LCD图像显示基础知识

                                              RGB三色原理

       通过棱镜的试验可以发现，白光通过棱镜后被分解成多种颜色逐渐过渡的色谱，依次为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫，即可见光谱。人眼对红、绿、蓝最为敏感，人眼像一个三色接收器的体系，大多数的颜色可以通过红、绿、蓝三色按照不同的比例合成产生。同样绝大多数单色光也可以分解成红绿蓝三种色光。这是色度学的最基本原理，即三基色原理

红绿蓝三基色按照不同的比例相加合成混色称为相加混色:
　　红色+绿色=黄色
　　绿色+蓝色=青色
　　红色+蓝色=品红
　　红色+绿色+蓝色=白色
　　黄色、青色、品红都是由两种及色相混合而成，所以它们又称相加二次色。另外：
　　红色+青色=白色
　　绿色+品红=白色
　　蓝色+黄色=白色

　　所以青色、黄色、品红分别又是红色、蓝色、绿色的补色。由于每个人的眼睛对于相同的单色的感受有不同，所以，如果我们用相同强度的三基色混合时，假设得到白光的强度为100%，这时候人的主观感受是，绿光最亮，红光次之，蓝光最弱。

　　除了相加混色法之外还有相减混色法。在白光照射下，青色颜料能吸收红色而反射青色，黄色颜料吸收蓝色而反射黄色，品红颜料吸收绿色而反射品红。也就是：

　　白色-红色=青色
　　白色-绿色=品红
　　白色-蓝色=黄色

　　用以上的相加混色三基色所表示的颜色模式称为RGB模式,而用相减混色三基色原理所表示的颜色模式称为CMYK模式。

                                         LCD的一些常见名词

(1) 无源阵列显示屏(STN)和有源阵列显示屏(TFT)的显示:

       TFT每一个像素都配备了一颗单独的晶体管来作为控制源,可以保证每一个像素在完成后保持不变，直到下一帧到来

       STN是无控制源的显示屏,没有对单独的像素进行实时控制。(具体的分析可见第三部分)

(2) 调色板

常见的颜色有 8位 16位 24位 32位色，其中24位及以上称为真彩。显然位数越多，由RGB三色组成的颜色种类越多。

8位色(256色模式)： B: 2 bits; G: 3 bits; R: 3 bits

16位色(High color)：  B: 5 bits, G: 6 bits, R: 5 bits

24位色(True color)：  一般24bit就是8bit/通道，真彩色。

32位色中的24位用来保存颜色信息(R8G8B8)，另外的8位用来保存ALPHA信息，ALPHA属性就是透明度。(透明度实现的是3D效果,增加图像层次感效果)

(3)  控制时钟

像素时钟（Pixel Clock）

一个时钟周期刷新屏幕上几个像素点，频率越高，行分辨率越高

行时钟（Line Clock）

           表示屏幕上一行像素刷新完毕的时钟信号

(4) LCD控制器拥有以下几点特性

        支持单向刷新或双向刷新；

        支持外部RAM调色板，256入口16位宽数据（能够在每帧开始时自动加载）；

        具有双DMA通道（一个通道用来传输色彩描述板和单向刷新的数据，另一个通道用来在双向刷新模式中传输下半屏幕刷新的数据）

(5) RGB分析——实例分析

R138 ，G125， B27这是什么颜色？解析过程如下：

1、  分解数据（横向分解）

  示例颜色，最终分解情况如下：

       B27 = B27

       G125=  G27 + G98

       R138=  R27+ R98 + R13 

其中：

（1）R27+B27+G27得到27个量的灰度，这个灰度是评价色彩饱和度指标，值越小，色彩饱和度越高，当值为0时，该色彩饱和度为100%；(所谓的饱和度，指的其实是色彩的纯度，纯度越高，表现越鲜明，纯度较低，表现则较黯淡)，本示例只有27量的灰度，表示饱和度比较高；

（2）R98+G98= 98的黄色，这个量的值是评价色相的指标；表示最终色彩偏色的方向，这个颜色偏黄。

（3）R13，这个量的值也是评价色相的指标，表示这个颜色的主题色的方向，值越大，表示越接近三原色；表示颜色为红色，但由于量太少，远远小于98量的黄色，因此主要表现为黄色，

