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處理器/DSP  

垂直整合技術實現最佳化的HDTV中繼方案

上網時間: 2004年10月15日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:6501 m/i HDTV  高清晰電視  LCoS  矽基液晶  microdisplay technology 

Brillian公司的HDTV中繼方案最佳化了矽基液晶(LCoS)微顯示器技術與光學引擎、驅動電路的整合,在一個完整且可定製的系統中為OEM廠商們提供了具有高品質音訊的HDTV顯示器以及緊密的產業設計。

開發、設計和製造一種最佳化的高性能HDTV需要一種從設計到製造的整合化方法,以滿足家庭影院系統‘發燒友’們的苛刻要求。藝術級的HDTV是如此地複雜,以至於使所有元件協同工作並為消費者提供最佳體驗變成一項令人望而生畏的任務。

擁有垂直整合技術的公司能夠開發微顯示器技術,指定光學引擎設計和性能,最佳化微顯示器與光學引擎以及微顯示器與驅動電路之間的介面,充分利用視訊處理器的處理能力,同時規格機箱的產業設計以及系統測試和驗證。Brillian公司向OEM廠商提供完全整合的、具有超高對比度的65英寸、16:9寬螢幕HDTV中繼方案,該方案擁有藝術級的精細點距螢幕,包含精心打造的光學和機械元件以及全套的音訊和視訊連接端子。圖1:6501m/i型HDTV框圖。超高對比度Gen II LCoS微顯示器透過藝術級的光學核心得到最佳

該公司原先計畫向HDTV製造商供應用於其完整系統中的元件。但是,在其研發和工程團隊開發GEN II LCoS技術的時候,他們意識到,開發一個完整HDTV系統以達到必需的性能以及可靠性非常重要。只有在能夠控制完整HDTV系統中所有關鍵元件的整合以及定製之後,他們才能最佳化GEN II LCoS元件並確保在實現盡可能好的畫面品質過程中不必進行任何折衷。

為了達到目前市場的要求,HDTV製造商必須針對影像價值鏈做出的智慧而有效的決策。在PC市場,對於有競爭力的任何一家製造商而言,整合必要的元件因而建構下一代PC一般說來是相當簡單的一件事情。但對開發HDTV來說挑戰可就艱巨得多,這是由人類視覺系統的複雜性造成的。一個主要的技術挑戰就是:選擇最佳的零組件並使它們無縫地協同工作而不致引發任何可能影響視覺效果的人為痕跡。每一項技術決策最終影響的不僅僅是價格和實驗室儀器測量到的性能,還會影響可察覺到的影像品質。

6501m/i HDTV平台

Brillian公司6501m/i HDTV方案的特色包括:三片超高對比度GEN II LCoS微顯示器(針對基本的1280×720畫素HDTV標準格式而設計),一個三片式光學引擎以及完整的系統電路。系統電路包括視訊和音訊處理電路、雙路NTSC調諧器、控制及連接器面板以及遙控電路。此ASIC驅動電子系統是專為Gen II LCoS顯示器而設計。此外,該系統的硬體還包括電源、反射鏡、螢幕以及外形圓潤且可以定製的產業機箱設計。此方案還包括了用於控制多功能系統的軟體,包括輸入視訊源、畫中畫、畫外畫、色彩和灰度控制等,以及提供可定製的螢幕顯示控制(OSD)介面的軟體鉤子(hook)。另外,還可以提供一塊帶ATSC數位地面廣播調諧以及MPEG解碼器並符合新版有線卡標準的可選擴展板。

GEN II LCoS微顯示器技術

上述GEN II LCoS微顯示器技術上的突破提供了影像品質和價格/性能等多種優勢,這是第一代LCoS或其它替代技術如高溫多晶矽(HTPS)、DLP、電漿顯示以及TFT-LCD等絕不可能帶來的。LCoS技術將液晶技術與現代的矽CMOS技術結合起來。傳統的液晶顯示器是透射式的,由於部份透射觀光被驅動線路所阻擋因而損失了一定的亮度。而LCoS顯示器是反射式的,驅動線路在反射式畫素鏡面後方被遮擋著,這就意味著光源發出的光絕大部份都透過光學系統到達投射螢幕,結果呈現出更高的亮度。圖2:三片式LCoS光學引擎功能圖。每一套偏振束分離器(PBS)都包括一片Gen II LCoS微顯示器

基於GEN II LCoS的影像顯示器的優點在螢幕上可以清楚地看到。LCoS的高對比度,平滑如鏡的深黑色純平顯示螢幕,沒有絲毫顆粒感的畫面也就不存在一直以來困擾電漿和HTPS顯示器的線網式‘紗窗效應’。GEN II LCoS的快速響應時間可以真實完美地再現的運動畫面,投射到螢幕上的運動畫面看不到拖尾現象。

