使用FPGA实现自适应全阵列局部调光解决方案

2023-08-19 12:56:24

　　江南体育乍一看，今天的汽车看起来跟几十年前的汽车没什么差别，但事实并非如此。车舱内、引擎盖下甚至轮胎内都隐藏这巨大的变化，可谓到处都有进步。

　　当前的一个趋势是向软件定义车辆发展，对车辆的许多功能和特性的控制是集中式的。实现方式是利用微处理器、传感器和软件算法来增强车辆性能、功能和用户体验。软件定义车辆的一些关键方面包括集中计算、无线（OTA）更新和云通信。

　　然后就是车辆的电气化。这是指用电子元件替换或补充传统机械元件的过程。其中最显而易见的就是电机。混合动力车型是向电动汽车（EV）的过渡的主要阶段，这类汽车同时拥有燃油发动机和电机，最后持续发展到仅由电动机驱动。由于没有废气排放，电动汽车更环保，而且减少了人们对化石燃料的依赖，有助于全球ESG治理。

　　软件定义和电动汽车的下一阶段就是自动驾驶汽车。同样，随着高级驾驶辅助系统（ADAS）功能的不断完善，这也是分步实现的。当今的ADAS系统利用传感器、摄像头、雷达和其他组件来监控车辆周围环境、收集数据并协助驾驶员。这些系统提供实时反馈、警告和干预措施，减少道路上的潜在危险。目前常见的ADAS功能包括自适应巡航控制、车道偏离警告、自动紧急制动、盲点检测和停车辅助系统。随着这些功能承担更多的责任，汽车的计算系统完全控制车辆的一天终将到来。

　　然后是“娱乐”功能，就现代汽车而言，这意味着集成下一代智能手机的所有功能，例如Wi-Fi、蓝牙、GPS、流媒体音频和视频等。为了提供这些功能，整车的不同位置都需要适当的显示屏，包括中央娱乐中心、仪表盘、平视显示器（HUD）和后座显示器。有时制造商还会部署显示器作为后视镜的替代。

　　谈到这些显示器时，你可能会认为OLED（有机LED）是最理所当然的选择，因为车辆内的照明条件跨度很大，从强光直射到近乎完全黑暗，视角范围也很大，从直视到大角度斜视。但是虽然OLED可以提供很高的对比度，但与背光LCD相比，它们亮度不够。此外，众所周知，OLED会遇到寿命问题，不同颜色会以不同的速率老化，随着时间的推移影响图像质量。

　　出于其中一些原因，制造商会坚持使用能久经考验的LCD屏，它们具有各种尺寸和分辨率。一个重要的考虑因素显然是成本，LCD的价值在于其成熟的制造工艺和在恶劣的汽车温度环境中表现出的可靠性。LCD的使用寿命通常也比OLED更长。OLED中使用的有机材料会随着时间的推移而降解，这可能导致残影和色彩偏移。而LCD不易出现此类问题，并且可以在较长时间内保持其图像质量。

　　此外，出于多种原因，设计人员需要最大程度降低汽车显示器的延迟。它们会影响驾驶员安全，车辆中多个显示器的不同步问题也会影响用户体验。

　　标准LCD显示屏通常使用背光，背光是位于液晶层后面的均匀光源。为了创建图像，液晶打开或关闭来控制通过每个像素的光量。然而，即使处于关闭状态，背光的一些光线也会泄漏，导致黑色不完美，对比度降低。

　　消费者已经习惯了智能手机和电视的高对比度显示屏，汽车显示屏也必须达到这一标准。局部调光是产生消费者所期望的高对比度、绚丽图像的一种流行选择，这在较差的照明环境中尤其有益。

　　随着汽车使用更多、更高质量的LCD，局部调光技术也在汽车中发挥越来越重要的作用。局部调光旨在通过选择性调暗或关闭屏幕背光的某些区域来增强对比度并改善黑电平。这是通过将背光划分为多个区域实现的。每个区域都可以独立控制以调整其亮度或完全关闭。当图像的特定部分需要较暗的区域时，局部调光算降低该区域的背光强度，从而有效地使相应的像素变暗。

　　局部调光技术主要有两种类型，全阵列式（full-array）和侧光式（edge-lit）。侧光式局部调光方案中，LED位于显示面板的边缘，使用光导或漫射器照亮整个屏幕，并通过动态调整边缘不同LED的亮度来实现局部调光。全阵列局部调光在LCD 面板后面使用了一组LED，可提供更精确的控制并产生更好的对比度和黑电平。LED分为多个区域，可以单独调暗或关闭。采用的分区数量直接影响性能，但会使设计更加复杂。

　　汽车应用中的局部调光是一个计算密集型功能，因为所需的算法相对复杂。除了考虑各个分区外，软件还必须持续监控照明条件，它会随着汽车的行驶而不断变化，如白天和黑暗、不同的天气条件、通过隧道等。

　　局部调光算根据检测到的环境光水平，相应地调整显示器的背光。此外，算法还必须监控正在显示的内容，并根据内容中的特定元素相应调整亮度和对比度。减少眩光也是一个关键因素，因为来自外部光源（如阳光或迎面而来的大灯）的眩光会影响显示器的可见度。局部调光算法可最大程度地减少眩光并提高可视度。