（4）R138，三原色中的最大值，是评价色彩明暗度的指标，最大值最接近255，表示色彩越亮，最大值最接近0，表示色彩越暗。R138，视觉上稍暗。

                                     LCD工作原理

         液晶显示器(Liquid Crystal Display,简称 LCD)就是使用了“液晶”(Liquid Crystal)作为材料的显示器。液晶是一种介于固态和液态之间的物质,当被加热时,它会呈现透明的液态,而冷却的时候又会结晶成混乱的固态,液晶是具有规则性分子排列的有机化合物。而且，当向液晶通电时,液晶体分子排列得井然有序,可以使光线容易通过;而不通电时,液晶分子排列混乱, 阻止光线通过。通电与不通电就可以让液晶像闸门般地阻隔或让光线穿过。这种可以控制光线的两种状态是液晶显示器形成图像的前提条件。

         TN(扭曲向列型)单色液晶显示器的液晶面板由两片特殊玻璃中间夹着一层液晶组成,结构就好像一块“三明治”。液晶并不是简单地灌入其中,而是灌入两个内部有沟槽的夹层,这两个有沟槽的夹层主要是让液晶分子可以整齐地排列好。为了达到整齐排列的效 果,这些槽制作得非常精细,液晶分子会顺着槽排列,槽非常平行,所以各分子也是完全平行的。 两个夹层我们通常称为上下夹层,上下夹层中都是排列整齐的液晶分子,上下沟槽呈十字交错(垂直 90 度),即上层的液晶分子的排列是横向的,下层的液晶分子排列是纵向的,这样就造成了位于上下夹层之间的液晶分子接近上层的就呈横向排列,接近下层的则呈纵 向排列。

         夹层中还有一个关键的设备,叫做极化滤光片,这两块滤光片的排列和透光角度与上下夹层的沟槽排列相同,假设在正常情况下光线从上向下照射时,通只有一个角度的光线能够穿透下来,通过上滤光片导入上部夹层的沟槽中,再通过液晶分子扭转排列的通路从下滤光片穿出,形成一个完整的光线穿透途径。而一旦通过电极给这些液晶分子加电之后,由于受到外界电压的影响 液晶分子不再按照正常的方式排列，样光线就无法通过,结果在显示屏上出现黑色。这样会形成透光时(即不加电时)为白、不透光时(加电时)为黑,字符就可以显示在屏幕上了,这便是最简单的显示原理。

液晶显示器是如何工作的
1. 普通液晶显示器工作原理
        因为液晶材料本身并不发光,所以在显示屏两边都设有作为光源的灯管,同时在液晶显示屏背面有一块背光板和反光膜,其作用主要是提供均匀的背景光源。在这里,背光板发出的光线在穿过滤光片后进入液晶层,液晶层中的水晶液滴都被包含在细小的单元格结构中,一个或多个单元格构成屏幕上的一个像素,而这些像素可以是亮的,也可以是不亮的,大量排列整齐的像素中亮与不亮便形成了单色的图像。
      那怎样可以控制好这大量像素中的点是亮还是不亮呢?这主要是由控制电路来控制,在玻璃板与液晶材料之间是透明的电极,电极分为行和列,在行与列的交叉点上,通过改变电压而改变液晶体的是否通光状态。在液晶材料周边还有控制电路部分和驱动电路部分,这样就可以用信号来控制单色图像的生成了。
2. TFT液晶显示器原理
       新型的 TFT 液晶显示器的工作原理也是建立在 TN 液晶显示器原理的基础上的。两者的结构亦基本上相同,同样采用两夹层间填充液晶分子的设计,只不过把 TN 上部夹层的电极改为 FET 晶体管,而下层改为共同电极。在光源设计上,TFT 的显示采用“背透式”照射方式，在液晶的背部设置类似日光灯的光管(LED灯)。光源照射时先通过下偏光板向上透出。在 FET 电极导通时,液晶分子的表现如TN 液晶的排列状态一样会发生改变,也通过遮光和透光来达到显示的目的。

       不同的是,由于 FET 晶体管具有电容效应,能够保持电位状态,先前透光的液晶分子会一直保持这种状态,直到 FET 电极下一次再加电改变其排列方式。相对而言,TN 就没有这个特性,液晶分子一旦没有施压,立刻就返回原始状态,这是 TFT 液晶和 TN 液晶显示的最大不同之处,也是 TFT 液晶的优越之处。

