基于FPGA的LED顯示屏亮度控制方法

魏　巍, 楊繼省

(西安郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院， 陜西 西安 710121)

基于FPGA的LED顯示屏亮度控制方法

魏巍, 楊繼省

(西安郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院， 陜西 西安 710121)

摘要:針對灰度數(shù)據(jù)在反γ校正后出現(xiàn)損失的問題，設(shè)計一種基于FPGA的LED顯示屏亮度控制方法。根據(jù)亮度顯示原理與人眼視覺特性，利用占空比控制進(jìn)行亮度調(diào)整。通過調(diào)節(jié)高低位非“1”位灰度數(shù)據(jù)占用子場數(shù),增大點亮?xí)r間總和；以及通過增加子場數(shù)總和，減小每個子場對應(yīng)的權(quán)重，使得點亮?xí)r間總和保持不變兩種方式，進(jìn)而調(diào)整點亮?xí)r間占總時間的比重。對比實驗結(jié)果表明，調(diào)節(jié)點亮?xí)r間總和可以使發(fā)光效率最高達(dá)到76.2%，改變子場數(shù)可以達(dá)到71.1%，可以減緩因反γ校正導(dǎo)致的亮度損失。

關(guān)鍵詞:反γ校正；子場數(shù)；點亮?xí)r間；發(fā)光效率；亮度調(diào)節(jié)

發(fā)光二極管(Light-EmittingDiode,LED)顯示屏具有壽命長、發(fā)光效率高、色彩顯示豐富和維護(hù)方便等優(yōu)點，己廣泛用于各個公共場所[1]。它已從最初的高端應(yīng)用擴(kuò)展到現(xiàn)在覆蓋民生、娛樂等基礎(chǔ)應(yīng)用領(lǐng)域，這就對LED顯示技術(shù)提出了巨大的挑戰(zhàn)。

目前,國內(nèi)外較為成熟顯示技術(shù)是同步控制系統(tǒng)和異步控制系統(tǒng)[2]。同步控制掃描系統(tǒng)[3]是指在計算機(jī)播放視頻的同時LED顯示屏正在同步顯示，兩個畫面進(jìn)行同步播放，它一般用于體育賽場等需要實時顯示的場合。異步控制系統(tǒng)[4]是指先將視頻存儲于存儲卡中，根據(jù)實際需要調(diào)用存儲卡中的視頻至LED顯示屏顯示，其方法是基于現(xiàn)場可編程門陣列(FieldProgrammableGateArray，F(xiàn)PGA)的彩色LED顯示屏異步控制系統(tǒng)。采用ARM系列芯片為主控制單元，對入口的數(shù)字視頻接口(DigitalVisualInterface，DVI)差分信號進(jìn)行處理并存儲，F(xiàn)PGA芯片為掃描控制單元，分模塊進(jìn)行控制，可以有效簡化顯示屏的電路結(jié)構(gòu)，提高整個控制系統(tǒng)的靈活性和可靠性。但是,在掃描控制單元中經(jīng)過反γ校正后得到的視頻數(shù)據(jù)是由原數(shù)據(jù)直接擴(kuò)展而來，如果直接上屏顯示，勢必會導(dǎo)致亮度損失。一般的處理方法是通過亮度數(shù)據(jù)乘以亮度系數(shù)的方法[5]來控制LED顯示屏的亮度，這種方法雖然簡單，但由于LED正向特性陡峭，加上元件參數(shù)的離散性，即使相同的電源，相同限流電阻，每個LED的電流也不盡相同，最終表現(xiàn)為LED的亮度不均勻；另一種方法是提高晶振頻率[6]，但這對硬件提出較高的要求，并且還會降低硬件壽命，使控制板的制作更加困難，維護(hù)更加頻繁，加大了生產(chǎn)成本與維護(hù)成本。本文提出一種改變LED顯示屏的子場數(shù)以及權(quán)重的方法調(diào)節(jié)顯示屏亮度，并利用FPGA實現(xiàn)亮度調(diào)節(jié)。

