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[導讀]摘要:LCD 顯示離不開背光源的輔助,而現在絕大多數顯示器采用恒定亮度背光源,存在顯示效果動態(tài)模糊以及低對比度等問題,并且耗能也較為嚴重。文章著重敘述一種基于視頻內容逐幀分析,然后選擇最佳背光亮度的一種由

摘要:LCD 顯示離不開背光源的輔助,而現在絕大多數顯示器采用恒定亮度背光源,存在顯示效果動態(tài)模糊以及低對比度等問題,并且耗能也較為嚴重。文章著重敘述一種基于視頻內容逐幀分析,然后選擇最佳背光亮度的一種由FPGA 控制的動態(tài)背光源設計方案。實驗采用的是TI 公司的TLC5947,具有多個輸出通道,可以適用于大規(guī)模顯示屏。

引言

當代LCD 顯示大部分采用的是冷陰極射線熒光燈(CCFL)背光或LED 靜態(tài)背光,由于CCFL 亮度不易控制并且響應速度慢,造成能源浪費和動態(tài)模糊。LED 靜態(tài)背光效果雖好,但是其耗能也較為嚴重,另外恒定亮度的背光使得圖像的對比度下降,顯示效果不理想。對圖像RGB 像素進行分析,在某些區(qū)域適當地采用低一級亮度的LED 背光,不僅可以節(jié)能,而且會擴大圖像顯示的對比度,消除動態(tài)模糊現象。

1 設計方案及其原理

動態(tài)背光源表面上是個整體,其實內部在制作原理圖時已經將之分成多個區(qū)域,分別控制其各自的亮度??芍彻鉄舻拿芗仍礁?,劃分的區(qū)域越多、面積越小,顯示出來的整體效果會越好。但是從成本、經濟價值、制作工藝、節(jié)能等方面綜合考慮,可知燈的數目不可能無限多,劃分的區(qū)域也不會無限密集,但是總可以找到一個最合適的設計規(guī)格。

RGB 色彩模型是工業(yè)界的一種顏色標準,通過RGB 模型為圖像中每一個像素的RGB 分量分配一個0~255 范圍內的強度值。RGB 圖像只使用三種顏色,按照不同的比例混合, 理論上在屏幕上呈現16,777,216 種顏色。在本系統(tǒng)只有RGB 各個分量不能直接得到我們需要的亮度控制參數Ki,需要經過FPGA運算得到圖像各個像素的灰度值,然后再計算。

對圖像進行灰度計算的基本思想是將每個像素的RGB 三種顏色成份的值取平均,然而由于人眼的敏感性,這種做法效果并不好,應該是每個分量需有一定的權重,計算公式如下所示。

(1)為灰度計算公式,可直接由RGB 各個分量計算得到像素的灰度值,當然可以整體的放大或縮小,即乘以一個共同的系數。

(2)為由像素灰度求亮度公式,其中Tmax 為最大透過率,在同一個系統(tǒng)中為一固定值,可不予關注,γ 為RGB 像素矯正因子,B 為背光源亮度值。

當背光源的亮度變?yōu)樵瓉淼?/λ即B' 時,為了使人眼觀察灰度C' 像素的亮度不發(fā)生大的變化,應使兩次得到的值一致,即:

令:

解方程可以求得:

一般情況下,灰度的調節(jié)由8bit 數據控制,即可以將灰度值由0~255,分成256 份,其中每一份代表一個灰度級別(本實驗中所使用驅動芯片的灰度級別為4,096)。所以可以令控光參數Ki:

其中Cmax 為各個分割區(qū)域中的最大灰度值,Ci為各個相應區(qū)域的最大灰度值,計算得到的區(qū)域控光參數Ki 來調節(jié)FPGA 的輸出,來調節(jié)背光板亮度,從而可以得到校正后各個像素的RGB 值分別為:

如方案圖所示,最后將由控制器輸出的行、場同步信號和校正后的RGB 信號等傳輸給LCD 板。

方案中SDRAM 的主要作用有兩個:一是在FPGA 處理不及時的情況下,用來存儲從圖形控制器傳過來的行、場同步信息和RGB 數據信息等;二是存儲FPGA 處理過的數據,單LCD 板未來得及處理的信息。這樣設計的目的在于達到數據不丟失,信息傳輸更及時的效果。

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2 驅動電路設計

在驅動芯片的選擇上, 我們用TI 公司的TLC5947,每個通道由12bits PWM 脈寬調制,具有24 路輸出通道,所以一個數據傳遞周期將會接收288bits 數據。芯片所需電壓為3.0~5.5V,有溫控系統(tǒng),當芯片的溫度過高時會自動斷開,以保護芯片。

從芯片的引腳25 可以看出,此款芯片支持級聯,可以多個芯片共同工作以驅動更大規(guī)模的顯示屏幕。從引腳1 到引腳24,每個輸出通道由12bit輸入數據來控制,其內部含有4MHz 的晶振,輸入數據與212 即4,096 的比值即為輸出脈沖的占空比,從而實現對背光源相應區(qū)域的PWM 調制。從中可知,TLC5947 將灰度分為4,096 級,我們可以大尺度、精密地細分背光源的亮度,以達到更好動態(tài)背光效果。

圖2 TLC5947 引腳注釋

驅動電路中的電阻由所驅動LED 燈的電流決定,具體詳情可以參考TLC5947 配置表格(如表1所示)。芯片對輸入的SCLK、XLAT、BLANK 等信號有嚴格的時序要求,電源與地之間的電容主要起到一個濾波作用,盡量值選大些。

表1 配置電阻與驅動電流的關系

圖3 背光源驅動電路

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3 軟件設計

本款芯片的控制信號由Altera 公司的型號為EP1C3T144C8 的開發(fā)板供給,晶振為50MHz。

從實驗得到的效果來看,該款芯片的數據傳輸機理為:每個傳輸周期,每遇SCLK 上升沿將會從SIN 口讀入1bit 數據存入寄存器,在SCLK 下降沿時,將讀入的數據從SOUT 傳出(內部對數據仍有保留) 輸給下一級,直至讀入288bits 數據。每12bits 為一組,分別送到各自的通道,并且每組數據先讀入的居于較高位,然后依次排列。例如,讀取的數據按時間先后排列為1、0、0、0、0、0、0、0、0、0、0、0,則相應的控制信號為100000000000,那么控制通道的占空比即為:

根據PWM 調制面積相等的原則,有效電壓約為提供電壓的一半。

按照仿真條件的要求,SCLK 時鐘信號需要在每接收完288bits 時有段時間的低電平,盡量滿足芯片的時序要求。另外,控制信號BLANK 在每個周期空閑時(不傳輸數據時),需要有個高電平變換,這樣可以將鎖存器里面的數據清零,以便接受新一輪的控制數據,否則,燈的亮度明顯會偏暗。

RGB 數據經過FPGA 的處理,轉換為相應的灰度值,然后再計算出相應的控光參數Ki (我們可以分的灰度級別不超過4,096),傳輸給TLC5947的SIN,即可以實現動態(tài)背光調節(jié)。

圖4 輸入輸出信號設置

圖5 信號仿真圖

圖6 PWM 調制輸出波形

4 結論

通過理論分析和實驗測試,動態(tài)背光調節(jié)控制系統(tǒng)在節(jié)能和提高圖像顯示對比度等方面做得都較好,這在重視節(jié)能減排、建設和諧社會的今天以及對LCD 顯示器的未來發(fā)展都具有很好的應用前景。

圖7 即通過FPGA 控制以及基于圖像像素控制得到的動態(tài)背光調節(jié)效果圖,從中可以看到,如果在以前LCD 靜態(tài)背光的條件下,則所有背光LED 燈的亮度將會和最亮的(右下角)一致,而現在我們將之分割為各個不同區(qū)域,使得每個區(qū)域均有自己的最佳亮度,而不必以整個圖像最亮一點為標準,并且不影響顯示效果。這樣,也就實現了我們預期的動態(tài)調節(jié)的目的。

圖7 背光源效果圖

 

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