铁路车站旅客引导系统中LED视频显示系统的设计

张金奎

（郑州铁路局洛阳火车站，洛阳471000）

铁路车站为指示旅客有秩序地办理各种旅行手续，在站前广场、进站口、售票厅、行包房、候车室、贵宾室、检票口、站台及天桥和地道等各个环节，按旅客流线设置了一系列LED显示屏引导指示标志，及时准确向旅客提供列车到发去向、到发时刻、候车地点、列车停靠站台、晚点变更等情况。这些大小不同、功能不一的各类LED显示屏组合的有机整体就构成了铁路车站旅客引导显示系统。

铁路车站旅客电子引导通常是以LED显示屏为显示媒介，以视频控制技术为核心组成的动态信息显示系统的总称。根据铁道部“铁路车站旅客引导显示系统设置标准”[TB/T3303-2000] 规定，旅客引导显示系统主要由微机联网显示系统和LED多媒体大屏幕视频显示系统两部分组成。微机联网显示系统主要由若干单色条形显示屏联网组成，以固定点阵形式显示车次信息。而多媒体大屏幕不仅能显示文字、图形，还可以显示动画和视频图像，大视角、高亮度、灰度层次细腻的画面能使成千上万的旅客同时观看，作为新一代的信息传播媒体自90年代问世以来在铁路车站发展迅速。LED视频显示系统多媒体大屏幕主要设置在旅客聚集的广场、候车大厅、售票处等醒目处，24 h动态实时播放车次到发信息、票额剩余信息、旅行常识以及各种温馨提示画面，播放的内容信息量大，实时性强，为旅客安全便捷出行提供了及时准确的电子图文信息。

本文就铁路车站旅客引导系统中KING2000 256级灰度LED多媒体大屏幕视频显示系统（以下简称LED视频显示系统）的设计为重点予以介绍。

1 LED视频显示系统组成

LED视频显示系统主要由多媒体计算机、LED视频控制组件、数据传输接口和LED显示帧面等部分组成，见图1。

图1 LED视频显示系统

1.1 多媒体计算机

由于VGA显示卡连接的是模拟显示器，从VGA显示卡上无法直接取得数字VGA信号，1组VGA数字信号的同步获取成为LED视频显示技术实现的前题。因此，需要在多媒体计算机安装1块JMC-VIDEO视频卡，用于向LED视频控制组件提供1组实时VGA数字信号。

1.2 LED视频控制组件

LED视频控制组件是LED视频显示系统的核心，负责接收来自JMC-VIDEO视频卡的一组数字视频信号，实时完成非线性视觉校正、数据重组和灰度变换，产生LED显示屏所需的串行数据信号和扫描控制时序。

1.3 数据传输接口

数据传输接口是指LED视频控制组件与LED显示帧面之间的数据传输通道。LED视频控制组件输出的串行数据信号和扫描控制信号经过差分驱动电路传输，在LED显示屏一端，经差分接收电路卸载后，送至LED显示帧面。

2 LED视频显示系统关键技术与实现原理

LED视频显示系统的核心是VGA同步技术、非线性视觉校正卡和LED视频控制器3部分。JMC-VIDEO多媒体视频卡（以下简称视频卡）是实现VGA同步技术比较典型的解决方案。

2.1 JMC-VIDEO视频卡

视频卡主芯片采用PC VIDEO视频窗口控制芯片。PC VIDEO提供窗口缩放、裁剪和缓存功能。图2是JMC-VIDEO视频卡原理框图。

图2 JMC-VIDEO视频卡原理框图

视频卡将视频信号转换为数字信号，与VGA信号叠加后在VGA上显示，过程如下：模拟视频信号经过模数转换后变为8 bit数字混合视频信号，再经过解码变为YUV 4∶2∶2信号，最后通过彩色空间变换，将YUV信号转换成16 bitRGB信号。RGB信号经过窗口控制器的缩放裁剪和图像定位后送入帧存，与从VGA输入的数字信号（经彩色查找表变为16 bitRGB信号）叠加，经过数模转换，最后在VGA上显示。这样也就实现了视频信号在VGA上的开窗显示。

