【正文】 ............................................... 36 附錄 2：三角插值過驅(qū)動算法主要代碼實現(xiàn) ..................................................... 37 附錄 3： BMP 文件讀寫函數(shù) ................................................................................ 38 附錄 4： BMP 圖像讀取與寫出 .............................................................................. 42 附錄 5：查找表 ..................................................................................................... 44 本科畢業(yè)設(shè)計論文 6 第一章 緒論 應(yīng)用背景 在現(xiàn)在的顯示器市場上， 液晶顯示器（ LCD, Liquid Crystal Display）憑借其體積小，功耗低等特點已經(jīng)逐漸取代傳統(tǒng)的 CRT 顯示器，占領(lǐng)了大部分顯示器市場 ，由下圖可以看出， LCD 顯 示器與 CRT 顯示器相比在市場上所占比例越來越大 。 而視頻畫面顯示質(zhì)量又與液晶顯示器的響應(yīng)時間緊密相關(guān)， 由于在 LCD 面板中形成像素的液晶體的響應(yīng)時間相對較慢 ， 所以 當(dāng) TV顯示大量的活動圖像時存在“殘像”、“拖尾”的現(xiàn)象，使畫面看上去不流暢 。用于防止由于響應(yīng)時間慢而導(dǎo)致的液晶面板殘 留圖像保持的最常用的方法是在用于驅(qū)動液晶面板的源驅(qū)動器中適當(dāng)?shù)仡A(yù)處理圖像 ，通過預(yù)處理圖像來降低液晶顯示器的響應(yīng)時間 。 研究現(xiàn)狀 本科畢業(yè)設(shè)計論文 7 目前，國內(nèi)外已有多種成熟并且切實可行的技術(shù)來降低液晶顯示器的響應(yīng)時間。根據(jù)控制液晶顯示板的溫度產(chǎn)生液晶驅(qū)動信號，通過改變液晶顯示板的溫度來確定基于溫度的調(diào)至數(shù)據(jù)，還公開了采用上述方法的用于驅(qū)動液晶顯示器的方法和裝置。 Richard I. McCartney 在 參考文獻(xiàn) [4]中提出一種面向液晶顯示器的改善響應(yīng)時間的算法，該算法可以使液晶顯示器的響應(yīng)時間降低 。 因為本次設(shè)計主要是面向液晶顯示器，采用 了補償響應(yīng)時間的一種算法 過驅(qū)動算法來降低液晶體的響應(yīng)時間。 主要工作 針對 高清 液晶面板的響應(yīng)時間不夠快的問題，本文實現(xiàn)了兩種過驅(qū) 動算法。另外，本文還提出了采用該算法處理可能產(chǎn)生的一些問題，并且給出了切實可行的解決方案。但是這種插值需要每次插值都需要訪問 4 次查找表，每次插值都需要 4 個值，這將給硬件實現(xiàn)增加負(fù)擔(dān)。 2. 采用三角插值的過驅(qū)動算法：三角插值針對雙線性插值的缺點進(jìn)行 了改進(jìn)。 3. 針對硬件實現(xiàn)的優(yōu)化。 論文組織 這篇論文正文共包含七章 : 本科畢業(yè)設(shè)計論文 8 第一章為緒論部分； 第二章介紹液晶顯示器的構(gòu)造、特性和顯示原理，并由此引出響應(yīng)時間在液晶顯示器領(lǐng)域的概念。 