宽色域的高动态范围显示系统设计

苏寒松，廖泽龙，雷志春

(1. 天津大学电气自动化与信息工程学院，天津 300072；2. 天津大学微电子学院，天津 300072；3. 鲁尔西应用科学大学传感与测量研究所，米尔海姆 45479)

液晶显示技术作为继CRT显示技术后的第2代显示技术，在近年来获得了巨大的发展.液晶显示器(liquid crystal displays，LCD)在成本、功耗、分辨率、对比度、视角和响应时间方面都得到很大的改善，已经成为了市场上最为成熟的主流显示设备[1].

传统 LCD的动态范围有限，其动态对比度一般低于 103∶1[2]，而自然界中的亮度范围约为 10-6～108,cd/m2，人眼通过瞳孔的调节可以适应不同的亮度环境，从夜空下微弱的星光到夏日中耀眼的阳光，感知范围约为 10-3～105,cd/m2[2-3].即使在同一时刻，人眼也可以感觉到大约5个数量级的亮度范围.因此传统LCD难以满足人眼视觉，观看效果缺乏真实感.

为了提高显示设备的动态范围，国内外研究人员均开展了大量的研究工作.在高动态范围(high dynamic range，HDR)LCD 的研究和开发工作中，基于双调制结构的显示技术是研究的热点.目前双调制结构主要有 Projector-LCD[2]、LED-LCD[2]、FEDLCD[3]以及 LCD-LCD[4-5].其中 LED-LCD结构具有实现简单灵活、可操作性强、成本低廉等特点，本文设计的显示系统亦采用这种结构.

在色彩表现方面，大多 LCD的色域都能达到或接近 ITU-R BT.709中定义的色域，但相较于自然界中人眼可观察到的真实颜色，其范围还是很有限.为了更加真实地还原现实场景，除了动态范围的提高外，色域的扩展也很重要.目前色域扩展的方法主要有两类：①采用高饱和的三原色，其可以通过使用窄带 LED[6]或者激光作为背光源实现[7]，这种拓宽色域的方法最为直接有效，但需要先进的发射、显示技术的支持；②使用多原色显示，可以在液晶面板上增加滤光片[8-9]，或者使用多原色的背光单元[10]，若选取的原色恰当，这种技术可以在很大程度上扩展色域，但在相同分辨率的情况下，使用的原色越多，系统复杂度越高.

本文首先提出了一种使用白色和宝石蓝的LED(WE LEDs)阵列作为 LCD背光源的双调制结构，并论证了该结构可有效地提高动态范围和扩展色域，此后详细地介绍了系统设计方案，最后通过实验测量得出了显示系统的性能参数.

1 WE LEDs-LCD双调制结构

目前市场上的 LCD大多使用白色 LED阵列作为背光源，通过在液晶面板上的滤光片获取显像三原色，其结构简单，技术成熟.但因白色背光源光谱较宽，滤光片的透光性能与滤光性能成反比，故很难获取同时具有高亮度和高饱和特性的原色.

使用多种单色光源替代白色背光源，如使用红绿蓝 3色LED作为背光源，则可按需提供接近窄带的色谱，不仅可以获得更加饱和的色彩，还能提高光利用率.但要独立控制各个背光源的背光强度，需要为每个背光源设计驱动电路，故而在背光分辨率相同的情况下，使用的背光原色越多，硬件复杂度越高.

结合白光光源及多原色背光的优点，本文采用WE LEDs-LCD双调制结构.前面板使用4K分辨率的液晶面板，后面板为LED阵列，包含36×66个背光单元，每个背光单元由1个白色LED和1个宝石蓝LED组成，如图1所示.背光面板LED使用恒流驱动器独立控制，通过 PWM 信号控制其通断，改变PWM 的占空比就可以达到对 LED明暗程度的控制.该系统结构简单，在实现HDR显示的同时，因宝石蓝光源的引入，显示系统获得了新的显像原色，可表达的颜色更为丰富.

图1 WE LEDs-LCD双屏显示结构Fig.1 Structure of WE LEDs-LCD dual display system

1.1 动态范围的提高

传统 LCD的背光使用的是统一亮度背光，其动态范围主要取决于液晶面板透光率的动态范围，亦即显示器的对比度，而 LCD的透光效率较低且存在漏光现象，这便限制了显示对比度，如高端 LCD的对比度仅有 103∶1.为保证黑色亮度能足够黑(＜1,cd/m2)，那么显示器能够达到的峰值亮度不可超过103,cd/m2.

