基于OLED微显示器的原子扫描控制器设计

张春燕，陈文栋，季 渊*，赵浩然，冉 峰,， 闫 科

(1. 上海大学 微电子研究与开发中心，上海 200444；2. 上海大学 机电工程与自动化学院，上海 200444)

1 引 言

微显示器具有极小物理尺寸和极低功耗的特点，可以通过光学系统呈现大屏幕高质量图像的显示效果，主要应用在投影机和近眼显示领域[1-2]。例如，航空航天显示器、飞行员头盔系统、夜视仪、可穿戴医疗和头戴式虚拟现实、增强现实(Augmented Reality，AR)模拟器等[3-5]。近年来虚拟现实的持续升温推动微显示器向高分辨率、高清晰度、高灰度级和高集成度方向发展，借助于成熟的CMOS工艺技术，硅基微显示器可以在单位面积中集成更多的显示单元，获得更高的像素密度和系统集成度，可提高佩戴舒适感，减少纱窗效应，提升用户的沉浸感[6-7]。但是随着分辨率的提高，图像数据量大幅增加，微显示器的极小尺寸限制了数据带宽的增大，所以迫切需要一种方法来提高数据的传输效率，许多研究者将目光转向图像信息向显示芯片成像扫描的这个过程。

传统的扫描成像采用模拟驱动的方法，通过控制电压大小来调节像素的灰度，难以达到高精度的灰度值。数字驱动方式采用脉冲宽度调制(PWM)方法，通过改变像素的亮暗时间占空比来产生不同的灰度，稳定性高，切换速度快，噪声低，图像色彩丰富，得到了广泛的应用[8]。其中直接扫描法[9]根据每一个像素的灰度值扫描相应的时间，要求非常高的数据传输速率，适用于低灰度级的扫描。子场扫描法[10]采用将一帧的数据分成若干部分的方法，每个部分的点亮时间对应不同的权值，通过权值组合来产生不同的灰度，提高了刷新率和线性度，但是降低了显示器的发光亮度。分形扫描[11]采用分子空间的扫描方法，将整个显示区域分成若干空间，不同时间扫描不同的子空间，减少了亮度损失，提高了传输效率，但是降低了像素数据和灰度值之间的线性度，导致图像轮廓线现象明显。针对分形扫描的缺点，本小组提出了原子扫描策略[12]。

原子扫描通过搜索传输效率为100%的扫描矩阵，建立了扫描时空图模型，采用分子空间按位的扫描方法，有效解决了以上存在的问题。本文首先给出了原子扫描的核心算法，然后在扫描模型的基础上设计了原子扫描控制器，接着通过硅基OLED微显示器对所设计的控制器进行了验证，最后对比了实验结果与前人的研究成果，证明了原子扫描控制器适用于高分辨率、高灰度级微显示器。

2 原子扫描算法

原子扫描算法是在分形扫描的基础上提出的，能够同时实现高传输效率和高线性度。扫描时采用分子空间按位的扫描方法，将整个显示区域划分成一定数量的子空间，若表示一个像素点灰度的数据位宽为n，则可以划分的最大子空间数为2n/n。每个子空间有连续若干行像素数据，且扫描权值位顺序不同，权值的大小对应像素点保持亮灭状态的相对时间长度。在不同的时间扫描不同的子空间或同一个子空间的不同位，使数据在传输过程中没有时间冗余。

图1 (a)可4倍原子扫描矩阵；(b)扫描时空图。Fig.1 (a)4 times atomic scan matrix; (b) Time and space map.

