详细剖析视频显示系统

引言：

作为消费者，我们对于各种形式的视频系统都已经非常熟悉了。但是从嵌入式开发人员的角度来看，视频就好像是一张纷繁复杂的网络，里面充满了各种不同的分辨率、格式、标准与显示等。

视频显示：

模拟视频显示

视频编码器

视频编码器可以将数字视频流转换为模拟视频信号。这些视频编码器的输入一般为ITU-RBT.656或BT.601格式的YcbCr或RGB视频流，然后在将输入信号根据各种不同的输出标准（如NTSC、PAL、SECAM）进行转换。一个主控处理器可以通过串行接口（如SPI或I2C）来对编码器进行控制，例如可以设置像素时序、输入/输出格式以及亮度/色度滤波等参数。如下图，常见的编码器结构框图。视频编码器通常采用以下的一种或几种模拟输出格式。

视频编码器框图举例

CVBS——这个缩写代表Composite Video Baseband Signal（或Composite Video Blanking and Syncs），即符合视频基带信号（或复合视频消隐与同步）。复合视频通过下图（a）中所示的随处可见的黄色RCA插孔来连接。他将亮度、色度、同步和色彩脉冲信息全都整合到一根电缆内。

常见模拟视频连接器

S Video——使用上图中（b）所示的接头进行连接，可以分别传送亮度和色度信息化。将亮度信息与色差信号分离开来，可以大幅度改善图像质量，这也正是S Video连接在当今的家庭影院系统中流行的原因。

ComponentVideo——分量视频，也称为YPbPr，这是YcbCr数字视频的模拟版本。这种视频格式中，亮度和每个色度通道都是单独传输的，每一个通道都有自己的时序。这样可以保证模拟传输图像达到最佳的质量。在高端家庭影院系统中，例如DVD播放器和A/V接收机，这样的分量连接是非常普遍的如上图（c）。

模拟RGB格式中，红、绿、蓝信号具有各自分离的通道。这可以提供与分量视频相近的图像质量，但它通常用于计算机图形邻域如上图（d），而分量视频则主要应用于消费类电子邻域。

阴极射线管（CRT）

在显示邻域，RGB是计算机显示器和LCD显示器最常用的接口。最古老的计算机显示器通过3个独立的引脚接来自PC显卡的模拟视频信号，并相应的调节3个独立的电子枪来产生图像。根据哪个电子束激活了屏幕上的点，该点就会呈现出红色、绿色、蓝色，或者是这些颜色不同的组合。这一点与模拟电视是不同的，模拟电视中用的是一个复合信号，所有的颜色信息都叠加到了同一个输入中，只调节一个电子束。更新一点的计算机显示器使用DVI（Digital Visual Interface，数字视频接口），可以接受数字和模拟两种格式的RGB信号。

CRT的显示器的主要优点是成本非常低廉，而且可以比同等尺寸的LCD显示器产生更多的颜色。另外，与LCD显示器不同的是，CRT显示器可以从任意角度来看。不过，CRT显示器也有缺点，比如体积庞大、比较笨重、电磁辐射比较大，而且由于屏幕的闪烁还会引起眼睛疲劳。

数字视频显示

液晶显示面板 （LCD）

LCD技术主要有两大类：无源阵列（passive matrix）和有源阵列（active matrix）。无源阵列（常见的类型包括STN，全称为Super Twisted Nematic，即超级扭曲向列，及其衍生类别），是在玻璃衬底上印刷出列引线结构，在另一块玻璃衬底上印刷出列引线结构，然后组成一种”液晶三明治”的结构。这些行列交叉点就是像素点。因此，为了激活某个像素，时序电路需要为该像素所在的列供电，同时将该像素所在的行接地。这样，在该像素处的电压差会使得对应位置的液晶发生变化，于是该点将变为不透明，阻止光线通过。

无源阵列技术虽然比较简单，但有一些不足的地方。例如，屏幕刷新时间相对比较长（这可能会造成快速移动图像出现”拖影”现象）。另外，行列交叉点处的电压也有可能泄露到临近的像素点，这会在一点程度上造成附近的像素区域的液晶变得不透明，阻碍光线通过。对于观看者来说，会看到图像迷糊不清，对比度有所降低。此外，可视角度也相对较小。

