S3C44B0X内置LCD控制器灰度显示和256色彩色显示机理分析

眼看3月份就要结束了，这个月埋头于UCGUI的移植和应用程序的编写，这里荒芜了很长时间，实在是罪过。不过总算是有所收获，以前一直很疑惑的一些问题终于弄明白了。虽然对这些问题的研究有时候已经超越了硬件工程师的开发范围，甚至已经不是一个技术问题了（比如对显示颜色的探究），但是在学生时代，多开阔一些视野，扩大知识面总是有好处的。每每弄清楚一个现象的来龙去脉，总会让我觉得很满足，很有成就感，之前的枯燥单调也值了。。。。

技术交流版开了好久了，一直没有任何文章，整个博客尽是一些无病呻吟的生活随想，显得这个博客太酸，这里陆续贴出这个月的一些心得体会，和技术同仁分享。。。欢迎转载，转载请注明出处（）

S3C44B0X内置LCD控制器灰度显示和256色彩色显示机理分析

【内容提要】关于S3C44B0X（ARM7TDMI）内置LCD控制器的编程在网上已经有很多文章讲述过了，尤其是杭州立宇泰公司的网站上对44B0X内置LCD控制器有两篇文章讲述的非常详细。但是很少有文章描述灰度显示和256色彩色显示的细节的，这虽然不影响LCD控制器的一般使用，但是了解这种显示机理对于理解UCGUI中对颜色的处理还是很有帮助的。本文主要介绍了44b0x内部LCD控制器是如何在屏幕上显示出灰度效果和256色彩色效果的。有一部分是翻译的44b0x的用户手册，有一部分是自己的体会，不一定正确，大家指正！

【正文】

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。

相关知识（来自互联网）

什么是真彩色、伪彩色和调配色?
答:在RGB色彩空间，图像深度与色彩的映射关系主要有真彩色、伪彩色和调配色。
真彩色(true-color)是指图像中的每个像素值都分成R、G、B三个基色分量，每个基色分量直接决定其基色的强度，这样产生的色彩称为真彩色。例如图像深度为24，用R:G:B=8:8:8来表示色彩，则R、G、B各占用8位来表示各自基色分量的强度，每个基色分量的强度等级为28=256种。图像可容纳224=16 M种色彩。这样得到的色彩可以反映原图的真实色彩，故称真彩色。
伪彩色(pseudo-color)图像的每个像素值实际上是一个索引值或代码，该代码值作为色彩查找表CLUT(Color Look-Up Table)中某一项的入口地址，根据该地址可查找出包含实际R、G、B的强度值。这种用查找映射的方法产生的色彩称为伪彩色。用这种方式产生的色彩本身是真的，不过它不一定反映原图的色彩。在VGA显示系统中，调色板就相当于色彩查找表。从16色标准VGA调色板的定义可以看出这种伪彩色的工作方式。
伪彩色一般用于65K色以下的显示方式中。标准的调色板是在256K色谱中按色调均匀地选取16种或256种色彩。一般应用中，有的图像往往偏向于某一种或几种色调，此时如果采用标准调色板，则色彩失真较多。因此，同一幅图像，采用不同的调色板显示可能会出现不同的色彩效果。
调配色(direct-color)的获取是通过每个像素点的R、G、B分量分别作为单独的索引值进行变换，经相应的色彩变换表找出各自的基色强度，用变换后的R、G、B强度值产生的色彩。
调配色与伪彩色相比，相同之处是都采用查找表，不同之处是前者对R、G、B分量分别进行查找变换，后者是把整个像素当作查找的索引进行查找变换。因此，调配色的效果一般比伪彩色好。
调配色与真彩色比，相同之处是都采用R、G、B分量来决定基色强度，不同之处是前者的基色强度是由R、G、B经变换后得到的，而后者是直接用R、G、B决定。在VGA显示系统中，用调配色可以得到相当逼真的彩色图像，虽然其色彩数受调色板的限制而只有256色。

建议浏览如下的参考资料：

S3C44B0的LCD控制器原理简述

S3C44B0X与彩色LCD的接口与控制

《S3C44B0X与彩色LCD的接口与控制》的补充——关于像素点的位数

S3C44B0X中文数据手册LCD接口（第十二章）