以16级灰度为例，子空间数为4，扫描权值序列为bit3∶bit2∶bit1∶bit0=9∶4∶2∶1，扫描矩阵为Q4,如图1(a)所示，4行代表划分的4个子空间，每行的权值位顺序不同，4列代表权值位数为4。根据扫描阵列可以画出扫描时空图，如图1(b)所示，横坐标代表扫描时间，时间单位为扫描一个子空间的一个bit位所需时间T，纵坐标代表子空间，红色线称为扫描线。在0时刻传输子空间0所有像素的bit3数据，对应的权值为9，在1时刻传输子空间1的bit2数据，对应权值为4，在2和3时刻分别传输子空间2的bit3数据和子空间3的bit0数据，对应的权值分别为9和1，可以看到每一时刻数据都在传输，不存在传输等待时间，传输效率可达100%。

原子扫描的核心是通过伪穷举法搜索传输效率为100%的低灰度权值阵列Qm，然后将其作为一个抽象的原子植入另一个较高灰度的权值阵列中Q{m,n}，最后扩展为一个更高灰度等级的扫描矩阵Q，其中Qm称为可m倍原子扫描矩阵，Q{m,n}称为可m倍植入扫描矩阵，植入过程遵循可植入原则和线性序列最优化原则，植入公式为：

(1)

图2 可4倍植入扫描矩阵Fig.2 4 times implantable scan matrix

以256级扫描矩阵为例，其可4倍原子扫描矩阵为Q4，可4倍植入矩阵为Q{4-5}，如图2所示，用可4倍原子扫描矩阵Q4代替可4倍植入扫描矩阵Q{4-5}中连续的4个1，再将其余权值扩大为原来的4倍就可得到256级灰度的扫描矩阵Q，图3为Q的转置矩阵QT。

3 原子扫描控制器设计

针对原子扫描算法，本文提出原子扫描控制器的设计，其结构如图4所示，主要包含数据处理、帧缓冲和扫描控制3大部分。数据处理模块负责对接收的像素数据进行重新排列，并将重新排列后的数据预存放在内部存储器中。帧缓冲模块的功能是缓冲一帧的数据于外部存储器中，同时根据扫描矩阵建立存贮查找表(Look Up Table，LUT)，输出子空间码和位码，控制外部存储器中数据的输出。帧缓存模块与扫描控制模块处于两个不同的时钟域，可通过异步FIFO同步数据信号，扫描控制模块是原子扫描控制器的核心模块，扫描LUT输出子空间码用于计算微显示器的行地址，时序控制部分输出微显示器的控制信号和2选1数据选择器的选择信号，控制像素数据和行数据的输出。

图3 256级灰度扫描矩阵Fig.3 256-level gray scan matrix

图4 原子扫描控制器框图Fig.4 Atomic scan controller block diagram

3.1 数据的处理和存储映射

视频源图像数据是由左及右，由上到下逐个像素输入的，传统的扫描方法也遵循“从上到下”、“从左至右”的逐行扫描方式。原子扫描采用分子空间按位的扫描方法，扫描时可以任意切换子空间。为了方便数据的读取，数据需要进行重新排列，将相同Bit位的数据组合在一起形成与权值位数相同的n个位平面(对应n位权值的灰度级图像数据)，在传输时分n个通道分别传输各Bit的像素数据。重新排列后的像素数据按照Bit位的顺序缓冲在存储器中，如图5所示。考虑到输入图像的时钟频率与扫描输出图像的时钟频率存在差异，本文采用两块片内RAM乒乓操作缓冲像素数据，但是由于超高清、超高分辨率图像数据流巨大，RAM资源极为有限，为了完整地缓冲一帧图像数据，需采用两块片外SDRAM乒乓操作读写图像数据。RAM和SDRAM各分n个位平面存储区域，当RAM中n个位平面存储区域都存够一个突发长度的数据后，SDRAM读取RAM中的数据，写入对应的n个位存储区域。SDRAM的每个位存储区域缓冲相应子空间数的像素数据，通过存贮LUT输出的子空间码和位码可以寻址SDRAM，输出像素数据。

