面向特种LCD图像处理方法与FPGA实现研究

【摘要】：随着数字化作战模式的发展,在机载、舰载、装甲车辆等军用装备中将越来越多地要求使用轻、薄和节能的液晶显示器(LCD),因此,LCD在军事领域将有巨大的应用前景。但是,军用LCD在性能方面有一些特殊的要求,例如工作温度范围、对比度、夜视兼容和抗阳光等。而目前通用的商用LCD显示控制板存在着工作温度范围窄(0℃～40℃)、亮度和对比度调节范围过小的缺点,不适用于高低温(-40℃～65℃)和特殊光照条件(过亮/过暗)的作战环境。所以,几乎全部军用特种LCD都是由商用LCD“加固”而成。采用加热加固的方法会使LCD的功耗增加、可靠性降低和体积变大,而且加固后的LCD功能单一、系统兼容性差。 为此,本文研究特种LCD的图像处理方法和FPGA实现方案,并研制出基于FPGA的若干实际应用系统,有效地解决目前存在的问题。本文主要研究内容为: (1) 给出一种基于彩色空间变换的色彩调整方法,在YCrCb空间内实现亮度和色度分离,避免了RGB空间两者同时变化造成偏色和失真的现象,并在FPGA内采用流水线结构改进3阶矩阵运算的逻辑结构,节省出2/3的逻辑资源,提高了模块的最高运行速度;提出一种基于图像均值的直方图扩展对比度调整算法,它是以一帧图像的灰度均值为中心进行直方图扩展,具有灰度自适应性,效果优于现有的方法:采用基于6点的LCD Gamma校正法,在Gamma曲线的每个小分段内分别进行拟合,提高彩色还原的准确性,加快了校正速度,并在FPGA内利用双端口RAM设计出具有可编程特性的LCD Gamma校正模块。 (2) 研究利用FPGA实现图像实时缩放处理的方法,选择能够满足特种LCD要求的双线性插值法作为研究对象,实时计算插值系数dx和dy,并采用流水线结构进行插值计算,仅使用FPGA中的3个双端口RAM来缓冲图像数据,没有外扩大容量帧存储器,降低了成本,提高特种LCD的系统兼容性。 (3) 设计一种针对特种LCD更为简捷、有效的隔行转逐行扫描的实现方案,即利用图像实时缩放的方法,把一场图像缩放到LCD的分辨率,实现复合视频图像在LCD的“满屏”显示,改善现有特种LCD在显示隔行扫描的复合视频信号时,遇到图像信息丢失或显示效果不佳的问题。 (4) 设计出一种基于字符和位图的数字OSD控制核,合理使用分布式RAM和块RAM两种逻辑资源来存储字符和位图信息,OSD图像由数字逻辑自动合成,编程简单灵活,使特种LCD的参数调整更加方便。 (5) 研制成功基于FPGA的特种LCD显示控制板,能显示三种分辨率640×480,800×600,1024×768的图像信号;支持宽范围的亮度、对比度、显示位置等参数的实时调整,