（通信与信息系统专业论文）基于dmd的3d显示算法研究.pdf

j_，：j-r目i e a s tc h i n an o r m a l u n i v e r s i 哆 r e s e a r c ho fd md b a s e d3 d d l s p l a ya i g o r i t h m d e p a r t m e n t ： 塾q q ! q 亘望鱼! = 堡垒垡q 望苎i 星望星量! 量塾望q ! q l 理 m a j o r ： q 坐也望坠i 垒垡q 望垒望垡i 望! 垒磐垒垡q 望曼y 墨! 星堡 r e s e a r c hd i r e c t i o n ：坠i g i ! 垒! 坠i 曼卫! 垒y 墅塾望q ! q 2 逻 s u p e r v i s o r ： ￥i g i 望g 坠i 望 s t u d e n tn a m e ： 至i 望g j 坚坠圣b 垒望g f ini s he d ：a p r i i ，2o11 哪28 华东师范大学学位论文原创性声明 郑重声明：本人呈交的学位论基于d m d 的3 d 显示算法研究，是在华东师范大学攻读碗士 博士( 请勾选) 学位期间，在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除文中已经 注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均己在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名：丞虚幺】 日期：2 0 1 1 年5 月25 日 华东师范大学学位论文著作权使用声明 基于d m d 的3 d 显示算法研究系本人在华东师范大学攻读学位期间在导师指导下完 成的硕蛳士( 请勾选) 学位论文，本论文的研究成果归华东师范大学所有。本人同意华东 师范大学根据相关规定保留和使用此学位论文，并向主管部门和相关机构如国家图书馆、中信 所和“知网”送交学位论文的印刷版和电子版；允许学位论文进入华东师范大学图书馆及数据 库被查阅、借阅；同意学校将学位论文加入全国博士、硕士学位论文共建单位数据库进行检索， 将学位论文的标题和摘要汇编出版，采用影印、缩印或者其它方式合理复制学位论文。 本学位论文属于( 请勾选) () 1 经华东师范大学相关部门审查核定的“内部 或“涉密”学位论文水， 于年月日解密，解密后适用上述授权。 ( u2 不保密，适用上述授权。 导师签名本人签名盘查煎 刍口f 1 年 5 月2 5 日 “涉密”学位论文应是已经华东师范大学学位评定委员会办公室或保密委员会审定过的学位论文( 需 附获批的华东师范大学研究生申请学位论文“涉密”审批表方为有效) ，未经上述部门审定的学位 论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认为公开学位论文，均适用上述授权) 。 姓名职称单位备注 郑正奇教授华东师范大学主席 蔡家麟副教授华东师范大学 蒋传纪副教授华东师范大学 摘要 随着显示技术的发展，3 d 电视，3 d 电影已经开始普及。而数字微镜器件( d m d ) 已经发展多年， 目前在显示方面的应用也相当广泛，包括背投电视，投影仪，手持便携式投影机，高清电影投 影机等等。数字微镜显示的优点在于高清晰度，高亮度，适合投影以及能显示更多的色彩。如 果把3 d 技术和d m d 技术结合起来，那将会带来更加绚丽逼真的视觉体验。其中如何把d m d 技 术与3 d 技术完美地结合起来就成为了一个重要课题。这其中包括了光学系统，d 佃驱动电路， d m d 显示算法，3 d 处理算法等技术和理论。本文主要涉及显示系统中的微镜显示原理研究，驱 动电路研究，d m d 显示算法研究，以及3 d 处理与d m d 显示处理的整合与优化。 基于d 肋的3 d 显示系统也已经有一定的应用，但是目前所有的系统都是d m d 显示部分和3 d 处理部分独立分开，系统复杂，成本高并且没有针对d m d 显示进行优化。本文分析两种技术， 对d m d 显示算法和3 d 显示算法进行结合和整体优化。其中主要包括了d m d 显示系统的前端视 频处理设计，子场显示处理改进，以及3 d 显示处理整合与改进。这让系统能获得更好的显示 效果，尤其能解决d m d 数据带宽不够，显示失真和3 d 画面刷新率偏低，3 d 眼镜同步串扰等问 题。另外本文把整个d m d3 d 显示处理系统集成到一个处理芯片内，使得系统复杂度大大降低， 增加系统稳定性，减少制造成本。本文结合实际项目，使用t i 公司的d m d 评估开发套件搭配 视频接收扩展板对d m d3 d 显示处理系统设计进行了验证和实现。 