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摘要：提出一种超高清激光电视系统的设计方案，详细阐述了方案的设计原理。系统TV SoC模块将电视信号处理成像素为4M*2N@fa/J超高清图像信号，图像处理模块对超高清图像信号进行采样、分割和倍频处理后得到2路√2 M*√2N@2f的高清图像信号，DMD驱动模块对2路高清图像信号进行合并处理得到2√2 M*√2N@2f图像信号来驱动DMD芯片，DMD芯片投射出分辨率为2√2M*√2N的图像光；采用振镜使DMD投射的相邻帧图像光位置微移，从而显示出4M*2N@f的合成画面。该方案可以快速应用于超高清激光电视产品，具有广泛应用价值。
关键词：超高清；激光电视；DMD；合成画面
0 引言
激光显示具有色域覆盖率大、颜色饱和度高、功耗低、显示画面尺寸可变等特点，被认为是最具有发展前景的显示技术之一[1-2]；与液晶、OLED等技术相比，激光电视还能以更低的成本实现超大尺寸画面：目前激光显示包括DLP、LCOS和LCD，而DLP（数字光处理）显示能更好地保持颜色不失真、环保，应用广泛[3-4]。超高清激光电视具有更大屏幕、超高分辨率、逼真色彩等，能为消费者提供更健康良好的家庭视听体验，吸引了创维和海信等传统电视厂商、小米等新兴互联网公司、极米创业型公司的参与。目前采用DLP技术的超高清激光电视处于前期研究阶段，包括超高清成像芯片、DMD（数字微镜装置）、光学引擎等并未成熟，方案非常少。
本文设计出一种超高清激光电视系统方案：系统首先将电视信号处理成像素为4M*2N@f的超高清图像信号，并进行采样、分割和倍频处理后得到2路√2M*√2N@2伯勺高清图像信号：然后利用2个高清驱动器对2路高清图像信号处理后合并为2√2 M*√2N@2f图像信号驱动DMD芯片，DMD芯片投射出分辨率为2√2M*√2N的图像光；最后采用振镜使DMD投射的相鄰帧图像光位置微移、从而显示出4M*2N@f的合成画面。
1 系统原理
超高清激光电视系统原理框图如图1所示，包括超高清图像帧生成、超高清图像帧转换、激光超高清显示三个部分组成。
超高清激光电视系统工作原理为：
1）超高清图像帧生成部分（即TV SoC模块），包括信号接口和解码及图像处理模块，将电视信号处理成像素为4M*2 N@f的超高清图像信号。具体为：
信号接口模块接收射频、HDMI、USB、网络等电视信号。信号解码及图像处理模块对电视信号进行解码及色域转换、伽玛校正、降噪等图像处理，然后进行像素分辨率转换及帧频转换，将接收到的电视信号转换成超高清帧图像Xi，形成超高清图像帧序列X{Xl、X2、…、Xi、…、Xf），帧频为f，如图2所示。帧图像Xi的像素矩阵为4M*2N、像素为Xi（u*v）；其中i为1、2、…、f，u为1、2、…、4M，v为1、、2、…、2N。
2）超高清图像帧转换部分（即图像处理模块）包括第一子图像帧和第二子图像帧生成模块，对超高清图像信号进行采样、分割和倍频处理后，得到2路√2M*√2N@2f的高清图像信号。具体为：
第一子图像帧生成模块接收到超高清帧图像Xi后，对其进行水平和垂直采样，得到第一子帧图像XFi、XFi像素矩阵为2√2M*√2N，像素为XFi（e*g），其中e为1、2、…、2√2M，9为1、、2、…、√2N。移除超高清帧图像Xi的上述像素Xi（u*v），将剩余像素进行重新排列组合，形成第一子帧图像XBi，XFi的像素矩阵也为2√2M*√2N，像素为XBi（p*q）。其中，p为1、2、…、M，q为1、、2、…、√2N。将XFi和XBi按顺序排列组成序列帧，形成第一子图像帧序列XFB{XF1、XB1、XF2、XB2、…、XFi、XBi、…、XFf、XBf），帧频为2f，如图2所示。
