寬色域的高動態(tài)范圍顯示系統(tǒng)設(shè)計

蘇寒松，廖澤龍，雷志春

(1. 天津大學(xué)電氣自動化與信息工程學(xué)院，天津 300072；2. 天津大學(xué)微電子學(xué)院，天津 300072；3. 魯爾西應(yīng)用科學(xué)大學(xué)傳感與測量研究所，米爾海姆 45479)

液晶顯示技術(shù)作為繼CRT顯示技術(shù)后的第2代顯示技術(shù)，在近年來獲得了巨大的發(fā)展.液晶顯示器(liquid crystal displays，LCD)在成本、功耗、分辨率、對比度、視角和響應(yīng)時間方面都得到很大的改善，已經(jīng)成為了市場上最為成熟的主流顯示設(shè)備[1].

傳統(tǒng) LCD的動態(tài)范圍有限，其動態(tài)對比度一般低于 103∶1[2]，而自然界中的亮度范圍約為 10-6～108,cd/m2，人眼通過瞳孔的調(diào)節(jié)可以適應(yīng)不同的亮度環(huán)境，從夜空下微弱的星光到夏日中耀眼的陽光，感知范圍約為 10-3～105,cd/m2[2-3].即使在同一時刻，人眼也可以感覺到大約5個數(shù)量級的亮度范圍.因此傳統(tǒng)LCD難以滿足人眼視覺，觀看效果缺乏真實感.

為了提高顯示設(shè)備的動態(tài)范圍，國內(nèi)外研究人員均開展了大量的研究工作.在高動態(tài)范圍(high dynamic range，HDR)LCD 的研究和開發(fā)工作中，基于雙調(diào)制結(jié)構(gòu)的顯示技術(shù)是研究的熱點.目前雙調(diào)制結(jié)構(gòu)主要有 Projector-LCD[2]、LED-LCD[2]、FEDLCD[3]以及 LCD-LCD[4-5].其中 LED-LCD結(jié)構(gòu)具有實現(xiàn)簡單靈活、可操作性強、成本低廉等特點，本文設(shè)計的顯示系統(tǒng)亦采用這種結(jié)構(gòu).

在色彩表現(xiàn)方面，大多 LCD的色域都能達到或接近 ITU-R BT.709中定義的色域，但相較于自然界中人眼可觀察到的真實顏色，其范圍還是很有限.為了更加真實地還原現(xiàn)實場景，除了動態(tài)范圍的提高外，色域的擴展也很重要.目前色域擴展的方法主要有兩類：①采用高飽和的三原色，其可以通過使用窄帶 LED[6]或者激光作為背光源實現(xiàn)[7]，這種拓寬色域的方法最為直接有效，但需要先進的發(fā)射、顯示技術(shù)的支持；②使用多原色顯示，可以在液晶面板上增加濾光片[8-9]，或者使用多原色的背光單元[10]，若選取的原色恰當(dāng)，這種技術(shù)可以在很大程度上擴展色域，但在相同分辨率的情況下，使用的原色越多，系統(tǒng)復(fù)雜度越高.

本文首先提出了一種使用白色和寶石藍的LED(WE LEDs)陣列作為 LCD背光源的雙調(diào)制結(jié)構(gòu)，并論證了該結(jié)構(gòu)可有效地提高動態(tài)范圍和擴展色域，此后詳細地介紹了系統(tǒng)設(shè)計方案，最后通過實驗測量得出了顯示系統(tǒng)的性能參數(shù).

1 WE LEDs-LCD雙調(diào)制結(jié)構(gòu)

目前市場上的 LCD大多使用白色 LED陣列作為背光源，通過在液晶面板上的濾光片獲取顯像三原色，其結(jié)構(gòu)簡單，技術(shù)成熟.但因白色背光源光譜較寬，濾光片的透光性能與濾光性能成反比，故很難獲取同時具有高亮度和高飽和特性的原色.