关键词：3 d 显示，d m d ，3 d 视频处理 a bs t r a c t w i mm ed e v e l o p m e n to fd i s p l a yt e c h n o l o g y3 dt v3 df i l mh 船g r a d u a l l yb e c o m ep o p u l a r t h e d i g i t a lm i c r 纠n i r r o rd e v i c ep m d ) h 勰b e e nd e v e l o p e df o rm a n yy e a r s ，t h ea p p l i c a 廿o no fd m d d i s p l a yi n c l u d i n gr e a rp r o j e c t i o nt v s ，d a t ap r o j e d - 0 r 两h i g hd e f i l l i 石o nm o 访ep r 9 j e c t o r sa n ds oo n t h e a d v a n t a g e so fd i g i t a l i n i c r 0 一m i r r o rd i s p l a ya r eh i g h r e s o l u t i o n ，g hb r i g h 恤e s s ，s u i t a b l ef o rp r o j e c t i o n ， a n dc a nd i s p l a yv i v i dc o l o r s i ft h e3 d t e c h n o l o g ) ，a n dd m dt e c h n o l o g yc o m b i n et o g e t h e r ，i tw mb e b r i l l i a n t3 dv i s u a le x p e r i e n c e h o wt om e r g ed m d t e c h n o l o g ya n d3 dt e c l l n o l o g ) ，p e r f e c t l yh a s b e c o m ev a l u e d t h i si n c l u d e st h eo 州c a ls y s t e m ，d m dd r i v ec i r c i l i t ，d m dd i s p l a y 越g o r i t h m ，3 d p r o c e s s i n ga l g o r i t h i n sa n do t h e rt e c h n i q u e sa n dm e o r i e s t h i sp a p e rm a i n l yi n v o l v e sm ep r i n d p l eo f m i c r o _ t n i r r o rd i s p l a ys y s t e h d r i v i n gd r c u i t ，d m dd i s p l a ya l g o r i t h m ，a n dd m d3 dd i s p l a y m t e g r a t i o na n do p t i m i z a 矗o n t h ed m d - b a s e d3 dd i s p l a ys y s t e ma l s oh a 、，eal o to fa p p l i c a t i o n ，b u ta s y s t e m sa r en o wp a r to fm e d m d d i s p l a ya n d3 dp r o c e s s i n gs e c t i o nb e i n gs e p a r a t e d ，w h i c ha r eh i g hs y s t e mc o m p l e x i 彤h i g hc o s t a n dn o to p t i i l l i z e df o rm ed m d d i s p l a y t h i sp 印e ra n a l y s i so f 叭ot e d m i q u e s ，p e r f o r i nd m d d i s p l a y s 埘t h3 do v e r a l lo p t i m i z a t i o n ，w h i c hi n c l u d e st h ed m df r o n t e n d 访d e op r o c e s s i n 函d i s p l a y s y s t e md e s i 乳 s u b f i e i d d i s p l a yp r o c e s s i n gi i n p r o v e m e n t s ， 船w e ua s3 d i n t e g r a t i o n a n d i m p r o v e m e n to fd i s p l a yp r o c e s s i n g t 1 1 i sa l l o