最后為參考文獻(xiàn)、致謝和附錄。在此基礎(chǔ)上詳細(xì)闡述 過驅(qū)動 算法的實現(xiàn)原理。和 CRT 顯示器相比， LCD 的優(yōu)點是很明顯的。對于畫面穩(wěn)定、無閃爍感的液晶顯示器，刷新率不高但圖像也很穩(wěn)定。一些高檔的數(shù)字 LCD 顯示器采用了數(shù)字方式傳輸數(shù)據(jù)、顯示圖像，這樣就不會產(chǎn)生由于顯卡造成的色彩偏差或損失。體積小、能耗低也是 CRT 顯示器無法比擬的，一般一臺 15 寸 LCD 顯示器的耗電量也就相當(dāng)于 17 寸純平 CRT 顯示器的三分之一。色彩表現(xiàn)和飽和度 LCD 顯示器都在不同程度上輸給了 CRT 顯示器，而且液晶顯示器的響應(yīng)時間也比 CRT 顯示器長，當(dāng)畫面靜止的時候還可以，一旦用于玩游戲、看影碟這些畫面更新速度塊而劇烈的顯示時，液晶顯示器的弱點就暴露出來了，畫面延遲會產(chǎn)生重影、脫尾等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響顯示質(zhì)量。讓液晶如閘門般地阻隔或讓光線穿透。偏光板、彩色濾光片決定了有多少光可以通過以及生成何種顏色的光線。簡單的說就是后面的平面上的溝槽是縱向排列的話，那么前面的平面就是橫向排列的。背光光源即燈管發(fā)出的光線通過液晶顯示屏背面的背光板和反光膜，產(chǎn)生均勻的背光光線，這些光線通過后層會被 液晶進(jìn)行 Z 軸向的扭曲，從而能夠通過前層平面。本科畢業(yè)設(shè)計論文 10 圖 21 液晶顯示器面板構(gòu)造圖 從液晶顯示器的結(jié)構(gòu)來看，無論是筆記本電腦還是桌面系統(tǒng)，采用的 LCD顯示屏都是由不同部分組成的分層結(jié)構(gòu)。因為液晶材料本身并不發(fā)光，所以在顯示屏兩邊都設(shè)有作為光源的燈管，而在液晶顯示屏背面有一塊背光板（或稱勻光板）和反光膜，背光板是由熒光物質(zhì)組成的可 以發(fā)射光線，其作用主要是提供均勻的背景光源。液晶層中的液滴都被包含在細(xì)小的單元格結(jié)構(gòu)中，一個或多個單元格構(gòu)成屏幕上的一個像素。在液晶材料周邊是控制電路部分和驅(qū)動電路部分。 過驅(qū)動算法的實現(xiàn)原理 本科畢業(yè)設(shè)計論文 11 圖 23 上升 響應(yīng)時間計算 灰階響應(yīng)時間，也就是 GTG（ Grey To Grey）。我們看到液晶屏幕上的每一個點，即一個像素，它都是由紅、綠、藍(lán)（ RGB）三個子像素組成的，要實現(xiàn)畫面色彩的變化，就必須對 RGB 三個子像素分別做出不同的明暗度的控制，以“調(diào)配”出不同的色彩。以 8 bit 的面板為例，它能表現(xiàn)出 256 個亮度層次（ 2 的 8 次方），我們就稱之為 256 灰階。因為每一個像素點不同灰階之間的轉(zhuǎn)換過程，是長短不一、錯綜復(fù)雜的，很難用一個客觀的尺度來進(jìn)行表示。由于液晶分子“由黑到白”與“由白到黑”的轉(zhuǎn)換速度并不是完全一致的，為了能夠盡量有意義的標(biāo)示出液晶面板的反應(yīng)速度，傳統(tǒng)的響應(yīng)時間的定義，基本以“黑 — 白 — 黑”全程響應(yīng)時間作為標(biāo)準(zhǔn)。事實上，液晶分子轉(zhuǎn)換速度及扭轉(zhuǎn)角度由施加電壓的大小來決定。但涉及到不同不同明暗的灰度切換，實現(xiàn)起來就困難了，并且日常在顯示器上看到的所有圖像，都是灰階變化的結(jié)果，因此黑白響應(yīng)的測量方式已經(jīng)不能正確的表達(dá)出實際的意義，為此，灰階響應(yīng)時間的概念就順應(yīng)而出了。