垂直集成技术实现优化的HDTV“交钥匙”方案

Brillian公司的HDTV“交钥匙”方案优化了硅基液晶(LCoS)微显示器技术与光学引擎、驱动电路的集成,在一个完整且可定制的系统中为OEM厂商们提供了带有高品质音频的HDTV显示器以及紧凑的工业设计。

开发、设计和制造一种优化的高性能HDTV需要一种从设计到制造的集成化方法,以满足家庭影院系统“发烧友”们的苛刻要求。艺术级的HDTV是如此地复杂,以至于使所有部件协同工作并为消费者提供最佳体验变成一项令人望而生畏的任务。

拥有垂直集成技术的公司能够开发微显示器技术,指定光学引擎设计和性能,优化微显示器与光学引擎以及微显示器与驱动电路之间的接口,充分利用视频处理器的处理能力,同时规范机箱的工业设计以及系统测试和验证。Brillian公司向OEM厂商提供完全集成的、具有超高对比度的65英寸、16:9宽屏幕HDTV“交钥匙”方案,该方案拥有艺术级的精细点距屏幕,包含精心打造的光学和机械部件以及全套的音频和视频连接端子。

该公司原先计划向HDTV制造商供应用于其完整系统中的部件。但是,在其研发和工程团队开发GEN II LCoS技术的时候,他们意识到,开发一个完整HDTV系统以达到必需的性能以及可靠性非常重要。只有在能够控制完整HDTV系统中所有关键部件的集成以及定制之后,他们才能优化GEN II LCoS器件并确保在实现尽可能好的画面质量过程中不必进行任何折衷。

为了达到当今市场的要求,HDTV制造商必须针对图像价值链做出的智慧而有效的决策。在PC市场,对于有竞争力的任何一家制造商而言,集成必要的部件从而构建下一代PC一般说来是相当简单的一件事情。但对开发HDTV来说挑战可就艰巨得多,这是由人类视觉系统的复杂性造成的。一个主要的技术挑战就是:选择最佳的元器件并使它们无缝地协同工作而不致引发任何可能影响视觉效果的人为痕迹。每一项技术决策最终影响的不仅仅是价格和实验室仪器测量到的性能,还会影响可察觉到的图像质量。

6501m/i HDTV平台

Brillian公司6501m/i HDTV方案的特色包括:三片超高对比度GEN II LCoS微显示器(针对基本的1280×720像素HDTV标准格式而设计),一个三片式光学引擎以及完整的系统电路。系统电路包括视频和音频处理电路、双路NTSC调谐器、控制及连接器面板以及遥控电路。此ASIC驱动电子系统是专为Gen II LCoS显示器而设计。此外,该系统的硬件还包括电源、反射镜、屏幕以及外形圆润且可以定制的工业机箱设计。此方案还包括了用于控制多功能系统的软件,包括输入视频源、画中画、画外画、色彩和灰度控制等,以及提供可定制的屏幕显示控制(OSD)接口的软件钩子(hook)。另外,还可以提供一块带ATSC数字地面广播调谐以及MPEG解码器并符合新版有线卡标准的可选扩展板。

GEN II LCoS微显示器技术

上述GEN II LCoS微显示器技术上的突破提供了图像质量和价格/性能等多种优势,这是第一代LCoS或其它替代技术如高温多晶硅(HTPS)、DLP、等离子显示以及TFT-LCD等绝不可能带来的。LCoS技术将液晶技术与现代的硅CMOS技术结合起来。传统的液晶显示器是透射式的,由于部分透射观光被驱动线路所阻挡因而损失了一定的亮度。而LCoS显示器是反射式的,驱动线路在反射式像素镜面后方被遮挡着,这就意味着光源发出的光绝大部分都通过光学系统到达投射屏幕,结果呈现出更高的亮度。

基于GEN II LCoS的影像显示器的优点在屏幕上可以清楚地看到。LCoS的高对比度,平滑如镜的深黑色纯平显示屏,没有丝毫颗粒感的画面也就不存在一直以来困扰等离子和HTPS显示器的线网式“纱窗效应”。GEN II LCoS的快速响应时间可以真实完美地再现的运动画面,投射到屏幕上的运动画面看不到拖尾现象。

