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[導讀]賽靈思展示了FPGA的創新型TCON的設計

導言:“影像記錄時代,只有真實才能打動人心。”

自從影像記錄誕生以來,還原逼真世界的每一寸細節一直便是行業的終極追求。影響圖像質量包括分辨率、位深度、幀速率、色域、亮度五個要素,近年來4K/8K 60Hz/120Hz的顯示面板逐漸被人耳熟能詳,伴隨著分辨率、位深度、幀速率升級,色域和亮度也被提出新的要求。

然而事實上,人眼本身就是“奇跡的造物”,可以通過瞳孔的放大縮小感知方寸之間的每一處亮部和暗部,而現實世界則跟隨自然的照度不同擁有不同的亮部與暗部細節。

因此,為了能夠充分展現每一處細節,HDR(高動態范圍)這一顯示概念被提出。當然,最終圖像仍然是要通過顯示面板呈現給觀者,其中尤其是大屏顯示面板逐漸伴隨8K的行業趨勢,標配HDR這一技術。

但在激烈的市場競爭之下,大屏顯示面板廠商更新迭代速度加快,面板技術也持續更新。這樣的背景之下,如何快速適配HDR功能成為了競爭點的關鍵。

日前,賽靈思(Xilinx)展示了利用FPGA(現場可編程門陣列)器件的創新型TCON(Timing Controller,時序控制器)方案,利用FPGA高效實現供應商和特定面板色彩容量的轉換,利用FPGA TCON的IO可編程性適應各種視頻接口,以應對瞬息萬變的行業。21ic中國電子網受邀參加本次討論會,賽靈思公司大中華區核心市場事業部市場及業務開發總監酆毅(Bob Feng)現場講解。

賽靈思公司大中華區核心市場事業部市場及業務開發總監酆毅(Bob Feng)

01

HDR影響著兩個關鍵要素

“HDR是最近三到四年顯示和電視技術最熱的關鍵詞,芯片、顯示面板、PC、系統廠商均參與制定了HDR相關標準”,Bob Feng為記者介紹,與HDR(High-Dynamic Range,高動態范圍)相對應的概念自然就是SDR(Standard Dynamic Range,標準動態范圍),事實上HDR早已遠超顯示技術專家和學者研究方向這一范疇,真正滲透入了消費電視領域。

簡單來說,HDR可以清晰還原圖像更多細節。Bob Feng強調,HDR一直是個非常容易被誤解的概念,寬動態很多人會直接聯想到高對比度或高亮度,事實上并不是這樣的。HDR所覆蓋的范圍包括寬色域(WCG)和高亮度范圍(HLR),基于此二維色度范圍與亮度范圍的疊加轉變為三維概念。

上文中也有提及,影響圖像質量包括分辨率、位深度、幀速率、色域、亮度這五個要素,HDR所影響的參數就包括色域和亮度這兩個關鍵參數,實際上在分辨率標準提升的現今,也對這兩個關鍵參數提出新的要求。

在寬色域(WCG)方面,在顯示業界2K HD級別的顯示的色度范圍遵循的是全高清廣播標準BT.709(REC.709);而當在4K UHD級別下,則遵循DCI-P3標準色域更廣;在8K SHV級別下,則遵循REC2020標準,色域越來越接近人眼。

在高亮度范圍(HLR)方面,人眼所能覆蓋的范圍是0到10000 nits,顯示行業現在技術則可達到16億nits。不過需要注意的是超出人眼識別范圍的亮度是沒有意義的,因為最終呈現的效果必須是人眼能夠辨別的。因此,業界為此制定了3條曲線,被稱之為伽馬曲線(A.K.A. Gamma Curves),攝像機的采集內容和顯示傳輸的內容,即光電轉換和電光轉換的過程,二者是相輔相成的。

02

HDR對不同屏幕轉換不同

從屏幕技術方面來談,目前行業主流的顯示技術正在以LCD、OLED和Micro LED的序列逐漸迭代。Bob Feng強調,顯示技術的迭代最終的目標是更加完整地還原人眼所見,在逐次迭代的過程,也會越來越接近HDR。

LCD本身像素不是自發光的,依賴的是背光。上文也有講到HDR的一項重要參數就是亮度,LCD背光照明方式也逐漸從邊緣LED背光、直下式LED背光轉向量子點LED背光mini LED和雙電池背光(Dual Cell,疊屏)。

特別需要注意的是mini LED屬于LCD的一種過渡態,雖然名字和OLED和Micro LED相近,但仍然是一種依賴背光的顯示技術;疊屏則是利用一層背光和一層控光的方式,達成更多的背光分區。

Bob Feng表示,LCD中真正能夠表征HDR的只有量子點LED、mini LED和疊屏這三種背光方式的面板,這是因為實現HDR亮度值需要能夠提到800-4000 nits,色度盡可能接近DCIP3。

OLED和Micro LED兩者則屬于自發光的顯示技術,本身相似之處很多,每個紅綠藍亞像素都能自身產生光源,而有句老話曾說過“HDR與OLED是絕配”。二者最大的區別在于OLED主要使用有機材料,Micro LED則是使用無機材料使得組件小于100μm,獲得更薄的厚度。

