CN101800022B - 基于子行驱动技术场致发射显示的低灰度增强方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及显示器制造技术领域，特别是一种基于子行驱动(SRD)灰度调制驱动技术的场致发射显示系统的低灰度增强方法，其特征在于：是在基于子行驱动技术的子行灰度调制法的基础上对低灰度图像信息的丢失采用低灰度增强调制法消除低灰度损失现象，此外通过时间补偿的方法对低灰度损失进行校正，改善了图像的显示质量。

Description

基于子行驱动技术场致发射显示的低灰度增强方法

技术领域

 本发明涉及显示器制造技术领域，特别是一种基于子行灰度调制驱动技术的场致发射显示系统的低灰度增强方法。

背景技术

场致发射显示器（FED）作为一种新型的平板显示器，其既具有CRT的高画质特性，又具有LCD的轻薄低功耗特性，还具有当今时尚流行的POP广告（point of purchase店前广告）的大面积等特性，FED还具有高分辨率、高对比度、宽视角、响应速度快，耐高低温、抗震、低辐射以及生产成本较低，易于实现数字化显示等特点，具有广阔市场应用前景。驱动电路是FED显示系统的重要组成部分，在很大程度上决定了FED显示器的性能。灰度调制电路作为FED驱动电路的核心部分，由于目前资料和芯片的缺乏，成为了一个难点。

随着大尺寸高分辨率FED显示的研发趋势，目前现有的高压芯片已经远远不能满足，因此只能最大限度的利用现有的高压集成芯片来设计符合FED特性的电路。FED新型集成灰度调制系统的研制，对不断发展的高分辨率和高灰阶的FED显示具有很重要的作用。

显示器件的灰度等级是指图像由黑色到白色之间的亮度层次。灰度等级越多，图像从黑到白的层次就越丰富，细节也就越清晰，图像就越柔和。对于单色和彩色灰度级的实现，两者的区别在于：彩色灰度级的实现，是将三基色像素各自以单色方式驱动，而后在屏上合成即可。灰度级S与比特位数n的关系是：S＝2ⁿ ,红、绿、蓝三色各有S级灰度的话，就能产生S³种颜色，如256级的RGB就可组合成1670万色的真彩色。灰度在彩色图像中是显示方面的性能指标，对于平板显示器来说是一个非常重要的指标。由于各种显示器由于结构、工作原理的不同，实现灰度显示的方案也不尽相同。目前，灰度调制主要有以下几种方法：幅值调制法、空间灰度调制法和时间灰度调制法。目前常用的时间灰度调制法主要有：帧灰度调制法、子场灰度调制法和脉冲宽度调制法。而脉冲宽度灰度调制方法可以很容易地通过数字电路控制将灰度信息携带在列信号脉冲上，是平板显示器中常用的灰度实现方案。

申请号为200810071631.7的中国专利公开了一种应用于大屏幕的场致发射显示器的图像灰度调制方法及驱动电路，该专利采用意法半导体公司（STMicroelectronics）开发的一款PDP专用的低成本、高耐压数据寻址驱动芯片STV7620，提出一种新型的子行灰度调制方法即将一行图像数据按数据位权重划分出若干子行时间脉冲宽度进行驱动的方法，在尽量不影响图像质量的基础上引入误差扩散法减少数据的bit位对图像进行处理，并应用到25英寸彩色600×3×800的FED中，突破传统仅适用于PDP等具有存储效应一类显示器的ADS方法显示发光时间短、数据缓存器大的局限。但上述FED驱动电路系统中，由于器件和显示屏存在响应时间，而且不管是行驱动芯片还是列驱动芯片都有一定的响应时间，由于行扫描脉冲存在上升沿和下降沿时间，在这段时间内会导致列驱动脉冲的无效（即列驱动脉冲无法使屏发光），这种情况会造成图像信息特别是低灰度图像信息的丢失，严重影响图像的显示效果。

本发明在基于上述子行灰度调制驱动技术场致发射显示系统的基础上，采取调整子行显示顺序的方法，调整时序，采用了低灰度增强方法，消除了低灰度损失现象，改善了图像的显示质量。

