怎么设计基于FPGA的高光效LCD投影机？

显示技术正朝着大屏幕、高清晰度、高亮度和高分辨率的方向发展。通常说来，将屏幕显示面对角线尺寸在1米(40英寸)以上的显示称为大屏幕显示。投影机作为一种重要的显示设备，已经广泛地应用到了金融、教育、企业、军事等多个领域，它所具有的大幅面、高清晰多媒体演示功能，使信息的传递具有更好的效果。目前，市面上的主流产品是三片式LCD投影机和DLP投影机，其中，三片式LCD投影机的市场份额高达三分之二。

陈妙宙

2019-8-29 16:41:04

然而，投影机的主要采购者绝大多数是***部门、企业和高校。无论是三片式LCD投影机还是DLP投影机，其高昂的价格一直妨碍着投影机进入普通家庭。为了简化设备结构，降低成本，本文给出了一种基于FPGA的高光效单片彩色LCD投影机的设计方法。
1投影原理
三片式LCD投影机的一般威廉希尔官方网站原理如图1所示。由图1可以看出，传统LCD投影机的威廉希尔官方网站原理是把传送过来的视频信号通过彩色解码，以产生R、G、B信号，然后通过视频处理威廉希尔官方网站把该三基色信号加载在红、绿、蓝三只单色液晶屏上，最后加在三只单色投影管上，并经三只单色投影管还原后，再把图像通过光学透镜放大几十倍后由反射镜反射到屏幕上，最后在屏幕上合成出彩色图像。由此可以看出，由于三只投影管和投影镜头并非都正对屏幕放置，三种图像信号还原到屏幕上所经过的光路各不相同，而这必然导致R、G、B三色信号在屏幕上不能完全重合在一起，进而引起会聚失真。

于是，本文从图1的视频处理威廉希尔官方网站和控制威廉希尔官方网站着手，设计了一种新的投影方式，即在一个液晶屏上呈现R、G、B三基色的单色图像数据，并对照射进来的R、G、B三单色光进行调制，然后经过透射、折射以及图像拉宽等光学系统的处理，最终在屏幕上形成彩色网像，该方法的原理图如图2所示。

通过图2可以看出，该没计的最大特点是在一块LCD屏上分别显示出R、G、B三基色图像，并通过对单色光进行调制来投影，而不像传统的投影系统，要用三块LCD屏分别显示R、G、B基色图像。

2投影机系统威廉希尔官方网站
在投影机设计中，控制威廉希尔官方网站的作用是对输入的视频和数字图像信号进行处理，以将其转变成适合LCD屏显示的信号。投影系统的威廉希尔官方网站部分如图3所示。当图像信号由DVI接口传送到DVI解码芯片后，系统可将视频信号分解成24位R、G、B单色信号以及相应的控制信号，再通过FPGA组成的视频信号处理威廉希尔官方网站进行相关转换，然后经过DVI编码芯片恢复成DVI信号，最后送至液晶屏。

从系统威廉希尔官方网站的示意图可知。以FPGA为核心(包括DVI解码、编码芯片在内)的信号处理威廉希尔官方网站是整个设计中最为关键的部分，图4所示是其数据读写和传输示意图。从DVI解码芯片进入FPGA的数据包括8位并行R／G／B信号以及行、场控制信号和时钟信号。事实上，为实现实时视频显示，应该对一帧(笔者使用的LCD屏所支持的最高分辨率为XGA，即1024×768)数据进行处理。可是，如果对整帧数据一起处理，至少需要2MB以上的外部存贮器来对数据进行缓存，这样既提高了成本，又增加了威廉希尔官方网站的复杂性。因此，在本设计中，笔者采用了一种新思路，即对输入的视频数据一行一行的进行处理，并且在相邻两行的数据流处理中采用“乒乓操作”，这样既可实现实时显示，又简化了威廉希尔官方网站。具体操作如下：

①通过模块调用将FPGA的片内RAM分为“RAM_A”和“RAM_B”；
②在第一个行周期，将输入的第一行数据流缓存到“RAM_A”：因为一行视频信号有3K字节，为了实现在LCD屏上三基色的分离，在对数据进行存储时，不能按照数据进入FPGA的顺序来存储，而应将红色数据依次存放在第1至第1024个存储单元，绿色数据存放在第1025至第2048个存储单元，蓝色数据则放在第2049至第3072个存储单元，即将原来的象素“打乱”存放；
③在第二个行周期，按照步骤②中所描述的方法将第二行的视频信号存入“RAM_B”，同时将“RAM_A”中所存的第一行视频信号依次从I／O口读出，再经DVI编码芯片编码后送至LCD屏，即在读出数据时“按序”读取；
④重复步骤②、③，使读、写操作交替在“RAM_A”和“RAM_B”间循环进行，直至一帧数据传输完毕。