w st h es y s t i e mt og e tab e rd i s p l a 弘i np a r t i c l l l a r ，t o s o l v et h ed m db a n d w i d t hi s s u e ，d i s p l a yd i s t o r t i o n ，l o w3 ds c r e e nr e f r e s hr a t ei s s u e ，a n d3 dg l a s s e s s y n c h r o n i z e dc r o s s t a l k ，e t c t h ee n t i r ed ：m d3 dd i s p l a ys y s t e mt h i sp a p e rp r o p o s e dc a nb e e n i n t e g r a t e dm t 0as i n g l ep r o c e s s m g 咖p ，s oi t w i l lr e d u c em ec o m p l e x i t ) ro ft h es y s t e m ，i n c r e a s e s y s t 锄s t a b i l j 够r e d u c em a n u f a c t u r i n gc o s t s f i n a l l yt h ea c m a lp r o j e 鸥u s i n g sd m d e v a l u a t i o n p l a t f o r ma n de x p a n s i o nv i d e or e c e i v e rb o a r dt 0p e r f o md m d3 dd i s p l a yp r o c e s s 试gs y s t e m i l n p l e m e n t a 石o na n dv a l i d a t i o n k e y w o r d s ：3 dd i s p l a yd m d ，3 dv i d e op r o c e s s i n g l 1 1 2 论文组织结构2 第二章3 d 与d m d 显示介绍。 2 13 d 显示技术介绍3 2 1 13 d 技术分类一3 2 1 23 d 显示器件。6 2 2d m d 显示技术介绍7 2 2 1 投影技术介绍7 2 2 2d m d 的结构与原理8 2 2 3d 粕的显示原理1 2 2 3 本章小结1 4 第三章啪驱动算法研究与改进1 5 3 1d m d 的视频处理设计1 5 3 2d 帅子场处理算法实现与改进2 4 3 2 1 子场转换器2 5 3 2 2 子场存储器2 6 3 2 3 灰阶产生控制器2 7 3 3 本章小结。3 0 第四章3 d 显示处理研究与改进 4 1d m d 的3 d 显示系统3 1 4 2d m d 的3 d 显示处理系统设计与改进3 2 4 2 1 降低系统复杂度和成本3 3 4 2 2 降低左右眼串扰3 4 4 2 3 针对d m d 显示的特点进行改进3 5 4 3 本章小结3 7 第五章咖3 d 驱动算法实现3 8 5 1 验证平台搭建3 8 5 2f p g a 验证设计3 9 5 2 1 时钟复位控制和视频输入模块4 l 5 2 2d d c 接口部分。4 3 5 2 3 视频处理部分4 5 5 2 4 子场处理部分。4 7 5 3 硬件实物5 2 5 4 本章小结5 3 第六章总结与展望。 参考文献5 5 附录5 6 第一章绪论 1 1 研究意义和背景 3 d 显示是当前消费电子的一大热点，其具体应用包括了3 d 播放器，3 d 电视 等产品。传统的2 d 显示已经发展了数十年，技术上已经较为成熟，广泛应用于 各个领域。但是2 d 显示除了不断地提高画面分辨率，刷新率，色彩还原度之外， 并不能带来更加生动，鲜活，现场的视觉感受。而3 d 显示更加符合人对事物的 视觉感官，能带来2 d 显示所不能带来的身临其境的视觉享受。近期的各大科幻 电影也都采用了3 d 显示技术，比如在2 0 1 0 年火了很久的阿凡达， w i m a x3 d 电影票更是出现了一票难求的情况，而2 0 1 0 年世界杯也广泛采用了3 d 显示技术。 这些都说明3 d 显示技术的市场需求是非常之大的，并且在刚刚结束的2 0 1 1 年 c e s 上，3 d 显示仍然是业界热点，并出现了爆棚式的发展场景。各大厂商都在推 出自己的3 d 显示产品，大到液晶平板小到手机显示。 然而目前的3 d 显示技术并不十分成熟，在很多方面都需要进行改进。大多 数消费者都很关注3 d 显示对人眼可能存在的危害，如视觉疲劳，影响视力，甚 至出现头晕恶心的状况。其实这涉及到3 d 显示技术中的刷新率，左右帧串扰， 视角视距等问题。在各种3 d 方案中，t i 公司的d l p ( d i g i t a ll i g h tp r o c e s s i n g ) 技术能很好地解决这些问题，非常适用于3 d 家庭影院市场。