画中画技术在车载娱乐系统中的应用

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随着汽车产业的发展，汽车信息系统的复杂性和信息密度在日益上升，显示器不再仅仅是基本的集中仪表显示，而是要满足越来越详细和多样化的车内信息显示需求。汽车显示系统已经从传统的纯音频，如MP3、CD演变成了集成GPS导航、影音娱乐的综合显示系统。显示的内容通常包括：GPS地图信息、DVD播放、数字广播电视和倒车画面等。对于如此多的显示信息，通常需要配备多个显示器，或者用一个视频开关在不同信号间进行切换，这些方法无疑需要增加成本，增大操作的复杂性，并且在同一时段只能获得一种显示信息。

画中画（PIP，picture in picture）技术产生于20世纪80年代，主要应用于电视中，用户可同时观看多个节目。画中画的子画面位置可调、可以放大、缩小或者静止显示；主子画面的内容也可以交换，利用这些功能，人们在观看某一频道电视节目时，能在屏幕的一角监视其他频道节目或者室内外安全；并可利用子画面功能欣赏某些分解动作。

本文提出的利用画中画技术实现在特殊的车载环境中的多画面同时显示，可以较好的解决这些问题。
设计方案

本设计采用TECHWELL公司的TW8811，系统框图如图1所示。



图1 系统框图

对于车载娱乐系统的信号源，一般地，DVD播放器输出信号为CVbS或S-VIDEO,摄像头为CVbS或CCIR656，TV为CVbS，GPS为Digital RGb。多路复合信号经过滤波、A/D转换及解码后，进入主画面及子画面处理。通过视频开关适时控制主画面及子画面信号的切换，子画面经过一定比例抽样，存入存储器，再以一定速度读出，实现缩放显示。如同在主画面的某个位置开了一个窗口，将子画面嵌入窗口内。视频开关脉冲与主画面的行场同步信号有严格的对应关系。  

图2为主、子画面均为8阶灰阶图的画中画显示原理。在场扫描过程中，在第A～b行间建立场窗口；行扫描过程中，第C～D列间建立行窗口，并在此区间插入子画面信号。从图2中可看出，子画面的行场同步与主画面的行场同步时序一致，但信号数据只在C～D列间送入，并且是一个经过了压缩的完整灰阶波形。子画面的缩放大小由抽样频率及读写速度控制，抽样频率越低，读取速度如果也快，那么压缩比例越大。子画面的位置以主画面的行场同步为基准，由时序严格控制。当主画面开始扫描，经过ΔTV的时间扫到第A行，再经过ΔTH扫到第C列。



图2 画中画原理

此时，输出信号源切换为子画面信号，开始从存储器中读出子画面数据，作为TFT屏的显示数据。经过THW,读到第D列后，显示数据源重新切换到主画面。如此往复，直到第b行的第D列，子画面显示信号全部扫描完毕。插入窗口可以在主画面的任何位置，但一般都放于四个角上。

本方案有如下特点：采用TW8811控制器，解码包含3D梳妆滤波器，提高了动态显示效果。通过画中画技术，可控制多信号源同时显示，并可灵活调整主子画面的大小和位置，满足了人们对汽车中多样化显示信息的需求，增加了娱乐性。可支持到1280×1024的分辨率；屏的接口支持TTL接口、TCONLESS接口、LVDS接口和模拟屏接口，足以满足目前车载娱乐系统的要求。屏的Gamma电压可编程控制，取代传统的电阻网络串，更精确方便。
硬件电路设计

1 DC/DC、Gamma缓冲   
  
通常，汽车环境中的电压在6～36V范围内，本系统需要的电压有：+5V、+3.3V、+1.8V、+8.4V及LCD bIAS。 先用DC/DC bUCK电路将输入稳定到+5V。可选用TI的TFT专用电源IC TPS65140主输出驱动LCD，同时利用电荷泵产生TFT屏所需的VGH、VGL、VCOM、Gamma等电平。值得一提的是，TPS65140的电源上电顺序与TFT所需时序严格一致，即先上主电源，然后是VGL，最后是VGH。该IC还具备欠压保护、断路保护、错误侦测等功能。主电源电路如图3所示。



图3 主电源电路

为了降低输出电压纹波，选取22μF、低ESR的陶瓷电容。

本设计可采用TI的bUF68120作为屏的Gamma缓冲。该器件可通过内部寄存器设置14路Gamma及Vcom值，并可在线实时修改。

2 图像处理电路   

图像处理是本系统的核心。TW8811可支持的信号源有CVbS、S-VIDEO、YCbCR、24位Digital RGb和Analog RGb。

经A/D转换后，通过3D comb filter对复合信号分离成Y、C分量，C包含U、V成分，两者相位相差90°，再经过色度解调，最终将复合信号解码为4:2:2的YUV信号。而对于数字RGb信号，直接通过色度空间转换为YUV信号，进入PIP处理单元。当PIP功能开启后，对子画面YUV信号流以一定频率取样，存入外部存储器，再通过寄存器控制重新读入数据。内部时序严格控制取样及读取的频率和时间点。最终处理后的数据和时序一起输出驱动TFT屏显示。TW8811内部框图如图4所示。



图4 TW8811内部框图

为了保证有较好的显示效果，需要对信号输入端作滤波处理，如图5所示。在输入端加一个Π型滤波网络，衰减3db的截止频率为10MHz，而CVbS信号的频率带宽为0～6MHz，该滤波网络可以有效的滤除高频杂波。



图5 CVbS输入端滤波电路

3 MCU及SDRAM控制电路   

MCU是本系统的控制中心，主要用于初始化TW8811、侦测红外中断或按键扫描，并执行相应操作。SDRAM主要用于PIP数据的缓存和OSD画面的存储等。
软件设计

软件也是系统的核心，软件程序流程如图6所示。主程序主要完成MCU的初始化设置，并通过I2C口对TW8811的寄存器进行初始化配置，实现正常显示。主程序如下：
void main(void){
InitCPU();  //mcu初始化
System_init();   // tw8811初始化
while(1) {     
main_loop();  //pip按键侦测循环
PowerOff();
WaitPowerOn();
}}



图6 程序流程图

在main_loop()中，MCU的中断口侦测到PIP功能开启指令后，通过更改TW8811寄存器选择输入子画面的信号通道。并开启子画面窗口，即选择子画面数据为输出显示数据源。

以子画面水平和垂直均压缩1/2为例，设置子画面大小的过程为：以原频率的1/2的速度对4:2:2的子画面YUV数据进行隔行取样，缓存入外部SDRAM。在行场同步时序的控制下，再以原频率从SDRAM中读出，作为显示数据。

设置子画面位置的过程为：通过寄存器设置子画面在主画面中的行起始、行结束、场起始、场结束的值。并可通过修改这四个参数来调整子画面的位置。
                          
实验结果

根据车载娱乐系统的发展趋势，针对其多信号源的特点，设计了一种利用PIP功能实现多画面同时显示的方案。图7、图8为本方案的显示效果，屏的分辨率为800×480，接口为18位Digital RGb。实验结果表明，用户能够方便的控制两种信号的画中画显示，同时还可实现POP（Picture on picture）的显示。通过osd菜单可调整子画面的位置及大小，并可将主画面及子画面互换，达到良好的显示效果，非常适用于车载娱乐系统。



图7 POP显示效果



图8 PIP显示效果