圖像投影系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖像投影系統(tǒng)設(shè)計(jì)

《電視技術(shù)雜志》2023年第十一期

1系統(tǒng)硬件構(gòu)造

圖1為投影系統(tǒng)硬件框圖，包括供應(yīng)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(hào)，經(jīng)IEB算法自適應(yīng)增益圖像亮度，然后根據(jù)PWM數(shù)據(jù)交錯(cuò)算法將視頻流轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的比特面序列來(lái)驅(qū)動(dòng)DMD芯片。同時(shí)核心處理板利用色輪的反應(yīng)信號(hào)同步色輪，利用IEB算法電路產(chǎn)生的PWM脈沖掌握UHP燈亮度。UHP燈的白色光被色輪按時(shí)間挨次分別成各純色光后照耀在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)部構(gòu)造如圖2所示。核心處理板包括DVIＲeceiver(高清視頻信號(hào)解碼模塊)、MCU(微掌握器)、FPGA(現(xiàn)場(chǎng)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(hào)，并分析視頻信號(hào)，自適應(yīng)調(diào)整光源亮度，以及增益視頻信號(hào)的亮度信息，同時(shí)將處理后的視頻信號(hào)根據(jù)PWM數(shù)據(jù)交錯(cuò)算法將視頻流轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的比特面序列，最終傳送給DMD板卡驅(qū)動(dòng)數(shù)字微鏡DMD進(jìn)展投影顯示。MCU驅(qū)動(dòng)色輪勻稱旋轉(zhuǎn)，并通過(guò)USB接口與PC通信實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程掌握。

2亮度自適應(yīng)增加的圖像投影IEB算法

一般增加視頻信號(hào)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(shí)，降低光源放射功率。然而經(jīng)試驗(yàn)發(fā)覺存在局部細(xì)節(jié)喪失、顏色失真的現(xiàn)象。本文提出的IEB算法可以在投影亮度實(shí)時(shí)提高的前提下，更好地復(fù)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(gè)顏色的灰度信息，推斷是否可以進(jìn)展亮度增益。然后依據(jù)整幀的亮度信息以及顏色信息，進(jìn)展增益系數(shù)動(dòng)態(tài)可調(diào)的視頻信號(hào)增益，并產(chǎn)生PWM脈沖調(diào)整光源的亮度。

2．1視頻信號(hào)直方圖統(tǒng)計(jì)將0～255每隔16個(gè)單位分成16個(gè)亮度空間，分別推斷輸入視頻信號(hào)每個(gè)像素4個(gè)顏色重量(ＲGBY)的亮度值屬于哪段亮度區(qū)間，增加與此亮度區(qū)間對(duì)應(yīng)的存放器的值，通過(guò)這些存放器得到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(guò)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(dòng)態(tài)分析為了避開因亮度增益而喪失高亮度的圖像細(xì)節(jié)，推斷16階函數(shù)中白色最高灰階段是否超過(guò)白色峰值，超過(guò)將亮度增益系數(shù)設(shè)為1。白色峰值可以依據(jù)實(shí)際效果實(shí)時(shí)調(diào)整。其值越大，圖像得到增益的比重增加，光源的放射亮度降低，但白色峰值過(guò)大會(huì)由于某些像素值溢出，使得局部圖像細(xì)節(jié)喪失。為了避開投影圖像因某種顏色的失真而造成整體顏色失真，需要推斷其他顏色在各自直方圖的最高灰階段所占比例。假如某個(gè)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)展該顏色的系數(shù)增益。

2．3光源亮度掌握動(dòng)態(tài)線性調(diào)整光源的亮度，降低投影機(jī)光源的整體亮度，并計(jì)算調(diào)整系數(shù)η(c)，其中C=Ｒ，G，B，Y。測(cè)出每種顏色光源投影顯示最低辨別亮度，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辨別亮度后，計(jì)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)整的圖像顯示IEB算法，驅(qū)動(dòng)數(shù)字微鏡DMD，產(chǎn)生光源同步以及PWM亮度掌握時(shí)序。FPGA采納StratixII。FPGA內(nèi)部構(gòu)造如圖3所示。FPGA內(nèi)部設(shè)有2條系統(tǒng)總線，掌握總線與MCU相連，將PC機(jī)的配置信息傳給每個(gè)IEB算法模塊以及DMD驅(qū)動(dòng)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(chǔ)單元DDＲ2以及FP-GA內(nèi)部ＲAM相連，安排內(nèi)存給IEB算法模塊以及驅(qū)動(dòng)模塊。FPGA內(nèi)部參數(shù)配置方法如圖4所示。實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程掌握縮短了系統(tǒng)調(diào)試周期，同樣給投影系統(tǒng)使用帶來(lái)便捷。

