LCD调色板

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我是靠谱客的博主糟糕饼干，最近开发中收集的这篇文章主要介绍LCD调色板，觉得挺不错的，现在分享给大家，希望可以做个参考。

概述

对于一个显示设备，数据的更新率正比于画面的像素数和色彩深度的乘积。在嵌入式Linux系统中，受处理器资源配置和运算能力的制约，当使用大分辨率显示时(如在一些屏幕尺寸较大的终端上，往往需要640×480以上)，需要降低显示的色彩深度。否则，由于数据处理负担过重会造成画面的抖动和不连贯。这时，调色板技术将发挥重要作用。ARM9内核的S3C2410在国内的嵌入式领域有着广泛的应用，芯片中带有LCD控制器，可支持多种分辨率、多种颜色深度的LCD显示输出。在此，将S3C2410的调色板技术，以及嵌入式Linux系统下调色板显示的实现方法进行分析。

1 S3C2410调色板技术概述

1．1 调色板的概念

在计算机图像技术中，一个像素的颜色是由它的R，G，B分量表示的，每个分量又经过量化，一个像素总的量化级数就是这个显示系统的颜色深度。量化级数越高，可以表示的颜色也就越多，最终的图像也就越逼真。当量化级数达到16位以上时，被称为真彩色。但是，量化级数越高，就需要越高的数据宽度，给处理器带来的负担也就越重；量化级数在8位以下时，所能表达的颜色又太少，不能够满足用户特定的需求。
为了解决这个问题，可以采取调色板技术。 所谓调色板，就是在低颜色深度的模式下，在有限的像素值与RGB颜色之间建立对应关系的一个线性表。比如说，从所有的16位彩色中抽取一定数量的颜色，编制索引。当需要使用某种彩色时，不需要对这种颜色的RGB分量进行描述，只需要引用它的索引号，就可以使用户选取自己需要的颜色。索引号的编码长度远远小于RGB分量的编码长度，因此在彩色显示的同时，也大大减轻了系统的负担。

以256色调色板为例，调色板中存储256种颜色的RGB值，每种颜色的RGB值是16位。用这256种颜色编制索引时，从OOH～FFH只需要8位数据宽度，而每个索引所对应的颜色却是16位宽度的颜色信息。在一些对色彩种类要求不高的场合，如仪表终端、信息终端等，调色板技术便巧妙地解决了数据宽度与颜色深度之间的矛盾。

1．2 S3C2410中的调色板
ARM9核的S3C2410芯片可通过内置的LCD控制器来实现对LCD显示的控制。以TFT LCD为例，S3C2410芯片的LCD控制器可以对TFT LCD提供1位、2位、4位、8位调色板彩色显示和16位、24位真彩色显示，并支持多种不同的屏幕尺寸。

S3C2410的调色板其实是256个16位的存储单元，每个单元中存储有16位的颜色值。根据16位颜色数据中，RGB分量所占位数的不同，调色板还可以采取 5：6：5(R：G：B)和5：5：5：1(R：G：B：1)两种格式。当采用5：6：5(R：G：B)格式时，它的调色板如表1所示。

  表1中，第一列为颜色索引，中间三列是R，G，B三个颜色分量对应的数据位，分别是5位、6位和5位，最后一列是对应颜色条目的物理地址。当采用5：5：5：1(R：G：B：1)格式时，R，G，B三个颜色分量的数据位长度都是5位，最低位为1。
  用户编程时，应首先对调色板进行初始化处理(可由操作系统提供的驱动程序来完成)，赋予256色调色板相应的颜色值；在进行图像编程时，可以将图像对象赋予所需的颜色索引值。程序运行时，由芯片的LCD控制器查找调色板，按相应的值进行输出。S3C2410芯片图像数据输出端口VD[23：O]有24位，当使用不同的色彩深度时，这24位数据可以表示一个或多个点的颜色信息。
  1．3 调色板颜色的选择
  调色板中颜色的选择可以由用户任意定义，但为了编程方便，颜色的选取应遵循一定的规律。例如在Windows编程中，系统保留了20种颜色。另外，在Web编程中，也定义了216种Web安全色，这些颜色可以尽量保留。2S3C2410调色板在嵌入式Linux系统下的使用ARM实现图像显示时，由LCD控制器将存储系统中的视频缓冲内容以及各种控制信号传送到外部LCD驱动器，然后由LCD驱动器实现图像数据的显示。实际应用中，常通过驱动程序由操作系统对寄存器、调色板进行配置。以Linux 2．4内核为例，对调色板的配置是在驱动程序S3C2410fb．c中完成的。

在一些公司Linux源码包的S3C2410fb．c文件中，并没有对调色板进行配置，因此在8位以下的显示设置下。LCD不能正常工作。若需要使用调色板，必须对此文件进行修改。

2．1 驱动程序的修改

查S3C2410数据手册，调色板的物理起始地址为0x4d000400，应先将调色板的物理地址映射到内核中的虚拟地址，然后对其进行赋值。

具体步骤如下：

(1)在S3C2410．h文件中添加：

#define MYPAL(Nb)__REG(Ox4d000400+(Nb)*4)

其作用是实现物理地址到虚拟地址的映射。

(2)在S3C24lOfb．h文件，通过下列语句定义256种颜色。

static const u_short my_color[256]={0x0000，0x8000，…}：数组中的每个16位二进制数表示一种颜色，RGB分量采用的是5：6：5格式。

(3)在S3C2410fb．c文件的S3C2410fb-activate_var(…)函数中，通过下列语句对这256个调色板进行赋值。
(4)另外，注意改变LCD控制寄存器LCDCON1的BPPMODE值，设定为需要的颜色深度。

