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[導(dǎo)讀]摘要:LCD 顯示離不開背光源的輔助,而現(xiàn)在絕大多數(shù)顯示器采用恒定亮度背光源,存在顯示效果動(dòng)態(tài)模糊以及低對比度等問題,并且耗能也較為嚴(yán)重。文章著重?cái)⑹鲆环N基于視頻內(nèi)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(xiàn)在絕大多數(shù)顯示器采用恒定亮度背光源,存在顯示效果動(dòng)態(tài)模糊以及低對比度等問題,并且耗能也較為嚴(yán)重。文章著重?cái)⑹鲆环N基于視頻內(nèi)容逐幀分析,然后選擇最佳背光亮度的一種由FPGA 控制的動(dòng)態(tài)背光源設(shè)計(jì)方案。實(shí)驗(yàn)采用的是TI 公司的TLC5947,具有多個(gè)輸出通道,可以適用于大規(guī)模顯示屏。

引言

當(dāng)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(yīng)速度慢,造成能源浪費(fèi)和動(dòng)態(tài)模糊。LED 靜態(tài)背光效果雖好,但是其耗能也較為嚴(yán)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(jìn)行分析,在某些區(qū)域適當(dāng)?shù)夭捎玫鸵患?jí)亮度的LED 背光,不僅可以節(jié)能,而且會(huì)擴(kuò)大圖像顯示的對比度,消除動(dòng)態(tài)模糊現(xiàn)象。

1 設(shè)計(jì)方案及其原理

動(dòng)態(tài)背光源表面上是個(gè)整體,其實(shí)內(nèi)部在制作原理圖時(shí)已經(jīng)將之分成多個(gè)區(qū)域,分別控制其各自的亮度??芍彻鉄舻拿芗仍礁撸瑒澐值膮^(qū)域越多、面積越小,顯示出來的整體效果會(huì)越好。但是從成本、經(jīng)濟(jì)價(jià)值、制作工藝、節(jié)能等方面綜合考慮,可知燈的數(shù)目不可能無限多,劃分的區(qū)域也不會(huì)無限密集,但是總可以找到一個(gè)最合適的設(shè)計(jì)規(guī)格。

RGB 色彩模型是工業(yè)界的一種顏色標(biāo)準(zhǔn),通過RGB 模型為圖像中每一個(gè)像素的RGB 分量分配一個(gè)0~255 范圍內(nèi)的強(qiáng)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(xiàn)16,777,216 種顏色。在本系統(tǒng)只有RGB 各個(gè)分量不能直接得到我們需要的亮度控制參數(shù)Ki,需要經(jīng)過FPGA運(yùn)算得到圖像各個(gè)像素的灰度值,然后再計(jì)算。

對圖像進(jìn)行灰度計(jì)算的基本思想是將每個(gè)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(yīng)該是每個(gè)分量需有一定的權(quán)重,計(jì)算公式如下所示。

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

(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(gè)系統(tǒng)中為一固定值,可不予關(guān)注,γ 為RGB 像素矯正因子,B 為背光源亮度值。

當(dāng)背光源的亮度變?yōu)樵瓉淼?/λ即B' 時(shí),為了使人眼觀察灰度C' 像素的亮度不發(fā)生大的變化,應(yīng)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(diào)節(jié)由8bit 數(shù)據(jù)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(gè)灰度級(jí)別(本實(shí)驗(yàn)中所使用驅(qū)動(dòng)芯片的灰度級(jí)別為4,096)。所以可以令控光參數(shù)Ki:

其中Cmax 為各個(gè)分割區(qū)域中的最大灰度值,Ci為各個(gè)相應(yīng)區(qū)域的最大灰度值,計(jì)算得到的區(qū)域控光參數(shù)Ki 來調(diào)節(jié)FPGA 的輸出,來調(diào)節(jié)背光板亮度,從而可以得到校正后各個(gè)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(hào)和校正后的RGB 信號(hào)等傳輸給LCD 板。

方案中SDRAM 的主要作用有兩個(gè):一是在FPGA 處理不及時(shí)的情況下,用來存儲(chǔ)從圖形控制器傳過來的行、場同步信息和RGB 數(shù)據(jù)信息等;二是存儲(chǔ)FPGA 處理過的數(shù)據(jù),單LCD 板未來得及處理的信息。這樣設(shè)計(jì)的目的在于達(dá)到數(shù)據(jù)不丟失,信息傳輸更及時(shí)的效果。

