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(shù)國家工程實驗室，安徽 蕪湖 241002；3.安徽省現(xiàn)代顯示技術(shù)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(lǐng)域，經(jīng)常會看到5 500、6 500、9 300K這樣不同的顯示規(guī)格數(shù)值，這些數(shù)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?shù)匕讜兞己米匀徽彰鳁l件下，物體呈現(xiàn)出來的色彩，例如對于熱帶的人，平均日照天頂角較?。ù蟛糠謺r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(qū)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(diào)略呈暖色（黃白）。對于處于中低緯度地區(qū)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(yīng)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(diào)整白平衡的本質(zhì)就是調(diào)整色溫。由于色溫6 500K的顯示色彩對于飛行員和作戰(zhàn)環(huán)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(lǐng)域，白平衡的好壞主要由液晶屏以及驅(qū)動控制系統(tǒng)所決定。因此，大多數(shù)文獻資料或?qū)＠?，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(shù)、運動插值幀頻變換技術(shù)以及插黑／灰技術(shù)等技術(shù)來調(diào)節(jié)白平衡。針對現(xiàn)有TFT－LCD液晶顯示器白平衡調(diào)整方法，提出一種基于FPGA調(diào)節(jié)OGB背光源的方法，來實現(xiàn)動態(tài)白平衡調(diào)整，達到液晶屏色溫穩(wěn)定，圖像顯示逼真的效果。

2 現(xiàn)有白平衡方法分析

2.1 白平衡調(diào)整原理

白平衡調(diào)整的基礎(chǔ)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(fā)出的色光Y表示為：

該方程是液晶顯示器進行白平衡調(diào)節(jié)的依據(jù)。在白平衡的調(diào)整中，調(diào)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(shù)規(guī)范要求。

根據(jù)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?nèi)禂?shù) Kr、Kg、Kb中的任何一個，都會改變F的值，即F的顏色發(fā)生了改變。

根據(jù)以上原理，調(diào)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(diào)整方法

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

對于LCD顯示器，與液晶像素有關(guān)的因素主要有液晶屏（Panel）、TCON板以及視頻處理系統(tǒng)（VPS）；與背光源光譜有關(guān)的因素主要有光學系統(tǒng)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(diào)整方法

從控制液晶像素方面出發(fā)考慮，對于液晶屏，當生產(chǎn)商在設(shè)計Panel時，從器件特性、液晶、工藝設(shè)計、機構(gòu)設(shè)計等方面已經(jīng)確定，產(chǎn)品出廠后，這些參數(shù)基本不能更改。所以，對于Panel處理，不能進行白平衡調(diào)整；對于TCON板，主要是接收視頻處理系統(tǒng)（VPS）送過來的LVDS信號，最后轉(zhuǎn)換為RSDS格式、PPDS格式、mini－LVDS等格式信號驅(qū)動液晶屏周邊source driver、gate driver以及產(chǎn)生灰階電壓（Gamma電壓）等?；译A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(xiàn)對RGB三色的最佳調(diào)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(shù)以獲得顯示特性的優(yōu)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(tǒng)（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(tài)白點算法等算法，通過調(diào)整通道增益使3個通道的平均值相等，就可以得到相應(yīng)的增益。根據(jù)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(diào)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(diào)整方法

從背光源光譜方面考慮，對于光學系統(tǒng)來說，反射片、擴散板、下擴散片、BEF等光路器件確定光學系統(tǒng)后，無法對這些光路器件進行控制和動態(tài)修正，因此，無法實現(xiàn)光學系統(tǒng)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(gòu)成，并且，液晶顯示器背光調(diào)節(jié)采用調(diào)頻算法，基于顏色控制技術(shù)，進行白平衡動態(tài)調(diào)整。

基于以上分析，本文提出一種基于FPGA調(diào)節(jié)OGB背光源的方法，能夠?qū)崿F(xiàn)白平衡動態(tài)調(diào)整。并且，白平衡調(diào)整后，液晶顯示器擴大了顏色表現(xiàn)范圍，圖像顯示逼真，液晶屏色溫穩(wěn)定，色坐標誤差在±0.005范圍以內(nèi)。

3 總體方案設(shè)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(gòu)成。接口模塊主要完成顯示器各種接口設(shè)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(chǎn)的TCS230D，顏色傳感器分別對紅光、綠光、藍光進行采樣，數(shù)字傳感器采用AD公司生產(chǎn)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(nèi)部，分模塊設(shè)計，分別完成背光控制、串口數(shù)據(jù)控制、離散量信號控制、PWM波形發(fā)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(shè)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(chǎn)的顏色傳感器TCS230D［4］。TCS230D是TAOS公司推出的帶數(shù)字兼容接口的RGB彩色光／頻率轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部集成了可配置的硅光電二極管陣列和一個電流／頻率轉(zhuǎn)換。TCS230D輸出占空比為50%的方波，且輸出頻率與光強呈線性關(guān)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F(xiàn)PGA引腳相連。電路設(shè)計簡單、可靠［5］。

3.1.2 軟件算法實現(xiàn)

在LED背光源面上，安裝有顏色傳感器和數(shù)字溫度傳感器。系統(tǒng)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(xiàn)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(diào)整O、G、B的PWM占空比，輸出驅(qū)動LED燈PWM波形，保證在全溫度范圍內(nèi)，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(xiàn)，分為2大部分：即顏色傳感器的采樣部分和PWM波形動態(tài)調(diào)整部分。由于顏色傳感器FPGA代碼實現(xiàn)部分較為簡單，本文不做介紹。根據(jù)圖3所示的FPGA軟件流程圖，其PWM波形動態(tài)調(diào)整的Verilog語言代碼［6］實現(xiàn)如下（僅對藍燈控制代碼）：

4 試驗數(shù)據(jù)結(jié)果分析

對顯示器產(chǎn)品進行白平衡調(diào)整前后數(shù)據(jù)色溫測試，其測試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 表白平衡調(diào)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(diào)整前色溫曲線圖Fig.4 Color temperature chart before adjusting white balance

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

從表1的測試數(shù)據(jù)可以明顯看出，白平衡調(diào)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(nèi)。

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

5 結(jié) 論

針對現(xiàn)有液晶顯示器白平衡的調(diào)整方法，詳細分析了白平衡調(diào)整的各零部件，從各個零部件可實現(xiàn)程度以及難易度出發(fā)，提出了一種基于FPGA調(diào)節(jié)OGB背光源的方法，并且通過軟硬件的設(shè)計以及相關(guān)實驗驗證，實現(xiàn)了LCD顯示器動態(tài)白平衡調(diào)整。白平衡調(diào)整后，液晶屏色溫穩(wěn)定，圖像顯示效果逼真，色差范圍控制在±0.005之內(nèi)，誤差在0.63%左右，完全能夠滿足機載顯示領(lǐng)域顏色穩(wěn)定、色溫的要求。該調(diào)整方法調(diào)節(jié)背光源白平衡已經(jīng)投入使用，其性能可靠、穩(wěn)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）

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［4］ 開躍春，金濤，賈宏志.單片機實現(xiàn)LCD白平衡的自動調(diào)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）

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