这是由d l p 本身的 技术特点所决定的，包括高刷新率，非扫描工作方式，适合投影等等。d l p 技术 的核心是数字微镜器件( d m d ，d i g i t a lm i c r o m i r r o rd e v i c e s ) 。d m d 器件首先 是一种光调制器件( s l m ，s p a t i a ll i g h tm o d u l a t o r s ) ，其基本显示工作原理是 对光进行空间和时间上调制，最终在人眼上由于视觉时间积累效应而形成灰阶图 像。数字微镜显示的优点在于高清晰度，高亮度，适合投影以及能显示更多的色 彩。这使得在投影和背投市场，数字微镜显示所占比例很大，并且仍在继续增长。 目前基于d l p 技术的3 d 显示已经有一定的应用，但是目前所有的系统都是 d m d 显示部分和3 d 处理部分独立分开。这使得整个显示系统变得复杂，需要更 多的处理器件，更大面积的p c b ，额外的连接成本。另一方面，这样的3 d 显示 并且没有利用数字微镜显示的特点对系统显示处理部分进行优化。本文立足于对 数字微镜显示技术和3 d 显示技术的研究，对d m d 显示算法和3 d 显示算法进行结 合和整体优化。这能让系统能获得更好的显示效果，尤其能解决数据带宽不够， 显示失真和3 d 画面刷新率偏低，左右帧串扰等问题。另外由于整个系统可以集 成到一片处理器中，这使得系统复杂度降低，增加系统稳定性，减少制造成本。 1 2 论文组织结构 本文主体内容分为以下四个部分： 第一部分：第二章主要介绍3 d 技术和d m d 技术。3 d 技术介绍包括裸眼 式3 d ，眼镜式3 d 的分类以及基本原理，3 d 显示器件的对比与分析。d m d 技术介绍包括了d m d 结构介绍，微镜转动过程分析，d m d 显示图像原理 阐述等等。 第二部分：第三章主要描述d m d 显示系统的设计与改进。包括的各种前 端视频处理模块的设计，后端子场转换、子场存储以及灰阶产生等模块 的设计。其中详细介绍了d m d 显示灰阶产生算法的改进。 第三部分：第四章主要描述了本文d m d3 d 显示系统的设计。先分析了 d m d3 d 显示系统的结构和原理，在此基础上把d m d 显示处理和3 d 处理 进行集成整合，并针对同步和刷新率问题做了改进。其中着重提出了一 种适用于所有子场法显示器件的3 d 显示处理算法，解决了3 d 画面刷新 率偏低的问题。 第四部分：第五章描述了本文提出的d m d3 d 显示系统在d m d 评估开发 平台上验证和实现。包括时钟复位控制模块，视频输入模块，3 d 处理模 块，d d c 接口模块，子场转换存储模块以及灰阶产生模块的设计实现。 其中在灰阶产生模块部分，详细描述了本文提出的3 d 显示算法的实现， 包括d d r 2 的读写控制，子场脉宽调制，以及3 d 眼镜同步。 2 第二章3 d 与d 肋显示介绍 2 1 3 d 显示技术介绍 2 1 13 d 技术分类 随着广大消费者对3 d 显示需求的增加，各种各样的3 d 技术也在不断发展。 3 d 显示技术主要可以分为裸眼式和眼镜式口1 ，裸眼式3 d 技术目前主要应用在 工业商用显示市场，如3 d 广告牌；眼镜式3 d 技术则集中于消费级市场，如此次 流行的3 d 阿凡达普遍采用的是眼镜式3 d 技术。眼镜式3 d 技术可分为色差 式、快门式和偏光式三种，而裸眼式3 d 技术可分为透镜阵列、屏障栅栏和指向 光源三种，每种技术的原理和成像效果都有一定的差别。 裸眼式主要利用显示器件对左右眼形成不同的光路，从而实现3 d 。从技术 上来看，裸眼式3 d 可分为光屏障式( b a r r i e r ) 、柱状透镜( l e n t i c u l a rl e n s ) 技术和指向光源( d i r e c t i o n a lb a c k l i g h t ) 三种。图2 1 所示的柱状透镜技术 基本原理是在液晶显示屏的前面加上一层柱状透镜，在每个柱透镜下面的图像包 含多个左右眼子像素，这样就能够向不同的方向投射子像素。当观众在观看显示 屏时，由于双眼所处的角度不同，便接收到了左右眼像素点叠加的不同画面，从 而产生3 d 的效果。裸眼式3 d 技术最大的优势便是摆脱了3 d 眼镜的束缚，但这 种3 d 显示技术会因为双眼焦点和单眼焦点不同而带来人眼生理学上的不适应性 和疲劳。裸眼3 d 会让观看者的大脑对所产生的视觉景深产生不确定性，同时在 不同视距和不同视角所产生的3 d 效果也不相同。目前裸眼3 d 技术仍然不够成熟， 最重要的原因在于在平面显示的基础上要实现3 d 而不会产生上述问题的难度非 常之大。当然裸眼3 d 显示由于不需要眼镜仍然得到应用，在液晶平板和手持设 备上已经逐渐取得一定市场。 