相比于无源阵列而言，有源阵列LCD技术在这些方面有了大幅度的进步。在有源阵列LCD技术中，每一个像素点由一个电容和一个晶体管开关构成。这种结构使之获得了一个更加流行的名称，即“薄膜晶体管液晶显示器”（TFT-LCD）。为了对某个像素进行定位。首先要使能该像素所在的行，然后在所在的列施加一个电压。这样就会产生一个仅仅隔离感兴趣像素点的效果，而周围的其他像素不会受到影响。另外，由于控制一个特定像素所需的电流降低了，因而该像素开关的速度也会更快，从而使得TFT-LCD的刷新速率比无源阵列更高。更重要的是，通过调节施加在像素上的电压水平可以产生许多离散的亮度等级。现在，相应于8位的强度信息，可以达到256个亮度等级。

要连接到TFT-LCD面板可不简单，因为 涉及多种不同的组件。首先，是LCD面板本身，它里面包含了一个像素阵列，可以用行和列来选通，参考像素的时钟频率。

TFT-LCD的背光常常是CCFL（即冷阴极荧光灯），它激发气体发出亮光，而产生的热量却非常少。CCFL的优点有：经久耐用，寿命超长以及驱动要求非常简单直接。LED也是一种流行的产生背光的方法，主要用于中小尺寸的液晶面板，其优点包括成本低廉，工作电压低，寿命长，良好的亮度控制特性。但是，对于更大的面板尺寸，LED背光的功耗要比CCFL更大。

LCD控制器中包含了将输入视频信号转为LCD显示所需格式的绝大多数电路。通常，这部分电路中包含一个时序发生器，用来控制液晶面板上各个独立像素的同步信号和时钟信号时序。但是，为了满足LCD面板尺寸和成本方面的要求，有时候这些时序产生电路需要有外部提供。除了标准的同步和数据线之外，为了驱动LCD面板各个独立的行和列，也需要一些时序信号。有时候，媒体处理器中的通用PWM定时器也可以代替这些独立的芯片，以降低系统成本。

LCD控制芯片还有一些其他的特性，例如OSD（on-screen display）支持，图像重叠混合、颜色查找表、混色以及图像旋转等。一些比较复杂的LCD控制芯片，其价格也会非常昂贵，往往超过了和他们相连接的处理器价格。

为了给LCD面板提供合适的电压，需要用到一个LCD驱动芯片。这个驱动芯片在LCD控制器输出和LCD面板之间扮演着“转换器”的角色。行和列一般是独立驱动的，时序信号由时序发生器来控制。液晶必须用周期性的极性翻转信号来驱动，因为主流电流会给晶体结构带来压力，并最终使晶体退化。所以，施加在每个像素上的电压极性必须在每一帧、每一行或者每一个像素上发生变化，具体变化周期因实现的方式而有所不同。

媒体设备正朝着更小型、更便宜的方向发展，这一趋势促使人们将上述LCD系统组件集成到了一起。现在，包含时序发生器和驱动电路的集成TFT-LCD模块已经出现，仅仅徐亚一条数据总线、时钟/同步信号线和电源供应即可。另外，还有些液晶面板没有采用并行数字输入，而是用了复合模拟视频输入方式。

OLED（有机发光二极管）显示 有机发光二极管中的“有机”是针对夹在两个电极之间的材料而言的。当电荷穿过这一有机材料时，该有机材料就会发光。这种显示技术目前还是很新的，它有望改善LCD显示存在的一些问题。例如，它是一种自发光技术，不需要背光。这就是说，这种技术可以大大降低显示面板的功耗、成本以及重量—OLED面板可以做的非常轻薄。此外，OLED显示比LCD显示支持更多的颜色，其运动图像显示效果也要优于LCD。更重要的是，OLED支持很宽的视角，具有很高的对比度。OLED的电子信号和数据接口与TFT-LCD类似。

尽管有上述诸多优点，但是到目前为止，OLED最大的问题是使用寿命较短OLED中的有机材料再使用几千小时之后就会损坏，虽说在某些显示器中这个数字现在已经提高到了超过10000小时——非常适合于许多便携式多媒体应用。在有些方面，OLED具有美好的市场前景，例如手机、数码相机以及类似的产品。不过也非常有可能看到基于OLED技术的电视或者计算机显示器。