为视频数据提供定时信号的控制器 本发明涉及在电视屏幕上显示视频数据的有关技术。
由计算机产生地视频数据显示在计算机监视器上，为了这样的显示给该视频数据制订了特定的格式。
因为由计算机产生的视频数据的格式与电视机的电子线路不兼容，所以不可能将计算机(例如VGA视频控制器)产生的视频数据显示在电视屏幕上。
为解决该问题而已经研制出的设备从计算机接收视频数据，并且通常捕捉一完整帧，将它存入存贮器中，然后，通过复合信号重新显示该信息。在正常功能下的电视机通过射频输入接收视频数据，数据被送至射频调谐器，再由此至解码器，解码器对视频数据解调制，并将它转换成电视屏幕驱动器能接受的形式。从调谐器送到解码器的视频数据具有与电视机兼容的重新配置的格式。因为解码器格式化了所有接收的信息使它能在电视屏幕上显示，所以对从计算机源来的视频数据进行处理使它成为能被电视解码器解码的数字化形式。
由于计算机产生的视频信号所需的处理量，一直未能产生最终显示在电视屏幕上的质量足够好的图像。此外，全世界正在使用的电视有三种，即NTSC，PAL(逐行倒相制)和SECAM系统，所以生产与计算机和电视屏幕接口的设备的问题就更为复杂了。
由于寻求能将计算机与电视屏幕连接的设备所涉及的费用因素，一直认为更可行的办法是将电视视频数据显示在计算机监视器上而不是走相反的道路。
本发明提供独特地将格式化的计算机产生的视频数据与电视屏幕连接的一种可供选择的方法。
按照本发明的一个方面，提供用于同步视频信号以便在电视屏幕上显示的控制器，包括：
水平输入存贮器装置，用于接收计算机产生的图像数据的第一序列的水平同步信号；
垂直输入存贮器装置，用于接收计算机产生的图像数据的第二序列的垂直同步信号；
第一处理器装置，用于产生第三序列的水平同步信号和第四序列的垂直同步信号；
以及第二处理器装置，用于组合第一序列的水平同步信号和第三序列的水平同步信号以产生第五序列的水平同步信号，及用于组合第二序列的垂直同步信号和第四序列的垂直同步信号以产生第六序列的垂直同步信号；
其中由第二处理器装置产生的第五序列的水平同步信号和第六序列的垂直同步信号被安排为计算机产生的图像数据提供定时序列，从而该图像数据可以在电视屏幕上显示。
按照本发明的另一方面，提供一种同步图像数据以便在电视屏幕上显示的方法，该方法包括以下步骤：接收与计算机产生的图像数据有关的第一序列的水平同步信号；接收与计算机产生的图像数据有关的第二序列的垂直同步信号；使用第一处理器装置以产生第三序列的水平同步信号和第四序列的垂直同步信号；使用第二处理器装置以组合第一序列的水平同步信号和第三序列的水平同步信号及组合第二序列的垂直同步信号和第四序列的垂直同步信号，以便分别产生第五序列的水平同步信号和第六序列的垂直同步信号；以及输出第五序列的水平同步信号和第六序列的垂直同步信号，以便为计算机产生的图像数据提供定时序列，从而使该图像数据能在电子显示器上显示。
按照本发明的又一方面，提供将VGA控制器和电视屏幕接口的系统，该系统所包括的接口单元被安排使其输入与VGA控制器产生的水平和垂直同步信号及与VGA控制器产生的图像数据连接，及使其输出与电视屏幕的驱动器连接，从而在使用中由VGA控制器传送到接口单元的图像数据被安排重新格式化并同步到满足接口单元与之连接的电视屏幕驱动器的定时要求，从而使由VGA控制器传输的图像数据能在TV屏幕上显示。
按照本发明又另一方面，提供用于同步在电视屏幕上显示的视频信号的控制器，该控制器包括：第一输入端，用于接收与视频信号有关的水平同步信号；第二输入端，用于接收与视频信号有关的垂直同步信号；以及处理器，用于接收和处理从第一和第二输入端来的水平和垂直同步信号和用于产生输出到电视驱动器的组合同步信号。