常說的 25ms、 16ms 就是指的這個反應(yīng)時間，反應(yīng)時間越短則使用者在看動態(tài)畫面時越不會有尾影拖曳的感覺。 CRT 顯示器中，只要電子束擊打熒光粉立刻就能發(fā)光，而輝光殘留時間極短，因此傳統(tǒng) CRT 顯示器反應(yīng)時間僅為 1~3ms。而由于液晶顯示器是利用液晶分子扭轉(zhuǎn)控制光的通斷，而液晶分子的扭轉(zhuǎn)需要一個過程，所以液晶顯示器的反應(yīng)時間要明顯長于 CRT。可以先做一個簡單的換算： 30 毫秒 =1/=每秒鐘顯示 33 幀畫面； 25 毫秒 =1/=每秒鐘顯示 40 幀畫面； 16 毫秒 =1/=每秒鐘顯示 63 幀畫面； 12 毫秒 =1/=每秒鐘顯示 83 幀畫面。 但要注意的是，液晶顯示器都有一個掃描頻率的限制，特別是對于場頻 (又稱刷新率 )，很多都限制在 75Hz 以下，而就一般概念而言， 75Hz 意味著一秒刷新 75 幀畫面，這樣看上去就達(dá)不到 12ms 對應(yīng)的每秒 83 幀畫面了。所以綜合起來，在灰階畫面下 75Hz 的刷新率已經(jīng)可以滿足 12ms 液晶面板的需求了。 當(dāng)灰度級相差較大時 施加在液晶體上的 驅(qū) 動電壓就高， 液晶的翻轉(zhuǎn)速度就越快，使得液晶單元的響應(yīng)時間 也 就越快。 從圖 22 也可以看出，當(dāng)從 0 灰度級到 255 灰度級時，比從 0 灰度級到 32 灰度級的響應(yīng)時間低得多 。 圖 23 液晶顯示器過驅(qū)動處理單元 框圖 過驅(qū)動處理單元 幀存儲單元 表存儲單元 Pn Pn1 Po 本科畢業(yè)設(shè)計論文 14 如上圖所示， 表存儲單 元存著預(yù)先測量好的實驗數(shù)據(jù)， 這些數(shù)據(jù)是在進(jìn)行過驅(qū)動處理過程中所需要的數(shù)據(jù)。 本科畢業(yè)設(shè)計論文 15 第三章 針對高清 液晶 電視的 過驅(qū)動算法 本章主要闡述了 一種 針對高清液晶電視 響應(yīng)時間 補償?shù)乃惴?過驅(qū)動算法。通過過驅(qū)動算法處理，每一幀輸入圖像 將 會產(chǎn)生一幀輸出圖像，使液晶 顯示器的 響應(yīng)時間降低。 圖 像數(shù)據(jù)色彩空間轉(zhuǎn)換 尋址判斷 i,j 以及 x,y 的值 開始 確認(rèn)目標(biāo)灰階和起始灰階 圖像數(shù)據(jù)由 RGN轉(zhuǎn)為 YUV 讀取圖像數(shù)據(jù) 結(jié)束 插值處理 用 OD 替換當(dāng)前灰度值 目標(biāo)灰階 =起始灰階 不處理直接輸出 圖像數(shù)據(jù)由 YUV轉(zhuǎn)為 RGB并輸出 是 否 本科畢業(yè)設(shè)計論文 17 對 于輸入的彩色圖像，常用的是 RGB 色彩空間，真彩圖采用的是 24 位實現(xiàn)方法 , 也就是紅綠藍(lán)每個通道有 8 位 即 256 色 階 。 假如我們想得到未知函數(shù) f 在點 P = (x, y) 的值，假設(shè)我們已知函數(shù) f 在 Q11 = (x1, y1)、 Q12 = (x1, y2), Q21 = (x2, y1) 以及 Q22 = (x2, y2) 四個點的值。另外，插值也可以表示為 1 2 3 4 .b b x b y b xy? ? ? (310) 在這兩種情況下，常數(shù)的數(shù)目都對應(yīng)于給定的 f 的數(shù)據(jù)點數(shù)目。首先進(jìn)行 y 方向的插值，然后進(jìn)行 x 方向的插值，所得到的結(jié)果是一樣的。