由於單個畫素的尺寸還沒有達到矽晶片製程技術的極限,LCoS技術可以很容易透過縮小單個畫素尺寸且保持微顯示面板尺寸不變來達到更高的解析度(更多的畫素)。反之,如果解析度不變,可以透過縮小單個畫素尺寸來製造更小的微顯示面板。例如,單個畫素為12微米的1280×720陣列(96萬畫素)的面積與單個畫素為8.1微米的1920×1080陣列(210萬畫素)相當。由於LCoS設備的成本主要由矽片尺寸決定,因此可以在成本增加不大的情況下提高解析度。類似地,透過縮小畫素尺寸可以降低相同解析度產品的成本。這種在設計與成本方面的巨大靈活性是其它競爭技術無法比擬的。

Brillian公司使用類比畫素代替了數位畫素,這樣可以透過對灰度等級的完全控制來改善影像品質。灰度等級是顯示器的表現能力,與人類視覺系統相一致,是系統整個動態範圍之內有意義的灰度。這種類比畫素架構允許在所有亮度水準對灰度等級進行精細的調整。而這與其業界領先的動態範圍(對比度)一道使得採用這種技術的顯示器可以展示非常完美的細節,甚至對於極亮或極暗的畫面也是如此。HTPS技術的動態範圍要劣於GEN II LCoS技術,因而使之缺乏在明亮的場景中毫無矯飾?地展現黑暗場景的能力。DLP以及使用數位化畫素的LCoS版本是透過與脈寬調變相關的時序來實現灰度調節的。由於可獲得的灰度等級數量有限,且將電信號傳送到顯示器去顯示的時間受到侷限,這些方法必然限制了在黑暗場景中可以表現的細節。

三片式光學架構

6501m/i HDTV的光學系統使用了三片式架構,同時投射紅綠藍三色光到螢幕上,其亮度比使用單片或兩片依次投射這三色光的系統明顯更高。光學引擎經過精心定製設計使之與Gen II LCoS微顯示器面板相協調,因為很明顯,試圖分別最佳化顯示面板和光學引擎將無法獲得最佳的性能。在評估了單片和雙片式架構之後,Brillian公司得出結論:單片和雙片式結構的成本優勢在引擎層面和系統層面不算突出,並且需要在畫面品質上做出一定妥協。

當在微顯示器中採用Gen II LCoS技術時,三片式結構相較其它方案能夠在更低的風險並提供更高性能潛力的同時獲得更好的畫面品質。三片式Gen II LCoS光學系統不會像電漿顯示器那樣在持續顯示高飽和彩色後引起老化現象,後者使用三年後老化程度高達50%並且在螢幕留下影像痕跡。同時,Gen II LCoS技術使用的無機序列材料比通常採用有機序列材料的HTPS和單片或雙片結構LCoS版本也要可靠。三片式光學引擎還消除了彩虹效應和色彩破壞,這是因為每一種色彩始終顯示而不是像單片和雙片式系統中那樣依次閃現。

色域(color gamut)是顯示器能夠表現的全部色彩的範圍。沒有一種顯示器能夠表現人類視覺系統可以感知的全部色彩。不過,三片式系統可以分別最佳化三原色的每一種,紅、綠、藍,因此其最終色域針對尺寸和色彩飽和度得到最佳化。而像DLP和單片式LCoS系統之類的依次分色系統被迫一起處理全部三色並且不可能分別最佳化單個色彩。

6501m/i HDTV使用JDS單相UltreX-3三片式光學引擎。該光學引擎與LCoS微顯示器共同將輸入的視訊訊號轉換成投射到螢幕上的影像。其核心元件如圖3所示。高壓汞弧光燈發出的白光被偏光器偏振化然後成型為Gen II LCoS微顯示器面板大小與形狀的矩形光束。偏振的白光經過分色鏡被分離為其組成成分──紅、綠、藍三色光。每一種色光被分別聚焦到一片接受相應色彩視訊數據的Gen II LCoS微顯示器面板上。從微顯示器面板上反射出的光經過檢偏器過濾,只有一種與檢偏器偏振方向相同的光可以通過,其它偏振方向的光被阻止。紅、綠、藍三種顏色的影像透過一個稱為X-Cube的光學元件被組合到一起。組合後的影像經過投射透鏡放大、聚焦,然後投射到由一個菲涅爾透鏡和柱狀透鏡組成的複合螢幕。這是透過電視機內部一個或兩個光學折疊鏡面來做到的,以減少機箱的總尺寸。