显示屏 图2 1 柱状透镜技术 3 相比裸眼式3 d 技术，眼镜式3 d 技术能获得更好的3 d 效果，目前常用的3 d 眼镜技术有补色式，偏光式以及快门式口1 。色差式( a n a g l y p h i c ) 3 d 使用的是被 动式红蓝( 或者红绿、红青) 滤色技术。这种技术历史悠久，成像原理简单， 实现成本相当低廉，眼镜成本仅为几块钱，但是获得的3 d 效果也是最差的。色 差式3 d 先使用两种不同颜色的滤光片对左右视角图像进行画面滤光，然后叠加 到一个显示平面上。观看者使用色差3 d 眼镜滤光后所看到的左右眼图像分别对 应原来的左右视角图像，从而形成3 d 。这样的方法会大幅降低亮度，并且容易 使画面边缘产生偏色。 图2 2 色差3 d 眼镜 偏振光式( p o l a r i z a t i o n ) 3 d 使用的是被动式偏振光技术。偏光式3 d 技术的 图像效果比色差式好，而且眼镜成本也不算太高，目前电影院普遍采用的即是该 类技术。偏光式3 d 是利用光线有“振动方向”的原理来分解原始图像的，在显 示时会送出垂直方向偏振光和水平方向偏振光两组画面，然后3 d 眼镜左右分别 采用不同偏振方向的偏光镜片，这样人的左右眼就能接收两组画面，呈现立体影 像。在偏光式3 d 系统中，目前市场中较为主流的有r e a l d3 d 系统、m a s t e r i m a g e 3 d 、杜比3 d 系统三种。特别是r e a l d3 d 技术，其市场占有率最高，而且不受 面板类型的影响，可以帮助任何支持3 d 功能的电视和显示器产生出高清3 d 影 像，拥有这项技术的r e a l d 公司主要是通过技术授权进行推广，目前已经和东芝、 索尼、c 、三星等公司达成了合作，在3 d 影院方面其占有率也遥遥领先【引。 偏光式3 d 技术会降低图像的水平分辨率，同时也会降低亮度，而且偏光眼镜的 佩戴姿势必须固定才能获得较好的立体感。 4 图2 3 偏光3 d 眼镜 快门式( s h u 骶r ) 3 d 将l c d 技术应用到3 d 眼镜镜片上。这种3 d 技术因 为在电视和投影机上应用得最为广泛，资源相对较多，而且3 d 效果出色，受到 很多厂商推崇和采用，不过其匹配的3 d 眼镜价格较高。主动快门式3 d 主要是 通过l c d 技术控制镜片透光率来实现3 d 效果。当3 d 信号输入到显示设备( 诸 如显示器、投影机等) 后，图像以左右帧交替的方式显示。通过红外发射器将这 个帧同步信号传输出去，负责接收的3 d 眼镜根据同步信号控制左右镜片的开关， 善 实现左右眼看到各自对应的图像。由于左右眼看到的图像快速切换，因此在大脑 中产生错觉，便观看到立体影像。用于人眼的反应速度有限，只要刷新率足够高， 人眼就感觉不到镜片开关带来的闪烁。快门式3 d 技术能够保持画面的原始分辨 率，且不受视角视距和佩戴姿势影响，因此能获得很好的3 d 效果。本文所涉及 的3 d 显示系统采用的是快门式3 d 技术。 a 图2 4 快门式3 d 眼镜 5 2 1 23 d 显示器件 在上节中，我们已经了解了裸眼式3 d 和眼镜式3 d 技术。然而仅仅拥有裸 眼的光路系统或者3 d 眼镜并不能形成3 d 效果，它们都需要配合显示器件和驱 动电路来共同实现3 d 。目前常见的3 d 显示器件有l c d ，p d p 和d m d 投影。 l c d 平板作为目前产量最大的消费显示器件，已经广泛地应用于各种电视， 电脑显示器。而目前各大厂商也都推出了自己的3 dl c d 电视，如三星的 u a 5 5 8 8 0 0 0 x f 。尽管l c d 平板成熟，并且成本不高，但由于l c d 本身的特性 和其扫描工作方式使得其应用于3 d 显示时仍存在很多问题。如快门式3 d 技术 需要在一个刷新周期里在屏幕上显示一帧完整的图像。但l c d 一般都是工作在 缓慢的扫描方式下，因此在扫描过程中会出现上帧图像和下帧图像同时显示在屏 幕上，因此这不能满足快门3 d 的要求。为了解决这一问题，三星推出了2 4 0 h z 扫描的l c d ，并采用了插入“黑帧的方法来实现3d 【4 1 。这种方法带来的坏处 就是降低了l c d 的亮度和光利用率。当然三星也提出了一种新的a m o l e d 控 制方法来提高光利用率【5 】。同时由于l c d 平板本身的l c 响应速度并不快，在数 毫秒级，而在快门式3 d 中一般采用1 2 0 h z 的帧率，即一帧画面的时间长短仅为 8 3 毫秒。因此上一帧像素缓慢的l c 响应会影响到下一帧该像素的图像。这使 得即使解决了扫描式显示问题，也会遇到响应拖尾而带来的左右眼串扰问题。总 的来说，l c d 并不是非常适于作为3 d 的显示器件。 