畫中畫技術在車載娛樂系統中的應用

　　隨著汽車產業的發展，汽車信息系統的復雜性和信息密度在日益上升，顯示器不再僅僅是基本的集中儀表顯示，而是要滿足越來越詳細和多樣化的車內信息顯示需求。汽車顯示系統已經從傳統的純音頻，如MP3、CD演變成了集成GPS導航、影音娛樂的綜合顯示系統。顯示的內容通常包括：GPS地圖信息、DVD播放、數字廣播電視和倒車畫面等。對于如此多的顯示信息，通常需要配備多個顯示器，或者用一個視頻開關在不同信號間進行切換，這些方法無疑需要增加成本，增大操作的復雜性，并且在同一時段只能獲得一種顯示信息。

　　畫中畫（PIP，picture in picture）技術產生于20世紀80年代，主要應用于電視中，用戶可同時觀看多個節目。畫中畫的子畫面位置可調、可以放大、縮小或者靜止顯示；主子畫面的內容也可以交換，利用這些功能，人們在觀看某一頻道電視節目時，能在屏幕的一角監視其他頻道節目或者室內外安全；并可利用子畫面功能欣賞某些分解動作。

　　本文提出的利用畫中畫技術實現在特殊的車載環境中的多畫面同時顯示，可以較好的解決這些問題。

　　設計方案

　　本設計采用TECHWELL公司的TW8811，系統框圖如圖1所示。

圖1 系統框圖

　　對于車載娛樂系統的信號源，一般地，DVD播放器輸出信號為CVBS或S-VIDEO,攝像頭為CVBS或CCIR656， TV為CVBS，GPS為Digital RGB。多路復合信號經過濾波、A/D轉換及解碼后，進入主畫面及子畫面處理。通過視頻開關適時控制主畫面及子畫面信號的切換，子畫面經過一定比例抽樣，存入存儲器，再以一定速度讀出，實現縮放顯示。如同在主畫面的某個位置開了一個窗口，將子畫面嵌入窗口內。視頻開關脈沖與主畫面的行場同步信號有嚴格的對應關系。

　　圖2為主、子畫面均為8階灰階圖的畫中畫顯示原理。在場掃描過程中，在第A～B行間建立場窗口；行掃描過程中，第C～D列間建立行窗口，并在此區間插入子畫面信號。從圖2中可看出，子畫面的行場同步與主畫面的行場同步時序一致，但信號數據只在C～D列間送入，并且是一個經過了壓縮的完整灰階波形。子畫面的縮放大小由抽樣頻率及讀寫速度控制，抽樣頻率越低，讀取速度如果也快，那么壓縮比例越大。子畫面的位置以主畫面的行場同步為基準，由時序嚴格控制。當主畫面開始掃描，經過ΔTV的時間掃到第A行，再經過ΔTH掃到第C列。

圖2 畫中畫原理

　　此時，輸出信號源切換為子畫面信號，開始從存儲器中讀出子畫面數據，作為TFT屏的顯示數據。經過THW,讀到第D列后，顯示數據源重新切換到主畫面。如此往復，直到第B行的第D列，子畫面顯示信號全部掃描完畢。插入窗口可以在主畫面的任何位置，但一般都放于四個角上。

　　本方案有如下特點：采用TW8811控制器，解碼包含3D梳妝濾波器，提高了動態顯示效果。通過畫中畫技術，可控制多信號源同時顯示，并可靈活調整主子畫面的大小和位置，滿足了人們對汽車中多樣化顯示信息的需求，增加了娛樂性。可支持到1280×1024的分辨率；屏的接口支持 TTL接口、TCONLESS接口、LVDS接口和模擬屏接口，足以滿足目前車載娛樂系統的要求。屏的Gamma電壓可編程控制，取代傳統的電阻網絡串，更精確方便。