第二子图像帧生成模块接收到第一子帧图像XFi和XBi后，对其进行垂直图像分割，得到第二子帧图像（XFLi，XFRi）和（XBLi，XB Ri） ，XF Li和X F Ri分别为第一子帧图像XFi的左半像素和右半像素，XB Li和XBRi分别为第一子帧图像XBi的左半像素和右半像素，XFLi和XFRi、XBLi和XBRi的像素矩阵为√2M*√2N；将第二子帧图像（XFLi，XFRi）和（XBLi，XBRi）按顺序排列成序列帧，形成第二子图像帧序列XFBLR{ （XFL1，XFRl）、 （XBL1，XBRl）、（XFL2，XFR2）、（XBL2，XBR2）、…、（XFLi，XFRi）、 （XBLi，XBRi）、…、 （XFLf，XFRf）、（XB Lf，XBRf）），帧频为2f，如图2所示。将第二子帧图像（XFLi，XFRi）和（XBLi，XBRi）依次送至DMD驱动器，其中，XFLi（或XBLi）送至DMD驱动器A，XFRi（或XBRi）送至DMD驱动器B。
3）激光超高清显示部分包括DMD驱动模块、激光及光学处理模块、DMD芯片、菱镜、振镜、镜头及显示屏幕。利用2个高清DMD驱动器A和B分别对第二子帧图像的2路高清图像信号处理后合并为2√2M*√2N@2f图像信号驱动DMD芯片，DMD芯片投射出分辨率为2√2M*√2N的图像光；最后采用振镜使DMD投射的相邻帧图像光位置微移，从而显示出4M*2N@f的合成画面。具体为：
DMD驱动器A和驱动器B先分别对XFLi和XFRi同时进行处理，输出合并图像信号COL_S为COL_S_F以及振镜同步信号SF_SYN为高电平；然后DMD驱动器A和驱动器B分别对XBLi和XBRi同时进行处理，输出合并图像信号COL_S和COL_S_B以及振镜同步信号SF_SYN为低电平；如图2所示。在输出COL_S信号的同时输出色轮控制信号CW_CTR。
CW_CTR信号控制激光及光学处理模块将颜色光依次照射至DMD芯片上的微镜阵列；DMD芯片依据图像信号COL_S_F来打开或关闭微镜阵列上图像信号像素对应的微镜、将图像信号转换为图像光，SF_SYN为高电平，振镜为第一位置，图像光经过分光/合光棱镜、振镜、镜头后，将图像光投射至显示屏幕呈现第一图像，如图2所示。呈现的第一图像对应的是第二子帧图像（XFLi，XFRi）或第一子帧图像XFi，显示了超高清帧图像Xi的一半像素内容，分辨率为2√2M*√2N。紧接着DMD芯片依据图像信号COL_S_B来打开或关闭微镜阵列上图像信号像素对应的微镜，将图像信号转换为图像光，SF_SYN为低电平，振镜为第二位置，图像光经过分光/合光棱镜、振镜、镜头后，将图像光投射至显示屏幕呈现第二图像，如图2所示。同样，呈现的第二图像对应的是第二子帧图像（XBLi，XBRi）或第一子帧图像XBi，显示了超高清帧图像Xi的另一半像素内容，分辨率也为2√2M*√2N。 呈现的第一图像和第二图像在屏幕上处于对角交错的位置，如图2所示。屏幕形成的第一和第二图像依次进入人眼，由于人眼视觉暂留、呈现为分辨率为4M*2N、频率为f的合成画面。
2 系统实现
实现的超高清激光电视系统框图如图3所示，由4K SoC、图像/格式转换、4K DMD驱动、DMD芯片、色轮激光光学处理、激光模组等组成；系统中M*N为3840*2160（即4K*2K）。
