詳細(xì)剖析視頻顯示系統(tǒng)

引言：

作為消費(fèi)者，我們對于各種形式的視頻系統(tǒng)都已經(jīng)非常熟悉了。但是從嵌入式開發(fā)人員的角度來看，視頻就好像是一張紛繁復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，里面充滿了各種不同的分辨率、格式、標(biāo)準(zhǔn)與顯示等。

視頻顯示：

模擬視頻顯示

視頻編碼器

視頻編碼器可以將數(shù)字視頻流轉(zhuǎn)換為模擬視頻信號。這些視頻編碼器的輸入一般為ITU-RBT.656或BT.601格式的YcbCr或RGB視頻流，然后在將輸入信號根據(jù)各種不同的輸出標(biāo)準(zhǔn)（如NTSC、PAL、SECAM）進(jìn)行轉(zhuǎn)換。一個主控處理器可以通過串行接口（如SPI或I2C）來對編碼器進(jìn)行控制，例如可以設(shè)置像素時序、輸入/輸出格式以及亮度/色度濾波等參數(shù)。如下圖，常見的編碼器結(jié)構(gòu)框圖。視頻編碼器通常采用以下的一種或幾種模擬輸出格式。

視頻編碼器框圖舉例

CVBS——這個縮寫代表Composite Video Baseband Signal（或Composite Video Blanking and Syncs），即符合視頻基帶信號（或復(fù)合視頻消隱與同步）。復(fù)合視頻通過下圖（a）中所示的隨處可見的黃色RCA插孔來連接。他將亮度、色度、同步和色彩脈沖信息全都整合到一根電纜內(nèi)。

常見模擬視頻連接器

S Video——使用上圖中（b）所示的接頭進(jìn)行連接，可以分別傳送亮度和色度信息化。將亮度信息與色差信號分離開來，可以大幅度改善圖像質(zhì)量，這也正是S Video連接在當(dāng)今的家庭影院系統(tǒng)中流行的原因。

ComponentVideo——分量視頻，也稱為YPbPr，這是YcbCr數(shù)字視頻的模擬版本。這種視頻格式中，亮度和每個色度通道都是單獨(dú)傳輸?shù)模恳粋€通道都有自己的時序。這樣可以保證模擬傳輸圖像達(dá)到最佳的質(zhì)量。在高端家庭影院系統(tǒng)中，例如DVD播放器和A/V接收機(jī)，這樣的分量連接是非常普遍的如上圖（c）。

模擬RGB格式中，紅、綠、藍(lán)信號具有各自分離的通道。這可以提供與分量視頻相近的圖像質(zhì)量，但它通常用于計算機(jī)圖形鄰域如上圖（d），而分量視頻則主要應(yīng)用于消費(fèi)類電子鄰域。

陰極射線管（CRT）

在顯示鄰域，RGB是計算機(jī)顯示器和LCD顯示器最常用的接口。最古老的計算機(jī)顯示器通過3個獨(dú)立的引腳接來自PC顯卡的模擬視頻信號，并相應(yīng)的調(diào)節(jié)3個獨(dú)立的電子槍來產(chǎn)生圖像。根據(jù)哪個電子束激活了屏幕上的點(diǎn)，該點(diǎn)就會呈現(xiàn)出紅色、綠色、藍(lán)色，或者是這些顏色不同的組合。這一點(diǎn)與模擬電視是不同的，模擬電視中用的是一個復(fù)合信號，所有的顏色信息都疊加到了同一個輸入中，只調(diào)節(jié)一個電子束。更新一點(diǎn)的計算機(jī)顯示器使用DVI（Digital Visual Interface，數(shù)字視頻接口），可以接受數(shù)字和模擬兩種格式的RGB信號。

CRT的顯示器的主要優(yōu)點(diǎn)是成本非常低廉，而且可以比同等尺寸的LCD顯示器產(chǎn)生更多的顏色。另外，與LCD顯示器不同的是，CRT顯示器可以從任意角度來看。不過，CRT顯示器也有缺點(diǎn)，比如體積龐大、比較笨重、電磁輻射比較大，而且由于屏幕的閃爍還會引起眼睛疲勞。

數(shù)字視頻顯示

液晶顯示面板 （LCD）

LCD技術(shù)主要有兩大類：無源陣列（passive matrix）和有源陣列（active matrix）。無源陣列（常見的類型包括STN，全稱為Super Twisted Nematic，即超級扭曲向列，及其衍生類別），是在玻璃襯底上印刷出列引線結(jié)構(gòu)，在另一塊玻璃襯底上印刷出列引線結(jié)構(gòu)，然后組成一種”液晶三明治”的結(jié)構(gòu)。這些行列交叉點(diǎn)就是像素點(diǎn)。因此，為了激活某個像素，時序電路需要為該像素所在的列供電，同時將該像素所在的行接地。這樣，在該像素處的電壓差會使得對應(yīng)位置的液晶發(fā)生變化，于是該點(diǎn)將變?yōu)椴煌该?，阻止光線通過。

無源陣列技術(shù)雖然比較簡單，但有一些不足的地方。例如，屏幕刷新時間相對比較長（這可能會造成快速移動圖像出現(xiàn)”拖影”現(xiàn)象）。另外，行列交叉點(diǎn)處的電壓也有可能泄露到臨近的像素點(diǎn)，這會在一點(diǎn)程度上造成附近的像素區(qū)域的液晶變得不透明，阻礙光線通過。對于觀看者來說，會看到圖像迷糊不清，對比度有所降低。此外，可視角度也相對較小。

