使用FPGA實現(xiàn)自適應全陣列局部調(diào)光解決方案

乍一看，今天的汽車看起來跟幾十年前的汽車沒什么差別，但事實并非如此。車艙內(nèi)、引擎蓋下甚至輪胎內(nèi)都隱藏這巨大的變化，可謂到處都有進步。

當前的一個趨勢是向軟件定義車輛發(fā)展，對車輛的許多功能和特性的控制是集中式的。實現(xiàn)方式是利用微處理器、傳感器和軟件算法來增強車輛性能、功能和用戶體驗。軟件定義車輛的一些關鍵方面包括集中計算、無線（OTA）更新和云通信。

然后就是車輛的電氣化。這是指用電子元件替換或補充傳統(tǒng)機械元件的過程。其中最顯而易見的就是電機。混合動力車型是向電動汽車（EV）的過渡的主要階段，這類汽車同時擁有燃油發(fā)動機和電機，最后持續(xù)發(fā)展到僅由電動機驅動。由于沒有廢氣排放，電動汽車更環(huán)保，而且減少了人們對化石燃料的依賴，有助于全球ESG治理。

軟件定義和電動汽車的下一階段就是自動駕駛汽車。同樣，隨著高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）功能的不斷完善，這也是分步實現(xiàn)的。當今的ADAS系統(tǒng)利用傳感器、攝像頭、雷達和其他組件來監(jiān)控車輛周圍環(huán)境、收集數(shù)據(jù)并協(xié)助駕駛員。這些系統(tǒng)提供實時反饋、警告和干預措施，減少道路上的潛在危險。目前常見的ADAS功能包括自適應巡航控制、車道偏離警告、自動緊急制動、盲點檢測和停車輔助系統(tǒng)。隨著這些功能承擔更多的責任，汽車的計算系統(tǒng)完全控制車輛的一天終將到來。

下一代汽車顯示屏無處不在

然后是“娛樂”功能，就現(xiàn)代汽車而言，這意味著集成下一代智能手機的所有功能，例如Wi-Fi、藍牙、GPS、流媒體音頻和視頻等。為了提供這些功能，整車的不同位置都需要適當?shù)娘@示屏，包括中央娛樂中心、儀表盤、平視顯示器（HUD）和后座顯示器。有時制造商還會部署顯示器作為后視鏡的替代。

談到這些顯示器時，你可能會認為OLED（有機LED）是最理所當然的選擇，因為車輛內(nèi)的照明條件跨度很大，從強光直射到近乎完全黑暗，視角范圍也很大，從直視到大角度斜視。但是雖然OLED可以提供很高的對比度，但與背光LCD相比，它們亮度不夠。此外，眾所周知，OLED會遇到壽命問題，不同顏色會以不同的速率老化，隨著時間的推移影響圖像質量。

出于其中一些原因，制造商會堅持使用能久經(jīng)考驗的LCD屏，它們具有各種尺寸和分辨率。一個重要的考慮因素顯然是成本，LCD的價值在于其成熟的制造工藝和在惡劣的汽車溫度環(huán)境中表現(xiàn)出的可靠性。LCD的使用壽命通常也比OLED更長。OLED中使用的有機材料會隨著時間的推移而降解，這可能導致殘影和色彩偏移。而LCD不易出現(xiàn)此類問題，并且可以在較長時間內(nèi)保持其圖像質量。

此外，出于多種原因，設計人員需要最大程度降低汽車顯示器的延遲。它們會影響駕駛員安全，車輛中多個顯示器的不同步問題也會影響用戶體驗。

局部調(diào)光

標準LCD顯示屏通常使用背光，背光是位于液晶層后面的均勻光源。為了創(chuàng)建圖像，液晶打開或關閉來控制通過每個像素的光量。然而，即使處于關閉狀態(tài)，背光的一些光線也會泄漏，導致黑色不完美，對比度降低。

消費者已經(jīng)習慣了智能手機和電視的高對比度顯示屏，汽車顯示屏也必須達到這一標準。局部調(diào)光是產(chǎn)生消費者所期望的高對比度、絢麗圖像的一種流行選擇，這在較差的照明環(huán)境中尤其有益。