由于单个像素的尺寸还没有达到硅晶片工艺技术的极限,LCoS技术可以很容易通过缩小单个像素尺寸且保持微显示面板尺寸不变来达到更高的分辨率(更多的像素)。反之,如果分辨率不变,可以通过缩小单个像素尺寸来制造更小的微显示面板。例如,单个像素为12微米的1280×720阵列(96万像素)的面积与单个像素为8.1微米的1920×1080阵列(210万像素)相当。由于LCoS设备的成本主要由硅片尺寸决定,因此可以在成本增加不大的情况下提高分辨率。类似地,通过缩小像素尺寸可以降低相同分辨率产品的成本。这种在设计与成本方面的巨大灵活性是其它竞争技术无法比拟的。

Brillian公司使用模拟像素代替了数字像素,这样可以通过对灰度等级的完全控制来改善图像质量。灰度等级是显示器的表现能力,与人类视觉系统相一致,是系统整个动态范围之内有意义的灰度。这种模拟像素架构允许在所有亮度水平对灰度等级进行精细的调整。而这与其业内领先的动态范围(对比度)一道使得采用这种技术的显示器可以展示非常完美的细节,甚至对于极亮或极暗的画面也是如此。HTPS技术的动态范围要劣于GEN II LCoS技术,从而使之缺乏在明亮的场景中毫无矫饰？地展现黑暗场景的能力。DLP以及使用数字化像素的LCoS版本是通过与脉宽调制相关的时序来实现灰度调节的。由于可获得的灰度等级数量有限,且将电信号传送到显示器去显示的时间受到局限,这些方法必然限制了在黑暗场景中可以表现的细节。

三片式光学架构

6501m/i HDTV的光学系统使用了三片式架构,同时投射红绿蓝三色光到屏幕上,其亮度比使用单片或两片依次投射这三色光的系统明显更高。光学引擎经过精心定制设计使之与Gen II LCoS微显示器面板相协调,因为很明显,试图分别优化显示面板和光学引擎将无法获得最佳的性能。在评估了单片和双片式架构之后,Brillian公司得出结论:单片和双片式结构的成本优势在引擎层面和系统层面不算突出,并且需要在画面质量上做出一定妥协。

当在微显示器中采用Gen II LCoS技术时,三片式结构相比其它方案能够在更低的风险并提供更高性能潜力的同时获得更好的画面质量。三片式Gen II LCoS光学系统不会像等离子显示器那样在持续显示高饱和彩色后引起老化现象,后者使用三年后老化程度高达50%并且在屏幕留下图像痕迹。同时,Gen II LCoS技术使用的无机序列材料比通常采用有机序列材料的HTPS和单片或双片结构LCoS版本也要可靠。三片式光学引擎还消除了彩虹效应和色彩破坏,这是因为每一种色彩始终显示而不是像单片和双片式系统中那样依次闪现。

色域(color gamut)是显示器能够表现的全部色彩的范围。没有一种显示器能够表现人类视觉系统可以感知的全部色彩。不过,三片式系统可以分别优化三原色的每一种,红、绿、蓝,因此其最终色域针对尺寸和色彩饱和度得到优化。而像DLP和单片式LCoS系统之类的依次分色系统被迫一起处理全部三色并且不可能分别优化单个色彩。

6501m/i HDTV使用JDS 单相UltreX-3三片式光学引擎。该光学引擎与LCoS微显示器共同将输入的视频信号转换成投射到屏幕上的图像。其核心元件如图3所示。高压汞弧光灯发出的白光被偏光器偏振化然后成型为Gen II LCoS微显示器面板大小与形状的矩形光束。偏振的白光经过分色镜被分离为其组成成分——红、绿、蓝三色光。每一种色光被分别聚焦到一片接受相应色彩视频数据的Gen II LCoS微显示器面板上。从微显示器面板上反射出的光经过检偏器过滤,只有一种与检偏器偏振方向相同的光可以通过,其它偏振方向的光被阻止。红、绿、蓝三种颜色的图像通过一个称为X-Cube的光学元件被组合到一起。组合后的图像经过投射透镜放大、聚焦,然后投射到由一个菲涅尔透镜和柱状透镜组成的复合屏幕。这是通过电视机内部一个或两个光学折叠镜面来做到的,以减小机箱的总尺寸。

屏幕:显示图像和吸收环境光线

屏幕是系统最后一个同时是至关重要而又极其复杂的部件。屏幕不仅将图像传递到观看者眼中,它还吸收大部分环境光线,这样一来,甚至在诸如光线良好的房间也可显示高对比度的明亮画面。屏幕中的菲涅尔透镜将来自投射透镜的各分散方向上的光线转变为垂直于柱状透镜的平行光束。屏幕表面一千多个柱状透镜引导来自投射透镜投射到屏幕内侧的光,使之在屏幕另一面一条条极细的黑色窄带(间距约为100微米)之间通过。简而言之,在光线出现在屏幕上到进入观看者眼睛之前,这些黑带吸收大部分来自房间中的环境光线,而柱状透镜引导黑带之间的投射光线。