发明内容

为了克服现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于子行灰度调制驱动技术场致发射显示系统的低灰度增强调制方法，特别是一种可改善彩色视频图像显示质量的场致发射显示器的低灰度增强调制方法。

本发明采用的技术方案是：一种基于子行驱动技术场致发射显示的低灰度增强方法，其特征在于：在基于子行驱动技术的子行灰度调制法的基础上对低灰度图像信息的丢失采用低灰度增强调制法消除低灰度损失现象，此外通过时间补偿的方法对低灰度损失进行校正，改善了图像的显示质量。

所述的子行灰度调制法是针对一个行进行操作，根据数据的bit位分成多个子行，然后将每一位数据按数据位权重进行显示；每个子行由数据传输期与显示期构成，数据传输期将显示数据送入移位寄存器，显示期间将数据锁存并传送至高压输出，在前一个子行显示期间,后一个子行的数据传输就可以开始进行；子行灰度调制法的核心是数据传输与显示同时进行。

所述的低灰度增强调制法是针对行扫描脉冲存在的上升沿和下降沿时间导致列驱动脉冲无效使屏无法发光，造成低灰度图像数据丢失影响图像显示效果，通过调整各子行的显示顺序，调整时序，消除低灰度信息损失，改善图像质量。

下面将结合附图对本发明用于实现基于子行驱动技术的FED显示系统的低灰度调制增强方法作进一步的详细说明。

附图说明

图1 是本发明的基于子行灰度调制驱动技术FED显示系统的整体电路框图。

图2 是本发明的子行灰度调制驱动显示原理图。

图3是本发明的各子行时间分布示意图。

图4是本发明的降低bit位后的子行分布示意图。

图5是本发明的考虑脉冲上升沿和下降沿示意图。

图6是本发明的上升沿和下降沿造成列驱动数据丢失示意图。

图7是本发明的灰度值相同的两种调制方法驱动波形示意图。

图8是本发明的调整子行显示顺序后的示意图。

图9是本发明的调整子行显示顺序后上升沿和下降沿对子行的影响示意图。

图10是本发明的数据分割示意图图。

图11是本发明的数据重组示意图。

图12是本发明的调整子行顺序后对各子行进行传输显示程序流程图。

图13是本发明的调整子行顺序后系统灰度-亮度测试示意图。

图14是本发明的未调整子行顺序系统灰度-亮度测试示意图。

具体实施方式

基于子行灰度调制驱动技术场致发射显示系统主要有两级FPGA和后级高压驱动电路组成。如图1所示，在两级FPGA中，主FPGA主要完成接收前级视频信号并进行一些相应的图像处理；从FPGA接收主FPGA处理后的数据和控制信号，负责完成复杂的子行灰度调制。它的主要功能是将主FPGA传过来数据进行分割和重组，控制数据的输出方式，产生后级驱动芯片STV7620所需的控制信号，使之能达到子行灰度调制的目的。因此，算法的关键是对数据进行分配、重组等处理使之能适应后级驱动芯片STV7620的要求。

子行灰度调制法是将数据按位输出，然后根据每一位数据的权重进行显示。如图2所示，子行灰度调制法针对一个行进行操作，即将每一行的数据分成多个子行，每个子行由数据传输期与显示期构成，数据传输期(图中阴影部分)将显示数据送入移位寄存器，显示期间（图中白色部分）数据锁存并传送至高压输出。由于STV7620内部具有输出锁存器,在输出状态稳定的同时移位寄存器可以进行下一周期数据的传送。在第1个子行的显示期间,第2个子行的数据传输就可以开始进行。子行灰度调制法的核心是数据传输与显示同时进行，这样可以最大程度地减少屏幕的不发光时间。

