基于FPGA動態(tài)背光源及其驅(qū)動電路設(shè)計

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(nèi)容逐幀分析，然后選擇最佳背光亮度的一種由FPGA 控制的動態(tài)背光源設(shè)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(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(dāng)?shù)夭捎玫鸵患壛炼鹊腖ED 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(xiàn)象。

1 設(shè)計方案及其原理

動態(tài)背光源表面上是個整體，其實內(nèi)部在制作原理圖時已經(jīng)將之分成多個區(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越好。但是從成本、經(jīng)濟價值、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)域也不會無限密集，但是總可以找到一個最合適的設(shè)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(nèi)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(xiàn)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(shù)Ki，需要經(jīng)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(yīng)該是每個分量需有一定的權(quán)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(dāng)然可以整體的放大或縮小，即乘以一個共同的系數(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，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灰度級別（本實驗中所使用驅(qū)動芯片的灰度級別為4,096）。所以可以令控光參數(shù)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(yīng)區(qū)域的最大灰度值，計算得到的區(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(shù)據(jù)信息等；二是存儲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)計的目的在于達到數(shù)據(jù)不丟失，信息傳輸更及時的效果。