2.2 非线性视觉校正卡

非线性视觉校正卡的主要功能是对来自视频卡上的RGB数字信号进行非线性视觉校正。这是一种对比度调节和亮度调节的图像增强技术，对于改善LED显示屏图像质量起着重要作用。

2.2.1 非线性视觉校正原理

为了把一幅图像的灰度层次显示出来，需要把图像上的每个像素的颜色根据其亮度量化成相应的电信号，量化数是用二进制数，即0和1来表示，对于256级灰度的量化，要用8 bit二进制来表示，那么R、G、B三色的亮度量化共需24 bit二进制来表示。LED显示屏通常是将其量化值转化为单位时间内显示的时间长短来调制灰度，人眼对亮度的感觉是一个积分效果，因此对不同的数据，点亮的时间越长，平均亮度就越大。

图3 LED光电特性曲线

图4 对比度调节曲线

图5 亮度调节曲线

图3是LED光电特性曲线。由图可见，亮度数据与实际亮度为非线性，正是由于LED的非线性光电特性，在数据为‘11111111’时的亮度并不是数据为‘00000001’时的255倍。为确保显示图像不失真，或者说为了得到一个较好的显示效果，就必须对此非线性的曲线进行补偿校正，使之近似于线性。即所谓的γ校正。从显示效果讲，γ校正可将图像中的灰度区间加以扩展，使相邻灰阶之间的间隔拉开，从而使人眼本来察觉不到的信息差别可以被分辨出来。同时也可以减小亮度数据达到调节亮度的目的。图4是对比度调节曲线，图5是亮度调节曲线。

（1）对比度调节

对比度的调节可用如下算法实现：

Y=256（X÷256）r

其中，Y为输出8 bit二进制亮度数据，X为输入8 bit二进制亮度数据，γ为调节变量，γ的变化可改变图4曲线的曲度，适当的γ值可使显示效果最佳。

（2）亮度调节

亮度的调节可用如下算法来实现：

Y=K×X

其中，Y为输出8 bit二进制亮度数据，X为输入8 bit二进制亮度数据，K为直线的斜率。

（3）对比度与亮度同时调节

对比度与亮度同时调节的算法如下：

Y=K（X÷256）r

其中，Y为输出8 bit二进制亮度数据，X为输入8 bit二进制亮度数据，K、γ为变量。当K与γ同时变化时，对比度与亮度能同时调节。由于LED显示屏驱动电路是以最高亮度来设计的，因此在校正后，最高亮度只能降低，即γ≤256。

2.2.2 非线性视觉校正的实现

从前节的分析中不难发现，对比度与亮度的调节是以牺牲亮度和减少灰度级为代价的。尤其图4所示的调节方法，亮度牺牲明显较大。为保证显示画面仍有较高的亮度，KING2000采取了S曲线调节方法加以弥补和改善，以保证高亮度区的亮度牺牲较小，低亮度区的相邻灰阶间隔充分拉开。图6是在非线性视觉校正卡上使用的S曲线J曲线校正。

非线性视觉校正卡采用3片超大规模可编程逻辑芯片M4-128N（CPLD），针对R、G、B三基色的256级灰度数据信息，对每种颜色均具有4档校正深度，S曲线J曲线校正用硬件拔码开关切换，迅速而方便，显示效果直观。经实际运用后，LED图像显示质量有明显提高。虽然一定程度上牺牲了亮度和灰度等级，但是在256级灰度的情况下，进行数据修正可确保有满意的图像质量。

2.3 LED视频控制器

LED视频控制器采用分单元扫描控制的方法，通过数据重组，增加数据处理和数据传输的通道，降低数据的传输速度，从而成功地解决了高频数字信号的长距离传输这一“瓶颈”问题。