使用多種單色光源替代白色背光源，如使用紅綠藍 3色LED作為背光源，則可按需提供接近窄帶的色譜，不僅可以獲得更加飽和的色彩，還能提高光利用率.但要獨立控制各個背光源的背光強度，需要為每個背光源設(shè)計驅(qū)動電路，故而在背光分辨率相同的情況下，使用的背光原色越多，硬件復(fù)雜度越高.

結(jié)合白光光源及多原色背光的優(yōu)點，本文采用WE LEDs-LCD雙調(diào)制結(jié)構(gòu).前面板使用4K分辨率的液晶面板，后面板為LED陣列，包含36×66個背光單元，每個背光單元由1個白色LED和1個寶石藍LED組成，如圖1所示.背光面板LED使用恒流驅(qū)動器獨立控制，通過 PWM 信號控制其通斷，改變PWM 的占空比就可以達到對 LED明暗程度的控制.該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，在實現(xiàn)HDR顯示的同時，因?qū)毷{光源的引入，顯示系統(tǒng)獲得了新的顯像原色，可表達的顏色更為豐富.

圖1 WE LEDs-LCD雙屏顯示結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of WE LEDs-LCD dual display system

1.1 動態(tài)范圍的提高

傳統(tǒng) LCD的背光使用的是統(tǒng)一亮度背光，其動態(tài)范圍主要取決于液晶面板透光率的動態(tài)范圍，亦即顯示器的對比度，而 LCD的透光效率較低且存在漏光現(xiàn)象，這便限制了顯示對比度，如高端 LCD的對比度僅有 103∶1.為保證黑色亮度能足夠黑(＜1,cd/m2)，那么顯示器能夠達到的峰值亮度不可超過103,cd/m2.

本文采用WE LEDs-LCD的雙調(diào)制結(jié)構(gòu)，對于液晶面板而言，其顯示對比度是一個固定值，但背光面板 LED亮度獨立可控，顯示時，各 LED可以工作在幾近于 0,cd/m2的關(guān)閉狀態(tài)，亦可在高亮的全功率狀態(tài)工作，因此背光面板可以達到可觀的動態(tài)范圍.而系統(tǒng)動態(tài)范圍可以視為背光面板的動態(tài)范圍和液晶面板對比度的乘積，故而使用雙屏顯示結(jié)構(gòu)能獲得較高的動態(tài)范圍.

1.2 色域的擴展

若不考慮液晶的漏光效應(yīng)，傳統(tǒng) LCD的顯像三原色可以理解為在白色背光打開時，液晶面板紅、綠、藍3種濾光片中1種濾光片對應(yīng)液晶透光率達到最大時，而其他兩種濾光片對應(yīng)液晶透光率最小時(不透光)所觀測到的3種顏色，如紅原色可以理解為紅濾光片對應(yīng)液晶透光率達到最大時，而綠、藍濾光片對應(yīng)液晶透光率最小時所觀測到的顏色.顯示器所能呈現(xiàn)的顏色都是由這 3種原色按其透射量混合而成.其顯像模型可由式(1)描述.

式中：F為觀測到的顏色；R、G、B分別為紅、綠、藍3種濾光片對應(yīng)液晶透光率；wR、wG、wB分別為前文提及的紅綠藍3原色.

同樣，若將 LCD的背光換成寶石藍背光，用同樣的方式可獲得 LCD的顯像三原色eR、eG、eB，此時LCD的顯像模型可由式(2)表達.

若背光是由wBL單位的白色背光和eBL單位的寶石藍背光混合而成，根據(jù)混色原理，此時 LCD的顯像模型如式(3)所示.

式(3)表明此時LCD的3原色是由wBL 單位的白光3原色和eBL單位的寶石藍光3原色混合而成.