如图3所示，目前FED显示屏的分辨率为800×3×600，场频60Hz，因此每一行选通时间约为27.7us，为了实现256级灰度，在一行的时间内，如果将数据分8个子行送出，则每个子行按权重时间之比为1：2：4：8：16：32：64：128，因此，最小子行即子行1的时间约为100ns，以此类推，8个子行时间分别为100ns、200ns、400ns、800ns、1.6us、3.2us、6.4us、12.8us。由于STV7620高压移位锁存驱动器芯片的寄存器长度是16位，而芯片的最快移位时钟是40M，传输是按位进行，所以完成一个子行数据传输的时间需要400ns，如果像素数据采用8bit，即将一行的时间分为8个子行，则最小2个子行的显示时间分别为100ns和200ns都小于数据传输时间400ns，所以如果继续采用8bit数据进行灰度显示的话，会使最小2子行的数据由于传输时间的不足而造成低灰阶图像信息的丢失。并且如果低灰度分配的时间过短（最低灰度100ns），由于器件和显示屏存在响应时间会影响图像低灰度部分的显示，这样也将严重影响图像的显示质量。

如图4所示，引入误差扩散法将子行1和子行2作为误差因素扩散到其他子行，采用6bit位数进行显示，在一定程度上改善了低灰阶部分数据丢失造成的图像质量问题，但是如图5、图6所示，由于后级行扫描驱动脉冲存在上升沿和下降沿时间，根据测试，后级行扫描驱动脉冲相应的上升沿和下降沿时间为300ns。因为FED显示屏要发光，必须相应的行、列信号同时有效，在扫描脉冲边沿这段时间内会导致列驱动脉冲的无效（即列驱动脉冲无法使屏发光），造成图像信息特别是低灰度图像信息的丢失，将严重影响图像的显示效果，因此仅仅靠引入误差扩散法减少数据比特位数的方法改善图像质量还远远达不到高保真清晰的视频图像。

从理想的角度来说（即不考虑输出脉冲的上升沿和下降沿时间），PWM调制法和子行灰度调制法驱动效果是一样的，因为不管是PWM还是子行灰度调制法，其实质都是在一行的时间周期内，通过脉冲持续的时间长短来体现图像的灰度。所不同的只是在时间轴上出现的位置不一样。如图7所示：灰度值为110000时，两种驱动方法的脉冲宽度都占行周期的3/4。

但是事实是不管是行驱动芯片还是列驱动芯片都有一定的响应时间，因此对子行灰度调制法性能以及存在的问题进行分析必须考虑输出脉冲的上升沿和下降沿时间的影响。

对于因为行扫描脉冲的上升沿和下降沿时间导致的低灰度损失情况，本设计采取调整子行显示顺序的方法即将6个子行的显示顺序不再按照数据位从低到高进行显示，如图8所示，将权重最高的第5和第6两子行在行有效周期的开始和结尾进行显示，将权重最低的第1和第2子行在行有效周期的中间显示。

图9所示，这样调整虽然不能避免整体发光时间的减少，但是由于权重高的第5和第6子行对应的发光时间分别为6.4和12.8us，相比行扫描脉冲的上升沿和下降沿时间长了很多，因此对整体显示图像质量的影响不大，不会造成低灰阶图像信息的损失。

电路实现：

首先将输入的原始数据进行分割，经过误差扩散处理后，每一个像素的灰度信息是6bit，一行有800列数据。由于采用的每片STV7620高压移位锁存驱动器具有96输出，因此，需要9片高压移位锁存驱动器。我们采用并行传输方式，需要将800列数据分割成9部分，分别对应一片高压移位锁存驱动器，所以数据处理的第一步是分割，下面针对9部分中的一个部分进行详细说明，如图10所示（其中reg1—reg6代表6个寄存器，d(i,j)[k]表示第i组第j个寄存器中存放数据的第k位），按照位置的相邻关系每6个字节即每6个像素编为一组，分别对应该组中reg1—reg6的6个寄存器，一个寄存器存放一个像素的6位bit，其余8个部分按同样的方法进行分割，在数据稳定时，依次将各字节中的6个数据位写入其对应的移位寄存器中。

