圖像投影系統設計范文

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《電視技術雜志》2014年第十一期

1系統硬件結構

圖1為投影系統硬件框圖，包括提供視頻源的PC機、核心處理板、裝載數字微鏡的DMD板卡、透鏡、光源UHP燈及色輪。核心處理板接收視頻信號，經IEB算法自適應增益圖像亮度，然后按照PWM數據交織算法將視頻流轉換成對應的比特面序列來驅動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。硬件系統的核心是核心處理板，其內部結構如圖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，自適應調節光源亮度，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數據交織算法將視頻流轉換成對應的比特面序列，最后傳送給DMD板卡驅動數字微鏡DMD進行投影顯示。MCU驅動色輪均勻旋轉，并通過USB接口與PC通信實現遠程控制。

2亮度自適應增強的圖像投影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，降低光源發射功率。然而經實驗發現存在局部細節丟失、色彩失真的現象。本文提出的IEB算法可以在投影亮度實時提高的前提下，更好地還原圖像細節。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，判斷是否可以進行亮度增益。然后根據整幀的亮度信息以及色彩信息，進行增益系數動態可調的視頻信號增益，并產生PWM脈沖調節光源的亮度。

2．1視頻信號直方圖統計將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間，增加與此亮度區間對應的寄存器的值，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，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量。

2．2直方圖數據動態分析為了避免因亮度增益而丟失高亮度的圖像細節，判斷16階函數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設為1。白色峰值可以根據實際效果實時調節。其值越大，圖像得到增益的比重增加，光源的發射亮度降低，但白色峰值過大會由于某些像素值溢出，使得部分圖像細節丟失。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，則不進行該顏色的系數增益。

2．3光源亮度控制動態線性調節光源的亮度，降低投影機光源的整體亮度，并計算調節系數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。

3IEB算法的FPGA軟件實現

3．1FPGA內部算法模塊及系統總線FPGA為核心處理板上的核心處理器，負責完成光源亮度自適應調節的圖像顯示IEB算法，驅動數字微鏡DMD，產生光源同步以及PWM亮度控制時序。FPGA采用StratixII。FPGA內部結構如圖3所示。FPGA內部設有2條系統總線，控制總線與MCU相連，將PC機的配置信息傳給每個IEB算法模塊以及DMD驅動模塊;內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內部RAM相連，分配內存給IEB算法模塊以及驅動模塊。FPGA內部參數配置方法如圖4所示。實時遠程控制縮短了系統調試周期，同樣給投影系統使用帶來便捷。

3．2視頻圖像直方圖統計模塊視頻信號按照RGB格式輸入，在統計前根據亮度方程將格式轉為RGBY。轉換中涉及浮點數乘法運算，本文采用精度高、時序收斂性好的二進制縮放算法。首先將每個小數在綜合前乘上216，之后將小數部分在十進制下四舍五入舍去。轉換精度1/(0．0722×216)＞0．02%，遠超過人眼的分辨能力。電路采用流水線結構，增加了觸發)最后將增益系數迭乘到視頻信號上，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。

直方圖統計具體流程:1)當數據使能信號有效時，判斷顏色C高4位的值C［7:4］，將其對應的函數φ(C)的值加1;2)當數據使能信號無效并且幀結束信號有效，該幀16段直方圖函數φ統計結束，以顏色C的高4位分量作為偏移地址，通過內存地址總線將16段直方圖對應函數φ寫入到內存中;3)在φ被寫入到內存的同時，利用和加法器計算4段直方圖對應函數φ，以顏色C的高2位分量作為偏移地址，通過內存地址總線將4段直方圖對應函數φ寫入到內存中。由于FPGA強大的并行處理能力，4個顏色數據同時進行上述流程。

3．3光源控制模塊光源控制模塊根據視頻圖像的亮度，動態產生PWM脈沖控制光源發射亮度。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，光源發射亮度可以降低更多。所以亮度越高對光源發射亮度調整限制就越大，圖像平均亮度不能簡單求和，需要加一定的權重。如果對256個灰階都加權重需要使用大量除法器，不僅極大增加程序執行時間，帶來潛在的時序問題，更重要的是降低了運算精度。在光源控制模塊中，利用視頻圖像直方圖統計模塊中計算的16段直方圖函數φ，將256個灰階壓縮成16個灰階，由于權重值為2的整數次冪，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定時延。由于投影亮度受人眼的分辨能力以及環境光線影響，導致視頻信號的低灰階分辨不清，需要引進參數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為光源控制模塊結構示意圖。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加權重的視頻圖像平均亮度通過PWM脈沖控制光源發射亮度，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行補償。由于光源調節系數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前幀圖像增益系數ε(C)。

4實驗結果

整合IEB算法代碼和DMD驅動代碼，通過AS方式下載到FPGA中進行測試。將相機shutter調整到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，一般的小型投影機達不到這么高的亮度。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，FPGA中未使用IEB算法拍攝。一般的便攜LED光源投影設備亮度可以達到1500lm，圖像亮度偏低，地球表面細節丟失。圖6c是在光源亮度在1500lm，FPGA中使用IEB算法拍攝，圖像亮度得到明顯改觀，地球表明細節清晰，圖像接近3000lm下的顯示效果。為了驗證使用FPGA來實現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算法的優化，利用pipeline以及ping－pang等算法加速運算，并行處理運算避免等待時間。

5結論

為了在恒定功率下增強投影亮度，設計了一套完整的軟硬結合的解決方案。硬件上FPGA+MCU的聯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算法得到高效實現。最終測試在恒定功率下，投影亮度平均提升2倍，圖像細節大部分真實還原。同時，在FPGA下加速運算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：華東師范大學信息學院通信工程系