圖2為CIE xyz色度坐標(biāo)圖，其中Rw、Gw、Bw為系統(tǒng)的白光 3原色的色度坐標(biāo)點，Re、Ge、Be為系統(tǒng)寶石藍光 3原色的色度坐標(biāo)點.圖中各虛線三角形是在不同混色比 k(eBL與wBL的比值)下根據(jù)式(3)的顯像模型計算得出的色域.可以證明，當(dāng)白光和寶石藍光的混光比逐漸變小時，LCD的顯像 3原色逐漸由白光 3原色沿直線變?yōu)閷毷{光 3原色. 故而顯示系統(tǒng)所能呈現(xiàn)的色域為五邊形 RwGwGeBeBw區(qū)域，相較于只使用白光背光時的三角形色域RwGwBw，獲得了顯著的擴展.

圖2 系統(tǒng)色域及不同背光混比下的色域Fig.2 System color gamut and color gamut under different backlight mixing ratios

2 系統(tǒng)方案

針對WE LEDs-LCD雙屏顯示結(jié)構(gòu)，本文將顯示系統(tǒng)按功能劃分為 5個模塊：信號處理模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模塊、背光控制模塊、背光模組以及液晶模組.如圖 3所示.其中，信號處理模塊用于對信源進行解碼、特征提取、液晶補償、圖像增強等操作，并將處理后獲取的背光數(shù)據(jù)及相應(yīng)控制指令發(fā)送給數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模塊，將增強圖像數(shù)據(jù)送至液晶驅(qū)動模塊；數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模塊負責(zé)完成信號處理器與各背光控制模塊的數(shù)據(jù)交換；背光控制模塊用于完成數(shù)據(jù)的解析，實現(xiàn)對背光板的顯示控制；背光模組由 WE LEDs背光面板、擴散膜、增光膜和反射膜構(gòu)成，用于給液晶面板提供可靠的光源；液晶模組則由液晶面板及其驅(qū)動電路構(gòu)成，用于圖像的細節(jié)顯示.

系統(tǒng)顯示面板尺寸為 127,cm(50,in)，液晶面板的分辨率為 4K(3,840像素×2,160像素)，背光面板分辨率為 66像素×36像素，制作時劃分為 9小塊，每塊小板分區(qū)數(shù)為 264(22×12)，小板上的兩種不同顏色的LED由兩塊背光控制模塊分別進行控制.

圖3 WE LEDs-LCD顯示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of WE LEDs-LCD display system

2.1 信號處理模塊

為便于調(diào)試以及進行多種算法的測試，本系統(tǒng)的信號處理模塊功能由 PC機來完成，其主要處理過程如圖4所示.

圖4 信號處理模塊處理流程Fig.4 Flow chart of signal processing module

首先，對輸入信源進行相應(yīng)信源解碼獲取原始圖像數(shù)據(jù)；然后對原始圖像進行預(yù)處理，如進行色調(diào)映射處理，轉(zhuǎn)換至適宜本顯示系統(tǒng)的色彩空間；此后依據(jù)預(yù)處理后的圖像特征進行區(qū)域特征顏色的提取(如使用平均值、最大值、直方圖分布等獲取圖像各通道的特征值)[11]，依據(jù)區(qū)域特征顏色，結(jié)合系統(tǒng)顯像模型，在保證區(qū)域特征顏色可以得到正確顯示的前提下，以系統(tǒng)能耗最低為最優(yōu)化條件，求取各區(qū)域兩種LED的強度值，即背光數(shù)據(jù)；使用光擴散模板完成背光數(shù)據(jù)的擴散模擬，獲得與預(yù)處理圖像大小一致的背光圖像；結(jié)合背光圖像，根據(jù)系統(tǒng)顯像模型對預(yù)處理后的圖像進行液晶補償；最后對補償后的圖像進行后處理(如圖像增強)，獲取最終顯示在液晶屏上的圖像數(shù)據(jù).

