圖像投影系統(tǒng)設(shè)計范文

本站小編為你精心準(zhǔn)備了圖像投影系統(tǒng)設(shè)計參考范文，愿這些范文能點(diǎn)燃您思維的火花，激發(fā)您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

《電視技術(shù)雜志》2014年第十一期

1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

圖1為投影系統(tǒng)硬件框圖，包括提供視頻源的PC機(jī)、核心處理板、裝載數(shù)字微鏡的DMD板卡、透鏡、光源UHP燈及色輪。核心處理板接收視頻信號，經(jīng)IEB算法自適應(yīng)增益圖像亮度，然后按照PWM數(shù)據(jù)交織算法將視頻流轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的比特面序列來驅(qū)動DMD芯片。同時核心處理板利用色輪的反饋信號同步色輪，利用IEB算法電路產(chǎn)生的PWM脈沖控制UHP燈亮度。UHP燈的白色光被色輪按時間順序分離成各純色光后照射在DMD上，并反射入透鏡后投射在屏幕上。硬件系統(tǒng)的核心是核心處理板，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。核心處理板包括DVIReceiver(高清視頻信號解碼模塊)、MCU(微控制器)、FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)、4片DDR2(667MHz的64位帶寬高速緩存)。FPGA接收解碼后的視頻信號，并分析視頻信號，自適應(yīng)調(diào)節(jié)光源亮度，以及增益視頻信號的亮度信息，同時將處理后的視頻信號按照PWM數(shù)據(jù)交織算法將視頻流轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的比特面序列，最后傳送給DMD板卡驅(qū)動數(shù)字微鏡DMD進(jìn)行投影顯示。MCU驅(qū)動色輪均勻旋轉(zhuǎn)，并通過USB接口與PC通信實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

2亮度自適應(yīng)增強(qiáng)的圖像投影IEB算法

一般增加視頻信號亮度，并反比例地降低光源亮度，可以在不降低視頻投影亮度的同時，降低光源發(fā)射功率。然而經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)存在局部細(xì)節(jié)丟失、色彩失真的現(xiàn)象。本文提出的IEB算法可以在投影亮度實(shí)時提高的前提下，更好地還原圖像細(xì)節(jié)。在IEB算法中分析整幀圖像的亮度信息以及每個顏色的灰度信息，判斷是否可以進(jìn)行亮度增益。然后根據(jù)整幀的亮度信息以及色彩信息，進(jìn)行增益系數(shù)動態(tài)可調(diào)的視頻信號增益，并產(chǎn)生PWM脈沖調(diào)節(jié)光源的亮度。

2．1視頻信號直方圖統(tǒng)計將0～255每隔16個單位分成16個亮度空間，分別判斷輸入視頻信號每個像素4個顏色分量(RGBY)的亮度值屬于哪段亮度區(qū)間，增加與此亮度區(qū)間對應(yīng)的寄存器的值，通過這些寄存器得到16段亮度分布直方圖。由于4是16的約數(shù)，在得到16段亮度直方圖后可以通過線性疊加得到4段亮度直方圖的相關(guān)量。

2．2直方圖數(shù)據(jù)動態(tài)分析為了避免因亮度增益而丟失高亮度的圖像細(xì)節(jié)，判斷16階函數(shù)中白色最高灰階段是否超過白色峰值，超過將亮度增益系數(shù)設(shè)為1。白色峰值可以根據(jù)實(shí)際效果實(shí)時調(diào)節(jié)。其值越大，圖像得到增益的比重增加，光源的發(fā)射亮度降低，但白色峰值過大會由于某些像素值溢出，使得部分圖像細(xì)節(jié)丟失。為了避免投影圖像因某種顏色的失真而造成整體色彩失真，需要判斷其他顏色在各自直方圖的最高灰階段所占比例。如果某個顏色的Φ(3，C)(4段直方圖的最高灰階)所占比例最高，則不進(jìn)行該顏色的系數(shù)增益。

2．3光源亮度控制動態(tài)線性調(diào)節(jié)光源的亮度，降低投影機(jī)光源的整體亮度，并計算調(diào)節(jié)系數(shù)η(c)，其中C=R，G，B，Y。測出每種顏色光源投影顯示最低分辨亮度，并做歸一化處理，用ξ(C)表示。在得到歸一化的投影顯示最低分辨亮度后，計算歸一化的映射系數(shù)。

3IEB算法的FPGA軟件實(shí)現(xiàn)

3．1FPGA內(nèi)部算法模塊及系統(tǒng)總線FPGA為核心處理板上的核心處理器，負(fù)責(zé)完成光源亮度自適應(yīng)調(diào)節(jié)的圖像顯示IEB算法，驅(qū)動數(shù)字微鏡DMD，產(chǎn)生光源同步以及PWM亮度控制時序。FPGA采用StratixII。FPGA內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。FPGA內(nèi)部設(shè)有2條系統(tǒng)總線，控制總線與MCU相連，將PC機(jī)的配置信息傳給每個IEB算法模塊以及DMD驅(qū)動模塊;內(nèi)存地址總線由模塊地址與偏移地址組成，與外存儲單元DDR2以及FP-GA內(nèi)部RAM相連，分配內(nèi)存給IEB算法模塊以及驅(qū)動模塊。FPGA內(nèi)部參數(shù)配置方法如圖4所示。實(shí)時遠(yuǎn)程控制縮短了系統(tǒng)調(diào)試周期，同樣給投影系統(tǒng)使用帶來便捷。

