基于FPGA的HDMI显示设备背光视觉增强系统的设计

徐建东 肖金球 孙磊

摘  要： 針对HDMI显示设备的视觉增强需求，结合目前显示设备的多元化、高速化、商业化发展，在行业发展的前景与显示技术的基础上，以FPGA技术为核心结合WS2812B智能外控LED光源设计一种HDMI显示设备背光视觉增强系统，对系统的架构、图像处理的算法与电路的驱动等进行阐述，并通过FPGA对系统进行仿真测试。测试结果证明，此设计方案具有低功耗、体积小、泛用性强、实时处理速度快以及不占用输出设备资源等特点，在显示设备中具有良好的应用发展。

关键词： 背光; 视觉增强系统; 显示设备; 图像处理; HDMI; FPGA; 仿真测试

中图分类号： TN873?34; TP37                        文献标识码： A                  文章编号： 1004?373X（2019）20?0067?05

Design of FPGA?based backlight vision enhancement system for HDMI display devices

XU Jiandong1， 2， XIAO Jinqiu1， 2， SUN Lei1， 2

（1. School of Electronics and Information Engineering， Suzhou University of Science and Technology， Suzhou 215009， China;

2. Intelligent Measurement and Control Engineering Technology Research Center of Suzhou City， Suzhou 215009， China）

Abstract： In allusion to the visual enhancement requirements of HDMI display devices， in combination with the diversified， high?speed and commercialized development of current display devices， a HDMI display device backlight vision enhancement system taking FPGA technology as the core is designed according to the development prospects and display technologies of the industry， and WS2812B intelligent external control LED light source. The system architecture， image processing algorithm and circuit driver are described. The simulation testing for the system was carried out by means of FPGA. The testing results show that this design scheme has the characteristics of low power consumption， small size， strong versatility， fast real?time processing speed and no occupancy of output equipment resources. It has a good application development in display devices.

Keywords： backlight; visual enhancement system; display device; image processing; HDMI; FPGA; simulation test

0  引  言

随着显示设备的发展，人们对于视听娱乐的追求早已超出了对试听内容本身的追求，而显示设备的多样化成为提高试听观感的重要途径。飞利浦提出的流光溢彩（Ambilight）电视两侧LED照明效果，大大提高了视听氛围，收到了多数系列产品用户的喜爱，但有着高昂的价格，不可更换显示设备和灯光分辨率低的缺点;也有国外爱好者设计了同类设备（Zambilight），但因其只接受AV信号的输入，无法满足当今主流的视频输入信号。由此，本文提出一种能对接主流视频输出信号，高刷新率，高灯光密度的显示设备背光增强系统的设计[1]。

1  系统设计

1.1  总体结构设计

本文设计的基于FPGA的“流光溢彩”显示设备背光效果系统包含HDMI信号分配电路、通过GPIO连接的外部扩展控制器、HDMI输入输出接口及显示器、VGA输出接口及显示器、RGB灯珠显示电路和处理视频信号的FPGA[2]。系统的整体结构框图如图1所示。

图1  系统整体结构框图

通过标准HDMI接口将全高清视频（Full HD，1 920 × 1 080 p@60 Hz）数据输入FPGA中[3]，FPGA中预设的IP核（HDMI_DECODER）将HDMI视频信号解码，并将解码后的数据送入图像处理模块IP核（Image_Processor）、VGA视频输出模块HDMI（VGA_OUTPROT）或是HDMI视频输出模块IP（HDMI_OUTPROT）[4]。依据图像处理模块处理后的结果对组合的RGB灯珠进行显示控制，视频以HDMI的格式输出到显示器，通过外部扩张的控制器可对预设的显示效果进行控制。

本套系统的主控芯片采用Xilinx公司开发的ZYNQ?7000系列中的Z?7020可编程SoC。Z?7020拥有双核ARM Cortex?A9 MPCore處理器，最大频率达到866 MHz，支持外部DDR3内存，拥有多达128个外部专用引脚，性能强大，且拥有功耗低，稳定性强等特点，能够更好地满足各类苛刻的工业设计需求。

1.2  WS2812B显示电路

WS2812B是一个集控制电路和LED发光电路于一体的智能外控LED光源。每一个元件即为单独的一个像素点。每个原件内部包含了智能数字接口、数据锁存器和整形放大电路，还包含高精度的内部振荡器和12 V高压可编程定电流控制电路，有效地保证每一个灯珠的颜色保持高度一致。

WS2812B具有易驱动、环保节能、亮度高、散射角度大、超低功率、超长寿命等特点，极大地简化了设计难度和开发周期，电路也变得更为简单，体积小，引脚少，安装方便，如图2a）所示。WS2812B仅有四个引脚：VDD，供电管脚;DOUT，数据信号输出管脚;VSS，信号与电源接地管脚;DIN，数据信号输入管脚，多个WS2812B组成LED光源阵列组的方式也极其简单，数据协议采用的是单线归零码的方式，第一级像素单元的DIN端从控制器接收数据，送入的数据前24 bit会被该像素单元提取，剩余的数据流经单元内部的整形放大电路通过DOUT端传输给下一级像素单元，每经一个像素单元，信号则会缩短24 bit，直至数据信号依次被裁剪完，其连接方式如图3所示。

图2  机械尺寸与引脚示意图

图3  连接方式

2  模块设计

2.1  HDMI解码模块

HDMI（High Definition Multimedia Interface）意为高清晰度多媒体接口[5]，是一种整合了数字化视频与音频的接口技术，广泛地应用于音频和视频信号，同时传输的专用数字化传输领域，当前的HDMI2.1最高传输速度已经到达了惊人的48 Gb/s，对于传输一个Full HD（1 080 P@60 Hz）视频与一个8声道音频信号甚至更高规格的视频/音频传输要求，在其强大的传输速率下都不在话下，仍然拥有极大的余量。

HDMI采用的是与DVI同样的传输方式——TMDS（Transition Minimized Differential Signal），即为最小化传输差分信号。每一个TMDS链路都包含了1个传输时钟信号通道与3个传输RGB信号的数据通道，每一个数据传输通道都通过编码方式，将8位视频/音频信号转换成最小化传输、直流平衡的10位数据，前8位是原始信号数据经算法运算后得到，第9位是运算方式指示位，第10位是直流平衡位。以一路并行RED信号通过TMDS传输为例，如图4所示。将图片信息的RED分量信息并行传入编码器对8位RED信息进行编码，并将并行传送转为串行传输，将得到的串行8位数据进行最小化传输处理，即在第9位示意编码方式，成为编码位，最后为保证传输过程中的直流偏移为零，在第10位上补上0/1，使得串行发送的“0”“1”数量保持基本一致，信号对传输过程中的电磁干扰减少，提高传输的可靠性。

播放设备通过HDMI接口将视频源传输入FPGA中的HDMI_DECODER IP核[6]。IP核依照上述的TMDS传输编码方式对数据流进行解码，生成VGA格式的数据信号VGA_DATA、时钟信号PXL_CLK、行同步信号HS以及场同步信号VS。HDMI_DECODER信号输入解码模块如图5所示。

图4  TMDS传输过程示意图

图5  HDMI_DECODER信号输入解码模块

2.2  Image_Processor图像处理模块

本模块是将HDMI_DECODER模块解码后的视频数据流在该模块进行逐帧处理，其转换的模式以某一帧画面为例，如图6所示。

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