最好从计算机VGA(视频图形适配器)接收水平同步信号和垂直同步信号。
控制器最好是安排成互连计算机和电视屏幕的接口单元。
接口单元可包括内部时钟，安排该内部时钟使其与处理器的垂直和水平同步信号组合以产生组合的同步信号。
该组合同步信号可以是矩形波(tessellated)信号。
接口单元最好包括第三输入端，用于接收准备与水平和垂直同步信号组合的时钟信号，以产生组合的同步信号。
控制器最好包括第四、第五和第六输入端，用于输入红、绿和蓝视频信号，及包括第二、第三和第四输出端，用于输出适合于电视驱动器接收的形式的经过修改的红、绿和蓝视频信号。
控制器最好包括放大器，用于改变在第四、第五和第六输入端接收的红、绿和蓝视频信号的电平。
控制器可包括阻抗匹配和缓冲装置，用于在其第四、第五和第六输入端接收的输入红、绿和蓝视频信号。
阻抗匹配和缓冲装置可包括三个输入端，分别对映在第四、第五和第六输入端接收的每个彩色信号。
每个阻抗匹配和缓冲输入端最好连接到晶体管的基极，其发射极与控制器第二、第三和第四输出端中的一个相应输出端连接。
控制器最好包括电视制式选择器，用于把指示组合同步信号转换制式的信号输入到处理器。
电视制式选择器最好输入信号到处理器以指示输出准备连接到哪种电视机(PAL，NTSC还是SECAM)。
控制器可以从VGA控制器接收水平和垂直同步信号。
电视制式选择器可以将指示用于组合水平和垂直同步信号的转换制式的信号输入到处理器。
电视制式选择器最好包括输入端，用于接收表示控制器准备与之连接的电视机的转换制式的外部信号。
控制器最好包括状态指示器，用于指示电视机是否接收到控制器和VGA监示器是否接到控制器。
状态指示器包括第一输入端，该第一输入端被安排接收从电视机来的信号以指示控制器何时接到电视机。
状态指示器最好包括第二输入端，该第二输入端被安排接收从VGA监视器来的信号以指示控制器何时接到VGA监视器。
控制器最好包括显示指示器，用于向处理器提供指示信号，以指示准备在电视屏幕上显示的是计算机数据还是电视数据还是计算机数据和电视数据的组合。
控制器最好包括变换装置，用于将输入信号从TTL逻辑电平变换到12V控制电平。
处理器最好包括二进制计数器，该计数器被安排接收时钟信号和将它分频，以便为准备组合的水平同步信号和垂直同步信号提供定时信号。
二进制计数器最好在垂直同步信号的脉冲周期期间被安排输出表示水平同步信号脉冲的持续时间和周期的信号。
作为替换，二进制计数器在水平同步信号的脉冲周期期间被安排输出表示垂直同步信号脉冲的持续时间和周期的信号。
表示水平或垂直同步信号脉冲的同步持续时间和周期的输出信号最好由制式选择器来控制，该制式选择器被安排向处理器送出表示控制器所需的转换制式(PAL/NTSC/SECAM)和隔行操作的信号。
二进制计数器最好输出被安排输入给一PAL(可编程阵列逻辑芯片)的信号，该PAL被安排把从第一和第二输入端接收的水平同步信号和垂直同步信号同由二进制计数器产生的水平同步信号和垂直同步信号组合以产生由处理器输出的矩形波组合水平和垂直同步信号。
水平和垂直同步信号的持续时间和周期最好通过监视准备与控制器一起使用的电视系统的制式来确定。
最好将二进制计数器产生的水平同步信号设定在600点(dots)或800点上，将二进制计数器产生的垂直同步信号在隔行扫描方式下设置在240行或200行，在逐行扫描方式下设置在480行或400行。
按照本发明的再一方面，提供包括射频输入、调谐器、解码器、驱动器电路和电视屏幕的电视机，其中各部件连接在一起以接收射频输入信号及将其显示在电视屏幕上，驱动器具有输入端以接收直接从外接的接口单元来的组合同步信号和蓝、绿、红视频信号，从而电视机能显示从接口单元来的视频数据或者通过调谐器接收的视频数据。
