FPGAs für Pico-Projektoren Aus der Hand an die Wand

Pico-Projektor von Aiptek

Neuartige Videoprojektoren, die in eine offene Hand passen, erfreuen sich unter Geschäftsleuten zunehmender Beliebtheit. Diese »Pico-Projektoren« können stehende oder bewegte Bilder auf jede geeignete flache Oberfläche projizieren und können eine praktische Alternative zu LC-Displays auf Mobiltelefonen, Digitalkameras und PDAs sein, besonders wenn mehrere Betrachter ein Bild ansehen wollen.

Pico-Projektoren sind heute recht teuer, weshalb sie hauptsächlich im geschäftlichen Einsatz zu finden sind. Wenn die Preise fallen, werden aber auch viele Anwendungen in der Unterhaltungselektronik entstehen. Dann könnten sie sich als eine Display-Kategorie für die Bilddarstellung bei mittleren Auflösungen etablieren. Beim Übergang von teuren Geräten für den Geschäftseinsatz zu preisgünstigeren Unterhaltungselektronik-Produkten spielen FPGA-Bausteine eine wichtige Rolle. Aktuell kommen in Pico-Projektorsystemen verschiedene, miteinander konkurrierende Technologien zum Einsatz.

Die vier gängigsten Verfahren sind DLP (Digital Light Projection), LCoS (Liquid Crystal on Silicon), LBS (Laser Beam Steering) und HLP (Holographic Laser Projection). DLP arbeitet mit einer Lichtquelle und nutzt Miniaturspiegel, um das Licht abzulenken. Jeder Spiegel steuert die Lichtmenge für ein Pixel im darzustellenden Bild. Der Spiegel hat zwei Betriebszustände (Ein und Aus), die kontinuierlich aktualisiert werden.

Eine Modulation des Spiegelzustands steuert die Helligkeit. Wenn er während der Hälfte der Zeit abgeschaltet ist, dann erscheint das Pixel mit einem Helligkeitswert von 50%. Ein Farbrad zwischen Lichtquelle und Spiegeln dient zur Erstellung der Farbinformationen. Das Farbrad liefert abwechselnd Licht in Rot/Grün/Blau, wobei jeder Spiegel die Lichtstrahlen für das entsprechende Pixel steuert. Ein LCoS-Projektor arbeitet ähnlich wie ein DLP, benutzt aber eine Flüssigkristallzelle anstelle von Spiegeln, um die Lichtmenge für jedes Pixel zu steuern.

Für die Farbdarstellung verwendet man drei verschiedene Chips, also eines pro Farbe (Rot/Grün/Blau). Dabei wird der Lichtstrahl entweder durch Filter geleitet oder mit dichroitischen Spiegeln (Spiegel, die jeweils nur bestimmte Wellenlängen durchlassen) gesteuert. Als Lichtquelle dient dabei entweder eine LED oder gestreutes Laserlicht. Ein LBS-Projektor baut das Bild Pixel für Pixel auf. Der Projektor arbeitet dabei mit drei verschiedenen Laserstrahlen (Rot/Grün/Blau), die jeweils für die erforderliche Helligkeit moduliert werden.

Eine Optik kombiniert die Strahlen miteinander, ein beweglicher Spiegel lenkt sie anschließend ab. Wird das Bild schnell genug zeilenweise aufgebaut (in der Regel mit mehr als 60 Hz), so kann das Auge den Aufbau des Bildes über einzelne Pixel nicht mehr erkennen. HLP-Systeme nutzen einen Laser zur Beleuchtung eines Hologramms, welches das Laserlicht bricht und dabei das Originalbild erzeugt. Ein Brechungsmuster des gewünschten 2D-Bildes wird berechnet und auf einem LCoS-Mikrodisplay angezeigt. Bei Beleuchtung dieses Bildes mit kohärentem Laserlicht entsteht eine Projektion des gewünschten 2D-Bildes, das bei jeder Entfernung fokussiert bleibt.

Arten von Pico-Projektoren

Heute gibt es im Wesentlichen drei Arten von Pico-Projektoren: eigenständige, Mediaplayer-Projektoren und Embedded-Geräte. Bei Stand-alone-Projektoren handelt es sich prinzipiell um herkömmliche »Bildwerfer«. Ein solcher erhält sein Eingangssignal über Kabel (A/V, USB, usw.) und kann nichts anzeigen, wenn kein anderes Gerät angeschlossen ist, welches das Videosignal bereitstellt.

