAB 與FPGA 的共同對(duì)比驗(yàn)證后，證實(shí)了這種顯示系統(tǒng)的可行性與有效性，節(jié)省資源降低功耗的同時(shí)提升了接近四倍的顯示分辨率，在微顯示領(lǐng)域具有很高的應(yīng)用價(jià)值。

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年3月期）