按照本发明的再又一方面，提供连接VGA控制器和电视屏幕的系统，该系统包括接口单元，接口单元被安排使其输入端与VGA控制器连接，使其输出端连接到电视屏幕的驱动器，从而由VGA控制器传送到接口单元的视频数据被安排同步到满足接口单元与之连接的电视屏幕驱动器的定时要求，从而由VGA控制器传送的视频数据可在电视屏幕上显示。
VGA控制器最好传送多个信号到接口单元。这些信号包括水平同步信号，垂直同步信号，模拟红信号，模拟绿信号和模拟蓝信号。
多个输入信号最好由接口单元处理以产生复合同步信号，放大的红信号，放大的绿信号和放大的蓝信号。
接口单元最好被安排从电视机接收表示电视机转换制式(是PAI/NTSC还是SECAM)和是否需要隔行操作的信号。
制式转换信号最好由制式选择器装置内部产生。
最好VGA控制器传送点时钟信号到接口单元并且接口单元将点时钟信号与同步信号组合以产生复合同步信号。
按照本发明的另一实施例，提供一种电视机，包括射频输入端、调谐器、解码器、驱动器、电视屏幕和上述实施例中任何一个实施例的接口单元。
按照本发明的再另一方面，提供包括上述实施例中任何一个实施例的接口单元的VGA控制器。
按照本发明的又再一个方面，接口单元包括单片集成电路，该集成电路的内部电路被选择接收从计算机来的水平和垂直同步信号和产生用于传送到电视机驱动器去的复合水平和垂直同步信号，从而由VGA控制器产生的视频数据可以显示在电视屏幕上。
如果每垂直脉冲的水平脉冲数小于4，则由接口单元产生的组合同步信号最好是简化的矩形波信号。
处理器可以被安排产生偶场组合同步信号和奇场组合同步信号。
由处理器产生的组合同步信号最好包括偶场和奇场信号分量。
下面将参照附图仅举例描述本发明的优选实施例，附图中：
图1表示按照本发明第一实施例的接口单元的方框图。
图2表示按照本发明第一实施例的电视机方框图。
图3A表示由接口单元产生的信号的偶场。
图3B表示由接口单元产生的信号的奇场。
图3C表示由接口单元产生的简化信号。
图4A表示按照第一实施例的二进制计数器。
图4B表示按照第一实施例的PAL的第一部分。
图4C表示按照第一实施例的PAL的第二部分。
图4D表示按照第一实施例的控制电路。
图4E表示分别接到5V和地的PAL的端子。
图4F表示连接到地端的安装孔。
图5表示信号的第一组方程式，这些信号对于PAL不是输入就是输出。
图6表示PAL内部信号的一组方程式。
图7表示图4A至4F中各种信号的说明。
图8表示与第一实施例接口单元的软件有关的水平图像调变算法流程图。
图9表示软件的垂直图像调变算法流程图。
图10表示软件的后处理算法流程图。
图11表示接口单元电路图的第二实施例。
图12表示按照第二实施例的PAL。
图13表示图12所示的PAL的引脚说明。
图1表示接口单元的方框图和所选输入及输出信号。关于部件的详细分析和接口单元中所进行的处理在以后参照图4A至4C描述。
该图表示接口单元10具有自端子1至11的11个输入端及自端子12至22的11个输出端。各输入端与计算机VGA控制器相应的端子连接。
接口单元最简单的形式是在端子9、10和11接收模拟的红、绿和蓝信号(CR，CG，CB)。在端子2和3接收水平同步和垂直同步信号(CHSYNC和CVSYNC)。另外接收一些信号以允许增加功能度，这些信号是：在端子1的消隐信号(CBLANK)；在端子4的点时钟信号(CCLK)；在端子5和6的计算机配置信号CCONFA和CCONFB，用于提供关于所需转换制式(PAL/NTSC/SECAM)的信息使送到电视机驱动器的定时信号与该电视机兼容；以及在端子7和8的附加信号CSTSA和CSTSB，用于提供状态信息，诸如是否将电视机接到接口单元和是否将计算机接到接口单元。