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2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

在驅(qū)動(dòng)芯片的選擇上, 我們用TI 公司的TLC5947,每個(gè)通道由12bits PWM 脈寬調(diào)制,具有24 路輸出通道,所以一個(gè)數(shù)據(jù)傳遞周期將會(huì)接收288bits 數(shù)據(jù)。芯片所需電壓為3.0~5.5V,有溫控系統(tǒng),當(dāng)芯片的溫度過高時(shí)會(huì)自動(dòng)斷開,以保護(hù)芯片。

從芯片的引腳25 可以看出,此款芯片支持級(jí)聯(lián),可以多個(gè)芯片共同工作以驅(qū)動(dòng)更大規(guī)模的顯示屏幕。從引腳1 到引腳24,每個(gè)輸出通道由12bit輸入數(shù)據(jù)來控制,其內(nèi)部含有4MHz 的晶振,輸入數(shù)據(jù)與212 即4,096 的比值即為輸出脈沖的占空比,從而實(shí)現(xiàn)對背光源相應(yīng)區(qū)域的PWM 調(diào)制。從中可知,TLC5947 將灰度分為4,096 級(jí),我們可以大尺度、精密地細(xì)分背光源的亮度,以達(dá)到更好動(dòng)態(tài)背光效果。

圖2 TLC5947 引腳注釋

驅(qū)動(dòng)電路中的電阻由所驅(qū)動(dòng)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(hào)有嚴(yán)格的時(shí)序要求,電源與地之間的電容主要起到一個(gè)濾波作用,盡量值選大些。

表1 配置電阻與驅(qū)動(dòng)電流的關(guān)系

圖3 背光源驅(qū)動(dòng)電路

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3 軟件設(shè)計(jì)

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

從實(shí)驗(yàn)得到的效果來看,該款芯片的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)理為:每個(gè)傳輸周期,每遇SCLK 上升沿將會(huì)從SIN 口讀入1bit 數(shù)據(jù)存入寄存器,在SCLK 下降沿時(shí),將讀入的數(shù)據(jù)從SOUT 傳出(內(nèi)部對數(shù)據(jù)仍有保留) 輸給下一級(jí),直至讀入288bits 數(shù)據(jù)。每12bits 為一組,分別送到各自的通道,并且每組數(shù)據(jù)先讀入的居于較高位,然后依次排列。例如,讀取的數(shù)據(jù)按時(shí)間先后排列為1、0、0、0、0、0、0、0、0、0、0、0,則相應(yīng)的控制信號(hào)為100000000000,那么控制通道的占空比即為:

根據(jù)PWM 調(diào)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(shí)鐘信號(hào)需要在每接收完288bits 時(shí)有段時(shí)間的低電平,盡量滿足芯片的時(shí)序要求。另外,控制信號(hào)BLANK 在每個(gè)周期空閑時(shí)(不傳輸數(shù)據(jù)時(shí)),需要有個(gè)高電平變換,這樣可以將鎖存器里面的數(shù)據(jù)清零,以便接受新一輪的控制數(shù)據(jù),否則,燈的亮度明顯會(huì)偏暗。

RGB 數(shù)據(jù)經(jīng)過FPGA 的處理,轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的灰度值,然后再計(jì)算出相應(yīng)的控光參數(shù)Ki (我們可以分的灰度級(jí)別不超過4,096),傳輸給TLC5947的SIN,即可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)背光調(diào)節(jié)。

圖4 輸入輸出信號(hào)設(shè)置

圖5 信號(hào)仿真圖

圖6 PWM 調(diào)制輸出波形

4 結(jié)論

通過理論分析和實(shí)驗(yàn)測試,動(dòng)態(tài)背光調(diào)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(shè)和諧社會(huì)的今天以及對LCD 顯示器的未來發(fā)展都具有很好的應(yīng)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(dòng)態(tài)背光調(diào)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(huì)和最亮的(右下角)一致,而現(xiàn)在我們將之分割為各個(gè)不同區(qū)域,使得每個(gè)區(qū)域均有自己的最佳亮度,而不必以整個(gè)圖像最亮一點(diǎn)為標(biāo)準(zhǔn),并且不影響顯示效果。這樣,也就實(shí)現(xiàn)了我們預(yù)期的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的目的。

圖7 背光源效果圖

 

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