隨著汽車使用更多、更高質量的LCD，局部調(diào)光技術也在汽車中發(fā)揮越來越重要的作用。局部調(diào)光旨在通過選擇性調(diào)暗或關閉屏幕背光的某些區(qū)域來增強對比度并改善黑電平。這是通過將背光劃分為多個區(qū)域實現(xiàn)的。每個區(qū)域都可以獨立控制以調(diào)整其亮度或完全關閉。當圖像的特定部分需要較暗的區(qū)域時，局部調(diào)光算法會降低該區(qū)域的背光強度，從而有效地使相應的像素變暗。

局部調(diào)光技術主要有兩種類型，全陣列式（full-array）和側光式（edge-lit）。側光式局部調(diào)光方案中，LED位于顯示面板的邊緣，使用光導或漫射器照亮整個屏幕，并通過動態(tài)調(diào)整邊緣不同LED的亮度來實現(xiàn)局部調(diào)光。全陣列局部調(diào)光在LCD 面板后面使用了一組LED，可提供更精確的控制并產(chǎn)生更好的對比度和黑電平。LED分為多個區(qū)域，可以單獨調(diào)暗或關閉。采用的分區(qū)數(shù)量直接影響性能，但會使設計更加復雜。

汽車應用中的局部調(diào)光是一個計算密集型功能，因為所需的算法相對復雜。除了考慮各個分區(qū)外，軟件還必須持續(xù)監(jiān)控照明條件，它會隨著汽車的行駛而不斷變化，如白天和黑暗、不同的天氣條件、通過隧道等。

局部調(diào)光算法會根據(jù)檢測到的環(huán)境光水平，相應地調(diào)整顯示器的背光。此外，算法還必須監(jiān)控正在顯示的內(nèi)容，并根據(jù)內(nèi)容中的特定元素相應調(diào)整亮度和對比度。減少眩光也是一個關鍵因素，因為來自外部光源（如陽光或迎面而來的大燈）的眩光會影響顯示器的可見度。局部調(diào)光算法可最大程度地減少眩光并提高可視度。

一些制造商正在采用基于傅里葉級數(shù)的LCD優(yōu)化方案，這是一種使用傅里葉級數(shù)分析原理來優(yōu)化顯示器輸出的技術。這種方法涉及分析目標信號的輸出特性，例如強度和顏色分布，然后確定適當?shù)碾娦盘杹眚寗语@示器以實現(xiàn)這些特性。

同樣的局部調(diào)光技術可用于汽車的平視顯示器（HUD），這些顯示器通常用于將駕駛信息投射到擋風玻璃上，例如汽車的速度，導航指令或警告。HUD的局部調(diào)光不僅增強了可視性，還消除了所謂的“明信片效果”，提供更加無縫的體驗。

對人工智能的依賴

與當今許多設計領域一樣，人工智能已經(jīng)影響了局部調(diào)光的各個方面，特別是所謂的“深度可控背光調(diào)光”。這種方案可以分析內(nèi)容，做出明智的決策，并動態(tài)調(diào)整背光來提高圖像質量，改善用戶體驗。AI算法根據(jù)不同的顯示內(nèi)容和照明條件不斷調(diào)整背光。AI和ML模型可以快速分析和響應內(nèi)容的變化，確保背光優(yōu)化并與顯示的圖像同步。

這些相同的算法可以通過提高圖像質量和減少偽影來增強用戶體驗。利用人工智能和機器學習（ML），算法可以適應不同的內(nèi)容類型，如視頻、游戲或文本，并相應地優(yōu)化背光，提供視覺上令人愉悅和舒適的觀看體驗。

FPGA實現(xiàn)局部調(diào)光

FPGA是在汽車LCD面板中實現(xiàn)局部調(diào)光的絕佳選擇，原因有很多，其中包括：

●   實時處理能力。汽車LCD面板中的局部調(diào)光需要FPGA提供的快速響應處理，從而分析內(nèi)容、調(diào)整背光區(qū)域和控制LED亮度。

●   AI和ML。FPGA提供了運行這些復雜算法所需的算力。

●   定制和靈活性。設計人員可以借助FPGA的特性，實現(xiàn)汽車LCD局部調(diào)光要求的自定義算法和控制策略。

●   高速接口。FPGA通常支持一系列高速I/O，這是支持面板顯示大量內(nèi)容所必需的。

●   資源優(yōu)化。設計人員可以分配專門的硬件資源，即使用FPGA大量的I/O以及本地存儲空間用于局部調(diào)光操作，這些存儲器可以有效地處理局部調(diào)光所涉及的復雜計算。