2.2 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模塊

如圖 5所示，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模塊使用 Altera公司Cyclone IV系列的EP4CE6E22C8N來完成數(shù)據(jù)的接收、反饋以及轉(zhuǎn)發(fā)功能.

該模塊與信號處理器的通信支持3種接口，分別是 USB2.0接口、串口以及總線低壓差分信號(bus low voltage differential signaling，BLVDS)接口.該模塊使用 3路 BLVDS接口總線來實現(xiàn)與背光控制模塊的通信，每路總線配有 7個 BLVDS接口，支持 6個從設(shè)備接入.

圖5 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模塊結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of data forwarding module

2.2.1 USB通信接口設(shè)計

本系統(tǒng)通過采用 Cypress公司的 EZ-USB FX2LP系列的CY7C68013A芯片來實現(xiàn) USB通信接口的設(shè)計.CY7C68013A是一款高集成、低功耗的微控制器，它集成了 USB2.0的協(xié)議，支持 12,MB/s的全速傳輸模式和 480,MB/s的高速傳輸模式[12].集成了16,KB的片內(nèi)RAM、增強的8051微處理器、16位并行地址總線、8位數(shù)據(jù)總線、I2C總線、雙串口、4K FIFO的可配置存儲器以及通用可編程接口(GPIF)、智能串行引擎(SIE)和USB2.0收發(fā)器[13].

CY7C68013A提供了主、從兩種接口模式，即GPIF與Slave FIFO.GPIF是一個靈活的8/16位并行接口，由用戶可編程的有限狀態(tài)機驅(qū)動，該模式下可根據(jù)內(nèi)部派生的時鐘或外部提供的時鐘(IFCLK)運行，傳輸速率可達 96,MB/s；Slave FIFO 為從屬接口模式，接收內(nèi)部派生的時鐘或外部提供的時鐘，以及外部邏輯發(fā)來的控制信號.外設(shè)可像訪問普通 FIFO一般對通信數(shù)據(jù)進行讀寫操作，Slave FIFO可設(shè)為同步工作模式或異步工作方式.

本設(shè)計采用異步 Slave FIFO接口模式，使用內(nèi)部 48,MHz派生時鐘，將 EP2配置為輸出端點，EP6配置為輸入端點，端點緩存區(qū)均配置為 512字節(jié)，4倍緩存.將FLAGA設(shè)置為EP2的空標(biāo)志位，F(xiàn)LAGB設(shè)置為 EP6的滿標(biāo)志位，數(shù)據(jù)位寬為 16位.以上配置以固件的形式存儲于外部 EEPROM中，CY7C68013A上電時將自動加載固件.

圖6為FPGA對Slave FIFO的讀寫控制的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，共包含6個狀態(tài).

圖6 Slave FIFO讀寫狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖Fig.6 State transition diagram for the reading and writing operations of Slave FIFO

(1)IDEL：空閑狀態(tài)，復(fù)位控制信號，片選無效、關(guān)閉數(shù)據(jù)驅(qū)動、讀寫非使能、數(shù)據(jù)總線置為高阻態(tài)，若 EP2緩存非空且數(shù)據(jù)接收緩存非滿，則進入ReadPrepare，否則若 EP6緩存非滿且數(shù)據(jù)發(fā)送緩存非空，則進入WritePrepare.

(2)WritePrepare：寫就緒狀態(tài)，使能片選信號，選中輸入端點EP6，進入WriteData.

(3)ReadPrepare：讀就緒狀態(tài)，使能片選信號，選中輸出端點EP2，進入ReadData.

(4)WriteData：寫數(shù)據(jù)狀態(tài)，使能寫信號，寫入數(shù)據(jù)，若EP6緩存滿或數(shù)據(jù)發(fā)送緩存空進入WriteFinish.

(5)ReadData：讀數(shù)據(jù)狀態(tài)，使能讀信號，讀取數(shù)據(jù)，若EP2緩存空或數(shù)據(jù)接收緩存滿進入IDEL.