本文采用WE LEDs-LCD的双调制结构，对于液晶面板而言，其显示对比度是一个固定值，但背光面板 LED亮度独立可控，显示时，各 LED可以工作在几近于 0,cd/m2的关闭状态，亦可在高亮的全功率状态工作，因此背光面板可以达到可观的动态范围.而系统动态范围可以视为背光面板的动态范围和液晶面板对比度的乘积，故而使用双屏显示结构能获得较高的动态范围.

1.2 色域的扩展

若不考虑液晶的漏光效应，传统 LCD的显像三原色可以理解为在白色背光打开时，液晶面板红、绿、蓝3种滤光片中1种滤光片对应液晶透光率达到最大时，而其他两种滤光片对应液晶透光率最小时(不透光)所观测到的3种颜色，如红原色可以理解为红滤光片对应液晶透光率达到最大时，而绿、蓝滤光片对应液晶透光率最小时所观测到的颜色.显示器所能呈现的颜色都是由这 3种原色按其透射量混合而成.其显像模型可由式(1)描述.

式中：F为观测到的颜色；R、G、B分别为红、绿、蓝3种滤光片对应液晶透光率；wR、wG、wB分别为前文提及的红绿蓝3原色.

同样，若将 LCD的背光换成宝石蓝背光，用同样的方式可获得 LCD的显像三原色eR、eG、eB，此时LCD的显像模型可由式(2)表达.

若背光是由wBL单位的白色背光和eBL单位的宝石蓝背光混合而成，根据混色原理，此时 LCD的显像模型如式(3)所示.

式(3)表明此时LCD的3原色是由wBL 单位的白光3原色和eBL单位的宝石蓝光3原色混合而成.

图2为CIE xyz色度坐标图，其中Rw、Gw、Bw为系统的白光 3原色的色度坐标点，Re、Ge、Be为系统宝石蓝光 3原色的色度坐标点.图中各虚线三角形是在不同混色比 k(eBL与wBL的比值)下根据式(3)的显像模型计算得出的色域.可以证明，当白光和宝石蓝光的混光比逐渐变小时，LCD的显像 3原色逐渐由白光 3原色沿直线变为宝石蓝光 3原色. 故而显示系统所能呈现的色域为五边形 RwGwGeBeBw区域，相较于只使用白光背光时的三角形色域RwGwBw，获得了显著的扩展.

图2 系统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 系统方案

针对WE LEDs-LCD双屏显示结构，本文将显示系统按功能划分为 5个模块：信号处理模块、数据转发模块、背光控制模块、背光模组以及液晶模组.如图 3所示.其中，信号处理模块用于对信源进行解码、特征提取、液晶补偿、图像增强等操作，并将处理后获取的背光数据及相应控制指令发送给数据转发模块，将增强图像数据送至液晶驱动模块；数据转发模块负责完成信号处理器与各背光控制模块的数据交换；背光控制模块用于完成数据的解析，实现对背光板的显示控制；背光模组由 WE LEDs背光面板、扩散膜、增光膜和反射膜构成，用于给液晶面板提供可靠的光源；液晶模组则由液晶面板及其驱动电路构成，用于图像的细节显示.

系统显示面板尺寸为 127,cm(50,in)，液晶面板的分辨率为 4K(3,840像素×2,160像素)，背光面板分辨率为 66像素×36像素，制作时划分为 9小块，每块小板分区数为 264(22×12)，小板上的两种不同颜色的LED由两块背光控制模块分别进行控制.

图3 WE LEDs-LCD显示系统结构Fig.3 Structure of WE LEDs-LCD display system

2.1 信号处理模块

为便于调试以及进行多种算法的测试，本系统的信号处理模块功能由 PC机来完成，其主要处理过程如图4所示.

图4 信号处理模块处理流程Fig.4 Flow chart of signal processing module

首先，对输入信源进行相应信源解码获取原始图像数据；然后对原始图像进行预处理，如进行色调映射处理，转换至适宜本显示系统的色彩空间；此后依据预处理后的图像特征进行区域特征颜色的提取(如使用平均值、最大值、直方图分布等获取图像各通道的特征值)[11]，依据区域特征颜色，结合系统显像模型，在保证区域特征颜色可以得到正确显示的前提下，以系统能耗最低为最优化条件，求取各区域两种LED的强度值，即背光数据；使用光扩散模板完成背光数据的扩散模拟，获得与预处理图像大小一致的背光图像；结合背光图像，根据系统显像模型对预处理后的图像进行液晶补偿；最后对补偿后的图像进行后处理(如图像增强)，获取最终显示在液晶屏上的图像数据.