l _ _ _ _ _ _ _ _ l o o _ _ _ _ _ - - 一i o _ _ _ _ _ _ - _ _ o o _ l - _ - _ _ _ _ l - l _ o 萎鹬曝 21 兰竺竺：竺：三! i 翌塑吁r 型2 i 兰兰塑旦竺受一 _ l l - i l _ l _ _ - _ l _ - i - _ _ i _ l _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一j i _ _ _ _ - i i - _ i _ _ _ - _ - _ i _ _ _ _ _ - _ _ - - _ _ - 一 黼 1 0 o 一卜一 b 图2 5l c 响应 本文所讨论的d m d 投影显示很适合于作为3 d 的显示器件。首先d m d 的 加载一副完整的子场只需要数十微秒，因此相对于数十毫秒的帧周期，d m d 更 像是工作在一种“并发 显示模式，而非l c d 那样的扫描模式。即一帧图像数 据可以很在很短的时间内一起显示到屏幕上。同时d m d 的微镜转动速度很快， 仅仅数微秒，这相对于l c d 的l c 响应要快了三个数量级。因此d m d 显示系 统可以和3 d 技术很好的结合在一起。 6 2 2d m d 显示技术介绍 2 2 1 投影技术介绍 目前投影显示主要存在l c d ( l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ) ，l c o s ( l i q u i d c r y s t a lo ns i l i c o n ) 和d l p ( d i g i t a ll i g h tp r o c e s s i n g ) 三种技术1 。这三种 投影显示使用的原理不同，l c d 投影是属于透射式投影技术，而l c o s 、d l p 属于 反射式投影技术。在d l p 还没有广泛应用于投影显示前，市场上主要使用基于 l c d 的投影技术，而l c o s 技术仍然还在发展改进当中。 l c d 投影显示的基本原理是利用l c d 液晶面板作为光阀来调制由光源所发射 出来的光信号，控制入射光的透光率，从而实现灰阶图像。三片式l c d 液晶背投 工作原理是光线由照明系统的灯泡发出，经由色彩分光系统分出红、绿、蓝三色 光束，透过液晶面板光阀并经偏振片调整，改变各色光的强度，继而由彩色合光 系统组合为完整的彩色影像。但是l c d 投影技术存在一个很大的缺陷就是散热和 老化。因为高功率光源在l c d 透光时会产生大量热量，而散热系统很难集成到光 路上，因此l c d 投影一般亮度不都能做得太高，而且对比度偏低。同时l c d 投影 技术在分辨率，稳定性和体积方面也表现得不是很好。 l c o s 投影显示的基本原理与l c d 投影显示相似，只是l c o s 投影利用l c o s 面板来调制由光源发射出来欲投影至屏幕的光信号，与l c d 投影最大的区别在于 l c d 投影利用光源穿过液晶面板作调制，属于透射式，而l c o s 投影是利用反射 式的构架，所以光源发射出来的光线并不会穿过l c o s 面板，属于反射式。l c o s 面板是以c m o s 晶片为电路基板及反射面。l c o s 投影具有高解析度以及面板结构 易于小型化的特点，但是由于其a s i c 工艺问题和标准制成尚未确定而导致l c o s 的一致性不好，成本偏高。 d l p 技术由美国t i 公司发明，目前t i 已经发展出单片、三片式d m d 投影机 系统，最新的单片式投影已经可以达到6 0 0 0 流明以上的投影亮度，且解析度也 有s v g a 到f u l lh d 的等级。其基本原理是利用d m d ( d i g i t a lm i c r o m i r r o rd e v i c e ) 芯片上的反射微镜和配套驱动控制电路，按照子场p w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 的方法控制入射光源在d m d 晶片的微小镜片上的反射，从而控制像素灰阶形成图 像。d l p 技术的出现，给投影显示带来了新的活力，与其它投影显示系统相比， d l p 投影显示系统的体积小、结构更加紧凑，重量更轻，颜色更加丰富，同时， 由于具有高亮度、高对比度和高分辨率，使得基于d l p 技术的应用越来越多n 1 。 7 2 2 2d m d 的结构与原理 m e m s ( m i c r oe 1 e c t r om e c h a n i c a ls y s t e m s ) 光开关器件的研究始于上个世 纪八十年代初。早期的设计一般是用热变形、磁力或者形状记忆合金的执行器驱 动光纤，采用的技术大多为体硅湿法腐蚀技术或者精密加工技术。随着表面工艺 的出现，各种薄膜光学组件、铰链机构、自组装技术的发明，以静电、磁驱动的 微镜为媒介的光开关大量涌现。d m d 是d l p 显示系统的核心，最早于1 9 8 7 年发 布，定义为数字微镜器件阻1 。随着相应电子技术的发展支撑，到1 9 9 6 年d l p 系 统开始商用。