3.2 扫描控制设计

原子扫描控制电路主要包含子空间状态机模块、像素数据输出模块和扫描时序控制模块。图6为扫描控制器框图，为了使数据在传输过程中没有时间冗余，子空间状态机模块根据扫描时空图建立了扫描LUT，存放子空间码。时序控制模块中的扫描使能部分根据异步FIFO标志产生扫描控制器的工作使能信号，该信号为高电平时行时间计数器开始计数，并输出计数值给微显示器控制信号和子空间行计数这两个模块，微显示器控制信号模块输出微显示器的控制信号，子空间行计数模块输出某一个子空间的确定行，当计数到该子空间的最后一行时，输出计数标志2给LUT控制器，LUT地址指针加1，输出下一个子空间码。每一个子空间码对应微显示器的一个地址，称该地址为子空间的基地址，基地址与子空间行地址的和即为将要扫描的微显示器行地址。微显示器控制信号输出EDFF信号给数据选择器，当EDFF为高电平时输出像素数据，为低电平时输出行数据。

图5 数据处理与存储映射Fig.5 Data process and storage map

图6 扫描控制模块框图Fig.6 Scan control module block diagram

4 硬件系统验证

本节通过硅基OLED微显示器测试平台验证了原子扫描控制器的可行性，所选微显示器的分辨率为1.6 k×3×1.6 k，灰度级为256级，扫描权值序列比为128∶64∶32∶16∶9∶4∶2∶1，划分子空间数为32，数据传输位宽为64，当刷新率为60 Hz时，所达到的帧频f为：

(2)

其中:Ncol、Nrow分别表示显示面板的列数和行数，TRS为行选时间，Dwidth代表数据传输位宽，B代表每一个单色像素的灰度值位宽，S为子空间数，F为刷新率。

图7 扫描系统框图Fig.7 Scan system block diagram

针对硅基OLED微显示器所设计的原子扫描控制器系统如图7所示，主要包括视频源输入、原子扫描控制器和硅基OLED微显示器3大部分，每个部分都处于不同的时钟域，每个时钟域的电路模块内部采用同步处理方式，不同时钟域之间采用异步FIFO将异步信号同步化。控制器系统同时驱动两片硅基OLED微显示器，通过例化两个控制器实现了3D显示效果。视频源数据为DVI(Digital Visual Interface)或者HDMI(High Definition Multimedia Interface)信号，原子扫描控制器对输入数据进行预处理，并向SDRAM和微显示器发出命令，控制SDRAM的乒乓读写和微显示器扫描操作。图8为所搭建的硬件实验测试平台及视频扫描成像结果，针对图像采用光谱彩色亮度计测量了0～255级灰度对应的硅基OLED微显示器屏幕亮度，结果如图9所示，线性度达到了93.8%。

图8 硬件实验测试结果Fig.8 Hardware experiment test result

图9 亮度与灰度等级关系图Fig.9 Brightness and grayscale diagram

表1列出了在显示分辨率为1 920×3×1 080，100 MHz像素时钟频率和64位数据宽度条件下不同扫描策略的比较结果，分别在传输效率、线性度和刷新率方面进行了比较。从表中可以看出，传统的子场扫描传输效率不高，虽然增加子场的数量能够提高传输效率，但是刷新率会明显降低，容易使用户在观看时产生眩晕感。分形扫描有效的提高了传输效率却降低了线性度，图像会产生轮廓线。原子扫描在保证传输效率的情况下，线性度相对分形扫描得到了提高，刷新率达到了128 Hz，验证了原子扫描的整体优势和所设计的原子扫描控制器的可行性。

表1 不同扫描策略的比较结果Tab.1 Comparison result of different scan strategies

5 结 论

原子扫描方法打破了传统的逐行逐列扫描方式，采用分子空间按位的扫描方法，为传统的视频扫描成像理论注入了新的思维模式。本文实现了在FPGA中嵌入Verilog硬件描述语言的原子扫描控制器，并通过了新型硅基OLED微显示器的验证，实现了3D显示效果，解决了数据传输带宽有限的问题，传输效率达到了100%，同时增强了图像质量，线性度达93.8%，提高了刷新率，适用于超高分辨率、高清晰度，海量数据的微显示器显示。由于文中只研究了256级灰度的显示效果，建议学者可以进一步研究更高灰度级的显示。