此时，LCD屏上显示数据的具体算法如图5所示，即R1，2占据G1，1的位置(即第2个单元)，R1，3占据B1，1的位置(即第3个单元)，R1，4占据第4个单元，以此类推，直至1024个红色数据在LCD屏上排列完毕，再开始绿色数据，继而是蓝色数据。这样便可达到图2中在一块LCD屏上分别显示R、G、B图像的目的。

本设计中所采用的FPGA是Altera公司CvclONe系列中的EP1C6Q240C8。该FPGA的片内存储器容量为90kbits，完全能够胜任对分辨率为XGA显示模式的视频信号进行行处理。如果要支持更高分辨率的投影模式或对图像进行整帧的处理，只需更换具有更大片内RAM资源的FPGA或是在FPGA的I／O口外接片外存储器。DVI解码和编码芯片分别选用Sil161和Sil164。
这种基于FPGA的控制器除可用投影机的视频信号处理外，还可应用于平板显示中有关图像的翻转、截取以及象素的抽取等。其操作的关键是对数据读、写地址的控制。

然而，投影机的主要采购者绝大多数是***部门、企业和高校。无论是三片式LCD投影机还是DLP投影机，其高昂的价格一直妨碍着投影机进入普通家庭。为了简化设备结构，降低成本，本文给出了一种基于FPGA的高光效单片彩色LCD投影机的设计方法。
1投影原理
三片式LCD投影机的一般威廉希尔官方网站原理如图1所示。由图1可以看出，传统LCD投影机的威廉希尔官方网站原理是把传送过来的视频信号通过彩色解码，以产生R、G、B信号，然后通过视频处理威廉希尔官方网站把该三基色信号加载在红、绿、蓝三只单色液晶屏上，最后加在三只单色投影管上，并经三只单色投影管还原后，再把图像通过光学透镜放大几十倍后由反射镜反射到屏幕上，最后在屏幕上合成出彩色图像。由此可以看出，由于三只投影管和投影镜头并非都正对屏幕放置，三种图像信号还原到屏幕上所经过的光路各不相同，而这必然导致R、G、B三色信号在屏幕上不能完全重合在一起，进而引起会聚失真。

于是，本文从图1的视频处理威廉希尔官方网站和控制威廉希尔官方网站着手，设计了一种新的投影方式，即在一个液晶屏上呈现R、G、B三基色的单色图像数据，并对照射进来的R、G、B三单色光进行调制，然后经过透射、折射以及图像拉宽等光学系统的处理，最终在屏幕上形成彩色网像，该方法的原理图如图2所示。

通过图2可以看出，该没计的最大特点是在一块LCD屏上分别显示出R、G、B三基色图像，并通过对单色光进行调制来投影，而不像传统的投影系统，要用三块LCD屏分别显示R、G、B基色图像。

2投影机系统威廉希尔官方网站
在投影机设计中，控制威廉希尔官方网站的作用是对输入的视频和数字图像信号进行处理，以将其转变成适合LCD屏显示的信号。投影系统的威廉希尔官方网站部分如图3所示。当图像信号由DVI接口传送到DVI解码芯片后，系统可将视频信号分解成24位R、G、B单色信号以及相应的控制信号，再通过FPGA组成的视频信号处理威廉希尔官方网站进行相关转换，然后经过DVI编码芯片恢复成DVI信号，最后送至液晶屏。

从系统威廉希尔官方网站的示意图可知。以FPGA为核心(包括DVI解码、编码芯片在内)的信号处理威廉希尔官方网站是整个设计中最为关键的部分，图4所示是其数据读写和传输示意图。从DVI解码芯片进入FPGA的数据包括8位并行R／G／B信号以及行、场控制信号和时钟信号。事实上，为实现实时视频显示，应该对一帧(笔者使用的LCD屏所支持的最高分辨率为XGA，即1024×768)数据进行处理。可是，如果对整帧数据一起处理，至少需要2MB以上的外部存贮器来对数据进行缓存，这样既提高了成本，又增加了威廉希尔官方网站的复杂性。因此，在本设计中，笔者采用了一种新思路，即对输入的视频数据一行一行的进行处理，并且在相邻两行的数据流处理中采用“乒乓操作”，这样既可实现实时显示，又简化了威廉希尔官方网站。具体操作如下：

