基于FPGA实现液晶显示器白平衡的调整方法

赵小珍，刘 波，章小兵，黄荣园，刘儒锋，祁凌云

（1.中航华东光电有限公司，安徽 芜湖 241002；2.特种显示技术国家工程实验室，安徽 芜湖 241002；3.安徽省现代显示技术重点实验室，安徽 芜湖 241002）

1 引 言

近几年，航空、航天尤其对LCD显示器迅猛增长，特别对LCD显示器的显示效果、色温提出了更高要求。在图像图形学领域，经常会看到5 500、6 500、9 300K这样不同的显示规格数值，这些数值分别代表了不同的白平衡标准模式。人眼在长期生活中，默认的标准颜色都是当地白昼良好自然照明条件下，物体呈现出来的色彩，例如对于热带的人，平均日照天顶角较小（大部分时间如同正午一样接近垂直入射），白昼正常色温较高，能达到10 000K以上，对于他们而言，略带冷光成分的蓝白色是更容易被接受的“白”色标准。而对于高纬度地区例如欧洲，日光平均色温只有5 000～6 000K，因此，他们接受的白色色调略呈暖色（黄白）。对于处于中低纬度地区的东亚人，一般认为与D65光源近似的6 500K左右的色温是比较纯正的白色，对应的色坐标为x＝0.312 7，y＝0.3291（CIE1931x－y颜色空间表示）或μ＝0.197 8，ν＝0.468 4（CIE1976μ－ν颜色空间表示）。

光源色温不同，颜色就不同［1］。调整白平衡的本质就是调整色温。由于色温6 500K的显示色彩对于飞行员和作战环境具有最良好的色中性，其与各种基准彩色都能保持最大的颜色差异，不致于引起前景和背景色颜色混淆影响辨识力的问题。因此，控制LCD显示器色温为6 500K，成为今后航空、航天LCD显示器的一个新特点。

在显示领域，白平衡的好坏主要由液晶屏以及驱动控制系统所决定。因此，大多数文献资料或专利，都会介绍通过信号处理算法，比如灰度世界算法、完美反射算法、伽马校正技术、运动插值帧频变换技术以及插黑／灰技术等技术来调节白平衡。针对现有TFT－LCD液晶显示器白平衡调整方法，提出一种基于FPGA调节OGB背光源的方法，来实现动态白平衡调整，达到液晶屏色温稳定，图像显示逼真的效果。

2 现有白平衡方法分析

2.1 白平衡调整原理

白平衡调整的基础是三基色原理，三基色原理是对色彩进行分解、混合的重要原理［2］。从三基色原理可知：任何色彩都可以用不同含量的红、绿、蓝三基色来表示，可以把液晶显示器任何像素所发出的色光Y表示为：

该方程是液晶显示器进行白平衡调节的依据。在白平衡的调整中，调整液晶显示器的亮度，即红绿蓝（RGB）三基色，使液晶显示器达到某一要求的色温值，并且符合液晶显示器的其他参数规范要求。

根据RGB三基色原理，任何一种色光F都可用R、G、B三基色按照不同的比例相加混合叠加而成，当三基色分量都为0时，为黑色光；当三基色分量都为C（最大值）时，为白色光。如式（2）所示：

由式（2）可以看出，改变三色系数 Kr、Kg、Kb中的任何一个，都会改变F的值，即F的颜色发生了改变。

根据以上原理，调整白平衡，就是改变液晶像素分量特性或改变背光源光谱特性。

2.2 白平衡调整方法

根据以上白平衡原理分析，白平衡调整就是调整液晶像素分量特性或调整背光源光谱特性。

对于LCD显示器，与液晶像素有关的因素主要有液晶屏（Panel）、TCON板以及视频处理系统（VPS）；与背光源光谱有关的因素主要有光学系统和背光源［3］。以下，将从这两方面进行详细分析。

2.2.1 液晶像素白平衡调整方法

从控制液晶像素方面出发考虑，对于液晶屏，当生产商在设计Panel时，从器件特性、液晶、工艺设计、机构设计等方面已经确定，产品出厂后，这些参数基本不能更改。所以，对于Panel处理，不能进行白平衡调整；对于TCON板，主要是接收视频处理系统（VPS）送过来的LVDS信号，最后转换为RSDS格式、PPDS格式、mini－LVDS等格式信号驱动液晶屏周边source driver、gate driver以及产生灰阶电压（Gamma电压）等。灰阶电压补偿了光强度或亮度再生的非线性，使LCD显示器尽可能能够真实地反映原物体或原图像视觉信息的重要过程，从而克服颜色失真，增强白平衡效果。然而即使采取了这些措施，依然不能消除在不同灰阶画面下色温的漂移。原因在于液晶像素对不同波长的光透过特性不同，红绿蓝三色的Gamma特性不一样。依照单一的灰度Gamma曲线，不可能实现对RGB三色的最佳调整，需要对红绿蓝三色分别单独做Gamma校正，即实施3Gamma校正技术以获得显示特性的优化，才能有效抑制不同灰度下色温的漂移。但这种方式实施难度较大，在这里不做细述。

