如何匹配汽車TFT-LCD面板的色彩亮度

作者/Theju Bernard Intersil公司

　　引言

　　對(duì)伽馬校正的需求源于CRT電視顯示器的發(fā)明。CRT使用電子束光柵來照亮顯示器前面板背后的熒光涂層。所施加的柵極控制電壓按比例控制發(fā)光強(qiáng)度，并遵守冥次法則：發(fā)光強(qiáng)度 = 控制電壓的伽馬次方。這種控制具有內(nèi)在的非線性性質(zhì)。CRT的標(biāo)稱伽馬值為大約2.5。另一方面，人眼具有反向響應(yīng)，對(duì)灰度級(jí)較暗部分的變化相對(duì)敏感。因此，為使最終圖像對(duì)人眼顯示出灰度級(jí)真實(shí)深度的變化，必須在圖像傳輸前對(duì)紅、綠和藍(lán)信號(hào)進(jìn)行伽馬校正。該校正在視頻源系統(tǒng)中進(jìn)行，如電視廣播攝像頭。

　　攝像頭設(shè)計(jì)的輸出電壓與發(fā)光強(qiáng)度成比例，等于發(fā)光強(qiáng)度的1/2.5次方(0.4次方)。由于略大于1的伽馬值比較受偏愛，因此，廣播標(biāo)準(zhǔn)通常使用0.5的伽馬值，從而使系統(tǒng)伽馬值為1.25。由圖1可知，攝像頭的內(nèi)置伽馬響應(yīng)是CRT響應(yīng)的倒數(shù)，因此，無需進(jìn)行額外的系統(tǒng)伽馬校正。但必須對(duì)TFT-LCD的信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)，以補(bǔ)償攝像頭的伽馬調(diào)整，后者最初是為CRT顯示器而設(shè)置的。

　　圖1 傳統(tǒng)CRT系統(tǒng)的伽馬值

　　1 汽車LCD面板伽馬校準(zhǔn)

　　TFT-LCD面板在汽車組合儀表、信息娛樂、導(dǎo)航本體單元及高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)智能后視鏡上的應(yīng)用越來越多。它們不是用電子槍和熒光層來產(chǎn)生發(fā)光強(qiáng)度，而是通過向液晶像素施加電壓來控制“背光”穿過像素的透射率。采用冷陰極熒光燈(CCFL)或發(fā)光二極管(LED)陣列來提供“背光”。施加于液晶像素的電壓可以控制傳送到前面的背光光量，以便再現(xiàn)傳輸圖像，這可定義針對(duì)TFT-LCD的透射率曲線。

　　TFT-LCD的伽馬值不同于CRT，不過它具有輕微的伽馬響應(yīng)。傳統(tǒng)廣播系統(tǒng)的伽馬校準(zhǔn)在信號(hào)傳輸過程中進(jìn)行，以補(bǔ)償CRT伽馬響應(yīng)，而且這結(jié)合了人眼的反向響應(yīng)。因此，必須在將信號(hào)施加于TFT-LCD面板之前對(duì)其進(jìn)行伽馬校正。TFT-LCD伽馬校正有必要遵循CRT顯示器的伽馬校正。輸入視頻信號(hào)是數(shù)字式的，且伽馬校正碼施加于數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)，以產(chǎn)生電壓，并施加于像素。這些伽馬校正碼可幫助面板顯示器制造商確定滿足視覺效果要求的合適校正碼。系統(tǒng)常常能夠存儲(chǔ)針對(duì)不同環(huán)境光條件的多個(gè)伽馬校正設(shè)置。圖2顯示了用于TFT-LCD面板的規(guī)范化伽馬校正，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)伽馬值1。

　　圖2 LCD系統(tǒng)伽馬值

　　數(shù)字視頻數(shù)據(jù)，通常是低壓差分信號(hào)(LVDS)，必須使用DAC進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以產(chǎn)生施加于像素的模擬電壓。使用面板的源/列驅(qū)動(dòng)器中的分段非線性DAC進(jìn)行伽馬校正(有意實(shí)現(xiàn)非線性)。源驅(qū)動(dòng)器DAC決定可向像素施加多少個(gè)不同的電壓階躍(如一個(gè)8位DAC可產(chǎn)生28或256個(gè)灰度級(jí))。圖3顯示了由每個(gè)電壓階躍造成的灰度級(jí)強(qiáng)度變化感知，是相對(duì)于面板的伽馬響應(yīng)(電壓-透射率或V-T曲線)和眼睛的響應(yīng)。

　　圖3 不同伽馬響應(yīng)的相對(duì)強(qiáng)度變化對(duì)比

　　伽馬校正的非線性性質(zhì)導(dǎo)致亮度等級(jí)低的圖像數(shù)據(jù)被壓縮，而亮度等級(jí)高的圖像數(shù)據(jù)壓縮很少或沒有壓縮。低等級(jí)壓縮使得處于“暗”至“較暗”區(qū)域的圖像數(shù)據(jù)比較醒目，人眼更容易察覺。這可改善圖像深度。作為附加好處，這種壓縮和非線性導(dǎo)致用于亮度編碼的位數(shù)較低(如非線性情況為8位，而線性情況為12位或14位)。另外，壓縮還可幫助降低可能存在的視頻信號(hào)噪聲。