　　一些制造商正在采用基于傅里叶级数的LCD优化方案，这是一种使用傅里叶级数分析原理来优化显示器输出的技术。这种方法涉及分析目标信号的输出特性，例如强度和颜色分布，然后确定适当的电信号来驱动显示器以实现这些特性。

　　同样的局部调光技术可用于汽车的平视显示器（HUD），这些显示器通常用于将驾驶信息投射到挡风玻璃上，例如汽车的速度，导航指令或警告。HUD的局部调光不仅增强了可视性，还消除了所谓的“明信片效果”，提供更加无缝的体验。

　　与当今许多设计领域一样，人工智能已经影响了局部调光的各个方面，特别是所谓的“深度可控背光调光”。这种方案可以分析内容，做出明智的决策，并动态调整背光来提高图像质量，改善用户体验。AI算法根据不同的显示内容和照明条件不断调整背光。AI和ML模型可以快速分析和响应内容的变化，确保背光优化并与显示的图像同步。

　　这些相同的算法可以通过提高图像质量和减少伪影来增强用户体验。利用人工智能和机器学习（ML），算法可以适应不同的内容类型，如视频、游戏或文本，并相应地优化背光，提供视觉上令人愉悦和舒适的观看体验。

　　•实时处理能力。汽车LCD面板中的局部调光需要FPGA提供的快速响应处理，从而分析内容、调整背光区域和控制LED亮度。

　　•定制和灵活性。设计人员可以借助FPGA的特性，实现汽车LCD局部调光要求的自定义算法和控制策略。

　　•资源优化。设计人员可以分配专门的硬件资源，即使用FPGA大量的I/O以及本地存储空间用于局部调光操作，这些存储器可以有效地处理局部调光所涉及的复杂计算。

　　•高度可靠。汽车应用需要稳定可靠的解决方案，能够承受恶劣的环境条件、温度变化以及冲击和振动。

　　•面向未来。汽车显示器和局部调光算不断发展。FPGA提供适应性和可升级选项，允许实现新算法、控制策略或系统增强功能。此外，FPGA还支持轻松迁移，以及灵活选择LCD和LED背光供应商。

　　莱迪思半导体FPGA提供实现汽车LCD局部调光应用所需的所有特性和规格，包括低功耗、小封装尺寸、可扩展性、合适的工艺节点和足够的稳定性。莱迪思DriveTM支持FPGA快速运用于汽车应用，并且作为莱迪思首款汽车市场解决方案集合，非常适配针对汽车应用进行优化的低功耗、小型FPGA。

　　莱迪思Drive的首个版本的侧重于显示器接口和处理，它提供参考设计和演示、定制设计服务、软件工具、IP核和硬件平台。

　　例如，莱迪思Nexus CertusPro-NX™ FPGA支持灵活的接口，包括最高HBR3（8.1gbps）的DisplayPort，通过单根线缆以高分辨率和刷新率连接多个屏幕。CertusPro-NX具有可扩展性和适应性，支持多个区域和不同的面板，并允许控制各种LED驱动器IC。

　　只需一片莱迪思CertusPro-NX FPGA器件就可以处理实现汽车LCD面板局部调光方案的几乎所有功能。如果需要，Nexus FPGA平台可实现甚至数千个分区。

　　设计人员目前在此应用中面临的一个关键挑战包括需要控制的大量LED、没有标准的LED驱动器接口以及不同的电路板设计和布局。莱迪思Nexus™ FPGA平台拥有更高精度的扫描线切换时序控制、丰富的I/O接口组合、对大多数LED驱动器IC的支持以及重新映射LED矩阵的能力，这些特性都有助于解决上述问题。

　　莱迪思构建的演示清楚地展示了局部调光的工作原理。它围绕Raspberry Pi开发板，通过GPIO将720p 50Hz视频流式传输到莱迪思CertusPro-NX FPGA。内部视频缩放器获取该视频数据，并将其放大到 2160p（50 Hz）。同时，局部调光功能可动态控制面板的全 LED 阵列背光。然后DisplayPort发送器IP获取放大后的视频，并以HBR2（4通道）格式将其流式传输到4K像素面板。最后，面板显示该视频，同时全LED阵列背光处于持续控制之中。

　　综上所述，莱迪思Nexus平台用于汽车局部调光应用的原因有很多。它包括了一个经济高效的单芯片解决方案，可最大限度地提高灵活性，支持所有流行的视频接口，包括LVDS、eDP、MIPI和V-by-One等，还支持低处理延迟、8.1 Gbit/s传输，12位内部处理精度等。

　　作为低功耗可编程器件的领先供应商，莱迪思树立了低功耗、小尺寸FPGA的性能和功耗标准。莱迪思致力于发扬为客户提供支持和咨询的企业文化，有助于其保持行业领先地位。

　　莱迪思提供基于Nexus的创新解决方案，将设计软件和现成的软IP模块与评估板、套件和参考设计相结合。了解有关莱迪思Nexus平台或其莱迪思Drive的更多信息，请联系您当地的莱迪思销售代表。

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