对于视频处理系统（VPS），可以对视频信号进行算法处理，比如可以采用灰度世界算法、完美反射算法、gray world－retinex算法、模糊逻辑算法、动态白点算法等算法，通过调整通道增益使3个通道的平均值相等，就可以得到相应的增益。根据人眼感知到的白色是三通道值最大的像素点，而且白色的3个通道值相同，所以只要使3个通道的最大值相等，就可正确对白平衡进行调整，使液晶屏达到理想的彩色和白平衡效果。对视频信号进行算法处理，本文也不做详细介绍。

2.2.2 背光源白平衡调整方法

从背光源光谱方面考虑，对于光学系统来说，反射片、扩散板、下扩散片、BEF等光路器件确定光学系统后，无法对这些光路器件进行控制和动态修正，因此，无法实现光学系统的白平衡控制；而对于背光源来说，该背光源由白灯和OGB彩灯构成，并且，液晶显示器背光调节采用调频算法，基于颜色控制技术，进行白平衡动态调整。

基于以上分析，本文提出一种基于FPGA调节OGB背光源的方法，能够实现白平衡动态调整。并且，白平衡调整后，液晶显示器扩大了颜色表现范围，图像显示逼真，液晶屏色温稳定，色坐标误差在±0.005范围以内。

3 总体方案设计

图1 显示器总体框图Fig.1 Frame of LCD

该显示器有接口模块、控制模块、LED背光模块以及液晶屏显示模块构成。接口模块主要完成显示器各种接口设计；控制模块主要完成LED背光控制、温度采集以及白平衡控制；LED背光模块主要完成液晶所需的高亮LED背光源；液晶屏显示模块主要完成视频显示功能。其总体原理框图如图1所示。

3.1 硬件方案

控制器采用FPGA为主控核心，背光源采用直下式LED背光源，颜色传感器采用TI公司生产的TCS230D，颜色传感器分别对红光、绿光、蓝光进行采样，数字传感器采用AD公司生产的10 bit器件AD7814，对背光温度实时采集，10位精度能够满足采样要求。在FPGA内部，分模块设计，分别完成背光控制、串口数据控制、离散量信号控制、PWM波形发生控制、温度采集、白平衡控制。其硬件原理框图如图2所示。

图2 硬件原理框图Fig.2 Diagram of circuit scheme

3.1.1 传感器的选择

考虑到外围电路设计简单，抗干扰能力强以及空间面积小的特点，选择TI公司的生产的颜色传感器TCS230D［4］。TCS230D是TAOS公司推出的带数字兼容接口的RGB彩色光／频率转换器，内部集成了可配置的硅光电二极管阵列和一个电流／频率转换。TCS230D输出占空比为50%的方波，且输出频率与光强呈线性关系。通过2个可编程引脚S0，S1，可以选择2%，20%或100%的输出比例因子。颜色传感器TCS230D的输入／输出引脚均可以直接与主控芯片FPGA引脚相连。电路设计简单、可靠［5］。

3.1.2 软件算法实现

在LED背光源面上，安装有颜色传感器和数字温度传感器。系统工作时，首先读取存储器的初始值，然后检测颜色传感器TCS230D是否正常，如果不正常，直接输出预定的PWM波形，防止液晶屏依赖颜色传感器刺激值，导致出现液晶屏严重偏色。如果检测正常，依次判断O、G、B采样值与基准值大小，调整O、G、B的PWM占空比，输出驱动LED灯PWM波形，保证在全温度范围内，液晶屏色温没有明显偏差。其FPGA软件流程图如图3所示。

图3 FPGA软件流程图Fig.3 Software flow chart of FPGA

软件代码部分的实现，分为2大部分：即颜色传感器的采样部分和PWM波形动态调整部分。由于颜色传感器FPGA代码实现部分较为简单，本文不做介绍。根据图3所示的FPGA软件流程图，其PWM波形动态调整的Verilog语言代码［6］实现如下（仅对蓝灯控制代码）：

4 试验数据结果分析

对显示器产品进行白平衡调整前后数据色温测试，其测试数据如表1所示。

表1 表白平衡调整前后色温对比表Tab.1 Color temperature comparison before and after adjusting white balance

图4 白平衡调整前色温曲线图Fig.4 Color temperature chart before adjusting white balance

图5 白平衡调整后色温曲线图Fig.5 Color temperature chart after adjusting white balance

从表1的测试数据可以明显看出，白平衡调整后，色温明显得到提高，色差范围控制在预计的±0.005范围之内。

从色温曲线图4、图5中可以看出，白平衡调整前，色温曲线图随亮度级数、时间推移，色温值持续升高，达到一定时间后，色温值升高到7 449K；而白平衡调整后，色温值控制在一定范围内，最大值仅为6 541K，误差在0.63%左右，完全达到预定要求。

5 结 论

针对现有液晶显示器白平衡的调整方法，详细分析了白平衡调整的各零部件，从各个零部件可实现程度以及难易度出发，提出了一种基于FPGA调节OGB背光源的方法，并且通过软硬件的设计以及相关实验验证，实现了LCD显示器动态白平衡调整。白平衡调整后，液晶屏色温稳定，图像显示效果逼真，色差范围控制在±0.005之内，误差在0.63%左右，完全能够满足机载显示领域颜色稳定、色温的要求。该调整方法调节背光源白平衡已经投入使用，其性能可靠、稳定，实用性强。此方法值得推广。

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