不過,由于Micro LED只有在高亮度情況下藍光eqe才具有明顯優勢、低電流低亮度下效率無優勢以及成本過高和邊緣效應等問題還正在解決之中。因此OLED是目前的主流發展方向,不過OLED本身也存在良率的一些問題。

Bob Feng強調,對于顯示廠商來說,為了越來越接近人眼所見,就要不斷推出新的顯示面板技術,但事實上面板廠商正在面臨著良率和成本的雙重考驗。

HDR是如何顯示在屏幕上的?在攝像機端,環境光被收束至攝像機中的光電轉換過程中,光線被PQ HDR或HLG HDR伽馬曲線轉換為電信號;在圖像端,則需要針對不同屏幕進行電光轉換,進行色量轉換的這一器件便是TCON(時序控制器)。

Bob Feng為記者做了一個比喻,假設電信號是許多調色桶,TCON芯片便是控制色量調控和色量轉換的關鍵芯片。事實上,LCD、OLED、Micro LED在顏色與電信號的映射上不可能是完全一樣的,因此必然會帶來轉換算法的不同。

03

適配不同屏幕接口的FPGA TCON

正因為不同顯示面板,TCON芯片的算法不同,因此在顯示技術更新換代之時,廠商必然會遇到TCON設計的挑戰。

假設使用傳統ASIC/ASSP TCON方法,意味著針對不同分辨率下的LCD、OLED、Dual Cell、Micro LED等不同的屏幕類型,都要針對性設計開模,這主要是因為ASIC的程序是固定或者標準的,不可修改。

值得注意的是,TCON除了包攬列驅動器(Column driver)和行驅動器(Row driver)的色調和色域轉換工作以外,還會集成smart TCON等圖像縮放功能。

在OLED或Micro LED轉變的過程中,本身的良率和成本問題本身并沒有解決,還要考慮ASIC/ASSP TCON的適配問題,這無疑無形中又增加了一座“大山”。

在此方面,FPGA的靈活性似乎是“天生”為這種場景而生,針對不同的分辨率下,FPGA TCON所具有的的邏輯可編程性在LCD、OLED、Dual Cell、Micro LED下具有很好的適配性。

Xilinx提出了三種FPGA TCON適配,FHD的情況下使用SPARTAN 6系列產品、UHD下使用KINTEX 7系列產品、8K情況下使用KINTEX UltraSCALE系列產品。Bob Feng為記者介紹,之所以選用不同系列產品,主要是從功耗和成本上考慮。

具體來說,從FHD到8K的迭代中,主頻也以4倍速度迭代。FHD下主頻大約在150 MHz,SPARTAN則剛好貼合這一數值;UHD主頻大約在600 MHz左右,但KINTEX 7無需其他廠家一樣使用四像素并行總線,KINTEX 7只需做雙像素并行總線,主頻可以降到300 MHz,利用一半規模跑所需邏輯;8K方面,KINTEX UltraSCALE的主頻甚至可以做到600 MHz。

需要注意的是,使用FPGA TCON的接口靈活性,可以簡化整體設計,增強效率。具體來說,傳統設計中包括Mobile SoC和TV SoC兩顆芯片,但由于定制的AISC/ASSP是沒有直接接口可以對接Mobile SoC,TV SoC僅僅是充當了轉接的作用,整體的內容和服務均由Mobile SoC提供。

使用FPGA TCON則更加理想,從架構上來看,元器件選擇從3芯片變成了2芯片。Bob Feng強調,Xilinx還剔除了一些冗余接口一對一(V-by-One)的選擇,為智能電視設計帶來極大的簡單化和小型化。

在智能電視越來越輕薄化的行業動態下,一般采用面板后貼主芯片和外置芯片兩種方式。但無論采用哪種方式,利用一對一(V-by-One)的接口相連,會顯得非常臃腫。

基于這樣的洞察,賽靈思和賽靈思的合作伙伴深圳視顯光電公司推出4種解決方案,囊括了FHD TCON、4K60 TCON、8K60 TCON、8K120 TCON。正如上文所述,只要速度和性能滿足這個范圍,就可實現不同類型顯示屏間的設計轉換。

深圳市視顯光電技術有限公司的8K@60Hz無損視頻播放機在2020年全球同步量產,其使用的方案便是FPGA TCON。根據該公司總經理李興龍的說法:“FPGA靈活的可編程特性,為我們快速開發新產品,新技術帶來了極大的助力。比如我們用FPGA開發了針對視頻領域的各種專用傳輸接口,針對8K應用的HDMI2.1、DP1.4等,我們利用FPGA可編程快速迭代的特點,最早給出了解決方案,可以比我們的競爭對手,或者ASIC方案,更快的推出新產品,這是我們的核心行業競爭力之一。”

對于ASIC/ASSP TCON和FPGA TCON, Bob Feng認為二者是共存關系,ASIC本身具有成本優勢必然會長期存在,但FPGA TCON的靈活性和簡化性相信在新興面板技術轉型中將發揮充足的優勢。

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付斌

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