其次进行数据重组，构造两个移位寄存器组A和B，每个组中都包含6个长度为6bit的位移寄存器，由于每片STV7620高压移位锁存驱动器具有96输出，因此缓存1中存96个像素点的数据，共要分成16组，将分割的数据按照图11所示 （其中Ai(j)表示寄存器组A中第i组第j个寄存器，Bi(j)表示寄存器组B中第i组第j个寄存器，d(i,j)[k]表示重组前的第i组第j个寄存器中存放数据的第k位）的数据格式进行重组，将每6个相邻的输入数据编为一组，并将这6个字节中相同的位依次提取出来，组成新的6个字节，即将每一组中的6个寄存器中的最低0 bit位重组于各组中的第一个寄存器reg1中，每组的次低1 bit位重组于各组中的第2个寄存器reg2中，以此类推，直至每组的最高6 bit位重组于各组中的第6个寄存器reg6中。这样，每个新字节中的数据就与某个子行相对应。当一组中的6个字节全部被写入A组移位寄存器后，下一组的6字节数据将写入另一B组移位寄存器。最后再将这些重组好的字节一次存入缓存，这样，每显示一个子行，就只需从缓存中读取对应于该子场的那些数据而不用遍历所有的数据。

经过数据分割和数据重组后，通过控制数据输出可以调整子行灰度显示的数据。可以运用有限状态机的设计方法，来读取想要的子行数据进行传输显示。具体操作：可以设定一个状态寄存器分别寄存6个子行对应的6个状态001、010、011、100、101、110，设定一个计数寄存器count，寄存各个子行对应的时钟个数，例如各个子行按照6-4-2-1-3-5的顺序进行传输显示，各个子行对应的显示时间各为12.8us、1.6us、800ns、400ns、1.2us、2us,各对应的时钟周期个数为512、128、32、16、64、256，程序流程图如图12所示。

对于由屏的响应时间造成的低灰度损失，我们通过时间补偿的方法来对低灰度损失进行校正。本设计的场频是60Hz，分辨率是800×600，所以每一行的选通时间为27.7us。本系统采用40M时钟，因此每行选通时间包含1108个时钟周期。通过误差扩散法处理，像素数据宽度是6位，每个子行所占时间比重为1：2：4：8：16：32。最低子行是400ns，因此等效各子行长度取16，32，64，128，256，512（时钟周期）。各子行所占有的总时间为1024个时钟周期，所以每一行会多出84个时钟周期，FED屏的响应时间约为2us，等效于80个时钟周期。所以时间补偿算法的实质是将一行选通时间分为两部分，一部分是用于正常的灰度显示，另一部分是用于补偿显示。

驱动电路正常工作后，对FED显示屏连接后对图像的灰度进行测试。测试方法是在固定STV7620的驱动电压，改变显示图片逐级增加灰度值，通过亮度计测量屏的亮度，测得灰度－亮度曲线如图13所示。

图14为原系统灰阶测试图，从上面两图的对比可以看出，子行灰度调制系统在低灰阶方面，由于采用了低灰度增强算法，消除了低灰度损失现象，且亮度比原来系统的亮度要高，改善了图像的显示质量。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于子行驱动技术场致发射显示的低灰度增强方法，其特征在于：在基于子行驱动技术的子行灰度调制法的基础上对低灰度图像信息的丢失采用低灰度增强调制法消除低灰度损失现象，此外通过时间补偿的方法对低灰度损失进行校正，改善了图像的显示质量；

子行灰度调制法是针对一个行进行操作，根据数据的bit位分成多个子行，然后将每一位数据按数据位权重进行显示；每个子行由数据传输期与显示期构成，数据传输期将显示数据送入移位寄存器，显示期间将数据锁存并传送至高压输出，在前一个子行显示期间,后一个子行的数据传输就可以开始进行；子行灰度调制法的核心是数据传输与显示同时进行；对于子行数是6个时，将6个子行的显示顺序不再按照数据位从低到高进行显示，将权重最高的第5和第6子行在行有效周期的开始和结尾进行显示，将权重最低的第1和第2子行在行有效周期的中间显示，避免低灰度信息的丢失，达到改善图像的质量；

低灰度增强调制法是针对行扫描脉冲存在的上升沿和下降沿时间导致列驱动脉冲无效使屏无法发光，造成低灰度图像数据丢失影响图像显示效果，通过调整各子行的显示顺序，调整时序，消除低灰度信息损失，改善图像质量；

由于显示屏存在响应时间造成的低灰度损失，通过时间补偿的方法来对低灰度损失进行校正，改善了图像的显示质量；

所述的时间补偿方法是将一行选通时间分为两部分，一部分适用于正常的灰度显示，另一部分是用于补偿显示。

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