●   高度可靠。汽車應用需要穩(wěn)定可靠的解決方案，能夠承受惡劣的環(huán)境條件、溫度變化以及沖擊和振動。

●   面向未來。汽車顯示器和局部調(diào)光算法會不斷發(fā)展。FPGA提供適應性和可升級選項，允許實現(xiàn)新算法、控制策略或系統(tǒng)增強功能。此外，F(xiàn)PGA還支持輕松遷移，以及靈活選擇LCD和LED背光控制器供應商。

萊迪思半導體FPGA提供實現(xiàn)汽車LCD局部調(diào)光應用所需的所有特性和規(guī)格，包括低功耗、小封裝尺寸、可擴展性、合適的工藝節(jié)點和足夠的穩(wěn)定性。萊迪思DriveTM支持FPGA快速運用于汽車應用，并且作為萊迪思首款汽車市場解決方案集合，非常適配針對汽車應用進行優(yōu)化的低功耗、小型FPGA。

萊迪思Drive的首個版本的側重于顯示器接口和處理，它提供參考設計和演示、定制設計服務、軟件工具、IP核和硬件平臺。

例如，萊迪思Nexus CertusPro-NX? FPGA支持靈活的接口，包括最高HBR3（8.1gbps）的DisplayPort，通過單根線纜以高分辨率和刷新率連接多個屏幕。CertusPro-NX具有可擴展性和適應性，支持多個區(qū)域和不同的面板，并允許控制各種LED驅動器IC。

只需一片萊迪思CertusPro-NX FPGA器件就可以處理實現(xiàn)汽車LCD面板局部調(diào)光方案的幾乎所有功能。如果需要，Nexus FPGA平臺可實現(xiàn)甚至數(shù)千個分區(qū)。

設計人員目前在此應用中面臨的一個關鍵挑戰(zhàn)包括需要控制的大量LED、沒有標準的LED驅動器接口以及不同的電路板設計和布局。萊迪思Nexus? FPGA平臺擁有更高精度的掃描線切換時序控制、豐富的I/O接口組合、對大多數(shù)LED驅動器IC的支持以及重新映射LED矩陣的能力，這些特性都有助于解決上述問題。

圖中展示了萊迪思與Parretto和Lincoln Technologies Solutions合作設計和創(chuàng)建的DisplayPort、視頻縮放器和局部調(diào)光演示。

萊迪思構建的演示清楚地展示了局部調(diào)光的工作原理。它圍繞Raspberry Pi開發(fā)板，通過GPIO將720p 50Hz視頻流式傳輸?shù)饺R迪思CertusPro-NX FPGA。內(nèi)部視頻縮放器獲取該視頻數(shù)據(jù)，并將其放大到 2160p（50 Hz）。同時，局部調(diào)光功能可動態(tài)控制面板的全 LED 陣列背光。然后DisplayPort發(fā)送器IP獲取放大后的視頻，并以HBR2（4通道）格式將其流式傳輸?shù)?K像素面板。最后，面板顯示該視頻，同時全LED陣列背光處于持續(xù)控制之中。

綜上所述，萊迪思Nexus平臺用于汽車局部調(diào)光應用的原因有很多。它包括了一個經(jīng)濟高效的單芯片解決方案，可最大限度地提高靈活性，支持所有流行的視頻接口，包括LVDS、eDP、MIPI和V-by-One等，還支持低處理延遲、8.1 Gbit/s傳輸，12位內(nèi)部處理精度等。

相信領導者的力量

作為低功耗可編程器件的領先供應商，萊迪思樹立了低功耗、小尺寸FPGA的性能和功耗標準。萊迪思致力于發(fā)揚為客戶提供支持和咨詢的企業(yè)文化，有助于其保持行業(yè)領先地位。

萊迪思提供基于Nexus的創(chuàng)新解決方案，將設計軟件和現(xiàn)成的軟IP模塊與評估板、套件和參考設計相結合。了解有關萊迪思Nexus平臺或其萊迪思Drive的更多信息，請聯(lián)系您當?shù)氐娜R迪思銷售代表。