(6)WriteFinish：寫完成狀態(tài)，使能包結(jié)束信號，將FIFO數(shù)據(jù)包提交到端點的輸入端，進入IDEL.

2.2.2 BLVDS接口設(shè)計

LVDS(low voltage differential signaling)是 20世紀 90年代由美國NI公司提出的一種低擺幅的高速差分傳輸電平標(biāo)準(zhǔn)，使用一對平行等長且阻抗受控的差分傳輸線進行數(shù)據(jù)的傳輸[14].其傳輸速率可達幾百至幾千兆比特每秒(MB/s).LVDS驅(qū)動器和接收器的實現(xiàn)與供電電壓無關(guān)，故其具有較強的遷移性.BLVDS是在 LVDS技術(shù)上發(fā)展起來的一個新的總線接口系列，將LVDS點對點通信的能力擴展到多點配置，是多點背板應(yīng)用的一種有效的解決方案.BLVDS使用約 250,mV的低壓差分信號，能夠有效地降低功耗和噪聲，數(shù)據(jù)傳輸速率可以達到幾百兆比特每秒.

Altera公司推薦了一種半雙工的BLVDS總線布局方式，每個終端節(jié)點均含有接收器和驅(qū)動器，通過一對差分口完成數(shù)據(jù)的收發(fā).這種設(shè)計可以有效地節(jié)約數(shù)據(jù)線，但需要一套完整的仲裁機制來防止數(shù)據(jù)沖突.為了降低協(xié)議設(shè)計難度、保證系統(tǒng)可擴展性，本文使用兩條獨立差分總線實現(xiàn) BLVDS總線拓撲結(jié)構(gòu)，如圖 7所示，一條總線用于實現(xiàn)主機(數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模塊)數(shù)據(jù)對終端設(shè)備(背光控制模塊)的廣播，另一條總線用于主機接收終端設(shè)備的反饋數(shù)據(jù)，該總線只能被授權(quán)終端驅(qū)動，終端完成數(shù)據(jù)的反饋后立即釋放總線.

圖7 BLVDS總線拓撲結(jié)構(gòu)Fig.7 Topology of BLVDS

2.3 背光控制模塊

本設(shè)計將背光控制器件獨立成模塊，為使連接方便，背光控制模塊采用了 288腳的 DDR4內(nèi)存條結(jié)構(gòu)，這些引腳中 264個引腳用作 LED驅(qū)動信號輸出，20個引腳用于模塊的供電，其余引腳為空.該模塊使用 Altera公司 Cyclone IV 系列的EP4CE15F23C8N作為控制芯片，使用硬件描述語言實現(xiàn)了以下幾個模塊或功能的設(shè)計：BLVDS收發(fā)器、數(shù)據(jù)指令解析、PWM生成模塊.其邏輯結(jié)構(gòu)如圖8所示.

背光數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)如圖 9所示，其中包頭、指令、地址和包尾均為一個字節(jié)，數(shù)據(jù)長度可變，為 0～1,024,bytes.地址字節(jié)用于指示終端設(shè)備地址，指令字節(jié)支持7種控制指令字及2種查詢指令字.

圖8 背光控制模塊邏輯結(jié)構(gòu)Fig.8 Logical structure of backlight control module

圖9 數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)Fig.9 Structure of a data packet

圖10 為背光控制模塊中數(shù)據(jù)指令解析模塊的工作流程.當(dāng)背光控制模塊檢測到數(shù)據(jù)時，進行包頭檢測，若非包頭，舍棄數(shù)據(jù)繼續(xù)等待數(shù)據(jù)，否則，等待接收指令字；當(dāng)接收到指令字時，將其鎖存至指令寄存器中并開始等待地址字；接收到的地址，對其進行地址校驗，若其與廣播地址或與設(shè)備地址均不符，則丟棄數(shù)據(jù)包進入等待狀態(tài)，否則進入數(shù)據(jù)接收狀態(tài)；當(dāng)接收到數(shù)據(jù)時，進行包尾檢測，若不是包尾，則將收到數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)寄存器，否則，結(jié)束數(shù)據(jù)的接收并啟動指令執(zhí)行進程，此后繼續(xù)等待新的數(shù)據(jù)包.