4K SoC模块对音视频电视信号进行解码、音视频分离等处理，输出4K*2K@60Hz VBO图像信号，以无线的方式将音频信号送至无线音箱：及发出控制信号或接收检测信号控制电源及激光驱动模组等。图像/格式转换模块对VBO图像信号进行采样、分割和倍频等处理，输出2路1358*1528@120Hz LVDS信号给DMD驱动模块。4K DMD驱动模块由2个高清驱动器组成，接收2路LVDS信号后、将其合并转换成2716*1528@120Hz的TTL电平图像信号驱动DMD芯片：及发出控制信号或接收检测信号，控制DMD芯片、色轮、激光驱动模块等。色轮快速旋转、及蓝色光激发色轮产生红绿等多色光，各种颜色光依次投射至DMD，DMD在TTL图像信号控制下快速偏转、形成图像光通过镜头投射出后呈现为分辨率为2716*1528的图像。振镜以120 Hz振动、控制图像光微移，使得2个2716*1528的呈现在交错的位置，呈现分辨率为3840*2160的合成画面。
系统中电源模块将交流电转换成12 V、24 V直流电，为整个系统供电；驱动模块驱动激光模组发出蓝色激光、经扩散、聚焦等光学处理后将蓝色激光投射至色轮，激发色轮彩色各色光。
3 结论
本文提出一种超高清激光电视系统的设计方案，通过对超高清信号进行采样、分割、倍频等处理后得到高清信号，利用高清DMD驱动器、DMD器件等将高清信号转化为图像光：及利用振镜控制2个图像光的投射位置，使其交错呈现出合成的超高清显示画面。该方案已应用于创维超高清激光电视，效果良好；能够快速应用于超高清激光显示产品，具有广泛应用价值。
参考文献：
[1]柴燕，毕勇，颜博霞，等全球激光显示技术专利分布格局与态势分析[J].液晶与显示，2011，26（3）：329-333
[2]康玉思，田志辉，刘伟奇，等激光显示广角球幕投影镜头设计[J]液晶与显示，2014，29（3）：333-338
[3]徐遥令；侯志龙：梁金魁.一种激光电视的图像处理方法、系统及激光电视：中國201510514565.6[P].2015-12-02
[4]王延伟，毕勇，王斌，等大屏幕激光投影与激光电视[J].液晶与显示，2010，39（4）：232-037
关键词：超高清；激光电视；DMD；合成画面
0 引言
激光显示具有色域覆盖率大、颜色饱和度高、功耗低、显示画面尺寸可变等特点，被认为是最具有发展前景的显示技术之一[1-2]；与液晶、OLED等技术相比，激光电视还能以更低的成本实现超大尺寸画面：目前激光显示包括DLP、LCOS和LCD，而DLP（数字光处理）显示能更好地保持颜色不失真、环保，应用广泛[3-4]。超高清激光电视具有更大屏幕、超高分辨率、逼真色彩等，能为消费者提供更健康良好的家庭视听体验，吸引了创维和海信等传统电视厂商、小米等新兴互联网公司、极米创业型公司的参与。目前采用DLP技术的超高清激光电视处于前期研究阶段，包括超高清成像芯片、DMD（数字微镜装置）、光学引擎等并未成熟，方案非常少。
本文设计出一种超高清激光电视系统方案：系统首先将电视信号处理成像素为4M*2N@f的超高清图像信号，并进行采样、分割和倍频处理后得到2路√2M*√2N@2伯勺高清图像信号：然后利用2个高清驱动器对2路高清图像信号处理后合并为2√2 M*√2N@2f图像信号驱动DMD芯片，DMD芯片投射出分辨率为2√2M*√2N的图像光；最后采用振镜使DMD投射的相鄰帧图像光位置微移、从而显示出4M*2N@f的合成画面。
1 系统原理
超高清激光电视系统原理框图如图1所示，包括超高清图像帧生成、超高清图像帧转换、激光超高清显示三个部分组成。