音视频处理器和ASIC显示控制器

Brillian公司在设计驱动电路和视频处理器时遵循着所有相关的工业标准。不管采用何种显示器技术,HDTV都使用相似的电子元件。

Brillian HDTV采用的PixelWorks视频处理器可以接受很多种来源的视频数据,即有模拟信号也有数字信号。它可以从视频数据中分离出音频数据,将视频数据转换成720p格式,也能将隔行扫描信号转换为逐行扫描信号,同时还提供降噪和控制图像锐度的功能。

视频处理器的主要功能之一是将不同格式的视频数据转换为与显示器相适应的格式。如今多数的电视机(NTSC或PAL制式)的屏幕宽高比是4:3。输入的4:3视频数据必须转换成为HDTV的16:9格式。有很多种不同的方法来扩展一幅图像。绝大多数数字电视,包括6501m/i HDTV,为最终用户提供了如何从4:3扩展到16:9的选择。例如,如果人们直接将4:3图像显示到16:9屏幕上,那么屏幕两侧将出现黑边,这是因为4:3图像比矩形的16:9更接近正方形。这被称为中心模式。另一种技术是将4:3图像横向拉伸为16:9格式,这种方式会使图像变形,如一个瘦削的人在屏幕上看起来变胖了。还有一种更先进的方案是非线性扩展模式,即不改变4:3格式图像画面中心1/2的图像,而拉伸两侧各1/4的图像以填满16:9画面。图像中部没有变形,但越靠近画面左右两侧变形越大。

多数标准视频信号是隔行扫描的,即第一次扫描时先将画面的奇数行显示到屏幕上,然后在下一次扫描中再将偶数行显示到屏幕上。微显示器电视没有设计成显示隔行扫描视频,而是将显示奇数行的数据帧被取出来,然后与偶数行的数据帧合并到一起,成为显示所有行的单个数据帧。有多种方法来做到这一点,如简单地将两行叠加在一起。先进的视频处理器,就像在6501m/i中所采用的,则检视前面的视频帧与后面的视频帧,然后将两帧合并,这样使得运动画面看起来流畅而自然。

视频处理器还抑制噪音信号并锐化图像。抑制噪音是通过一个滤波器在前端处理中输入数字数据智能地去除噪音。图像锐化是通过找出并识别图像从一个物体转变到另一个物体的部分然后锐化边缘使得图像看起来聚焦非常清晰。

音频数据则被送到专门的音频处理器被处理成为环绕声或杜比5.1标准。另外,音频处理器还负责同步音频和视频数据的时序。

使得6501m/i与众不同的关键器件还包括Brillian专有的ASIC显示控制器以及运行于其上的专用算法。视频数据由视频处理器送到驱动ASIC中。ASIC以及相关的元件将视频数据转换为Gen II LCoS器件专用的格式,同时执行灰度伽玛校正以及色彩优化设置,这对于视觉体验非常重要,而且提供了保证全屏幕色彩一致的手段。

工业化设计向OEM厂商提供多种选择

6501m/i HDTV的设计是紧凑而可定制化的。创新的光学通道将机像深度降到最小,仅为23英寸(见图1)。机身的体积比CRT显示器要小得多,这样就可以有空间来放置诸如VCR、DVD播放机、游戏机以及数字录像机等附加设备,它们可以集成到现有的机箱内。整个设备重量仅为112磅,有一个可选的底座,一般的桌子能很容易容纳它。整机重量较轻也意味着6501m/i HDTV可以很容易付运到世界各地。

高品质的音频系统提供了卓越不凡的表现而且为家庭影院音响发烧友提供了灵活的音频连接。

除前部的控制和指示面板之外,整套设备还包括红外遥控器和接收器。丰富的用户控制特性包括:功率、输入源、音量、音频、画中画和频道选择。OSD菜单是多语言的。前面板LED指示灯可以指示电源已开,以及投影灯和定时器状态。

OEM厂商们可以指定机壳的颜色、面板、外壳上的斜面以及扬声器罩样式并且可以定制用户界面。由于包括了软件钩子,菜单和OSD信息可以为个别OEM客户定制。

作者:Robert L. Melcher

首席技术官

Brillian公司