螢幕:顯示影像和吸收環境光線

螢幕是系統最後一個同時是至關重要而又極其複雜的元件。螢幕不僅將影像傳遞到觀看者眼中,它還吸收大部份環境光線,這樣一來,甚至在諸如光線良好的房間也可顯示高對比度的明亮畫面。螢幕中的菲涅爾透鏡將來自投射透鏡的各分散方向上的光線轉變為垂直於柱狀透鏡的平行光束。螢幕表面一千多個柱狀透鏡引導來自投射透鏡投射到螢幕內側的光,使之在螢幕另一面一條條極細的黑色窄頻(間距約為100微米)之間通過。簡而言之,在光線出現在螢幕上到進入觀看者眼睛之前,這些黑帶吸收大部份來自房間中的環境光線,而柱狀透鏡引導黑帶之間的投射光線。

音視訊處理器和ASIC顯示控制器

Brillian公司在設計驅動電路和視訊處理器時遵循著所有相關的產業標準。不管採用何種顯示器技術,HDTV都使用相似的電子元件。

Brillian HDTV採用的PixelWorks視訊處理器可以接受很多種來源的視訊數據,即有類比訊號也有數位訊號。它可以從視訊數據中分離出音訊數據,將視訊數據轉換成720p格式,也能將隔行掃描訊號轉換為逐行掃描訊號,同時還提供降噪和控製影像銳度的功能。

視訊處理器的主要功能之一是將不同格式的視訊數據轉換為與顯示器相適應的格式。如今多數的電視機(NTSC或PAL制式)的螢幕寬高比是4:3。輸入的4:3視訊數據必須轉換成為HDTV的16:9格式。有很多種不同的方法來擴展一幅影像。絕大多數數位電視,包括6501m/i HDTV,為最終用戶提供了如何從4:3擴展到16:9的選擇。例如,如果人們直接將4:3影像顯示到16:9螢幕上,那麼螢幕兩側將出現黑邊,這是因為4:3影像比矩形的16:9更接近正方形。這被稱為中心模式。另一種技術是將4:3影像橫向拉伸為16:9格式,這種方式會使影像變形,如一個瘦削的人在螢幕上看起來變胖了。還有一種更先進的方案是非線性擴展模式,即不改變4:3格式影像畫面中心1/2的影像,而拉伸兩側各1/4的影像以填滿16:9畫面。影像中部沒有變形,但越靠近畫面左右兩側變形越大。

多數標準視訊訊號是隔行掃描的,即第一次掃描時先將畫面的奇數行顯示到螢幕上,然後在下一次掃描中再將偶數行顯示到螢幕上。微顯示器電視沒有設計成顯示隔行掃描視訊,而是將顯示奇數行的數據訊框被取出來,然後與偶數行的數據訊框合併到一起,成為顯示所有行的單個數據訊框。有多種方法來做到這一點,如簡單地將兩行疊加在一起。先進的視訊處理器,就像在6501m/i中所採用的,則檢視前面的視訊訊框與後面的視訊訊框,然後將兩訊框合併,這樣使得運動畫面看起來流暢而自然。

視訊處理器還抑制噪音訊號並銳化影像。抑制噪音是透過一個濾波器在前端處理中輸入數位數據智慧地去除噪音。影像銳化是透過找出並識別影像從一個物體轉變到另一個物體的部份然後銳化邊緣使得影像看起來聚焦非常清晰。

音訊數據則被送到專門的音訊處理器被處理成為環繞聲或杜比5.1標準。另外,音訊處理器還負責同步音訊和視訊數據的時序。

使得6501m/i與眾不同的關鍵元件還包括Brillian專有的ASIC顯示控制器以及執行於其上的專用演算法。視訊數據由視訊處理器送到驅動ASIC中。ASIC以及相關的元件將視訊數據轉換為Gen II LCoS元件專用的格式,同時執行灰度伽瑪校正以及色彩最佳化設置,這對於視覺體驗非常重要,而且提供了保證全螢幕色彩一致的方法。

產業化設計向OEM廠商提供多種選擇

6501m/i HDTV的設計是緊密而可定製化的。創新的光學通道將機像深度降到最小,僅為23英寸(見圖1)。機身的體積比CRT顯示器要小得多,這樣就可以有空間來放置諸如VCR、DVD播放器、遊戲機以及數位錄影機等附加設備,它們可以整合在現有的機箱內。整個設備重量僅為112磅,有一個可選的底座,一般的桌子能很容易容納它。整機重量較輕也意味著6501m/i HDTV可以很容易開始出貨到世界各地。

高品質的音訊系統提供了卓越不凡的表現而且為家庭影院音響發燒友提供了靈活的音訊連接。

除前部的控制和指示面板之外,整套設備還包括紅外遙控器和接收器。豐富的用戶控制特性包括:功率、輸入源、音量、音訊、畫中畫和頻道選擇。OSD選單是多語言的。前面板LED指示燈可以指示電源已開,以及投影燈和定時器狀態。

OEM廠商們可以指定機殼的顏色、面板、外殼上的斜面以及揚聲器罩樣式並且可以定製用戶介面。由於包括了軟體鉤子,選單和OSD資訊可以為個別OEM客戶定製。

作者:Robert L. Melcher


技術長


Brillian公司




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