基于FPGA動(dòng)態(tài)背光源及其驅動(dòng)電路設計

摘要：LCD 顯示離不開(kāi)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(dòng)態(tài)模糊以及低對比度等問(wèn)題，并且耗能也較為嚴重。文章著(zhù)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(dòng)態(tài)背光源設計方案。實(shí)驗采用的是TI 公司的TLC5947，具有多個(gè)輸出通道，可以適用于大規模顯示屏。

引言

當代LCD 顯示大部分采用的是冷陰極射線(xiàn)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(dòng)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(jìn)行分析，在某些區域適當地采用低一級亮度的LED 背光，不僅可以節能，而且會(huì )擴大圖像顯示的對比度，消除動(dòng)態(tài)模糊現象。

1 設計方案及其原理

動(dòng)態(tài)背光源表面上是個(gè)整體，其實(shí)內部在制作原理圖時(shí)已經(jīng)將之分成多個(gè)區域，分別控制其各自的亮度?？芍彻鉄舻拿芗仍礁?，劃分的區域越多、面積越小，顯示出來(lái)的整體效果會(huì )越好。但是從成本、經(jīng)濟價(jià)值、制作工藝、節能等方面綜合考慮，可知燈的數目不可能無(wú)限多，劃分的區域也不會(huì )無(wú)限密集，但是總可以找到一個(gè)最合適的設計規格。

RGB 色彩模型是工業(yè)界的一種顏色標準，通過(guò)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Ki，需要經(jīng)過(guò)FPGA運算得到圖像各個(gè)像素的灰度值，然后再計算。

對圖像進(jìn)行灰度計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，應該是每個(gè)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(gè)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(gè)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(guò)率，在同一個(gè)系統中為一固定值，可不予關(guān)注，γ 為RGB 像素矯正因子，B 為背光源亮度值。

當背光源的亮度變?yōu)樵瓉?lái)的1/λ即B' 時(shí)，為了使人眼觀(guān)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(gè)灰度級別（本實(shí)驗中所使用驅動(dòng)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(gè)分割區域中的最大灰度值，Ci為各個(gè)相應區域的最大灰度值，計算得到的區域控光參數Ki 來(lái)調節FPGA 的輸出，來(lái)調節背光板亮度，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(chǎng)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(gè)：一是在FPGA 處理不及時(shí)的情況下，用來(lái)存儲從圖形控制器傳過(guò)來(lái)的行、場(chǎng)同步信息和RGB 數據信息等；二是存儲FPGA 處理過(guò)的數據，單LCD 板未來(lái)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(shí)的效果。