　　硬件電路設計

　　1 DC/DC、Gamma緩沖

　　通常，汽車環境中的電壓在6～36V范圍內，本系統需要的電壓有：+5V、+3.3V、+1.8V、+8.4V及LCD BIAS。 先用DC/DC BUCK電路將輸入穩定到+5V。可選用TI的TFT專用電源IC TPS65140主輸出驅動LCD，同時利用電荷泵產生TFT屏所需的VGH、VGL、VCOM、Gamma等電平。值得一提的是，TPS65140的電源上電順序與TFT所需時序嚴格一致，即先上主電源，然后是VGL，最后是VGH。該IC還具備欠壓保護、斷路保護、錯誤偵測等功能。主電源電路如圖3所示。

圖3 主電源電路

　　為了降低輸出電壓紋波，選取22μF、低ESR的陶瓷電容。

　　本設計可采用TI的BUF68120作為屏的Gamma緩沖。該器件可通過內部寄存器設置14路Gamma及Vcom值，并可在線實時修改。

　　2 圖像處理電路

　　圖像處理是本系統的核心。TW8811可支持的信號源有CVBS、S-VIDEO、YCBCR、24位Digital RGB和Analog RGB。

　　經A/D轉換后，通過3D comb filter對復合信號分離成Y、C分量，C包含U、V成分，兩者相位相差90°，再經過色度解調，最終將復合信號解碼為4:2:2的YUV信號。而對于數字RGB信號，直接通過色度空間轉換為YUV信號，進入PIP處理單元。當PIP功能開啟后，對子畫面YUV信號流以一定頻率取樣，存入外部存儲 器，再通過寄存器控制重新讀入數據。內部時序嚴格控制取樣及讀取的頻率和時間點。最終處理后的數據和時序一起輸出驅動TFT屏顯示。TW8811內部框圖如圖4 所示。

圖4 TW8811內部框圖

　　為了保證有較好的顯示效果，需要對信號輸入端作濾波處理，如圖5所示。在輸入端加一個Π型濾波網絡，衰減3dB的截止頻率為10MHz，而CVBS信號的頻率帶寬為0～6MHz，該濾波網絡可以有效的濾除高頻雜波。

圖5 CVBS輸入端濾波電路

　　3 MCU及SDRAM控制電路

　　MCU是本系統的控制中心，主要用于初始化TW8811、偵測紅外中斷或按鍵掃描，并執行相應操作。SDRAM主要用于PIP數據的緩存和OSD畫面的存儲等。

　　軟件設計

　　軟件也是系統的核心，軟件程序流程如圖6所示。主程序主要完成MCU的初始化設置，并通過I2C口對TW8811的寄存器進行初始化配置，實現正常顯示。主程序如下：

　　void main(void){

　　InitCPU(); //mcu初始化

　　System_init(); // tw8811初始化

　　while(1) {

　　main_loop(); //pip按鍵偵測循環

　　PowerOff();

　　WaitPowerOn();

　　}}

圖6 程序流程圖

　　在main_loop()中，MCU的中斷口偵測到PIP功能開啟指令后，通過更改TW8811寄存器選擇輸入子畫面的信號通道。并開啟子畫面窗口，即選擇子畫面數據為輸出顯示數據源。

　　以子畫面水平和垂直均壓縮1/2為例，設置子畫面大小的過程為：以原頻率的1/2的速度對4:2:2的子畫面YUV數據進行隔行取樣，緩存入外部SDRAM。在行場同步時序的控制下，再以原頻率從SDRAM中讀出，作為顯示數據。

　　設置子畫面位置的過程為：通過寄存器設置子畫面在主畫面中的行起始、行結束、場起始、場結束的值。并可通過修改這四個參數來調整子畫面的位置。

　　實驗結果

　　根據車載娛樂系統的發展趨勢，針對其多信號源的特點，設計了一種利用PIP功能實現多畫面同時顯示的方案。圖7、圖8為本方案的顯示效果，屏的分辨率為800×480，接口為18位Digital RGB。實驗結果表明，用戶能夠方便的控制兩種信號的畫中畫顯示，同時還可實現POP（Picture on picture）的顯示。通過osd菜單可調整子畫面的位置及大小，并可將主畫面及子畫面互換，達到良好的顯示效果，非常適用于車載娛樂系統。