基于FPGA實現液晶顯示器白平衡的調整方法

趙小珍，劉 波，章小兵，黃榮園，劉儒鋒，祁凌云

（1.中航華東光電有限公司，安徽 蕪湖 241002；2.特種顯示技術國家工程實驗室，安徽 蕪湖 241002；3.安徽省現代顯示技術重點實驗室，安徽 蕪湖 241002）

1 引 言

近幾年，航空、航天尤其對LCD顯示器迅猛增長，特別對LCD顯示器的顯示效果、色溫提出了更高要求。在圖像圖形學領域，經常會看到5 500、6 500、9 300K這樣不同的顯示規格數值，這些數值分別代表了不同的白平衡標準模式。人眼在長期生活中，默認的標準顏色都是當地白晝良好自然照明條件下，物體呈現出來的色彩，例如對于熱帶的人，平均日照天頂角較小（大部分時間如同正午一樣接近垂直入射），白晝正常色溫較高，能達到10 000K以上，對于他們而言，略帶冷光成分的藍白色是更容易被接受的“白”色標準。而對于高緯度地區例如歐洲，日光平均色溫只有5 000～6 000K，因此，他們接受的白色色調略呈暖色（黃白）。對于處于中低緯度地區的東亞人，一般認為與D65光源近似的6 500K左右的色溫是比較純正的白色，對應的色坐標為x＝0.312 7，y＝0.3291（CIE1931x－y顏色空間表示）或μ＝0.197 8，ν＝0.468 4（CIE1976μ－ν顏色空間表示）。

光源色溫不同，顏色就不同［1］。調整白平衡的本質就是調整色溫。由于色溫6 500K的顯示色彩對于飛行員和作戰環境具有最良好的色中性，其與各種基準彩色都能保持最大的顏色差異，不致于引起前景和背景色顏色混淆影響辨識力的問題。因此，控制LCD顯示器色溫為6 500K，成為今后航空、航天LCD顯示器的一個新特點。

在顯示領域，白平衡的好壞主要由液晶屏以及驅動控制系統所決定。因此，大多數文獻資料或專利，都會介紹通過信號處理算法，比如灰度世界算法、完美反射算法、伽馬校正技術、運動插值幀頻變換技術以及插黑／灰技術等技術來調節白平衡。針對現有TFT－LCD液晶顯示器白平衡調整方法，提出一種基于FPGA調節OGB背光源的方法，來實現動態白平衡調整，達到液晶屏色溫穩定，圖像顯示逼真的效果。

2 現有白平衡方法分析

2.1 白平衡調整原理

白平衡調整的基礎是三基色原理，三基色原理是對色彩進行分解、混合的重要原理［2］。從三基色原理可知：任何色彩都可以用不同含量的紅、綠、藍三基色來表示，可以把液晶顯示器任何像素所發出的色光Y表示為：

該方程是液晶顯示器進行白平衡調節的依據。在白平衡的調整中，調整液晶顯示器的亮度，即紅綠藍（RGB）三基色，使液晶顯示器達到某一要求的色溫值，并且符合液晶顯示器的其他參數規范要求。

根據RGB三基色原理，任何一種色光F都可用R、G、B三基色按照不同的比例相加混合疊加而成，當三基色分量都為0時，為黑色光；當三基色分量都為C（最大值）時，為白色光。如式（2）所示：

由式（2）可以看出，改變三色系數 Kr、Kg、Kb中的任何一個，都會改變F的值，即F的顏色發生了改變。

根據以上原理，調整白平衡，就是改變液晶像素分量特性或改變背光源光譜特性。

2.2 白平衡調整方法

根據以上白平衡原理分析，白平衡調整就是調整液晶像素分量特性或調整背光源光譜特性。

對于LCD顯示器，與液晶像素有關的因素主要有液晶屏（Panel）、TCON板以及視頻處理系統（VPS）；與背光源光譜有關的因素主要有光學系統和背光源［3］。以下，將從這兩方面進行詳細分析。

