如何匹配汽車(chē)TFT-LCD面板的色彩亮度

作者/Theju Bernard Intersil公司

　　引言

　　對伽馬校正的需求源于CRT電視顯示器的發(fā)明。CRT使用電子束光柵來(lái)照亮顯示器前面板背后的熒光涂層。所施加的柵極控制電壓按比例控制發(fā)光強度，并遵守冥次法則：發(fā)光強度 = 控制電壓的伽馬次方。這種控制具有內在的非線(xiàn)性性質(zhì)。CRT的標稱(chēng)伽馬值為大約2.5。另一方面，人眼具有反向響應，對灰度級較暗部分的變化相對敏感。因此，為使最終圖像對人眼顯示出灰度級真實(shí)深度的變化，必須在圖像傳輸前對紅、綠和藍信號進(jìn)行伽馬校正。該校正在視頻源系統中進(jìn)行，如電視廣播攝像頭。

　　攝像頭設計的輸出電壓與發(fā)光強度成比例，等于發(fā)光強度的1/2.5次方(0.4次方)。由于略大于1的伽馬值比較受偏愛(ài)，因此，廣播標準通常使用0.5的伽馬值，從而使系統伽馬值為1.25。由圖1可知，攝像頭的內置伽馬響應是CRT響應的倒數，因此，無(wú)需進(jìn)行額外的系統伽馬校正。但必須對TFT-LCD的信號進(jìn)行調節，以補償攝像頭的伽馬調整，后者最初是為CRT顯示器而設置的。

　　圖1 傳統CRT系統的伽馬值

　　1 汽車(chē)LCD面板伽馬校準

　　TFT-LCD面板在汽車(chē)組合儀表、信息娛樂(lè )、導航本體單元及高級駕駛輔助系統(ADAS)智能后視鏡上的應用越來(lái)越多。它們不是用電子槍和熒光層來(lái)產(chǎn)生發(fā)光強度，而是通過(guò)向液晶像素施加電壓來(lái)控制“背光”穿過(guò)像素的透射率。采用冷陰極熒光燈(CCFL)或發(fā)光二極管(LED)陣列來(lái)提供“背光”。施加于液晶像素的電壓可以控制傳送到前面的背光光量，以便再現傳輸圖像，這可定義針對TFT-LCD的透射率曲線(xiàn)。

　　TFT-LCD的伽馬值不同于CRT，不過(guò)它具有輕微的伽馬響應。傳統廣播系統的伽馬校準在信號傳輸過(guò)程中進(jìn)行，以補償CRT伽馬響應，而且這結合了人眼的反向響應。因此，必須在將信號施加于TFT-LCD面板之前對其進(jìn)行伽馬校正。TFT-LCD伽馬校正有必要遵循CRT顯示器的伽馬校正。輸入視頻信號是數字式的，且伽馬校正碼施加于數模轉換器(DAC)，以產(chǎn)生電壓，并施加于像素。這些伽馬校正碼可幫助面板顯示器制造商確定滿(mǎn)足視覺(jué)效果要求的合適校正碼。系統常常能夠存儲針對不同環(huán)境光條件的多個(gè)伽馬校正設置。圖2顯示了用于TFT-LCD面板的規范化伽馬校正，以實(shí)現系統伽馬值1。

　　圖2 LCD系統伽馬值

　　數字視頻數據，通常是低壓差分信號(LVDS)，必須使用DAC進(jìn)行轉換，以產(chǎn)生施加于像素的模擬電壓。使用面板的源/列驅動(dòng)器中的分段非線(xiàn)性DAC進(jìn)行伽馬校正(有意實(shí)現非線(xiàn)性)。源驅動(dòng)器DAC決定可向像素施加多少個(gè)不同的電壓階躍(如一個(gè)8位DAC可產(chǎn)生28或256個(gè)灰度級)。圖3顯示了由每個(gè)電壓階躍造成的灰度級強度變化感知，是相對于面板的伽馬響應(電壓-透射率或V-T曲線(xiàn))和眼睛的響應。

　　圖3 不同伽馬響應的相對強度變化對比

　　伽馬校正的非線(xiàn)性性質(zhì)導致亮度等級低的圖像數據被壓縮，而亮度等級高的圖像數據壓縮很少或沒(méi)有壓縮。低等級壓縮使得處于“暗”至“較暗”區域的圖像數據比較醒目，人眼更容易察覺(jué)。這可改善圖像深度。作為附加好處，這種壓縮和非線(xiàn)性導致用于亮度編碼的位數較低(如非線(xiàn)性情況為8位，而線(xiàn)性情況為12位或14位)。另外，壓縮還可幫助降低可能存在的視頻信號噪聲。