1基礎(chǔ)知識

1.1反γ校正原理

顯示設(shè)備在保證最終顯像亮度和物體真實亮度成線性關(guān)系的情況下，可以逼真地達(dá)到原始物體的顯示效果[7]。然而，非線性顯示設(shè)備陰極射線管(CathodeRayTube，CRT)需要滿足

其中，Xin為輸入數(shù)據(jù)，Yout為輸出數(shù)據(jù)，K為線性系數(shù)，γ為指數(shù)系統(tǒng)。

反γ校正模塊對于原始數(shù)據(jù)除了進(jìn)行反γ校正之外還對其8bits的三原色數(shù)據(jù)進(jìn)行了色彩度提升的處理，使顯示圖像更加貼近原始圖像。對于原始圖像，三原色的灰度級是28=256，提升到16bits后的灰度級是216=65 536，此時輸出數(shù)據(jù)與xin的關(guān)系可表示為

由于數(shù)據(jù)源的不匹配，則必須對原有數(shù)據(jù)源進(jìn)行一系列數(shù)學(xué)處理才能夠逼真地顯示原始物體，加之灰度級提升處理，這勢必會造成數(shù)據(jù)丟失，最明顯的就是灰度丟失。

1.2亮度顯示原理

LED顯示屏每次掃描移位時，只是顯示其中一位，等待下一個周期到來時，再掃描下一個高位數(shù)據(jù)，由于反γ校正后的灰度級是16bits，那么在掃描顯示時最少要顯示16次才能無損失，但是這種情況下可能會導(dǎo)致亮度較低或者出現(xiàn)閃爍、以及對比度不均勻等情況。

設(shè)最低位點亮的時間為t(單位：s)。第i位(i=0,1,2,…,15)數(shù)據(jù)位對應(yīng)的權(quán)重為Di，第n位(n=0,1,2,…,15)對應(yīng)的亮度時間為一個子場時間T(單位：s)。各數(shù)據(jù)位上的點亮?xí)r間為公比是2的等比數(shù)列，則

T=2nt(n=0,1,2,…,15),

顯示一幀數(shù)據(jù)需要的點亮?xí)r間[8]

顯示一幀數(shù)據(jù)需要的總時間[9]

T[(1-21-n)+(216-n-1)]=

(216-n-21-n)T。

LED顯示屏亮度衡量標(biāo)準(zhǔn)是發(fā)光效率[10]，為點亮?xí)r間和所需總時間的比值。因此，發(fā)光效率可表示為

屏幕的刷新率是指電子束對屏幕上的圖像重復(fù)掃描的次數(shù)[11]。它與掃描總時間成反比，則刷新率

由上述分析可知，影響發(fā)光效率的因素不只與第n位上的權(quán)值Dn有關(guān)，還與開始位所用子場時間的整數(shù)倍，即該位的點亮?xí)r間權(quán)值有關(guān)。n的取值越小，即開始計算的位數(shù)越低，其發(fā)光效率越高，亮度也越高。同時，這也反映了最低位點亮?xí)r間越長則n值也會越小，但隨著n取值變小會導(dǎo)致子場數(shù)越來越高，幀數(shù)據(jù)刷新時間變長，刷新率降低，從而使得畫面出現(xiàn)閃爍感，故前期選擇一個很合適的n取值是就變得尤為重要。

1.3人眼視覺特性

人眼視覺的建立和消失，都需要一定的反應(yīng)時間，即具有一定的延遲，這被稱為視覺暫留或視覺延遲現(xiàn)象[12]。這種現(xiàn)象為LED顯示系統(tǒng)提供了更加簡潔的灰度控制方式，即占空比灰度控制方式。通過控制發(fā)光二極管的上電時間，即可改變平均發(fā)光強(qiáng)度，從而使整幅圖像得到生動逼真地顯示[13]。在恒定的LED電流作用下，只要掃描頻率足夠快，人眼感覺不到一個周期內(nèi)不發(fā)光的時間段(即無閃爍現(xiàn)象)，人眼只會感覺到LED顯示屏的亮度高低。