驱动电视机驱动器所需的最小信号组至少是分别在端子15，20，21，22上输出的复合同步信号(ICSYNC)和视频信号IR，IG及IB。由接口单元输出的另一些信号提供附加功能度，诸如：从端子12输出的对电视屏幕上图像的消隐(IBLANK)；分别在端子16和17上的对电视机操作的控制，例如由射频产生的图像是否要在电视机上出现或由计算机产生的图像是否要在电视机上出现(ICTLA和ICTLB)；以及关于电视机状态的信息，例如所连接的显示器的类型和所需的操作制式，该信息通过端子18和19以信号ISTSA和ISTSB反馈到接口单元。在端子13和14提供的信号IHSYNC和IVSYNC是可用于诊断目的的任选输出信号。
与试图解决计算机VGA产生的信号和电视屏幕接口的先有技术设备不同，本发明的操作方法不是捕捉视频数据的完整帧、存贮该帧并且通过可以由电视机解码器处理的复合信号来重新显示该帧。相反，本发明的接口单元从VGA控制器接收视频和定时数据并产生正确的信号和定时以允许把信息引入电视机电路内，从而免去了存贮和变换成复合信号的需要。
接口单元产生与电视机驱动器相配的红、绿和蓝信号及定时信息，所以包含该信息的信号能直接送到电视机驱动器而不是送到电视机解码器，这是先前所没有想到的。
在全世界有三种主要的电视系统。它们是PAL，SECAM和NTSC系统。为了在电视屏幕上形成图像，每一种系统要求的水平和垂直同步信号的持续时间和周期各不相同。接口单元可以编程以从电视机接收指示该电视机工作制式的信息，然后接口单元能利用该信息来产生与准备从计算机源显示的视频数据有关的水平和垂直同步信号的正确定时序列。以下将描述的接口单元由相当于Altera EPM 7064LC44的可编程逻辑器件组成，它含有足以实现输入信号及其有关时序的变换的内部锁存器、计数器和逻辑元件，经过变换，得到时序修改的输出信号。
按照优选实施例，接口单元由PAL器件EPM 5016PC-15T组成，供应商是Altera公司。
除此之外，使用分立元件将逻辑信号的电平转换到需要的接口电平。使用分立元件来终接和缓冲计算机产生的RGB信号到电视机驱动器所要求的电平。有可能通过将接线焊到各种元件上的直接连接或通过插头和插座装置的间接连接来实现在计算机和电视之间的信号传送。
与先前的接口单元采用的方法相比，本发明寻求使从计算机源来的视频信号表现为与电视机驱动器直接兼容的格式。在先前的系统中，计算机产生的视频数据并不变换成与电视机驱动器直接兼容的形式，而是被处理成电视机解码器能够接受的形式，再将所得数据显示到电视屏幕上而不考虑为屏幕具体设计的待显示视频数据的格式。
典型电视机的视频图像由水平和垂直信号的复合而产生，这两种信号形成水平分辨率为640点和垂直分辨率为240行(对于PAL，SECAM制式)或200行(对于NTSC制式)的矩阵。当选择隔行扫描方式时，该分辨率加倍到PAL，SECAM的480行或NTSC制的400行。
因此，已经从VGA控制器接收视频数据和定时信号的接口单元必须将这些信息变换成电视机驱动器能够接受的形式，于是使用CVSYNC和CHSYNC来产生电视机稳定操作所需的正确的矩形波信号ICSYNC。对于余裕度较好的电视机，如果每垂直脉冲的水平脉冲数小于4，矩形波信号可以简化。因此参照图3A至3C，图3A表示由接口单元产生的偶场信号，图3B表示由接口单元产生的奇场信号，图3C表示由接口单元产生的简化信号。本领域的技术人员充分理解为在电视屏幕上产生最终视频图像而产生奇、偶场背后的原理，更详细的说明可在由McGraw Hill出版的、作者为G.Hutson、书号为ISBN 00770942595、书名为Colour Television Theory(彩色电视原理)的一书中找到。