然后在查找表 （查找表詳見附錄 4） 中查找出對應(yīng) 于坐標(biāo) ( i , j) 、 ( i+1 , j) 、 ( i , j+1)、 ( i+1 ,j+1 )四個點的值； 本科畢業(yè)設(shè)計論文 19 圖 33 以目標(biāo)灰階 166 和原始灰階 85 為例 的雙線性插值 在查找表中取值 4) 通過雙線性插值計算出過驅(qū)動值 OD，并用 OD 代替目標(biāo)灰度值 ； 5) 將處理過后的數(shù)據(jù)從 YUV 色彩空間轉(zhuǎn)換回 RGB 空間 ； 6) 如果一幀處理完成則輸出圖像，否則循環(huán)執(zhí)行步驟 3。 PSNR 的計算 峰值信噪比（ PSNR），一種評價圖像的客觀標(biāo)準(zhǔn)。為了衡量經(jīng)過處理后的影像品質(zhì)，我們通常會參考 PSNR 值來認(rèn)定某個處理程序夠不夠令人滿意。公式如下： 22551 0 * lo g ( )PSN R M SE? (311) 其中 1()F ram esiz e nnnIPM SE Fram esi ze??? ? (312) 其中， MSE 是原圖像與處理圖像之間均方誤差。所以PSNR 值越大，就代表失真越少。 測試效果 本科畢業(yè)設(shè)計論文 20 以下是一組高清測試圖的效果對比： 圖 34 測試圖組的 第一幀圖片 圖 35 測試圖組的 第二幀圖片 本科畢業(yè)設(shè)計論文 21 圖 36 處理后的第二幀圖片 通過對比，可以很明顯的看出 處理后的第二幀圖片將第一幀圖中將變暗的地方補償了暗度，將變亮的地方補償了亮度。 通過處理前后的第二幀圖片的對比計算，得出處理后的圖片的 峰值信噪比為 。請注意，如果 響應(yīng)時間 沒有改善（即液晶的反應(yīng)速度不夠快），所有的曲線都會落在從左下角到右上角的 那條 對角線上。 注意標(biāo)注 GL255 的那條曲線， 這表示當(dāng)原始灰度值是 255 時，如果目前灰度值低于 112， 0 灰度值將會被 用來代替目標(biāo)灰度值 。 對于高清液晶電視來說， 雙線性插值也存在一些不足，每一次插值都需要訪問 4 次查找表， 因為高清液晶電視每一幀數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量都較大， 當(dāng)在硬件實現(xiàn)時，將很大程度的影響處理速度 。 算法復(fù)雜度分析 對于 過驅(qū)動算法進(jìn)行時間復(fù)雜度分析：設(shè)輸入圖像的長和寬分別為 m和 n，則共有 m*n 個像素點。按照時間復(fù)雜度的計算思想，該算法的時間復(fù)雜度在 O(n2)數(shù)量級。所以空間復(fù)雜度量級同樣為 O(n2)。下面將從算法的絕對誤差 和相對誤差兩個方面來進(jìn)行說明。通常，如果誤差的絕對值不超過某個正數(shù) ? ， 即 ( *) *e x x x ?? ? ? (313) 稱正數(shù) ? 為近似值 x*的絕對誤差限。很明顯，未處理時的灰度值即為 x，處理后的得到灰度值為 x*。因為灰度值組合一共有 256*256 個組合，所以用所有灰度值組合的插值誤差的平均值來評價插值方法的 絕對 誤差。且絕對誤差限2 12 9iiGL OD??。這種 插值 只需要 3 個點就能插值 得到過驅(qū)動值 ,則在每次要進(jìn)行插值時只需要訪問 3 次查找表。 2) 獲取查找表中 ( i , j)處的值 A， ( i+1 , j)處的值 C， ( i+1 ,j+1 )處的值 D，如圖 42 所示 ； 本科畢業(yè)設(shè)計論文 25 圖 42 下三角插值 在查找表中取值 3) 計算中間值 ： ()xF C D C a?