超高清激光电视系统工作原理为：
1）超高清图像帧生成部分（即TV SoC模块），包括信号接口和解码及图像处理模块，将电视信号处理成像素为4M*2 N@f的超高清图像信号。具体为：
信号接口模块接收射频、HDMI、USB、网络等电视信号。信号解码及图像处理模块对电视信号进行解码及色域转换、伽玛校正、降噪等图像处理，然后进行像素分辨率转换及帧频转换，将接收到的电视信号转换成超高清帧图像Xi，形成超高清图像帧序列X{Xl、X2、…、Xi、…、Xf），帧频为f，如图2所示。帧图像Xi的像素矩阵为4M*2N、像素为Xi（u*v）；其中i为1、2、…、f，u为1、2、…、4M，v为1、、2、…、2N。
2）超高清图像帧转换部分（即图像处理模块）包括第一子图像帧和第二子图像帧生成模块，对超高清图像信号进行采样、分割和倍频处理后，得到2路√2M*√2N@2f的高清图像信号。具体为：
第一子图像帧生成模块接收到超高清帧图像Xi后，对其进行水平和垂直采样，得到第一子帧图像XFi、XFi像素矩阵为2√2M*√2N，像素为XFi（e*g），其中e为1、2、…、2√2M，9为1、、2、…、√2N。移除超高清帧图像Xi的上述像素Xi（u*v），将剩余像素进行重新排列组合，形成第一子帧图像XBi，XFi的像素矩阵也为2√2M*√2N，像素为XBi（p*q）。其中，p为1、2、…、M，q为1、、2、…、√2N。将XFi和XBi按顺序排列组成序列帧，形成第一子图像帧序列XFB{XF1、XB1、XF2、XB2、…、XFi、XBi、…、XFf、XBf），帧频为2f，如图2所示。
第二子图像帧生成模块接收到第一子帧图像XFi和XBi后，对其进行垂直图像分割，得到第二子帧图像（XFLi，XFRi）和（XBLi，XB Ri） ，XF Li和X F Ri分别为第一子帧图像XFi的左半像素和右半像素，XB Li和XBRi分别为第一子帧图像XBi的左半像素和右半像素，XFLi和XFRi、XBLi和XBRi的像素矩阵为√2M*√2N；将第二子帧图像（XFLi，XFRi）和（XBLi，XBRi）按顺序排列成序列帧，形成第二子图像帧序列XFBLR{ （XFL1，XFRl）、 （XBL1，XBRl）、（XFL2，XFR2）、（XBL2，XBR2）、…、（XFLi，XFRi）、 （XBLi，XBRi）、…、 （XFLf，XFRf）、（XB Lf，XBRf）），帧频为2f，如图2所示。将第二子帧图像（XFLi，XFRi）和（XBLi，XBRi）依次送至DMD驱动器，其中，XFLi（或XBLi）送至DMD驱动器A，XFRi（或XBRi）送至DMD驱动器B。
3）激光超高清显示部分包括DMD驱动模块、激光及光学处理模块、DMD芯片、菱镜、振镜、镜头及显示屏幕。利用2个高清DMD驱动器A和B分别对第二子帧图像的2路高清图像信号处理后合并为2√2M*√2N@2f图像信号驱动DMD芯片，DMD芯片投射出分辨率为2√2M*√2N的图像光；最后采用振镜使DMD投射的相邻帧图像光位置微移，从而显示出4M*2N@f的合成画面。具体为：
DMD驱动器A和驱动器B先分别对XFLi和XFRi同时进行处理，输出合并图像信号COL_S为COL_S_F以及振镜同步信号SF_SYN为高电平；然后DMD驱动器A和驱动器B分别对XBLi和XBRi同时进行处理，输出合并图像信号COL_S和COL_S_B以及振镜同步信号SF_SYN为低电平；如图2所示。在输出COL_S信号的同时输出色轮控制信号CW_CTR。