2控制亮度的方法

設(shè)亮度等級控制的使能信號OE顯示的最短時間為tmin，則在改變亮度的同時必須保證最低位的點亮?xí)r間t≥tmin。給出調(diào)節(jié)點亮?xí)r間總和，以及保持點亮?xí)r間總和不變情況下改變子場數(shù)兩種方式，通過改變占空比控制LED顯示屏亮度。

2.1控制灰度數(shù)據(jù)點亮?xí)r間總和

減少灰度數(shù)據(jù)占用子場數(shù)總和，包括減少占用子場數(shù)為非“1”的高位灰度數(shù)據(jù)的占用子場數(shù)，或者增大占用子場數(shù)為“1”的低位灰度數(shù)據(jù)實現(xiàn)時的權(quán)重，可以通過增大n值來實現(xiàn),n值越大表明子場數(shù)總和越小，點亮?xí)r間總和越短。改進(jìn)的子場分配方式如表1所示。

表1中的最高位15bit灰度數(shù)據(jù)的占用子場數(shù)由最初設(shè)定的32減少為16，而其他高位灰度數(shù)據(jù)的占用子場數(shù)分別減少為8，4，2，1。16位灰度數(shù)據(jù)的點亮?xí)r間總和被減小至32，其發(fā)光效率為76.2%。

表1　改進(jìn)的子場分配方式1

2.2增加子場數(shù)總和

保持n值不變，通過增加子場數(shù)總和，減小每個子場對應(yīng)的權(quán)重，使得點亮?xí)r間總和保持不變，并且高位點亮是低位點亮?xí)r間的倍數(shù)關(guān)系。改進(jìn)的子場分配方式如表2所示。

表2　改進(jìn)的子場分配方式2

由表2與表1可知，12bits、11bits、10bits位灰度數(shù)據(jù)占用的子場數(shù)增加4+6+7=17，并且相應(yīng)的權(quán)重均被減小，這種編排方式的發(fā)光效率為71.1%。

由于子場數(shù)總和增加，則發(fā)光效率下降。通過以上兩種亮度調(diào)節(jié)方式控制LED顯示亮度，緩解了在反γ校正后的低灰度數(shù)據(jù)損失問題。

3硬件實現(xiàn)及功能測試

在實現(xiàn)基于FPGA的LED顯示屏亮度控制過程中，選用FLEX10K系列芯片，芯片型號是EP10K30，共有146個用戶I/O引腳。LED顯示屏模組端接收的視頻分辨率為256×256，掃描方式為1/16掃，信號有48個RGB數(shù)據(jù),4個時鐘信號clk1、clk2、sclk1和sclk2，在顯示模塊中輸出行選信號ABCD、使能信號OE、鎖存信號STB[14]。每當(dāng)移位一行結(jié)束，則STB信號賦1，進(jìn)行數(shù)據(jù)鎖存，并且ABCD行信號產(chǎn)生相應(yīng)的改變。使能信號OE進(jìn)行顯示時間累加計數(shù)，一直達(dá)到滿足條件為止。

顯示模塊的仿真設(shè)計如圖1所示，其中ready_stb是由上級模塊輸入的鎖存信號，鎖存信號STB的值由其決定，使能信號OE根據(jù)對應(yīng)的field[3:0]數(shù)值而顯示對應(yīng)的點亮?xí)r間，ABCD行選信號由row[3:0]信號從低位到高位依次表示。

圖1　顯示模塊仿真設(shè)計

利用LED顯示屏異步控制卡對視頻圖像進(jìn)行顯示，將視頻圖像發(fā)送給ARM存儲FLASH里面，并且并通過上位機(jī)的控制軟件實現(xiàn)對LED顯示屏的控制,顯示結(jié)果如圖2所示。