2.2 数据转发模块

如图 5所示，数据转发模块使用 Altera公司Cyclone IV系列的EP4CE6E22C8N来完成数据的接收、反馈以及转发功能.

该模块与信号处理器的通信支持3种接口，分别是 USB2.0接口、串口以及总线低压差分信号(bus low voltage differential signaling，BLVDS)接口.该模块使用 3路 BLVDS接口总线来实现与背光控制模块的通信，每路总线配有 7个 BLVDS接口，支持 6个从设备接入.

图5 数据转发模块结构Fig.5 Structure of data forwarding module

2.2.1 USB通信接口设计

本系统通过采用 Cypress公司的 EZ-USB FX2LP系列的CY7C68013A芯片来实现 USB通信接口的设计.CY7C68013A是一款高集成、低功耗的微控制器，它集成了 USB2.0的协议，支持 12,MB/s的全速传输模式和 480,MB/s的高速传输模式[12].集成了16,KB的片内RAM、增强的8051微处理器、16位并行地址总线、8位数据总线、I2C总线、双串口、4K FIFO的可配置存储器以及通用可编程接口(GPIF)、智能串行引擎(SIE)和USB2.0收发器[13].

CY7C68013A提供了主、从两种接口模式，即GPIF与Slave FIFO.GPIF是一个灵活的8/16位并行接口，由用户可编程的有限状态机驱动，该模式下可根据内部派生的时钟或外部提供的时钟(IFCLK)运行，传输速率可达 96,MB/s；Slave FIFO 为从属接口模式，接收内部派生的时钟或外部提供的时钟，以及外部逻辑发来的控制信号.外设可像访问普通 FIFO一般对通信数据进行读写操作，Slave FIFO可设为同步工作模式或异步工作方式.

本设计采用异步 Slave FIFO接口模式，使用内部 48,MHz派生时钟，将 EP2配置为输出端点，EP6配置为输入端点，端点缓存区均配置为 512字节，4倍缓存.将FLAGA设置为EP2的空标志位，FLAGB设置为 EP6的满标志位，数据位宽为 16位.以上配置以固件的形式存储于外部 EEPROM中，CY7C68013A上电时将自动加载固件.

图6为FPGA对Slave FIFO的读写控制的状态转移图，共包含6个状态.

图6 Slave FIFO读写状态转移图Fig.6 State transition diagram for the reading and writing operations of Slave FIFO

(1)IDEL：空闲状态，复位控制信号，片选无效、关闭数据驱动、读写非使能、数据总线置为高阻态，若 EP2缓存非空且数据接收缓存非满，则进入ReadPrepare，否则若 EP6缓存非满且数据发送缓存非空，则进入WritePrepare.

(2)WritePrepare：写就绪状态，使能片选信号，选中输入端点EP6，进入WriteData.

(3)ReadPrepare：读就绪状态，使能片选信号，选中输出端点EP2，进入ReadData.

(4)WriteData：写数据状态，使能写信号，写入数据，若EP6缓存满或数据发送缓存空进入WriteFinish.

(5)ReadData：读数据状态，使能读信号，读取数据，若EP2缓存空或数据接收缓存满进入IDEL.

(6)WriteFinish：写完成状态，使能包结束信号，将FIFO数据包提交到端点的输入端，进入IDEL.

2.2.2 BLVDS接口设计

LVDS(low voltage differential signaling)是 20世纪 90年代由美国NI公司提出的一种低摆幅的高速差分传输电平标准，使用一对平行等长且阻抗受控的差分传输线进行数据的传输[14].其传输速率可达几百至几千兆比特每秒(MB/s).LVDS驱动器和接收器的实现与供电电压无关，故其具有较强的迁移性.BLVDS是在 LVDS技术上发展起来的一个新的总线接口系列，将LVDS点对点通信的能力扩展到多点配置，是多点背板应用的一种有效的解决方案.BLVDS使用约 250,mV的低压差分信号，能够有效地降低功耗和噪声，数据传输速率可以达到几百兆比特每秒.

Altera公司推荐了一种半双工的BLVDS总线布局方式，每个终端节点均含有接收器和驱动器，通过一对差分口完成数据的收发.这种设计可以有效地节约数据线，但需要一套完整的仲裁机制来防止数据冲突.为了降低协议设计难度、保证系统可扩展性，本文使用两条独立差分总线实现 BLVDS总线拓扑结构，如图 7所示，一条总线用于实现主机(数据转发模块)数据对终端设备(背光控制模块)的广播，另一条总线用于主机接收终端设备的反馈数据，该总线只能被授权终端驱动，终端完成数据的反馈后立即释放总线.

