張金奎

（鄭州鐵路局洛陽火車站，洛陽471000）

鐵路車站為指示旅客有秩序地辦理各種旅行手續(xù)，在站前廣場、進(jìn)站口、售票廳、行包房、候車室、貴賓室、檢票口、站臺及天橋和地道等各個環(huán)節(jié)，按旅客流線設(shè)置了一系列LED顯示屏引導(dǎo)指示標(biāo)志，及時準(zhǔn)確向旅客提供列車到發(fā)去向、到發(fā)時刻、候車地點(diǎn)、列車停靠站臺、晚點(diǎn)變更等情況。這些大小不同、功能不一的各類LED顯示屏組合的有機(jī)整體就構(gòu)成了鐵路車站旅客引導(dǎo)顯示系統(tǒng)。

鐵路車站旅客電子引導(dǎo)通常是以LED顯示屏為顯示媒介，以視頻控制技術(shù)為核心組成的動態(tài)信息顯示系統(tǒng)的總稱。根據(jù)鐵道部“鐵路車站旅客引導(dǎo)顯示系統(tǒng)設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)”[TB/T3303-2000] 規(guī)定，旅客引導(dǎo)顯示系統(tǒng)主要由微機(jī)聯(lián)網(wǎng)顯示系統(tǒng)和LED多媒體大屏幕視頻顯示系統(tǒng)兩部分組成。微機(jī)聯(lián)網(wǎng)顯示系統(tǒng)主要由若干單色條形顯示屏聯(lián)網(wǎng)組成，以固定點(diǎn)陣形式顯示車次信息。而多媒體大屏幕不僅能顯示文字、圖形，還可以顯示動畫和視頻圖像，大視角、高亮度、灰度層次細(xì)膩的畫面能使成千上萬的旅客同時觀看，作為新一代的信息傳播媒體自90年代問世以來在鐵路車站發(fā)展迅速。LED視頻顯示系統(tǒng)多媒體大屏幕主要設(shè)置在旅客聚集的廣場、候車大廳、售票處等醒目處，24 h動態(tài)實(shí)時播放車次到發(fā)信息、票額剩余信息、旅行常識以及各種溫馨提示畫面，播放的內(nèi)容信息量大，實(shí)時性強(qiáng)，為旅客安全便捷出行提供了及時準(zhǔn)確的電子圖文信息。

本文就鐵路車站旅客引導(dǎo)系統(tǒng)中KING2000 256級灰度LED多媒體大屏幕視頻顯示系統(tǒng)（以下簡稱LED視頻顯示系統(tǒng)）的設(shè)計為重點(diǎn)予以介紹。

1 LED視頻顯示系統(tǒng)組成

LED視頻顯示系統(tǒng)主要由多媒體計算機(jī)、LED視頻控制組件、數(shù)據(jù)傳輸接口和LED顯示幀面等部分組成，見圖1。

圖1 LED視頻顯示系統(tǒng)

1.1 多媒體計算機(jī)

由于VGA顯示卡連接的是模擬顯示器，從VGA顯示卡上無法直接取得數(shù)字VGA信號，1組VGA數(shù)字信號的同步獲取成為LED視頻顯示技術(shù)實(shí)現(xiàn)的前題。因此，需要在多媒體計算機(jī)安裝1塊JMC-VIDEO視頻卡，用于向LED視頻控制組件提供1組實(shí)時VGA數(shù)字信號。

1.2 LED視頻控制組件

LED視頻控制組件是LED視頻顯示系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)接收來自JMC-VIDEO視頻卡的一組數(shù)字視頻信號，實(shí)時完成非線性視覺校正、數(shù)據(jù)重組和灰度變換，產(chǎn)生LED顯示屏所需的串行數(shù)據(jù)信號和掃描控制時序。

1.3 數(shù)據(jù)傳輸接口

數(shù)據(jù)傳輸接口是指LED視頻控制組件與LED顯示幀面之間的數(shù)據(jù)傳輸通道。LED視頻控制組件輸出的串行數(shù)據(jù)信號和掃描控制信號經(jīng)過差分驅(qū)動電路傳輸，在LED顯示屏一端，經(jīng)差分接收電路卸載后，送至LED顯示幀面。

2 LED視頻顯示系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)與實(shí)現(xiàn)原理

LED視頻顯示系統(tǒng)的核心是VGA同步技術(shù)、非線性視覺校正卡和LED視頻控制器3部分。JMC-VIDEO多媒體視頻卡（以下簡稱視頻卡）是實(shí)現(xiàn)VGA同步技術(shù)比較典型的解決方案。

2.1 JMC-VIDEO視頻卡

視頻卡主芯片采用PC VIDEO視頻窗口控制芯片。PC VIDEO提供窗口縮放、裁剪和緩存功能。圖2是JMC-VIDEO視頻卡原理框圖。

圖2 JMC-VIDEO視頻卡原理框圖

視頻卡將視頻信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，與VGA信號疊加后在VGA上顯示，過程如下：模擬視頻信號經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后變?yōu)? bit數(shù)字混合視頻信號，再經(jīng)過解碼變?yōu)閅UV 4∶2∶2信號，最后通過彩色空間變換，將YUV信號轉(zhuǎn)換成16 bitRGB信號。RGB信號經(jīng)過窗口控制器的縮放裁剪和圖像定位后送入幀存，與從VGA輸入的數(shù)字信號（經(jīng)彩色查找表變?yōu)?6 bitRGB信號）疊加，經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換，最后在VGA上顯示。這樣也就實(shí)現(xiàn)了視頻信號在VGA上的開窗顯示。