圖2　LED顯示屏發(fā)光效率及亮度

圖2的前3個子圖分別為n取9，8和4時，采用減少灰度數(shù)據(jù)點亮?xí)r間總和與占用子場數(shù)總和方法調(diào)節(jié)顯示屏亮度的結(jié)果，其發(fā)光效率分別為94.1%，87.6%和76.2%；圖2(d)為n=8時，保持16位灰度數(shù)據(jù)點亮?xí)r間總和并增加子場數(shù)總和到17的結(jié)果，其發(fā)光效率為71.1%，當(dāng)LED顯示屏顯示圖像亮度低于原始物體亮度時，可以通過增大點亮?xí)r間總和的方法提升顯示屏顯示亮度；當(dāng)LED顯示屏顯示圖像亮度高于原始物體亮度時，可以通過增加子場數(shù)減小點亮?xí)r間占總時間的比重降低顯示屏顯示亮度，以求盡可能達(dá)到原始顯示效果，減緩因反伽馬校正模塊中進(jìn)行一系列非線性數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換對數(shù)據(jù)造成的灰度損失問題。

將EP10K30芯片與HUB75板卡正確連接后就可以連接LED顯示屏測試，連接圖如圖3所示。圖中J9和J10兩個接口各有50個管腳，每個接口輸出的三基色視頻數(shù)據(jù)為32個管腳，只需要利用每個接口的24個數(shù)據(jù)信號，總共48個數(shù)據(jù)三基色管腳，完全能夠滿足16+16+16=48個三基色數(shù)據(jù)輸出的要求。

圖3　EP10K30芯片與HUB75板卡連接

測試結(jié)果表明，調(diào)整n可以調(diào)節(jié)亮度，并且驗證了發(fā)光效率隨著n的增大而減小；在保持n大小不變的情況下也可以通過增加子場數(shù)調(diào)節(jié)LED顯示屏的亮度。當(dāng)n為9時，采用減少灰度數(shù)據(jù)點亮?xí)r間總和與占用子場數(shù)總和方法調(diào)節(jié)顯示屏亮度可使其發(fā)光效率達(dá)到最大，亮度提升最高。

4結(jié)語

基于FPGA的LED顯示屏亮度控制方法，通過增加點亮?xí)r間總和，調(diào)整它與掃描總時間的比重，可提升顯示亮度；通過增加子場數(shù)，減小點亮?xí)r間與掃描總時間的比重，可降低顯示亮度。測試結(jié)果表明，該方法通過兩種不同方式提升LED顯示屏發(fā)光效率，增強(qiáng)亮度，最高可使發(fā)光效率達(dá)到76.2%；通過控制灰度數(shù)據(jù)點亮?xí)r間總和及子場數(shù)確實可以控制LED顯示屏亮度。

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[責(zé)任編輯:祝劍]

FPGA-basedLEDdisplayscreenbrightnessadjustment

WEIWei,YANGJisheng

(SchoolofCommunicationandInformationEngineering,Xi’anUniversityofPostsandTelecommunications,Xi’an710121,China)

Abstract:A LED display screen brightness control method based on FPGA is designed for the problem of grey data scale loss after the anti-correction. According to the principle of bright display and the human visual characteristics, by adjusting the height of the non - “1” bit grey scale data to increase the total number of light time, and by increasing the number of sub- fields change of sub-field number, the weight of each sub field can be reduced to make sure that the sum of the light time is kept constant, and therefore the proportion lighting time accounting for the total time can be adjusted. The luminance can be adjusted by the way of duty cycle control. Experimental results show that the luminous efficiency can reach 76.2% of its maximum by adjusting total light time and 71.1% by changing sub-field-number and therefore brightness loss caused by anti-correction can be decreased.

Keywords:anti-γ correction, sub-field number, lighting time, luminous efficiency, brightness adjustment

doi:10.13682/j.issn.2095-6533.2016.03.013

收稿日期：2015-12-01

基金項目：陜西省教育廳科學(xué)研究計劃資助項目(12JK0541)

作者簡介：魏巍(1975-)，男，博士，教授，從事物聯(lián)網(wǎng)、圖像處理研究。E-mail: weigaozu@hotmail.com 楊繼省(1990-)，男，碩士研究生，研究方向為移動通信。E-mail: 1245290356@qq.com

中圖分類號：TN915.41

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：2095-6533(2016)03-0079-06