①通过模块调用将FPGA的片内RAM分为“RAM_A”和“RAM_B”；
②在第一个行周期，将输入的第一行数据流缓存到“RAM_A”：因为一行视频信号有3K字节，为了实现在LCD屏上三基色的分离，在对数据进行存储时，不能按照数据进入FPGA的顺序来存储，而应将红色数据依次存放在第1至第1024个存储单元，绿色数据存放在第1025至第2048个存储单元，蓝色数据则放在第2049至第3072个存储单元，即将原来的象素“打乱”存放；
③在第二个行周期，按照步骤②中所描述的方法将第二行的视频信号存入“RAM_B”，同时将“RAM_A”中所存的第一行视频信号依次从I／O口读出，再经DVI编码芯片编码后送至LCD屏，即在读出数据时“按序”读取；
④重复步骤②、③，使读、写操作交替在“RAM_A”和“RAM_B”间循环进行，直至一帧数据传输完毕。

此时，LCD屏上显示数据的具体算法如图5所示，即R1，2占据G1，1的位置(即第2个单元)，R1，3占据B1，1的位置(即第3个单元)，R1，4占据第4个单元，以此类推，直至1024个红色数据在LCD屏上排列完毕，再开始绿色数据，继而是蓝色数据。这样便可达到图2中在一块LCD屏上分别显示R、G、B图像的目的。

本设计中所采用的FPGA是Altera公司CvclONe系列中的EP1C6Q240C8。该FPGA的片内存储器容量为90kbits，完全能够胜任对分辨率为XGA显示模式的视频信号进行行处理。如果要支持更高分辨率的投影模式或对图像进行整帧的处理，只需更换具有更大片内RAM资源的FPGA或是在FPGA的I／O口外接片外存储器。DVI解码和编码芯片分别选用Sil161和Sil164。
这种基于FPGA的控制器除可用投影机的视频信号处理外，还可应用于平板显示中有关图像的翻转、截取以及象素的抽取等。其操作的关键是对数据读、写地址的控制。

余彦

2019-8-29 16:41:07

3液晶屏的处理和光学调整
现在市面上的TFT液晶板都是有滤色膜的。本设计如果直接使用这种液晶板，那么当R、G、B三单色光分别照射到R、G、B图像区域的时候，滤色膜会吸收掉很大一部分光能，从而从投影亮度过低，无法达到应用要求。因此，本设计中所采用的液晶板需去掉滤色膜或者没有滤色膜的产品，以提高光源利用率和投影亮度。
由于视频信号在LCD屏上分为R、G、B三个部分，因此，三基色图像通过液晶板汇聚以后，会形成一幅高度和原图像相等。宽度压缩为原图像三分之一的彩色图像。这时，只需要一枚宽银幕镜头即可将该压缩图像拉宽，从而使其恢复到正常图像。
4结束语
随着家庭影院概念的普及，约来越多的消费者希望在家中享受大制作影片所带来的强烈震撼。然而，昂贵的投影机却让很多家庭望而却步。本文从实际应用出发，设计了一种基于FPGA的高光效单片彩色LCD投影方式。不难看出，该投影系统将具有如下优势：
(1)一旦产业化，这种新型投影机的成本比其它的LCD投影机要低很多，因而易于进入普通家庭；
(2)集成度高，体积小，信息容量大，速度快；
(3)光利用率显著提高，从而提高了显示质量。

陈强

回帖（2）

陈妙宙

余彦

相关问答

基于FPGA的高光效LCD投影机该怎么设计？

请问怎样去设计单片彩色LCD投影机？

基于FPGA的单片彩色LCD投影机该怎么设计？

labview做投影机融合拼接的问题？？

反射式投影机的亮度

电视已是昨日黄花？微型投影机家用解读

HDMI接口的DLP投影机需要哪些按键

请问如果做一台安卓系统的投影机，HDMI输入怎么办？

对e-kanon LK-P160微型投影仪技术进行简单分析

微型投影仪的发展历程

20万+工程师都在用，免费PCB检查工具