2.2 非線性視覺校正卡

非線性視覺校正卡的主要功能是對來自視頻卡上的RGB數(shù)字信號進(jìn)行非線性視覺校正。這是一種對比度調(diào)節(jié)和亮度調(diào)節(jié)的圖像增強(qiáng)技術(shù)，對于改善LED顯示屏圖像質(zhì)量起著重要作用。

2.2.1 非線性視覺校正原理

為了把一幅圖像的灰度層次顯示出來，需要把圖像上的每個像素的顏色根據(jù)其亮度量化成相應(yīng)的電信號，量化數(shù)是用二進(jìn)制數(shù)，即0和1來表示，對于256級灰度的量化，要用8 bit二進(jìn)制來表示，那么R、G、B三色的亮度量化共需24 bit二進(jìn)制來表示。LED顯示屏通常是將其量化值轉(zhuǎn)化為單位時間內(nèi)顯示的時間長短來調(diào)制灰度，人眼對亮度的感覺是一個積分效果，因此對不同的數(shù)據(jù)，點(diǎn)亮的時間越長，平均亮度就越大。

圖3 LED光電特性曲線

圖4 對比度調(diào)節(jié)曲線

圖5 亮度調(diào)節(jié)曲線

圖3是LED光電特性曲線。由圖可見，亮度數(shù)據(jù)與實(shí)際亮度為非線性，正是由于LED的非線性光電特性，在數(shù)據(jù)為‘11111111’時的亮度并不是數(shù)據(jù)為‘00000001’時的255倍。為確保顯示圖像不失真，或者說為了得到一個較好的顯示效果，就必須對此非線性的曲線進(jìn)行補(bǔ)償校正，使之近似于線性。即所謂的γ校正。從顯示效果講，γ校正可將圖像中的灰度區(qū)間加以擴(kuò)展，使相鄰灰階之間的間隔拉開，從而使人眼本來察覺不到的信息差別可以被分辨出來。同時也可以減小亮度數(shù)據(jù)達(dá)到調(diào)節(jié)亮度的目的。圖4是對比度調(diào)節(jié)曲線，圖5是亮度調(diào)節(jié)曲線。

（1）對比度調(diào)節(jié)

對比度的調(diào)節(jié)可用如下算法實(shí)現(xiàn)：

Y=256（X÷256）r

其中，Y為輸出8 bit二進(jìn)制亮度數(shù)據(jù)，X為輸入8 bit二進(jìn)制亮度數(shù)據(jù)，γ為調(diào)節(jié)變量，γ的變化可改變圖4曲線的曲度，適當(dāng)?shù)摩弥悼墒癸@示效果最佳。

（2）亮度調(diào)節(jié)

亮度的調(diào)節(jié)可用如下算法來實(shí)現(xiàn)：

Y=K×X

其中，Y為輸出8 bit二進(jìn)制亮度數(shù)據(jù)，X為輸入8 bit二進(jìn)制亮度數(shù)據(jù)，K為直線的斜率。

（3）對比度與亮度同時調(diào)節(jié)

對比度與亮度同時調(diào)節(jié)的算法如下：

Y=K（X÷256）r

其中，Y為輸出8 bit二進(jìn)制亮度數(shù)據(jù)，X為輸入8 bit二進(jìn)制亮度數(shù)據(jù)，K、γ為變量。當(dāng)K與γ同時變化時，對比度與亮度能同時調(diào)節(jié)。由于LED顯示屏驅(qū)動電路是以最高亮度來設(shè)計的，因此在校正后，最高亮度只能降低，即γ≤256。

2.2.2 非線性視覺校正的實(shí)現(xiàn)

從前節(jié)的分析中不難發(fā)現(xiàn)，對比度與亮度的調(diào)節(jié)是以犧牲亮度和減少灰度級為代價的。尤其圖4所示的調(diào)節(jié)方法，亮度犧牲明顯較大。為保證顯示畫面仍有較高的亮度，KING2000采取了S曲線調(diào)節(jié)方法加以彌補(bǔ)和改善，以保證高亮度區(qū)的亮度犧牲較小，低亮度區(qū)的相鄰灰階間隔充分拉開。圖6是在非線性視覺校正卡上使用的S曲線J曲線校正。

非線性視覺校正卡采用3片超大規(guī)模可編程邏輯芯片M4-128N（CPLD），針對R、G、B三基色的256級灰度數(shù)據(jù)信息，對每種顏色均具有4檔校正深度，S曲線J曲線校正用硬件拔碼開關(guān)切換，迅速而方便，顯示效果直觀。經(jīng)實(shí)際運(yùn)用后，LED圖像顯示質(zhì)量有明顯提高。雖然一定程度上犧牲了亮度和灰度等級，但是在256級灰度的情況下，進(jìn)行數(shù)據(jù)修正可確保有滿意的圖像質(zhì)量。