圖10 背光控制模塊工作流程Fig.10 Flow chart of backlight control module

3 實驗結(jié)果

圖 11為顯示系統(tǒng)的實物圖，由長虹 50U1顯示器改制而成，采用WE LEDs-LCD的雙調(diào)制結(jié)構(gòu)，液晶面板為 127,cm(50,in)MVA面板，分辨率為4K(3,840像素×2,160像素)，屏幕比例為 16∶9，響應(yīng)時間 6,ms，可視角 178°，背光面板使用 WE LED作為背光源，分區(qū)數(shù)為2,376(66×36).

圖11 顯示系統(tǒng)照片F(xiàn)ig.11 Photograph of the display system

圖 12為自主開發(fā)的算法調(diào)試工具，系統(tǒng)測試工作均是在該工具的支持下完成的.該工具是基于WPF進行開發(fā)的，為文中提及的信號處理模塊預(yù)留了接口.用戶可以動態(tài)加載實現(xiàn)了信號處理模塊功能的裝配集來完成圖像視頻的處理.完成處理后，通過顯卡的HDMI接口輸出圖像數(shù)據(jù)，使用USB完成背光數(shù)據(jù)及指令的傳輸.

圖12 系統(tǒng)調(diào)試工具Fig.12 System debugging tool

圖13 為長虹50U1顯示器與本文顯示系統(tǒng)顯示效果的對比圖，兩者使用了相同的液晶模組和顯示配置，從圖中可以觀測到WE LEDs-LCD顯示系統(tǒng)顯示效果，無論在對比度還是色彩表現(xiàn)上都優(yōu)于普通LCD.

圖13 常規(guī)顯示器與WE LEDs-LCD顯示系統(tǒng)對比Fig.13 Comparison of normal display with WE LEDs-LCD system

表 1記錄了在相同條件下測得的顯示系統(tǒng)分別在WE LEDs工作模式和W LED工作模式時的顯示參數(shù)、長虹 50U1顯示器的顯示參數(shù)以及中國電子商會聯(lián)合中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院于 2016年 3月30日發(fā)布的《HDR顯示技術(shù)認證規(guī)范》中LCD的認證要求.

相較于傳統(tǒng)全局背光 LCD，采用區(qū)域調(diào)光的方式不僅能夠有效地表達純粹的黑色，還能更為真實地還原高亮度場景，大幅提升了顯示動態(tài)范圍.同時通過對比表中色域覆蓋率數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，引入寶石藍LED的WE LEDs-LCD相較于W LED-LCD，色域覆蓋率增加了 10.9%，達到了 HDR技術(shù)的認證要求，這說明本文系統(tǒng)確實能有效擴展色域.

表1 液晶顯示器參數(shù)對比Tab.1 Comparison of liquid crystal display parameters

4 結(jié) 語

通過對現(xiàn)行高動態(tài)范圍顯示技術(shù)和色域擴展技術(shù)的對比分析，本文以 WE LEDs作為 LCD的背光源，提出了一種寬色域的高動態(tài)范圍顯示系統(tǒng)的設(shè)計方案.結(jié)合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及顯像模型論證了方案的可行性，詳細地描述了系統(tǒng)主要模塊的實現(xiàn)，通過實驗測量得出系統(tǒng)參數(shù)，其峰值亮度為 1,258,cd/m2，黑色亮度低于 0.02,cd/m2，色域覆蓋率達 45.65%,，為 NTSC的 119.7%,.這表明本系統(tǒng)有效地提高了顯示動態(tài)范圍，顯著地擴展了色域.

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