2.2.1 液晶像素白平衡調整方法

從控制液晶像素方面出發考慮，對于液晶屏，當生產商在設計Panel時，從器件特性、液晶、工藝設計、機構設計等方面已經確定，產品出廠后，這些參數基本不能更改。所以，對于Panel處理，不能進行白平衡調整；對于TCON板，主要是接收視頻處理系統（VPS）送過來的LVDS信號，最后轉換為RSDS格式、PPDS格式、mini－LVDS等格式信號驅動液晶屏周邊source driver、gate driver以及產生灰階電壓（Gamma電壓）等。灰階電壓補償了光強度或亮度再生的非線性，使LCD顯示器盡可能能夠真實地反映原物體或原圖像視覺信息的重要過程，從而克服顏色失真，增強白平衡效果。然而即使采取了這些措施，依然不能消除在不同灰階畫面下色溫的漂移。原因在于液晶像素對不同波長的光透過特性不同，紅綠藍三色的Gamma特性不一樣。依照單一的灰度Gamma曲線，不可能實現對RGB三色的最佳調整，需要對紅綠藍三色分別單獨做Gamma校正，即實施3Gamma校正技術以獲得顯示特性的優化，才能有效抑制不同灰度下色溫的漂移。但這種方式實施難度較大，在這里不做細述。

對于視頻處理系統（VPS），可以對視頻信號進行算法處理，比如可以采用灰度世界算法、完美反射算法、gray world－retinex算法、模糊邏輯算法、動態白點算法等算法，通過調整通道增益使3個通道的平均值相等，就可以得到相應的增益。根據人眼感知到的白色是三通道值最大的像素點，而且白色的3個通道值相同，所以只要使3個通道的最大值相等，就可正確對白平衡進行調整，使液晶屏達到理想的彩色和白平衡效果。對視頻信號進行算法處理，本文也不做詳細介紹。

2.2.2 背光源白平衡調整方法

從背光源光譜方面考慮，對于光學系統來說，反射片、擴散板、下擴散片、BEF等光路器件確定光學系統后，無法對這些光路器件進行控制和動態修正，因此，無法實現光學系統的白平衡控制；而對于背光源來說，該背光源由白燈和OGB彩燈構成，并且，液晶顯示器背光調節采用調頻算法，基于顏色控制技術，進行白平衡動態調整。

基于以上分析，本文提出一種基于FPGA調節OGB背光源的方法，能夠實現白平衡動態調整。并且，白平衡調整后，液晶顯示器擴大了顏色表現范圍，圖像顯示逼真，液晶屏色溫穩定，色坐標誤差在±0.005范圍以內。

3 總體方案設計

圖1 顯示器總體框圖Fig.1 Frame of LCD

該顯示器有接口模塊、控制模塊、LED背光模塊以及液晶屏顯示模塊構成。接口模塊主要完成顯示器各種接口設計；控制模塊主要完成LED背光控制、溫度采集以及白平衡控制；LED背光模塊主要完成液晶所需的高亮LED背光源；液晶屏顯示模塊主要完成視頻顯示功能。其總體原理框圖如圖1所示。

3.1 硬件方案

控制器采用FPGA為主控核心，背光源采用直下式LED背光源，顏色傳感器采用TI公司生產的TCS230D，顏色傳感器分別對紅光、綠光、藍光進行采樣，數字傳感器采用AD公司生產的10 bit器件AD7814，對背光溫度實時采集，10位精度能夠滿足采樣要求。在FPGA內部，分模塊設計，分別完成背光控制、串口數據控制、離散量信號控制、PWM波形發生控制、溫度采集、白平衡控制。其硬件原理框圖如圖2所示。

圖2 硬件原理框圖Fig.2 Diagram of circuit scheme

3.1.1 傳感器的選擇

考慮到外圍電路設計簡單，抗干擾能力強以及空間面積小的特點，選擇TI公司的生產的顏色傳感器TCS230D［4］。TCS230D是TAOS公司推出的帶數字兼容接口的RGB彩色光／頻率轉換器，內部集成了可配置的硅光電二極管陣列和一個電流／頻率轉換。TCS230D輸出占空比為50%的方波，且輸出頻率與光強呈線性關系。通過2個可編程引腳S0，S1，可以選擇2%，20%或100%的輸出比例因子。顏色傳感器TCS230D的輸入／輸出引腳均可以直接與主控芯片FPGA引腳相連。電路設計簡單、可靠［5］。