3．2視頻圖像直方圖統(tǒng)計(jì)模塊視頻信號(hào)根據(jù)ＲGB格式輸入，在統(tǒng)計(jì)前依據(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，本文采納精度高、時(shí)序收斂性好的二進(jìn)制縮放算法。首先將每個(gè)小數(shù)在綜合前乘上216，之后將小數(shù)局部在十進(jìn)制下四舍五入舍去。轉(zhuǎn)換精度1/(0．0722×216)＞0．02%，遠(yuǎn)超過(guò)人眼的辨別力量。電路采納流水線構(gòu)造，增加了觸發(fā))最終將增益系數(shù)迭乘到視頻信號(hào)上，即O(C)=ε(C)×I(C)(6)式中:O(C)為輸出視頻信號(hào);I(C)為輸入視頻信號(hào)。

直方圖統(tǒng)計(jì)詳細(xì)流程:1)當(dāng)數(shù)據(jù)使能信號(hào)有效時(shí)，推斷顏色C高4位的值C［7:4］，將其對(duì)應(yīng)的函數(shù)φ(C)的值加1;2)當(dāng)數(shù)據(jù)使能信號(hào)無(wú)效并且?guī)戤呅盘?hào)有效，該幀16段直方圖函數(shù)φ統(tǒng)計(jì)完畢，以顏色C的高4位重量作為偏移地址，通過(guò)內(nèi)存地址總線將16段直方圖對(duì)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(shí)，利用和加法器計(jì)算4段直方圖對(duì)應(yīng)函數(shù)φ，以顏色C的高2位重量作為偏移地址，通過(guò)內(nèi)存地址總線將4段直方圖對(duì)應(yīng)函數(shù)φ寫入到內(nèi)存中。由于FPGA強(qiáng)大的并行處理力量，4個(gè)顏色數(shù)據(jù)同時(shí)進(jìn)展上述流程。

3．3光源掌握模塊光源掌握模塊依據(jù)視頻圖像的亮度，動(dòng)態(tài)產(chǎn)生PWM脈沖掌握光源放射亮度。視頻圖像的亮度越暗，信號(hào)的灰階值就越小，可增益的范圍變大，光源放射亮度可以降低更多。所以亮度越高對(duì)光源放射亮度調(diào)整限制就越大，圖像平均亮度不能簡(jiǎn)潔求和，需要加肯定的權(quán)重。假如對(duì)256個(gè)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(shí)間，帶來(lái)潛在的時(shí)序問(wèn)題，更重要的是降低了運(yùn)算精度。在光源掌握模塊中，利用視頻圖像直方圖統(tǒng)計(jì)模塊中計(jì)算的16段直方圖函數(shù)φ，將256個(gè)灰階壓縮成16個(gè)灰階，由于權(quán)重值為2的整數(shù)次冪，可以利用移位存放器代替除法器，削減了組合規(guī)律帶來(lái)的不穩(wěn)定時(shí)延。由于投影亮度受人眼的辨別力量以及環(huán)境光線影響，導(dǎo)致視頻信號(hào)的低灰階辨別不清，需要引進(jìn)參數(shù)光源投影顯示最低辨別亮度ξ(c)，將原有亮度灰度值映射到投影可辨別亮度。圖5為光源掌握模塊構(gòu)造示意圖。圖5光源掌握模塊

3．4視頻亮度增益模塊在光源掌握模塊中依據(jù)加權(quán)重的視頻圖像平均亮度通過(guò)PWM脈沖掌握光源放射亮度，為了復(fù)原圖像的原始亮度，需要對(duì)輸入的視頻信號(hào)的亮度進(jìn)展補(bǔ)償。由于光源調(diào)整系數(shù)η(C)隨著圖像每幀刷新而刷新，通過(guò)非線性的計(jì)算圖像增益系數(shù)ε(C)會(huì)由于計(jì)算誤差、時(shí)序余量缺乏而帶來(lái)投影亮度失真。在實(shí)際模塊中，采納LUT(LookUpTable)算法代替非線性計(jì)算，利用尋址的方法確定當(dāng)前幀圖像增益系數(shù)ε(C)。

4試驗(yàn)結(jié)果

整合IEB算法代碼和DMD驅(qū)動(dòng)代碼，通過(guò)AS方式下載到FPGA中進(jìn)展測(cè)試。將相機(jī)shutter調(diào)整到1/60s，與高清1080p視頻幀頻一樣。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外表清楚，月亮光明。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)備亮度可以到達(dá)1500lm，圖像亮度偏低，地球外表細(xì)節(jié)喪失。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，地球說(shuō)明細(xì)節(jié)清楚，圖像接近3000lm下的顯示效果。為了驗(yàn)證使用FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)IEB算法的高效性，在PC上用MATLAB模擬IEB算法與FPGA上作比照，如表1所示?？梢奆PGA比PC(IntelCorei5－3210M2．50GHz)快10倍左右。這是由于在FPGA中對(duì)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)算避開等待時(shí)間。

5結(jié)論

為了在恒定功率下增加投影亮度，設(shè)計(jì)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