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當今的液晶顯示(LCD) 技術(shù)在高清晰電視(HDTV) 領(lǐng)域得到了廣泛應用，其挑戰在于如何獲得更高的分辨率，實(shí)現更快的數據速率。提高數據速率需要專(zhuān)業(yè)圖像處理算法來(lái)支持快速移動(dòng)的視頻。業(yè)界遇到的主要問(wèn)題是：怎樣實(shí)現這些算法，率先將產(chǎn)品推向市場(chǎng)，并且能夠控制好產(chǎn)品功耗? 為解決這一問(wèn)題，當硬件平臺和不同尺寸的LCD 顯示屏連接時(shí)，設計人員需要確定怎樣重新配置圖像處理算法。面積較大的LCD 顯示屏需要更快的數據速率，因此，難點(diǎn)在于怎樣根據顯示屏大小來(lái)調整數據速率。 采用新的低成本Cyclone? III FPGA 系列很容易處理這些問(wèn)題。設計人員可以在Cyclone III FPGA 中應用圖像處理算法，轉換數字視頻信號并映射至顯示屏。而且，設計人員還可以充分發(fā)揮Cyclone III FPGA 的靈活性，重新配置圖像處理算法，針對面積較大的顯示屏來(lái)提高數據速率。所以，設計人員能夠為所有類(lèi)型的LCD 顯示屏開(kāi)發(fā)通用硬件平臺。 Cyclone III FPGA 的優(yōu)點(diǎn) Cyclone III FPGA 在數字電視和顯示屏應用上非常靈活，能夠實(shí)現最佳成本和性能。LCD 電視生產(chǎn)商可以把Cyclone III FPGA 當做協(xié)處理器，運行實(shí)時(shí)嵌入式操作系統，控制所有的顯示設備。除了顯示中心控制以外，設計人員還可以在數據通道上結合使用Cyclone III FPGA 和ASSP，進(jìn)行特殊視頻和圖像處理。例如，FPGA 適合實(shí)現選擇顯示功能，在視頻流中進(jìn)行實(shí)時(shí)圖像縮放。 Cyclone III FPGA 含有288 個(gè)經(jīng)過(guò)優(yōu)化的硬核數字信號處理(DSP) 模塊，構成了視頻和圖像處理的基本單元。DSP 模塊具有高速并行處理能力，適合執行DSP 應用程序，例如需要較高數據吞吐量的圖像處理任務(wù)等。最常用的DSP 功能包括有限沖擊響應(FIR) 濾波器、復數FIR 濾波器、快速傅立葉變換(FFT)、離散余弦變換(DCT) 和相關(guān)器等。這些功能是HDTV 以及其他綜合LCD 應用的基本模塊。 新技術(shù)克服了HDTV 中的障礙 目前的大屏幕顯示會(huì )把很小的瑕疵放大為很大的圖像失真，導致消費者不愿意購買(mǎi)大屏幕顯示設備。顯示設計人員必須采取措施濾除這些瑕疵，平滑鋸齒邊沿以及快速抖動(dòng)等。 實(shí)現這類(lèi)圖像處理邏輯可以采用ASSP、ASIC 或者FPGA。然而，對于設計人員而言，ASSP 無(wú)法突出企業(yè)的產(chǎn)品優(yōu)勢，而ASIC 的開(kāi)發(fā)時(shí)間很長(cháng)，價(jià)格昂貴。只有FPGA 能夠快速靈活地實(shí)現設計，搶在競爭對手之前把產(chǎn)品推向市場(chǎng)。在目前的市場(chǎng)上，Cyclone III FPGA 的成本和功耗要比任何其他FPGA 都低，使FPGA 成為圖像處理領(lǐng)域更愿意選擇的解決方案。 此外，當今新的HDTV 為人們提供了更好的視覺(jué)體驗，但常常要處理已有的標準清晰度(SD) 輸入信號。顯示設備公司希望能夠增強SD 輸入圖像，采用縮放功能，而這都可以在Cyclone III FPGA 中利用Altera?視頻和圖像處理包提供的內核來(lái)輕松實(shí)現。表1 列出了各種MegaCore? 功能。 表1. IP MegaCore 功能 視頻輸入格式 在典型的數字LCD 電視結構( 圖1 所示) 中，調諧器模塊可以是衛星、地面或者電纜解調器，含有MPEG2或者M(jìn)PEG4 解碼器。除了數字顯示調諧器信號以外，典型的LCD 電視還提供外部視頻輸入，例如DVI( 數字視覺(jué)接口) 或者HDMI( 高清晰多媒體接口)、模擬RGB、CVBS、S 視頻和復合視頻信號等。 LCD HDTV 監視器必須能夠處理各種視頻輸入格式。有的格式可以直接映射到顯示屏上，而有的格式必須重新縮放才能正常顯示。 圖1. 典型的數字LCD 電視結構圖 Nios 嵌入式處理器 出于多種考慮，設計人員在實(shí)現控制功能上沒(méi)有采用硬件邏輯( 通常以狀態(tài)機的形式)，而是轉向Nios?II 嵌入式處理器。首先，其設計調試要比HDL 簡(jiǎn)單。除了簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)之外，設計人員還希望CPU 和工具包能夠通用，適合多種應用。而且，Nios II 軟核處理器是性?xún)r(jià)比非常高的解決方案，不需要外部處理器，設計人員可以把它嵌入到現有FPGA 設計中，沒(méi)有額外成本。 對于DTV 應用，Nios II 處理器控制所有的數據流，包括：