d m d 是由数以百万计的可以移动翻转的微小反射镜构成的光开关阵 列，它既是一种微电机系统( m e m s ) ，也是一种反射式空间光调制器( s l m ) 。 d m d 像素是在c m o ss r a m 基底上制造的一个整体集成的m e m s 单元，d m d 像素 的结构如图2 6 所示。在d m d 的制造过程中，用等离子蚀刻法去除一个有机层， 从而在两个金属层之间形成了一个空气间隙带，这个空气间隙带有利于两个转矩 折叶的翻转。微镜通过支撑点( s u p p o r tp o s t ) 连接到在其下面的轭铁( y o k e ) 上， 轭铁又通过两个转矩折叶铰链( h i n g e ) 悬挂到转矩折叶支柱上。微镜和轭铁都 是连接到偏置电极( b i a se l e c t r o d e ) 上的，偏置电压是直接由d m d 外部专用的 复位芯片来产生阳1 。在寻址电极( a d d r e s se l e c t r o d e ) 和偏置电极之间的电场 力作用下，轭铁和微镜能够绕其转矩折叶轴翻转直到其机械停止位置( + 一1 2 度， 早期为+ 一1 0 度) 。由于结构上的几何对称性，这个+ - 1 2 度翻转角度是精确定位 的，这种结构有利于确保高度一致的亮度均匀性。d m d 像素工作在“静电双稳模 式 ，这种工作方式可以获得最小的寻址电压需求。所谓“静电双稳模式 ，是指 当偏置电压升高到双稳阈值电压时，d m d 像素微镜只有两个稳定的平衡位置，即 + 一1 2 度阳3 。这使得d m d 能准确的做到全数字性，即数字接收，数字调制光，最 终数字光显示。而数字性带来的是高准确性，能够更加精确地还原出图像。而且 d m d 微镜间隙很小( 1 u m ) ，这使得其光利用率比一般的s l m 器件要高很多。 8 图2 6d m d 微镜结构( 图片来源于t i ) 当器件添加上适当的电压时，静电场存在于寻址电极和微镜，以及寻址电极和轭 铁之间。当电场力矩大予铰链的回复力矩时，微镜将发生偏转，直到机械停止位 置嘲。如图2 7 所示，微镜和轭铁添加的是偏置电压( b i a sv 0 1 t a g e ) ，而寻址电 极上添加的是互补的寻址电压( a d d r e s sv 0 1 t a g e ) ，即当左边电极为高电平时， 右边电极为低电平。寻址电压是由微镜机械结构下面的s r a m 内容所决定，而偏 置电压由d l d 外部引脚所决定，由配套的d a d 芯片驱动。 微镜 寻址电 龇t 。十，弛一m 。g ，x 州”t 一二0 * ：一，* 池一* ? ，m $ 一，g 一唧f 捌矧0 釉档褙艏擞t 料柱珊镕躺廿，t 蚴p “自孙 轭铁 il li i 7 i l1 ll l 址电极2 偏置电极 图2 7 微镜截面图 d m d 微镜的转动过程一般为可以分为两个步骤：1 通过高速接口( 如d d r l v d s ) 接收二进制图像数据到每个微镜下的s r a m 中。2 对微镜驱动偏置电压序 列以使镜子偏转到与s r a m 内容相应的角度。偏置电压序列包括+ 2 4 v ，+ 7 5 v 以 及一2 6 v 三种电压。图2 8 为微镜转动过程中，寻址电压，偏置电压以及转动角 度的变化曲线。其中的c r o s s o v e rt r a j e c t o r y 为会发生转动的微镜角度曲线， 9 而s t a yt r a j e c t o r y 为保持不变的微镜角度曲线。根据偏置电压和微镜状态的变 化，整个转动过程可以分为a ，b ，c ，d ，e 五个阶段。 图2 8 微镜转动曲线( 图片来源于t i ) 在这个五个阶段过程中，偏置电压和寻址电压所产生的电场力矩，以及轭铁 铰链的回复力矩在发挥着关键作用。其中电场力矩t e 的计算公式为口1 ： ， 正= z ( c 州姐) 姒倒烈= ( 1 2 k ( 叫z ) 2 其中d f d a 为单位微镜和轭铁上所产生的电场力，d a 为微镜和轭铁的电场面积， x 为扭矩长度，而v 为偏置电压和寻址电压的电压差，而z 为电场的空隙长 度，e 。为介电常数。因此电场力矩与偏置电压和寻址电压之间电压差的平方成正 比，而与微镜轭铁与寻址电极之间的距离平方成反比。 图2 9 为两种微镜转动过程分析，其中左边为发生转动的微镜转动过程，右 边为保持不变的微镜转动过程。 在a 阶段中，微镜仍处于转动前的状态，但对应的s r a m 内容已经发生 改变。但由于电场力矩的存在( 此时偏置电压为2 4 v ) ，微镜仍会保持转 动前的状态。因为微镜之前停靠那侧的电场力矩大于另外一侧电场力矩 和铰链的回复力矩之和。 在b 阶段中，“发生转动的微镜”和“保持不变的微镜 都将继续更加 偏向于转动前那侧，因为v 变得更大( 高电平端的寻址电压已经由5 v 升到7 5 v ，而偏置电压变为一2 6 v ) 。当然转动微镜( v = 3 3 5 v ) 的偏向 1 0 力大于保持微镜( v = 2 6 v ) ，这样就聚集了更多的回复力，为下一个阶 段的转动做准备。 