相比于無源陣列而言，有源陣列LCD技術(shù)在這些方面有了大幅度的進(jìn)步。在有源陣列LCD技術(shù)中，每一個像素點(diǎn)由一個電容和一個晶體管開關(guān)構(gòu)成。這種結(jié)構(gòu)使之獲得了一個更加流行的名稱，即“薄膜晶體管液晶顯示器”（TFT-LCD）。為了對某個像素進(jìn)行定位。首先要使能該像素所在的行，然后在所在的列施加一個電壓。這樣就會產(chǎn)生一個僅僅隔離感興趣像素點(diǎn)的效果，而周圍的其他像素不會受到影響。另外，由于控制一個特定像素所需的電流降低了，因而該像素開關(guān)的速度也會更快，從而使得TFT-LCD的刷新速率比無源陣列更高。更重要的是，通過調(diào)節(jié)施加在像素上的電壓水平可以產(chǎn)生許多離散的亮度等級?，F(xiàn)在，相應(yīng)于8位的強(qiáng)度信息，可以達(dá)到256個亮度等級。

要連接到TFT-LCD面板可不簡單，因?yàn)?涉及多種不同的組件。首先，是LCD面板本身，它里面包含了一個像素陣列，可以用行和列來選通，參考像素的時鐘頻率。

TFT-LCD的背光常常是CCFL（即冷陰極熒光燈），它激發(fā)氣體發(fā)出亮光，而產(chǎn)生的熱量卻非常少。CCFL的優(yōu)點(diǎn)有：經(jīng)久耐用，壽命超長以及驅(qū)動要求非常簡單直接。LED也是一種流行的產(chǎn)生背光的方法，主要用于中小尺寸的液晶面板，其優(yōu)點(diǎn)包括成本低廉，工作電壓低，壽命長，良好的亮度控制特性。但是，對于更大的面板尺寸，LED背光的功耗要比CCFL更大。

LCD控制器中包含了將輸入視頻信號轉(zhuǎn)為LCD顯示所需格式的絕大多數(shù)電路。通常，這部分電路中包含一個時序發(fā)生器，用來控制液晶面板上各個獨(dú)立像素的同步信號和時鐘信號時序。但是，為了滿足LCD面板尺寸和成本方面的要求，有時候這些時序產(chǎn)生電路需要有外部提供。除了標(biāo)準(zhǔn)的同步和數(shù)據(jù)線之外，為了驅(qū)動LCD面板各個獨(dú)立的行和列，也需要一些時序信號。有時候，媒體處理器中的通用PWM定時器也可以代替這些獨(dú)立的芯片，以降低系統(tǒng)成本。

LCD控制芯片還有一些其他的特性，例如OSD（on-screen display）支持，圖像重疊混合、顏色查找表、混色以及圖像旋轉(zhuǎn)等。一些比較復(fù)雜的LCD控制芯片，其價格也會非常昂貴，往往超過了和他們相連接的處理器價格。

為了給LCD面板提供合適的電壓，需要用到一個LCD驅(qū)動芯片。這個驅(qū)動芯片在LCD控制器輸出和LCD面板之間扮演著“轉(zhuǎn)換器”的角色。行和列一般是獨(dú)立驅(qū)動的，時序信號由時序發(fā)生器來控制。液晶必須用周期性的極性翻轉(zhuǎn)信號來驅(qū)動，因?yàn)橹髁麟娏鲿o晶體結(jié)構(gòu)帶來壓力，并最終使晶體退化。所以，施加在每個像素上的電壓極性必須在每一幀、每一行或者每一個像素上發(fā)生變化，具體變化周期因?qū)崿F(xiàn)的方式而有所不同。

媒體設(shè)備正朝著更小型、更便宜的方向發(fā)展，這一趨勢促使人們將上述LCD系統(tǒng)組件集成到了一起?，F(xiàn)在，包含時序發(fā)生器和驅(qū)動電路的集成TFT-LCD模塊已經(jīng)出現(xiàn)，僅僅徐亞一條數(shù)據(jù)總線、時鐘/同步信號線和電源供應(yīng)即可。另外，還有些液晶面板沒有采用并行數(shù)字輸入，而是用了復(fù)合模擬視頻輸入方式。

OLED（有機(jī)發(fā)光二極管）顯示 有機(jī)發(fā)光二極管中的“有機(jī)”是針對夾在兩個電極之間的材料而言的。當(dāng)電荷穿過這一有機(jī)材料時，該有機(jī)材料就會發(fā)光。這種顯示技術(shù)目前還是很新的，它有望改善LCD顯示存在的一些問題。例如，它是一種自發(fā)光技術(shù)，不需要背光。這就是說，這種技術(shù)可以大大降低顯示面板的功耗、成本以及重量—OLED面板可以做的非常輕薄。此外，OLED顯示比LCD顯示支持更多的顏色，其運(yùn)動圖像顯示效果也要優(yōu)于LCD。更重要的是，OLED支持很寬的視角，具有很高的對比度。OLED的電子信號和數(shù)據(jù)接口與TFT-LCD類似。

盡管有上述諸多優(yōu)點(diǎn)，但是到目前為止，OLED最大的問題是使用壽命較短OLED中的有機(jī)材料再使用幾千小時之后就會損壞，雖說在某些顯示器中這個數(shù)字現(xiàn)在已經(jīng)提高到了超過10000小時——非常適合于許多便攜式多媒體應(yīng)用。在有些方面，OLED具有美好的市場前景，例如手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)以及類似的產(chǎn)品。不過也非常有可能看到基于OLED技術(shù)的電視或者計算機(jī)顯示器。