FPGA 的優(yōu)點(diǎn) LCD HDTV 的核心是其圖像處理和時(shí)序控制模塊( 如圖2 所示)。圖像處理模塊通常包括掃描速率轉換器、幀速率轉換器、色彩解碼器、移動(dòng)探測、scalar 和去隔行等功能。 圖2. 典型的LCD 電視接口結構圖 HDTV LCD 顯示屏的色彩響應時(shí)間取決于色彩內容，要比傳統的顯示器慢。這對圖像處理算法而言是一種挑戰，需要進(jìn)行更多的處理來(lái)消除相關(guān)的顯示瑕疵。Cyclone III FPGA 在設計上的靈活性有很大優(yōu)勢，設計人員可以在器件中重新設計算法，而不用重新編程。 更重要的是Cyclone III 系列在密度、板上存儲器和 I/O 等很方面的處理能力非常強，設計人員可以利用這些資源針對最終產(chǎn)品設計合適的應用程序。 例如，上面的設計使用一個(gè)時(shí)序控制器通道，實(shí)現小屏或者低分辨率顯示。而利用Cyclone III FPGA，設計人員可以使用兩通道時(shí)序控制器，支持分辨率更高的顯示屏或者尺寸更大的( 大于36 英寸) 顯示屏。在這些應用上，Cyclone III 系列的特性要優(yōu)于任何其他低成本FPGA，這些特性包括：
I/O 靈活性 Cyclone III FPGA 的I/O 非常靈活，在新標準層出不窮的環(huán)境下，工程師可以充分利用這一點(diǎn)來(lái)開(kāi)發(fā)設計。例如，在上面的設計中( 圖2)，視頻板通過(guò)LVDS 總線(xiàn)和LCD 模塊進(jìn)行接口。市場(chǎng)上目前對DisplayPort 等標準非常關(guān)注，這類(lèi)標準能夠同時(shí)支持個(gè)人計算機和家庭娛樂(lè )系統，今后很有可能成為新的接口選擇。然而，很多ASSP 并不支持新標準，工程師轉而采用FPGA，利用合適的接口實(shí)現需要的功能。Cyclone III FPGA 可以和多種標準連通，能夠支持這類(lèi)標準，其PLL 輸出實(shí)現需要的時(shí)序和控制功能。 Cyclone III FPGA 的I/O 價(jià)值還體現在RSDS 上，以前的Cyclone 器件便具有該功能，現在還包含了片內匹配�，F在，設計人員不必再為接口設計大量的電阻，提高了信號完整性，減少了元件數量。 視頻增強 顯示設備生產(chǎn)商利用Cyclone III FPGA 以及上面討論的視頻和圖像處理包，增加真色彩和移動(dòng)專(zhuān)用算法，提高性能，快速完成開(kāi)發(fā)，充分挖掘市場(chǎng)機遇，突出其產(chǎn)品優(yōu)勢。有兩種專(zhuān)用視頻增強方法來(lái)實(shí)現LCD 顯示屏的真視頻顯示性能。 第一種方法是時(shí)域抖動(dòng)，在一定時(shí)間周期內，使象素迅速接通和關(guān)斷，為不同的顏色生成真灰度級。第二種是空間抖動(dòng)，產(chǎn)生數量合適的顏色強度級�？臻g抖動(dòng)會(huì )產(chǎn)生空間噪聲，出現誤碼擴散；需要進(jìn)一步濾波，進(jìn)行精細調整來(lái)消除這類(lèi)噪聲。 性能 Cyclone III FPGA 具備DSP 處理能力，含有4Mbits 的RAM，288 個(gè)硬核DSP 模塊以及120K 邏輯單元，性能得以大幅度提高。Cyclone III FPGA 還可以提供多個(gè)DSP 處理器支持，幫助設計人員降低了成本，提高了集成度，大大降低了功耗。 結論 LCD 以前只是用于穩定地顯示計算機數據文本和圖像，現在可以在大屏幕上顯示快速移動(dòng)的視頻內容。這需要采用專(zhuān)門(mén)的圖像處理算法，而FPGA 能夠實(shí)現這些算法。LCD 設計人員利用Cyclone III 系列FPGA 的容量和特性，根據顯示屏大小，在標準硬件平臺上對這些算法重新配置，大大降低了生產(chǎn)成本，縮短了產(chǎn)品面市時(shí)間。而且，靈活的Cyclone III FPGA 還可以幫助設計人員進(jìn)行動(dòng)態(tài)圖像處理，使LCD 能夠進(jìn)一步深入到前沿的商用電視和顯示應用領(lǐng)域。 |