CW_CTR信号控制激光及光学处理模块将颜色光依次照射至DMD芯片上的微镜阵列；DMD芯片依据图像信号COL_S_F来打开或关闭微镜阵列上图像信号像素对应的微镜、将图像信号转换为图像光，SF_SYN为高电平，振镜为第一位置，图像光经过分光/合光棱镜、振镜、镜头后，将图像光投射至显示屏幕呈现第一图像，如图2所示。呈现的第一图像对应的是第二子帧图像（XFLi，XFRi）或第一子帧图像XFi，显示了超高清帧图像Xi的一半像素内容，分辨率为2√2M*√2N。紧接着DMD芯片依据图像信号COL_S_B来打开或关闭微镜阵列上图像信号像素对应的微镜，将图像信号转换为图像光，SF_SYN为低电平，振镜为第二位置，图像光经过分光/合光棱镜、振镜、镜头后，将图像光投射至显示屏幕呈现第二图像，如图2所示。同样，呈现的第二图像对应的是第二子帧图像（XBLi，XBRi）或第一子帧图像XBi，显示了超高清帧图像Xi的另一半像素内容，分辨率也为2√2M*√2N。 呈现的第一图像和第二图像在屏幕上处于对角交错的位置，如图2所示。屏幕形成的第一和第二图像依次进入人眼，由于人眼视觉暂留、呈现为分辨率为4M*2N、频率为f的合成画面。
2 系统实现
实现的超高清激光电视系统框图如图3所示，由4K SoC、图像/格式转换、4K DMD驱动、DMD芯片、色轮激光光学处理、激光模组等组成；系统中M*N为3840*2160（即4K*2K）。
4K SoC模块对音视频电视信号进行解码、音视频分离等处理，输出4K*2K@60Hz VBO图像信号，以无线的方式将音频信号送至无线音箱：及发出控制信号或接收检测信号控制电源及激光驱动模组等。图像/格式转换模块对VBO图像信号进行采样、分割和倍频等处理，输出2路1358*1528@120Hz LVDS信号给DMD驱动模块。4K DMD驱动模块由2个高清驱动器组成，接收2路LVDS信号后、将其合并转换成2716*1528@120Hz的TTL电平图像信号驱动DMD芯片：及发出控制信号或接收检测信号，控制DMD芯片、色轮、激光驱动模块等。色轮快速旋转、及蓝色光激发色轮产生红绿等多色光，各种颜色光依次投射至DMD，DMD在TTL图像信号控制下快速偏转、形成图像光通过镜头投射出后呈现为分辨率为2716*1528的图像。振镜以120 Hz振动、控制图像光微移，使得2个2716*1528的呈现在交错的位置，呈现分辨率为3840*2160的合成画面。
系统中电源模块将交流电转换成12 V、24 V直流电，为整个系统供电；驱动模块驱动激光模组发出蓝色激光、经扩散、聚焦等光学处理后将蓝色激光投射至色轮，激发色轮彩色各色光。
3 结论
本文提出一种超高清激光电视系统的设计方案，通过对超高清信号进行采样、分割、倍频等处理后得到高清信号，利用高清DMD驱动器、DMD器件等将高清信号转化为图像光：及利用振镜控制2个图像光的投射位置，使其交错呈现出合成的超高清显示画面。该方案已应用于创维超高清激光电视，效果良好；能够快速应用于超高清激光显示产品，具有广泛应用价值。
参考文献：
[1]柴燕，毕勇，颜博霞，等全球激光显示技术专利分布格局与态势分析[J].液晶与显示，2011，26（3）：329-333
[2]康玉思，田志辉，刘伟奇，等激光显示广角球幕投影镜头设计[J]液晶与显示，2014，29（3）：333-338
[3]徐遥令；侯志龙：梁金魁.一种激光电视的图像处理方法、系统及激光电视：中國201510514565.6[P].2015-12-02
[4]王延伟，毕勇，王斌，等大屏幕激光投影与激光电视[J].液晶与显示，2010，39（4）：232-037