基于FPGA動(dòng)態(tài)背光源及其驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

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。可知背光燈的密集度越高，劃分的區(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。