Der Mediaplayer-Typ kombiniert einen Projektor mit integriertem Speicher oder einem Speicherkarten-Steckplatz, der Dateien direkt aus dem Speicher abspielen kann. Der Projektor muss die im Speicher abgelegten Dateiformate unterstützen können, also Fotos, Videos oder Audiodateien. Manche Projektoren unterstützen sogar Office-Dokumente, PDFs und ähnliches.

Bei Embedded-Projektoren ist der Projektor eine zusätzliche Funktion in einem bestehenden Gerät (oder ein Zubehörteil) und bietet damit eine Alternative oder eine Ergänzung zu einem LC-Display. Handys, Kameras, Laptops, digitale Bilderrahmen und PDAs sind nur einige der möglichen Anwendungsbeispiele. Jede der oben beschriebenen Techniken hat ihre Vor- und Nachteile bei der Implementierung eines der genannten drei Haupttypen von Pico-Projektoren. So sind zum Beispiel bei Mediaplayern Auflösung und Reaktionszeit wichtige Kriterien.

Bei Embedded-Projektoren dagegen sind Größe und geringer Stromverbrauch entscheidend. Viele der Projektorzwerge werden während des Übergangs zu integrierten Geräten zunächst einmal als Zubehörteile zu bestehenden Geräten erhältlich sein.

Ein Zusatz für eine digitale Kamera, der Standbilder, Dia-Shows oder Videos zeigen und direkt an die Kamera angesteckt werden kann, wäre ein denkbares Beispiel für ein solches Übergangsgerät. Bild 1 zeigt das Blockschaltbild für ein solches beispielhaftes Design.

Die Licht-Engine (Optik und Schnittstellenschaltung) des Systems ist oben im Blockschaltbild gezeigt, der Controller unten.

Eine standardisierte 7:1-LVDS-Schnittstelle (Camera Link) dient zur Übertragung der Bilddaten vom Controller zur Licht-Engine.

Diese ist heute zwar noch kein Standard-Interface, bei sinkenden Kosten für die Licht-Engine ist eine solche Camera-Link-Schnittstelle aber eine wahrscheinliche Option.

Daher kommt sie für die Licht-Engine im Beispielsdesign zum Einsatz. Der FPGA »ECP3« von Lattice (detaillierter Aufbau siehe Bild 2) verbindet die Algorithmen zur Verarbeitung der Bildpixel für die Anzeige mit den Verwaltungsfunktionen der verschiedenen Schnittstellen im System.

Ein »Mico8«-Mikrocontroller steuert den Datenfluss und die verschiedenen Befehle von der Benutzerschnittstelle. Er kommuniziert mit dem Rest der FPGA-Funktionen über einen Wishbone-Systembus. Der DDR2-Speichercontroller dient als Schnittstelle zum externen RAM und verfügt über zwei Ports: einen zum Wishbone-Bus (für allgemeine Systemsteuerungsfunktionen und zum Empfang von Bilddaten über die DVI/HDMI-Schnittstelle) und einen zum JPEG-Decoder und Pixel-Prozessor (für Bildverarbeitungsfunktionen mit hoher Priorität).

Der SPI-Memory-Controller dient als Verbindung zum nichtflüchtigen Speicher, in dem viele der Bildverarbeitungstabellen und der zugehörige Code abgelegt sind. Die im JPEG-Format verschlüsselten Bilddaten kommen aus der Kamera über die DVI/HDMI-Schnittstelle und werden im DDR2-Speicher abgelegt. Der JPEG-Decoder wandelt die JPEG-encodierten Bilddaten in separierte rote, grüne und blaue Pixeldaten, wie sie die Projektionsoptik benötigt.

Zur Verbesserung der Bildqualität lassen sich diese Pixeldaten auch mit dem Pixel-Prozessor und anderen, kundenspezifischen Algorithmen bearbeiten. Sobald die Pixel bereit für die Weitergabe an die Optik sind, ordnet die 7:1-LVDS-Videoschnittstelle die Pixeldaten in Pakete und überträgt sie mithilfe eines standardisierten Protokolls zur Optik-Schnittstelle. Die USB-Schnittstelle dient als Verbindung zum externen USB-2.0/3.0-PHY. Dieser universelle I/O-Block steuert die externen Funktionen für Power-Management, Benutzerschnittstelle (Tasten und Schalter) und die Konfiguration. Viele dieser zentralen Funktionsblöcke sind bereits fertig als IP-Cores von FPGA-Herstellern oder ihren Partnern erhältlich.