　　2 可編程伽馬緩沖器

　　為將LCD面板的伽馬響應(yīng)變?yōu)樾枰腣-T傳遞函數(shù)，面板的源(列)驅(qū)動(dòng)器DAC可使用施加于多個(gè)分接點(diǎn)的各種參考電壓。這些電壓迫使每個(gè)DAC有特定理想非線性工作條件。參考電壓常常由伽馬緩沖器IC提供，通常是向DAC分接點(diǎn)提供模擬電壓的緩沖放大器。伽馬緩沖器IC可以是靜態(tài)或可編程的。Intersil ISL76534是一款可以用于汽車LCD面板的器件，它由基于I2C的14通道可編程伽馬緩沖器和一個(gè)VCOM通道組成，二者的分辨率均為10位。該器件可向汽車TFT-LCD源驅(qū)動(dòng)器提供準(zhǔn)確和穩(wěn)定的DC參考電壓。TFT-LCD面板系統(tǒng)簡化框圖如圖4所示。

　　圖4 簡化的TFT-LCD面板框圖

　　借助對(duì)DAC分接點(diǎn)的控制，汽車LCD面板制造商能夠?qū)﹄妷哼M(jìn)行微調(diào)，從而進(jìn)一步調(diào)整或校準(zhǔn)面板的非線性伽馬響應(yīng)(亦稱伽馬校準(zhǔn))。這有助于汽車LCD面板制造商能夠確保其某一型號(hào)的所有LCD面板具有一致的伽馬響應(yīng)。這意味著由LCD生產(chǎn)制造差異等因素造成的潛在視覺效果差異得以最小化，因此，汽車LCD面板制造商能夠提供更一致和具有視覺吸引力的產(chǎn)品。消費(fèi)者則能放心其所購買的汽車的顯示器與其在經(jīng)銷商處試駕時(shí)看到的顯示器具有相同的視覺效果。

　　最終由面板制造商決定以何種方式來校準(zhǔn)伽馬響應(yīng)(如γ = 2.2、γ = 2.0、γ = 1.8，或者基于預(yù)期亮度的不同伽馬值的組合)，使其顯示器具有特定的視覺效果。值得注意的是，伽馬特性容易隨著視角變大和不同的環(huán)境照明條件而變化，所以在購買汽車時(shí)應(yīng)當(dāng)比較一下顯示器在強(qiáng)光和低光條件下的顯示效果，以確定顯示的圖像是否令你滿意。

　　3 不同伽馬值的圖像比較

　　圖5比較了同一幅圖像具有不同總伽馬值時(shí)的視覺效果，很容易看出來差異。圖5B所示圖像是標(biāo)稱(原始)伽馬值(如γ = 2.2)，圖5A所示圖像大于標(biāo)稱值，圖5C所示圖像小于標(biāo)稱值。圖5C所示圖像隨著暗色消失而失去對(duì)比度，并變得有點(diǎn)反白;圖5A所示圖像的對(duì)比度較大，但總體上暗色的區(qū)域比較多。

　　圖5A 高伽馬值圖像示例

　　圖5B 標(biāo)稱伽馬值圖像示例

　　圖5C 低伽馬值圖像示例

　4 伽馬值和汽車信息娛樂顯示設(shè)置

　　汽車LCD面板具有由源驅(qū)動(dòng)器性能決定的黑-白端點(diǎn)等級(jí)，但在視頻數(shù)據(jù)處理期間可對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字調(diào)整。另外，也可通過調(diào)節(jié)LCD面板的背光強(qiáng)度來改變亮度，這增加了又一個(gè)系統(tǒng)性能維度。顯示器控制功能常?？蓪?duì)亮度和對(duì)比度、白天和夜晚設(shè)置進(jìn)行調(diào)整。

　　可編程伽馬緩沖器可簡化評(píng)估和設(shè)置顯示器傳遞函數(shù)的任務(wù)，亦即將該任務(wù)轉(zhuǎn)移到汽車顯示器生產(chǎn)商的制造周期。這些伽馬設(shè)置被編程到EEPROM中，并在系統(tǒng)加電時(shí)傳送至DAC。有些緩沖器具有多個(gè)存儲(chǔ)器組來保存對(duì)應(yīng)于不同環(huán)境光條件的多個(gè)顯示器設(shè)置文件(profile)，以及可由用戶使用相應(yīng)工具保存和存儲(chǔ)的定制設(shè)置。制造商提供的伽馬設(shè)置文件通常足以滿足大多數(shù)汽車應(yīng)用的要求。編程工作在初始設(shè)置期間完成，此后設(shè)置文件不再變化，除非需要通過微調(diào)來改進(jìn)顯示器的視覺效果。

　　5 結(jié)論

　　汽車LCD面板制造商力求讓其顯示器面板的圖像視覺效果受到汽車制造商和消費(fèi)者的認(rèn)可。這需要穩(wěn)定的伽馬緩沖器參考值，以確保其LCD面板顯示的視頻彩色圖像具有完全相同的對(duì)比度、亮度和色彩，不因不同顯示器而異。使用高精度可編程伽馬緩沖器(如Intersil ISL76534)可實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。