       当然，因为FET 晶体管保持电位状态，在耗电上会超出TN液晶很多

 

彩色液晶显示器如何形成颜色

        通常,在彩色 LCD 面板中,每一个像素都是由三个液晶单元格RGB构成的,其中每一个单元格前面都分别有红色、绿色或蓝色的过滤片。利用三原色的RGB原理组合出不同的色彩。   

        液晶驱动方式包括静态驱动、动态驱动等驱动方式。
(1)静态驱动
      所有的段都有独立的驱动电路,表示段电极与公共电极之间连续施加电压。它适合于简单控制的 LCD。
(2)多路驱动方式
      构成矩阵电极,公共端数为 n,按照 1/n 的时序分别依次驱动公共端,与该驱动时序相对应,对所有的段信号电极作选择驱动。这种方式适合于比较复杂控制的 LCD。在多路驱动方式中,像素可分为选择点、半选择点和非选择点。为了提高显示的对比度和降低串扰,应合理选择占空比(duty)和偏压(bias)。
      对于多灰度和彩色显示的控制方法,通常采用帧频控制(FRC)和脉宽调制(PWM)方法。帧频控制是通过减少帧输出次数,控制输出信号的有效值,来实现多灰度和彩色控制。而脉宽调制(PWM)是通过改变段输出信号脉宽,控制输出信号的有效值,来实现多灰度和彩色控制。

      灰度(彩色)的实现有两种方式,即 PWM(脉宽调制)和 FRC(帧率控制)。PWM 是在一次扫描时间内分成若干个时间片,如 16 级灰度,就分成 16 个时间片,如果显示 5/16 灰度,那么只有 5/16 的时间内是有驱动电压的(对同一个点而言),最后的等效电压就只有全黑的 5/16 了;FRC 跟 PWM 类似,只是每个时间片变成了一帧,如显示 16级灰度,那么就要用 16 帧,显示 5/16 的灰度,在 16 帧里只有 5 帧有驱动电压(对同一个点而言),最后的等效电压就只有全黑的 5/16 了。如图所示：

       对于脉宽调制(PWM)来说，T代表一个像素周期的时间，t1为高电平时间，占空比为t1/T。对于帧频控制(FRC)来说，T代表一帧图像传输的时间，t1为有效帧数据传输时间。t1的高度即为LCD驱动电压的大小。16级灰度即把T分为16份，t1为5份。无论是PWM(脉宽调制)还是 FRC(帧率控制)，只要T被分成的份数越多，那么灰度的分级越多，色彩显示的效果种类越丰富。

      显然，对于PWM(脉宽调制)，在像素频率不变的情况下，灰度越高，要求时钟频率越高，频率越高,IC 的结构越复杂,而稳定性越差;而对于FRC(帧率控制)来说，灰度越高，一个周期需要的帧数越多，耗时越多，帧图像之间容易出现闪屏。一般对于 4 级以上的灰度,采用 PWM+FRC 结合的方式。

      使用数学方法也可以实现用低灰度输出的电路来实现高灰度等级的输出，如原本只能输出16级灰度,通过某些数学运算之后,可以实现 64 级灰度,这个方法就是“抖动”(dithering)。

       抖动——有时候我们远看某个物体,看见的是一种颜色,而走近一看,才发现是有多种颜色交错的,这说明,人视觉看的某点的颜色,会受旁边点的颜色的影响。抖动正是利用了这个效应。
      

       灰色代表当前的像素点，它的四周的8个点对它的影响通过数学运算获得，如此可以实现多重灰度,但是由于周围的点要做运算,要添加额外的运算电路,另外,经过运算之后,由于相邻的点相互左右,相当于部分的降低了分辨率,因而实际的应用系统中,一般都是 2-bit 即 4 个点的抖动。所以单独的控制器,一般 64 级灰度是由 16 级 FRC 加 4 个点的抖动。同样是抖动,有静态抖动和动态抖动之分。所谓静态抖动,实际上就是跟周围的点采用固定的运算。而动态抖动,是每一帧中,对相同的灰度,对周围的点采用不同的运算方法, 。