3.1.2 軟件算法實現

在LED背光源面上，安裝有顏色傳感器和數字溫度傳感器。系統工作時，首先讀取存儲器的初始值，然后檢測顏色傳感器TCS230D是否正常，如果不正常，直接輸出預定的PWM波形，防止液晶屏依賴顏色傳感器刺激值，導致出現液晶屏嚴重偏色。如果檢測正常，依次判斷O、G、B采樣值與基準值大小，調整O、G、B的PWM占空比，輸出驅動LED燈PWM波形，保證在全溫度范圍內，液晶屏色溫沒有明顯偏差。其FPGA軟件流程圖如圖3所示。

圖3 FPGA軟件流程圖Fig.3 Software flow chart of FPGA

軟件代碼部分的實現，分為2大部分：即顏色傳感器的采樣部分和PWM波形動態調整部分。由于顏色傳感器FPGA代碼實現部分較為簡單，本文不做介紹。根據圖3所示的FPGA軟件流程圖，其PWM波形動態調整的Verilog語言代碼［6］實現如下（僅對藍燈控制代碼）：

4 試驗數據結果分析

對顯示器產品進行白平衡調整前后數據色溫測試，其測試數據如表1所示。

表1 表白平衡調整前后色溫對比表Tab.1 Color temperature comparison before and after adjusting white balance

圖4 白平衡調整前色溫曲線圖Fig.4 Color temperature chart before adjusting white balance

圖5 白平衡調整后色溫曲線圖Fig.5 Color temperature chart after adjusting white balance

從表1的測試數據可以明顯看出，白平衡調整后，色溫明顯得到提高，色差范圍控制在預計的±0.005范圍之內。

從色溫曲線圖4、圖5中可以看出，白平衡調整前，色溫曲線圖隨亮度級數、時間推移，色溫值持續升高，達到一定時間后，色溫值升高到7 449K；而白平衡調整后，色溫值控制在一定范圍內，最大值僅為6 541K，誤差在0.63%左右，完全達到預定要求。

5 結 論

針對現有液晶顯示器白平衡的調整方法，詳細分析了白平衡調整的各零部件，從各個零部件可實現程度以及難易度出發，提出了一種基于FPGA調節OGB背光源的方法，并且通過軟硬件的設計以及相關實驗驗證，實現了LCD顯示器動態白平衡調整。白平衡調整后，液晶屏色溫穩定，圖像顯示效果逼真，色差范圍控制在±0.005之內，誤差在0.63%左右，完全能夠滿足機載顯示領域顏色穩定、色溫的要求。該調整方法調節背光源白平衡已經投入使用，其性能可靠、穩定，實用性強。此方法值得推廣。

［1］ 湯順青.色度學［M］.北京：北京理工大學出版社，1990.Tang S Q.Colorimetry ［M］.Beijing：Beijing Institute of Technology Press，1990.（in Chinese）

［2］ 徐艷芳，黃敏，金楊.基于色度比特性的顯示器色度特性化［J］.液晶與顯示，2008，12（6）：771－777.Xu Y F，Huang M，Jin Y.Characterization of monitors based on colorimetric ratios［J］.Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays，2008，12（6）：771－777.（in Chinese）

［3］ 馬群剛.TFT－LCD原理與設計［M］.北京：電子工業出版社，2011.Ma Q G.The Theory ＆ Design of TFT－LCD ［M］.Beijing：Publishing House of Electronics Industry，2011.（in Chinese）

［4］ 開躍春，金濤，賈宏志.單片機實現LCD白平衡的自動調整［J］.光學儀器，2008，12：45－48.Kai Y C，Jin T，Jia H Z.Automatic adjusting of LCD white balance be implemented by MCU ［J］.Optical Instruments，2008，12：45－48.（in Chinese）

［5］ 孫立新.LCD顯示器的白平衡調整［J］.液晶與顯示，2011，26（2）：220－223.Sun L X.LCD white balance adjustment［J］.Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays，2011，26（2）：220－223.（in Chinese）

［6］ 楊強浩.基于EDK的FPGA嵌入式系統開發［M］.北京：機械工業出版社，2008.Yang H Q.FPGA Embedded Systems Development Based on EDK ［M］.Beijing：China Machine Press，2008.（in Chinese）