图7 BLVDS总线拓扑结构Fig.7 Topology of BLVDS

2.3 背光控制模块

本设计将背光控制器件独立成模块，为使连接方便，背光控制模块采用了 288脚的 DDR4内存条结构，这些引脚中 264个引脚用作 LED驱动信号输出，20个引脚用于模块的供电，其余引脚为空.该模块使用 Altera公司 Cyclone IV 系列的EP4CE15F23C8N作为控制芯片，使用硬件描述语言实现了以下几个模块或功能的设计：BLVDS收发器、数据指令解析、PWM生成模块.其逻辑结构如图8所示.

背光数据包结构如图 9所示，其中包头、指令、地址和包尾均为一个字节，数据长度可变，为 0～1,024,bytes.地址字节用于指示终端设备地址，指令字节支持7种控制指令字及2种查询指令字.

图8 背光控制模块逻辑结构Fig.8 Logical structure of backlight control module

图9 数据包结构Fig.9 Structure of a data packet

图10 为背光控制模块中数据指令解析模块的工作流程.当背光控制模块检测到数据时，进行包头检测，若非包头，舍弃数据继续等待数据，否则，等待接收指令字；当接收到指令字时，将其锁存至指令寄存器中并开始等待地址字；接收到的地址，对其进行地址校验，若其与广播地址或与设备地址均不符，则丢弃数据包进入等待状态，否则进入数据接收状态；当接收到数据时，进行包尾检测，若不是包尾，则将收到数据存入数据寄存器，否则，结束数据的接收并启动指令执行进程，此后继续等待新的数据包.

图10 背光控制模块工作流程Fig.10 Flow chart of backlight control module

3 实验结果

图 11为显示系统的实物图，由长虹 50U1显示器改制而成，采用WE LEDs-LCD的双调制结构，液晶面板为 127,cm(50,in)MVA面板，分辨率为4K(3,840像素×2,160像素)，屏幕比例为 16∶9，响应时间 6,ms，可视角 178°，背光面板使用 WE LED作为背光源，分区数为2,376(66×36).

图11 显示系统照片Fig.11 Photograph of the display system

图 12为自主开发的算法调试工具，系统测试工作均是在该工具的支持下完成的.该工具是基于WPF进行开发的，为文中提及的信号处理模块预留了接口.用户可以动态加载实现了信号处理模块功能的装配集来完成图像视频的处理.完成处理后，通过显卡的HDMI接口输出图像数据，使用USB完成背光数据及指令的传输.

图12 系统调试工具Fig.12 System debugging tool

图13 为长虹50U1显示器与本文显示系统显示效果的对比图，两者使用了相同的液晶模组和显示配置，从图中可以观测到WE LEDs-LCD显示系统显示效果，无论在对比度还是色彩表现上都优于普通LCD.

图13 常规显示器与WE LEDs-LCD显示系统对比Fig.13 Comparison of normal display with WE LEDs-LCD system

表 1记录了在相同条件下测得的显示系统分别在WE LEDs工作模式和W LED工作模式时的显示参数、长虹 50U1显示器的显示参数以及中国电子商会联合中国电子技术标准化研究院于 2016年 3月30日发布的《HDR显示技术认证规范》中LCD的认证要求.

相较于传统全局背光 LCD，采用区域调光的方式不仅能够有效地表达纯粹的黑色，还能更为真实地还原高亮度场景，大幅提升了显示动态范围.同时通过对比表中色域覆盖率数据可以发现，引入宝石蓝LED的WE LEDs-LCD相较于W LED-LCD，色域覆盖率增加了 10.9%，达到了 HDR技术的认证要求，这说明本文系统确实能有效扩展色域.

表1 液晶显示器参数对比Tab.1 Comparison of liquid crystal display parameters

4 结 语

通过对现行高动态范围显示技术和色域扩展技术的对比分析，本文以 WE LEDs作为 LCD的背光源，提出了一种宽色域的高动态范围显示系统的设计方案.结合系统结构及显像模型论证了方案的可行性，详细地描述了系统主要模块的实现，通过实验测量得出系统参数，其峰值亮度为 1,258,cd/m2，黑色亮度低于 0.02,cd/m2，色域覆盖率达 45.65%,，为 NTSC的 119.7%,.这表明本系统有效地提高了显示动态范围，显著地扩展了色域.

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