　　2 可編程伽馬緩沖器

　　為將LCD面板的伽馬響應變?yōu)樾枰腣-T傳遞函數，面板的源(列)驅動(dòng)器DAC可使用施加于多個(gè)分接點(diǎn)的各種參考電壓。這些電壓迫使每個(gè)DAC有特定理想非線(xiàn)性工作條件。參考電壓常常由伽馬緩沖器IC提供，通常是向DAC分接點(diǎn)提供模擬電壓的緩沖放大器。伽馬緩沖器IC可以是靜態(tài)或可編程的。Intersil ISL76534是一款可以用于汽車(chē)LCD面板的器件，它由基于I2C的14通道可編程伽馬緩沖器和一個(gè)VCOM通道組成，二者的分辨率均為10位。該器件可向汽車(chē)TFT-LCD源驅動(dòng)器提供準確和穩定的DC參考電壓。TFT-LCD面板系統簡(jiǎn)化框圖如圖4所示。

　　圖4 簡(jiǎn)化的TFT-LCD面板框圖

　　借助對DAC分接點(diǎn)的控制，汽車(chē)LCD面板制造商能夠對電壓進(jìn)行微調，從而進(jìn)一步調整或校準面板的非線(xiàn)性伽馬響應(亦稱(chēng)伽馬校準)。這有助于汽車(chē)LCD面板制造商能夠確保其某一型號的所有LCD面板具有一致的伽馬響應。這意味著(zhù)由LCD生產(chǎn)制造差異等因素造成的潛在視覺(jué)效果差異得以最小化，因此，汽車(chē)LCD面板制造商能夠提供更一致和具有視覺(jué)吸引力的產(chǎn)品。消費者則能放心其所購買(mǎi)的汽車(chē)的顯示器與其在經(jīng)銷(xiāo)商處試駕時(shí)看到的顯示器具有相同的視覺(jué)效果。

　　最終由面板制造商決定以何種方式來(lái)校準伽馬響應(如γ = 2.2、γ = 2.0、γ = 1.8，或者基于預期亮度的不同伽馬值的組合)，使其顯示器具有特定的視覺(jué)效果。值得注意的是，伽馬特性容易隨著(zhù)視角變大和不同的環(huán)境照明條件而變化，所以在購買(mǎi)汽車(chē)時(shí)應當比較一下顯示器在強光和低光條件下的顯示效果，以確定顯示的圖像是否令你滿(mǎn)意。

　　3 不同伽馬值的圖像比較

　　圖5比較了同一幅圖像具有不同總伽馬值時(shí)的視覺(jué)效果，很容易看出來(lái)差異。圖5B所示圖像是標稱(chēng)(原始)伽馬值(如γ = 2.2)，圖5A所示圖像大于標稱(chēng)值，圖5C所示圖像小于標稱(chēng)值。圖5C所示圖像隨著(zhù)暗色消失而失去對比度，并變得有點(diǎn)反白;圖5A所示圖像的對比度較大，但總體上暗色的區域比較多。

　　圖5A 高伽馬值圖像示例

　　圖5B 標稱(chēng)伽馬值圖像示例

　　圖5C 低伽馬值圖像示例

　4 伽馬值和汽車(chē)信息娛樂(lè )顯示設置

　　汽車(chē)LCD面板具有由源驅動(dòng)器性能決定的黑-白端點(diǎn)等級，但在視頻數據處理期間可對信號進(jìn)行數字調整。另外，也可通過(guò)調節LCD面板的背光強度來(lái)改變亮度，這增加了又一個(gè)系統性能維度。顯示器控制功能常?？蓪α炼群蛯Ρ榷?、白天和夜晚設置進(jìn)行調整。

　　可編程伽馬緩沖器可簡(jiǎn)化評估和設置顯示器傳遞函數的任務(wù)，亦即將該任務(wù)轉移到汽車(chē)顯示器生產(chǎn)商的制造周期。這些伽馬設置被編程到EEPROM中，并在系統加電時(shí)傳送至DAC。有些緩沖器具有多個(gè)存儲器組來(lái)保存對應于不同環(huán)境光條件的多個(gè)顯示器設置文件(profile)，以及可由用戶(hù)使用相應工具保存和存儲的定制設置。制造商提供的伽馬設置文件通常足以滿(mǎn)足大多數汽車(chē)應用的要求。編程工作在初始設置期間完成，此后設置文件不再變化，除非需要通過(guò)微調來(lái)改進(jìn)顯示器的視覺(jué)效果。

　　5 結論

　　汽車(chē)LCD面板制造商力求讓其顯示器面板的圖像視覺(jué)效果受到汽車(chē)制造商和消費者的認可。這需要穩定的伽馬緩沖器參考值，以確保其LCD面板顯示的視頻彩色圖像具有完全相同的對比度、亮度和色彩，不因不同顯示器而異。使用高精度可編程伽馬緩沖器(如Intersil ISL76534)可實(shí)現這一目標。