3．2視頻圖像直方圖統(tǒng)計模塊視頻信號按照RGB格式輸入，在統(tǒng)計前根據(jù)亮度方程將格式轉(zhuǎn)為RGBY。轉(zhuǎn)換中涉及浮點(diǎn)數(shù)乘法運(yùn)算，本文采用精度高、時序收斂性好的二進(jìn)制縮放算法。首先將每個小數(shù)在綜合前乘上216，之后將小數(shù)部分在十進(jìn)制下四舍五入舍去。轉(zhuǎn)換精度1/(0．0722×216)＞0．02%，遠(yuǎn)超過人眼的分辨能力。電路采用流水線結(jié)構(gòu)，增加了觸發(fā))最后將增益系數(shù)迭乘到視頻信號上，即O(C)=ε(C)×I(C)(6)式中:O(C)為輸出視頻信號;I(C)為輸入視頻信號。

直方圖統(tǒng)計具體流程:1)當(dāng)數(shù)據(jù)使能信號有效時，判斷顏色C高4位的值C［7:4］，將其對應(yīng)的函數(shù)φ(C)的值加1;2)當(dāng)數(shù)據(jù)使能信號無效并且?guī)Y(jié)束信號有效，該幀16段直方圖函數(shù)φ統(tǒng)計結(jié)束，以顏色C的高4位分量作為偏移地址，通過內(nèi)存地址總線將16段直方圖對應(yīng)函數(shù)φ寫入到內(nèi)存中;3)在φ被寫入到內(nèi)存的同時，利用和加法器計算4段直方圖對應(yīng)函數(shù)φ，以顏色C的高2位分量作為偏移地址，通過內(nèi)存地址總線將4段直方圖對應(yīng)函數(shù)φ寫入到內(nèi)存中。由于FPGA強(qiáng)大的并行處理能力，4個顏色數(shù)據(jù)同時進(jìn)行上述流程。

3．3光源控制模塊光源控制模塊根據(jù)視頻圖像的亮度，動態(tài)產(chǎn)生PWM脈沖控制光源發(fā)射亮度。視頻圖像的亮度越暗，信號的灰階值就越小，可增益的范圍變大，光源發(fā)射亮度可以降低更多。所以亮度越高對光源發(fā)射亮度調(diào)整限制就越大，圖像平均亮度不能簡單求和，需要加一定的權(quán)重。如果對256個灰階都加權(quán)重需要使用大量除法器，不僅極大增加程序執(zhí)行時間，帶來潛在的時序問題，更重要的是降低了運(yùn)算精度。在光源控制模塊中，利用視頻圖像直方圖統(tǒng)計模塊中計算的16段直方圖函數(shù)φ，將256個灰階壓縮成16個灰階，由于權(quán)重值為2的整數(shù)次冪，可以利用移位寄存器代替除法器，減少了組合邏輯帶來的不穩(wěn)定時延。由于投影亮度受人眼的分辨能力以及環(huán)境光線影響，導(dǎo)致視頻信號的低灰階分辨不清，需要引進(jìn)參數(shù)光源投影顯示最低分辨亮度ξ(c)，將原有亮度灰度值映射到投影可分辨亮度。圖5為光源控制模塊結(jié)構(gòu)示意圖。圖5光源控制模塊

3．4視頻亮度增益模塊在光源控制模塊中根據(jù)加權(quán)重的視頻圖像平均亮度通過PWM脈沖控制光源發(fā)射亮度，為了還原圖像的原始亮度，需要對輸入的視頻信號的亮度進(jìn)行補(bǔ)償。由于光源調(diào)節(jié)系數(shù)η(C)隨著圖像每幀刷新而刷新，通過非線性的計算圖像增益系數(shù)ε(C)會由于計算誤差、時序余量不足而帶來投影亮度失真。在實(shí)際模塊中，采用LUT(LookUpTable)算法代替非線性計算，利用尋址的方法確定當(dāng)前幀圖像增益系數(shù)ε(C)。

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果

整合IEB算法代碼和DMD驅(qū)動代碼，通過AS方式下載到FPGA中進(jìn)行測試。將相機(jī)shutter調(diào)整到1/60s，與高清1080p視頻幀頻相同。圖6a光源亮度為3000lm，光源功率大，溫度高，一般的小型投影機(jī)達(dá)不到這么高的亮度。在圖片上可以看到地球表面清晰，月亮明亮。圖6b是在光源亮度降到1500lm，F(xiàn)PGA中未使用IEB算法拍攝。一般的便攜LED光源投影設(shè)備亮度可以達(dá)到1500lm，圖像亮度偏低，地球表面細(xì)節(jié)丟失。圖6c是在光源亮度在1500lm，F(xiàn)PGA中使用IEB算法拍攝，圖像亮度得到明顯改觀，地球表明細(xì)節(jié)清晰，圖像接近3000lm下的顯示效果。為了驗(yàn)證使用FPGA來實(shí)現(xiàn)IEB算法的高效性，在PC上用MATLAB模擬IEB算法與FPGA上作對比，如表1所示。可見FPGA比PC(IntelCorei5－3210M2．50GHz)快10倍左右。這是由于在FPGA中對IEB算法的優(yōu)化，利用pipeline以及ping－pang等算法加速運(yùn)算，并行處理運(yùn)算避免等待時間。

5結(jié)論

為了在恒定功率下增強(qiáng)投影亮度，設(shè)計了一套完整的軟硬結(jié)合的解決方案。硬件上FPGA+MCU的聯(lián)合處理單元配合高速的DDR2緩存器以及LVDS高速信號接口保證了高清視頻信號流暢地顯示。軟件上利用FPGA使得IEB算法得到高效實(shí)現(xiàn)。最終測試在恒定功率下，投影亮度平均提升2倍，圖像細(xì)節(jié)大部分真實(shí)還原。同時，在FPGA下加速運(yùn)算IEB算法，相對PC速度提升10倍左右。

作者：岳小龍劉一清顧曉麗單位：華東師范大學(xué)信息學(xué)院通信工程系