2.3 LED視頻控制器

LED視頻控制器采用分單元掃描控制的方法，通過數(shù)據(jù)重組，增加數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ?，降低?shù)據(jù)的傳輸速度，從而成功地解決了高頻數(shù)字信號的長距離傳輸這一“瓶頸”問題。

2.3.1 分單元控制原理

LED視頻控制器一般以16行掃描線作為一個顯示控制單元區(qū)，將LED顯示屏劃分為若干單元區(qū)。來自視頻卡的一組VGA數(shù)字信號經(jīng)過數(shù)據(jù)重組和灰度變換，對應(yīng)每個顯示單元區(qū)，產(chǎn)生一組所需的串行顯示數(shù)據(jù)和掃描控制時序，從而實(shí)現(xiàn)分單元掃描控制，如圖7。

圖7 LED視頻控制器分單元控制原理框圖

從視頻卡上取得的數(shù)字視頻信號按照LED顯示屏的分區(qū)結(jié)構(gòu)寫入各單元區(qū)的SRAM（顯示緩沖存儲器）中，再由同步控制電路將各單元區(qū)的SRAM內(nèi)容同時讀出。各單元區(qū)的SRAM在邏輯上是連續(xù)的，但在物理上是分離的，并且該SRAM必須設(shè)計為一個雙端口SRAM，一方面數(shù)字視頻信號可以根據(jù)行、場同步信號將相應(yīng)單元區(qū)域的內(nèi)容寫入，另一方面LED視頻控制器的同步控制電路產(chǎn)生的地址及讀控制信號又能將各SRAM中的內(nèi)容同時讀出，經(jīng)灰度變換后送至數(shù)據(jù)傳輸接口。

2.3.2 分時顯示灰度變換

由于人的視覺特征，人眼對某亮點(diǎn)的感覺不僅與該點(diǎn)的亮度有關(guān)，還與該點(diǎn)被點(diǎn)亮的時間長短有關(guān)，因此發(fā)光管的亮度還可以通過控制二極管點(diǎn)亮的時間（占空比）來實(shí)現(xiàn)灰度層次。

為了讓LED顯示出256級灰度層次，可將顯示時間均分成256等份。對應(yīng)于不同的數(shù)據(jù)，點(diǎn)亮的時間不同，高電平時對應(yīng)的點(diǎn)亮?xí)r間長，平均亮度自然要大。由于人眼對亮度的感覺在一定程度下是一個積分效果，所以考慮到視覺因素的影響，數(shù)據(jù)為11111111時亮度并不是數(shù)據(jù)為00000001時的255倍，但可以肯定的是LED導(dǎo)通時間更長一些，發(fā)出的光平均強(qiáng)度一定更大些，而且將一段時間等分在電路中便于實(shí)現(xiàn)。

這里以VGA的800×600（24 bit真彩色）標(biāo)準(zhǔn)顯示模式為例，當(dāng)掃描時鐘頻率選擇12 MHz時，LED顯示屏刷新頻率可達(dá)78 Hz。由此看出，來自視頻卡的一組VGA高頻數(shù)字信號（40 MHz），經(jīng)LED視頻控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)重組（分單元控制，灰度變換）后，將成為若干組12 MHz數(shù)字信號，使用常規(guī)的差分驅(qū)動電路和三類雙絞線，即可輕松傳輸至100 m以外的LED顯示屏。如果選擇高性能的差分驅(qū)動電路和五類雙絞線，傳輸距離可達(dá)數(shù)百米。

3 LED視頻顯示系統(tǒng)控制軟件功能

LED視頻顯示系統(tǒng)控制軟件主要功能有：

（1）多媒體集成環(huán)境；（2）多任務(wù)區(qū)域?qū)崟r播放；（3）任務(wù)區(qū)域位置靈活設(shè)定、修改；（4）圖文、動畫與視頻疊加播放；（5）文本播放疊加背景圖片；（6）任務(wù)播放支持背景音樂；（7）超文本編輯器；（8）文本圖片瀏覽器；（9）支持3DS和AVI動畫；（10）定時播放和自動播放；（11）色度、飽和度、亮度和對比度軟件調(diào)節(jié)；（12）γ校正軟件調(diào)節(jié)。

4 結(jié)束語

LED視頻顯示系統(tǒng)控制組件采用超大規(guī)模可編程邏輯器件（FPGA），體積小巧，結(jié)構(gòu)嚴(yán)密，性能穩(wěn)定?？刂栖浖捎萌碌亩嗳蝿?wù)窗口設(shè)計和多媒體集成環(huán)境，集信息的編輯制作和播放于一體，維護(hù)便捷，在鐵路旅客引導(dǎo)系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。LED視頻顯示系統(tǒng)與旅客電子引導(dǎo)系統(tǒng)應(yīng)用軟件的配套，保證了LED顯示屏的卓越性能，對于促進(jìn)鐵路服務(wù)行業(yè)的硬件設(shè)施水平進(jìn)一步提高有著重要的意義。

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