基于FPGA的高光效LCD投影機設計

　　引言

　　顯示技術正朝著大屏幕、高清晰度、高亮度和高分辨率的方向發展。通常說來，將屏幕顯示面對角線尺寸在1米(40英寸)以上的顯示稱為大屏幕顯示。投影機作為一種重要的顯示設備，已經廣泛地應用到了金融、教育、企業、軍事等多個領域，它所具有的大幅面、高清晰多媒體演示功能，使信息的傳遞具有更好的效果。目前，市面上的主流產品是三片式LCD投影機和DLP投影機，其中，三片式LCD投影機的市場份額高達三分之二。

　　然而，投影機的主要采購者絕大多數是政府部門、企業和高校。無論是三片式LCD投影機還是DLP投影機，其高昂的價格一直妨礙著投影機進入普通家庭。為了簡化設備結構，降低成本，本文給出了一種基于FPGA的高光效單片彩色LCD投影機的設計方法。

　　1 投影原理

　　三片式LCD投影機的一般電路原理如圖1所示。由圖1可以看出，傳統LCD投影機的電路原理是把傳送過來的視頻信號通過彩色解碼，以產生R、G、B信號，然后通過視頻處理電路把該三基色信號加載在紅、綠、藍三只單色液晶屏上，最后加在三只單色投影管上，并經三只單色投影管還原后，再把圖像通過光學透鏡放大幾十倍后由反射鏡反射到屏幕上，最后在屏幕上合成出彩色圖像。由此可以看出，由于三只投影管和投影鏡頭并非都正對屏幕放置，三種圖像信號還原到屏幕上所經過的光路各不相同，而這必然導致R、G、B三色信號在屏幕上不能完全重合在一起，進而引起會聚失真。

　　于是，本文從圖1的視頻處理電路和控制電路著手，設計了一種新的投影方式，即在一個液晶屏上呈現R、G、B三基色的單色圖像數據，并對照射進來的R、G、B三單色光進行調制，然后經過透射、折射以及圖像拉寬等光學系統的處理，最終在屏幕上形成彩色網像，該方法的原理圖如圖2所示。

　　通過圖2可以看出，該沒計的最大特點是在一塊LCD屏上分別顯示出R、G、B三基色圖像，并通過對單色光進行調制來投影，而不像傳統的投影系統，要用三塊LCD屏分別顯示R、G、B基色圖像。

　　2 投影機系統電路

　　在投影機設計中，控制電路的作用是對輸入的視頻和數字圖像信號進行處理，以將其轉變成適合LCD屏顯示的信號。投影系統的電路部分如圖3所示。當圖像信號由DVI接口傳送到DVI解碼芯片后，系統可將視頻信號分解成24位R、G、B單色信號以及相應的控制信號，再通過FPGA組成的視頻信號處理電路進行相關轉換，然后經過DVI編碼芯片恢復成DVI信號，最后送至液晶屏。

　　從系統電路的示意圖可知。以FPGA為核心(包括DVI解碼、編碼芯片在內)的信號處理電路是整個設計中最為關鍵的部分，圖4所示是其數據讀寫和傳輸示意圖。從DVI解碼芯片進入FPGA的數據包括8位并行R/G/B信號以及行、場控制信號和時鐘信號。事實上，為實現實時視頻顯示，應該對一幀(筆者使用的LCD屏所支持的最高分辨率為XGA，即1024×768)數據進行處理。可是，如果對整幀數據一起處理，至少需要2 MB以上的外部存貯器來對數據進行緩存，這樣既提高了成本，又增加了電路的復雜性。因此，在本設計中，筆者采用了一種新思路，即對輸入的視頻數據一行一行的進行處理，并且在相鄰兩行的數據流處理中采用“乒乓操作”，這樣既可實現實時顯示，又簡化了電路。具體操作如下：

　　① 通過模塊調用將FPGA的片內RAM分為“RAM_A”和“RAM_B”;

　　② 在第一個行周期，將輸入的第一行數據流緩存到“RAM_A”：因為一行視頻信號有3K字節，為了實現在LCD屏上三基色的分離，在對數據進行存儲時，不能按照數據進入FPGA的順序來存儲，而應將紅色數據依次存放在第1至第1024個存儲單元，綠色數據存放在第1025至第2048個存儲單元，藍色數據則放在第2049至第3072個存儲單元，即將原來的象素“打亂”存放;

　　③ 在第二個行周期，按照步驟②中所描述的方法將第二行的視頻信號存入“RAM_B”，同時將“RAM_A”中所存的第一行視頻信號依次從I/O口讀出，再經DVI編碼芯片編碼后送至LCD屏，即在讀出數據時“按序”讀取;

　　④ 重復步驟②、③，使讀、寫操作交替在“RAM_A”和“RAM_B”間循環進行，直至一幀數據傳輸完畢。

　　此時，LCD屏上顯示數據的具體算法如圖5所示，即R1，2占據G1，1的位置(即第2個單元)，R1，3占據B1，1的位置(即第3個單元)，R1，4占據第4個單元，以此類推，直至1024個紅色數據在LCD屏上排列完畢，再開始綠色數據，繼而是藍色數據。這樣便可達到圖2中在一塊LCD屏上分別顯示R、G、B圖像的目的。

　　本設計中所采用的FPGA是Altera公司CvclONe系列中的EP1C6Q240C8。該FPGA的片內存儲器容量為90kbits，完全能夠勝任對分辨率為XGA顯示模式的視頻信號進行行處理。如果要支持更高分辨率的投影模式或對圖像進行整幀的處理，只需更換具有更大片內RAM資源的FPGA或是在FPGA的I/O口外接片外存儲器。DVI解碼和編碼芯片分別選用Sil161和Sil164。

　　這種基于FPGA的控制器除可用投影機的視頻信號處理外，還可應用于平板顯示中有關圖像的翻轉、截取以及象素的抽取等。其操作的關鍵是對數據讀、寫地址的控制。

　　3 液晶屏的處理和光學調整

　　現在市面上的TFT液晶板都是有濾色膜的。本設計如果直接使用這種液晶板，那么當R、G、B三單色光分別照射到R、G、B圖像區域的時候，濾色膜會吸收掉很大一部分光能，從而從投影亮度過低，無法達到應用要求。因此，本設計中所采用的液晶板需去掉濾色膜或者沒有濾色膜的產品，以提高光源利用率和投影亮度。

　　由于視頻信號在LCD屏上分為R、G、B三個部分，因此，三基色圖像通過液晶板匯聚以后，會形成一幅高度和原圖像相等。寬度壓縮為原圖像三分之一的彩色圖像。這時，只需要一枚寬銀幕鏡頭即可將該壓縮圖像拉寬，從而使其恢復到正常圖像。

　　4 結束語

　　隨著家庭影院概念的普及，約來越多的消費者希望在家中享受大制作影片所帶來的強烈震撼。然而，昂貴的投影機卻讓很多家庭望而卻步。本文從實際應用出發，設計了一種基于FPGA的高光效單片彩色LCD投影方式。不難看出，該投影系統將具有如下優勢：

　　(1) 一旦產業化，這種新型投影機的成本比其它的LCD投影機要低很多，因而易于進入普通家庭;

　　(2) 集成度高，體積小，信息容量大，速度快;

　　(3) 光利用率顯著提高，從而提高了顯示質量。