在c 阶段中，“转动微镜和“保持微镜 的状态有很大差异。转动微 镜因为在上一阶段中积累了更多的回复力，并且失去了转动前停留侧的 电场力( v = 0 v ) 而发生快速转动。而保持微镜则会因为仍然有停留侧 的电场力( v = 7 5 v ) 而基本保持不变，只发生缓慢轻微的转动。 在d 阶段中，转动微镜因为另外一侧更大的电场力，而继续发生转动， 最终转动到另外一侧；而保持微镜因为停留侧更大的电场力而回到停留 侧，保持不变。 在e 阶段，转动微镜保持转动后的位置，而保持微镜继续停留原始位置， 这样一个完整的转动过程就完成了隋1 。 c 哪嘲的摊r 韵翻懈膏钠蛳眦 v _ l v 五v b i 毒l 鲥韵n 嘣细穗 图2 9 两种微镜转动过程( 图片来源于t i ) 2 2 。3d m d 的显示原理 在上节中已经分析了d m d 基本结构和原理，了解了d m d 是一种基于m e m s 技 术的s l m 器件。由于微镜的数字转动特性，d m d 基本功能就是能把数字电信号转 换为光脉冲信号。d m d 显示系统一般包括了光源，色轮，各种光学器件，视频接 收电路，视频处理器，d m d 驱动控制器，d a d 复位芯片以及d m d 本身。d m d 显示 系统的光源一般使用高压汞灯或者是最新的l e d 光源。而色轮主要是配合高压汞 灯产生三种基色光，以形成色彩。光学器件包括了透镜，反射镜，屏幕以及投影 镜头等等，这为d m d 投影提供了光学路径。视频接收电路用于接收各种视频信号， 如c v b s ，h d m i ，d v i 等等。而视频处理器用于对视频信号进行处理，并针对d m d 做g a 姗a 和色彩矫正。d m d 驱动控制器用来驱动d m d ，把视频数据转成子场 ( b i t p l a n e ) 格式，并按照一定的时序和规则来发送数据。d a d 复位芯片主要 用于产生偏置电压序列，以使d m d 微镜完成转动过程。图2 1 0 为常用的单片d m d 显示系统。 图2 1 0 单片d 肋显示系统( 图片来源于t i ) 图2 1 1 显示了+ 一1 2 度d m d 微镜的三种反射情况。当微镜处于“开 状态 ( + 1 2 度) 的时候，入射光线被反射入投影镜头；当微镜处于“关”状态( 一1 2 度) 的时候，入射光线被反射到散热器上；而处于平衡状态( 0 度) 的时候，入 射光线被反射到了投影镜头和散热器之间。这样，只有d m d 微镜处于“开”状态 时，光线才能被反射到投影屏幕。通过这种方式，d m d 一个微镜的状态决定了屏 幕上一个像素的亮和暗。 1 2 图2 1 ld 佃微镜反射情况( 图片来源于t i ) 如果屏幕上的像素点只是亮和暗，产生的图像就没有灰阶，更没有色彩，显 得很呆滞和无趣。因此d m d 显示系统使用了子场脉宽调制( p u l s ew i d t h m o d u l a t i o n ) 技术来产生灰阶。图2 1 2 显示4 b i t 灰阶图像的脉宽调制过程。图 中4 种情况的时间长度都为一个像素的刷新周期，而带色框部分表示该时间段内 d m d 处于“开”状态。a 情况中，整个刷新周期内微镜都处于“关”状态，因此 没有光线反射到屏幕，因此该像素点显示为暗。b 情况中，微镜共有两次处于“开 状态，而光线反射到屏幕的时间总长度为5 ，由于人眼的积累效应，会认为该像 素的亮度为l 3 全亮。c 情况和b 情况相似，观看者感知的亮度为4 5 全亮。而 d 情况中，微镜一直处于“开状态，因此光线在整个刷新周期中都被反射到屏 幕，观看者的感知亮度为全亮。因此通过控制微镜在刷新周期里的打开时间长度， 就能控制入眼所能感知的图像亮度，这就是d m d 显示系统灰阶形成的基本原理。 oooo：二i二二二二二：二二二：二：二二二二二二二二二二二二i二二二二二二二二二二二二二三二二：二二二二二二二 a 灰阶为o ，即全暗 啪- 匿 二 z 二要翟团二二二二二二二 b 灰阶为5 t o o 二 e 互要三嚣2 = 二= 互三= 习 c 灰阶为1 2 t 匿e 三3 三要至三墨三= 至三= 互三翟 d 灰阶为1 5 ，即全亮 图2 1 24 b i t 灰阶的脉宽调制 1 3 d m d 系统的彩色图像形成机制就是在单色灰阶形成机制的基础上，使用三基 色( 当然也有多基色方式) 在时间或者空间上进行叠加。单片d m d 显示系统使用 时间上的叠加，即在一个刷新周期内，分时送出红，绿，蓝三种颜色的脉宽调制 光。而三片d m d 显示系统使用空间上的叠加，即在一个刷新周期内，由三片投影 系统同时分别送出红，绿，蓝三种颜色的脉宽调制光。本文主要讨论的是单片 d m d 显示系统。但在实际显示过程中，并不直接采用前面所述的子场脉宽调制方 法，因为这会带来一定的显示缺陷，导致图像失真。因此需要对这种简单的二进 制脉宽调制方法做一定程度上的改进。这些内容会在下