ICSYNC高周期、ICSYNC低周期和ICSYNC持续时间的定时由CVSYNC和CHSYNC信号的逻辑组合产生。内部产生的时钟或外部供应的CCLK二者之一提供参考定时。
IR、IG、IB信号用配置成射极跟随器的晶体三极管来终接和缓冲。CR、CG、CB信号的电平在VGA控制器的数模变换器(DAC)芯片中编程以保证正确的电压电平。调色板DAC电平用于与电视机中的任何色彩变化相匹配。
如图2所示，按照优选实施例的电视机包括接至调谐器12的射频输入端11，调谐器又接至解码器13。解码器接至驱动器14，图2中分别由字母R、G、B和C代表红、绿、蓝和时钟信号。驱动器14的C、R、G、B端子还分别直接接到输入端子TVC、TVR、TVG和TVB。这些端子被安排接至接口单元的相应端子15、20、21和22。
虽然未示出，可以给电视机提供连接端子，用于与接口单元的端子12、13、14、16、17、18和19连接，电视机被安排具有处理在接口单元这些端子处输出或输入信号的电路。
参照图4A，十二位二进制计数器被示出具有VCLK信号和CCLK信号作为输入，以提供输入定时信号CC0至CC9至PALU404。该二进制计数器由集成电路U401-A、U401-B和U402-A表示。PAL使用计数器输出CC0至CC9来产生垂直同步信号周期VSYNC期间的水平同步信号脉冲HSYNC的持续时间和周期。该同步信号周期和持续时间由输入配置线PAL和PCLK控制以与PAL、SECAM或NTSC中的一个有关的电视系统的数值相配。
PALU404的输出信号HSYNC、VSYNC、HHSYNC和HVSYNC送至PALU403。该逻辑器件组合计算机产生的HSYNC和VSYNC信号及器件产生的HHSYNC和HVSYNC信号以产生电视机所需的正确矩形波的IVSYNC和IHSYNC信号。这些信号要求的定时关系示于图3A至3C。
图4D表示从输入信号CTL 12A获得控制信号CTL12所需的电路。图4E和4F表示分别接到正5V和地的终端信号的结构。图4F表示接到地的安装孔端子。
图5和6示出为获得各种输出信号所需的PAL的内部方程式。图6的hhsync实际上对应于图5中示出的HHSYNC。
虽然这些图中都没有表示由接口单元从VGA控制器接收的红、蓝和绿信号，但是这些信号各自有晶体管Q402组成的内部电路，该晶体管的集电极接至5V电源，发射极通过75欧1％的电阻接地。输出取自发射极，接至基极的输入端也通过75欧1％的电阻接地。晶体管通常是2N3904NPN晶体三极管。
按照本发明的另一实施例，接口单元使用图11所示的电路图来实现。因为本领域的技术人员能理解如何制造具有图11的元器件和电路图的接口单元，所以对其不作详细说明。在图11的电路图中的PAL40更详细地表示在图12中。图13表示图12所示的PAL的引脚说明。
根据本发明的又一实施例，接口单元10使用驱动程序软件、水平图像调变算法、垂直图像调变算法、后处理以及上述的VGA定时。
接口单元10所使用的算法最好被设计用于决策准则、决策确定、图像处理、区域处理以及后处理。
根据本优选实施例从VGA控制器接收的图像数据由红、绿和蓝信号组成。接收的图像数据已经经过格式化，使它可在VGA控制器显示器上显示。然而，必须重新格式化使其能在电视屏幕上显示。因此需要有这样的软件，即在水平扫描方向用强度调变(intensity modulation)算法来预处理和后处理VGA类型图像的奇和偶的帧图像数据。具体算法由分析垂直图像强度变化的第二算法来动态地确定。
水平图像调变算法(HIMA)可以从初始图像的单一显示变化到初始图像的全调变彩色显示。