2.3.1 分单元控制原理

LED视频控制器一般以16行扫描线作为一个显示控制单元区，将LED显示屏划分为若干单元区。来自视频卡的一组VGA数字信号经过数据重组和灰度变换，对应每个显示单元区，产生一组所需的串行显示数据和扫描控制时序，从而实现分单元扫描控制，如图7。

图7 LED视频控制器分单元控制原理框图

从视频卡上取得的数字视频信号按照LED显示屏的分区结构写入各单元区的SRAM（显示缓冲存储器）中，再由同步控制电路将各单元区的SRAM内容同时读出。各单元区的SRAM在逻辑上是连续的，但在物理上是分离的，并且该SRAM必须设计为一个双端口SRAM，一方面数字视频信号可以根据行、场同步信号将相应单元区域的内容写入，另一方面LED视频控制器的同步控制电路产生的地址及读控制信号又能将各SRAM中的内容同时读出，经灰度变换后送至数据传输接口。

2.3.2 分时显示灰度变换

由于人的视觉特征，人眼对某亮点的感觉不仅与该点的亮度有关，还与该点被点亮的时间长短有关，因此发光管的亮度还可以通过控制二极管点亮的时间（占空比）来实现灰度层次。

为了让LED显示出256级灰度层次，可将显示时间均分成256等份。对应于不同的数据，点亮的时间不同，高电平时对应的点亮时间长，平均亮度自然要大。由于人眼对亮度的感觉在一定程度下是一个积分效果，所以考虑到视觉因素的影响，数据为11111111时亮度并不是数据为00000001时的255倍，但可以肯定的是LED导通时间更长一些，发出的光平均强度一定更大些，而且将一段时间等分在电路中便于实现。

这里以VGA的800×600（24 bit真彩色）标准显示模式为例，当扫描时钟频率选择12 MHz时，LED显示屏刷新频率可达78 Hz。由此看出，来自视频卡的一组VGA高频数字信号（40 MHz），经LED视频控制器进行数据重组（分单元控制，灰度变换）后，将成为若干组12 MHz数字信号，使用常规的差分驱动电路和三类双绞线，即可轻松传输至100 m以外的LED显示屏。如果选择高性能的差分驱动电路和五类双绞线，传输距离可达数百米。

3 LED视频显示系统控制软件功能

LED视频显示系统控制软件主要功能有：

（1）多媒体集成环境；（2）多任务区域实时播放；（3）任务区域位置灵活设定、修改；（4）图文、动画与视频叠加播放；（5）文本播放叠加背景图片；（6）任务播放支持背景音乐；（7）超文本编辑器；（8）文本图片浏览器；（9）支持3DS和AVI动画；（10）定时播放和自动播放；（11）色度、饱和度、亮度和对比度软件调节；（12）γ校正软件调节。

4 结束语

LED视频显示系统控制组件采用超大规模可编程逻辑器件（FPGA），体积小巧，结构严密，性能稳定。控制软件采用全新的多任务窗口设计和多媒体集成环境，集信息的编辑制作和播放于一体，维护便捷，在铁路旅客引导系统中得到了广泛应用。LED视频显示系统与旅客电子引导系统应用软件的配套，保证了LED显示屏的卓越性能，对于促进铁路服务行业的硬件设施水平进一步提高有着重要的意义。

[1] 铁道部. 铁路客运专线客运服务系统总体技术方案[S] . 北京：中国铁道出版社，2009.

[2] 刘书明，刘斌. 高性能模数与数模转换器件[M] . 西安：电子科技大学出版社，2000.

[3] 诸昌衿. LED显示屏系统原理及工程技术[M] . 西安：西安电子科技大学出版社，2000.

[4] 赵才荣，刘金娥，丁铁夫. 基于LED图文屏的多灰度图像实现方法[J] . 液晶与显示，2006（1）.

[5] 葛集彪. LED视频显示屏实时处理与驱动技术[D] . 南京：南京理工大学，2003.

[6] 马建国，孟宪元. 电子设计自动化技术基础[M] . 北京：清华大学出版社，2003：128-177，201-224.