(5)重新编译内核，烧写内核。

2．2 应用程序的编写

当S3C2410用于嵌入式Linux操作系统时，其图形功能一般是依靠帧缓存(Frame buffer)实现的。屏幕上的每个点都被映射成一段线性内存空间，通过应用程序改变这段内存的值，就可以改变屏幕的颜色。当色深在16位以上时，用户直接指定颜色的RGB分量；当色深在8位以下时，用户应当指定颜色在调色板中的索引值。
当使用MiniGUI等嵌入式图形系统时，只需要将界面元素的颜色值设为所需颜色的索引值即可。例如： WinElementColors[i]=142；

就是将WinElementColors[i]的颜色设置为索引号为142的调色板颜色。

3 结语

在笔者开发的某型指挥车仿真终端中，其显示分辨率设置为640×480。如果色深设置为16 b／p，在系统使用时，画面将会出现明显的抖动、不连贯，这是由于芯片的运算负荷过重造成的。如果按本文中提到的方法对显示驱动加以修改，采用8位色深显示，颜色的选取可以满足需要，画面的显示将明显稳定。这说明，在显示分辨率较高，色彩种类要求比较简单的嵌入式应用中，调色板技术是一个非常值得重视的选择
44b0x的LCD控制器可以支持灰度屏，在datasheet里面提到灰度显示时会使用Time-based Dithering Algorithm（基于时间的抖动算法，用来减少画面闪烁）和FRC(Frame Rate Control)（帧比率控制，用来实现灰度显示）。 FRC(Frame Rate Control)

就是通过改变帧比例来实现灰度显示。例如，对于显示16级灰度中的3级灰度，就把显示的象素点在开始的3帧点亮，在接下来的13帧中熄灭。通过3/16的帧比率来实现灰度显示这只是举例，实际上在44b0的LCD控制器中3级灰度对应的帧比率是1/4，这些帧的显示控制全部由硬件根据灰度值查表完成，软件只需设置该点的灰度值（0～15）即可。还需要注意的是，16级灰度并不是按照1/16、2/16、3/16均匀分布的，而是有一个标准值。这个值在44b0中是固定了的。16级灰度，有8个抖动寄存器，这8个寄存器存放了从第7级灰度（DP1_2）到第14级灰度（DP6_7）这8级的抖动方式，把其中6个取反，就是第1级到第6级灰度的抖动方式，0级灰度和15级灰度不需抖动。

Time-based Dithering Algorithm

Pre-dithered Data (Gray Level Number)预抖动数据＝灰度值

DP1_2

DP4_7

DP3_5

。。。。。。。。
这些寄存器中存放的就是抖动的方式，44b0都有推荐值。比如DP1_2，设定为1010 0101 1010 0101 (0xA5A5)也就是第N帧显示1010，N+1帧显示0101，N+2帧显示1010，N+3帧显示0101，就实现了1/2抖动率。按照datasheet的说明分析，这应该是对大面积（至少4 pixel同一灰度）才能实现。为什么不用1111 0000 来实现呢？据说这样全部一起改变时闪烁感最明显。
因此通过Time-based Dithering Algorithm和FRC可以实现随机（我认为是伪随机，其实就是设定好的一串序列）改变一片同灰度区域内不同象素的亮灭，但是又能保证每个点在一定的周期内的抖动比率是相同的。这样既保证了灰度相同，又保证了相同灰度象素（相邻）不会同时熄灭，最大程度消除闪烁感。（个人认为这种算法对于图像边缘的闪烁可能无能为力，比如不足4个同灰度象素点的区域）
这个算法应该是专门研究图形学的人搞出来的，用于改善视觉效果。整个过程并不需要软件干预，完全是硬件自动判断完成的。从中体现出来的设计思想还是值得品味的。
分析完44b0灰度显示的机制，再看看256色显示。256色模式下，一个字节描述一个象素。

D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0

R R R G G G B B

RRR对应红色的LUT，查到一个4位的值，这个值对应于16级深浅（红）颜色中的某1级

由于一共只有3位，因此一共只能查找出这16级中的8级。
同理GGG一共可以查找到16级深浅（绿）颜色中的8级，BB一共可以查找到16级深浅（蓝）颜色中的4级。
由256色LCD的结构可知，每个象素点（pixel）对应有3个点（dot），这三个dot分别为红绿蓝，可以理解为彩色LCD每一行有3*Y_SIZE个dot，其中每3个dot一组，共同发光形成一个颜色象素（pixel）。256种颜色是如何得到的呢？LCD控制器根据RRRGGGBB查到的各自的颜色等级，分别对LCD上某一个pixel的R点以16级灰度显示的方式改变红光的强度（取8级中的1级），对G点以16级灰度显示的方式改变绿光的强度（8级中的1级），对于B点以16级灰度显示的方式改变蓝光的强度（4级中的1级），这样实现8*8*4＝256色的显示。也就是说，在彩色显示的过程中，同样使用了在灰度显示里提到的抖动算法和FRC。这也验证了原来调试LCD时显示一幅照片，仔细看屏幕会发现颜色都有快速细小的变化（由于抖动或者无法实现抖动），但是单独显示红、黄、蓝、白等颜色却没有闪烁现象的，这也证实了对于这些颜色，都不需要抖动，因为这几种颜色，对于RGB三原色单独来说，占空比都为1或者0。
这是44b0x的LCD控制器实现彩色显示的方式，这种LUT（颜色查找表，lookup table）方法也叫调色板。但是这里44B0X硬件寄存器实现的LUT与ucgui里提到的调色板并非同一概念，后面我会陆续写一些文章来介绍ucgui使用的调色板和颜色转换表。