HIMA的选择由垂直强度调变算法(VIMA)确定，该算法检查相继的奇行和偶行中相邻图像数据之间的垂直图像强度变化。
软件算法修改了VGA控制器器件的正常操作以提供与电视机或其他电子显示媒介要求相一致的定时信号。
在本实施例中，HIMA由对原始视频数据的二维分析来确定，该分析的关键参数是：
i.图像的宽度；
ii.图像的高度；
iii.图像中的颜色变迁(transition)；以及
iv.图像的颜色。
VIMA由对原始视频数据的一维分析来确定，该分析的关键参数是：
i.在帧图像数据的奇行和偶行中具有相同颜色的相继行数；以及
ii.在相继行中的颜色变迁。
理想情况是HIMA和VIMA由以下的图像调变技术中的一个或几个组成；
i.不作改变；
ii.改变到用CLUT(彩色查找表)或用计算或二者兼用而得到的颜色；
iii.混合(blend)相继的水平数据；以及
iv.渐变(gradient)图像的颜色。
如前所述，接口单元必须能为不同类型的电子显示设备例如用于PAL制电视机、SECAM制电视机或NTSC制电视机对图像数据格式化。因此驱动程序软件必须根据来自电视机的自动反馈系统或根据接口单元的预定可选的模式选项来选择正确的屏幕尺寸。
原始的视频图像数据可通过后处理例行程序来恢复，该例行程序在需要时恢复原来的图像数据。应注意图像转变常会导致这种需求。
HIMA流程图和VIMA流程图的实例在图8和9中给出。后处理算法的流程图实例在图10中给出。
按照本发明的一个实施例，硬件包括：
VGA到电视机的同步；
自动检测输入垂直和水平信号；
支持PAL/NTSC复合同步的时序；
输出信号与SCART(PeRI)控制线兼容；
自动的PAL/NTSC。
软件包括：
在电视屏幕上的垂直和水平移动(panning)；
通过软件控制亮度和对比度；
不受扫描频率变换器ADC分辨率限制的颜色深度(colour depth)；
支持640×480分辨率的16色模式(BIOS模式12)；
支持640×480分辨率的256色模式(VESA BIOS模式101)；
支持模式0至13h的DOS模式。
接口单元实际上是智能的电视机接口，它接受最大带宽为30MHz的隔行RGB数据和同步信号，输出复合同步信号和RGB数据。
接口单元需要垂直和水平同步信号以产生内部的控制信号。
同步极性由有关的软件驱动程序设置为正极性。电视机的同步信号产生电路由所施加的垂直和水平VGA同步时序所驱动。
接口单元需要一个由外部石英晶体或供应的时钟输入产生的时钟信号。
根据VGA的水平和垂直同步时序关系，输入的VGA水平同步约为15.625KHz；垂直同步为50Hz或60Hz，取决于电视机制式的选择。通常PAL为50Hz，NTSC为60Hz。该定时由系统驱动程序软件设置到以下表1所示的数值。
最好接口单元使用与DOS兼容的TCR以捕获模式改变的BIOS调用。接口单元为模式0至13h调整定时值和参数，判读VGA卡并自动调节自己的操作以适合已安装的卡。
表1 水平频率 (KHz) 水平周期 (μs) 垂直频率 (Hz) 垂直周期 (ms) NTSC 15.665 63.84 59.68 16.76 PAL 15.665 63.84 50.13 19.95
按照一个实施例，接口单元使用与“Windows”兼容的显示驱动程序以在常规的电视屏幕上提供轮廓鲜明和边缘清晰的显示。该显示驱动程序使用称为逐行扫描技术(PST)和逐行区域(area)技术(PAT)的软件技术的组合以动态地减轻闪烁。由于这是一种软件技术，它可以为“Windows”的未来版本作增强和修改而不影响硬件。
根据本发明的另一实施例，接口单元被安排与投影器连接以便将电视图像投影到屏幕上。