化繁为简!赛灵思将FPGA设计魔力推至显示领域

“如果人眼不能分辨的话,所有显示设备显示的内容都是没有意义。所以我们做的所有工作,其实是尽可能还原我们自然世界原本的色彩和亮度。”日前,在一次线上分享会上,赛灵思大中华区核心市场事业部市场及业务开发总监酆毅如是说道。

赛灵思公司大中华区核心市场事业部市场及业务开发总监酆毅(Bob Feng)

是什么让赛灵思这家传统的FPGA龙头厂商开始思考关注显示世界里技术效果与自然呈现的哲学命题了呢?

答案是HDR(High-Dynamic Range),即高动态范围。

随着显示技术的不断升级,再加上消费者对显示效果孜孜不倦的追求,HDR技术逐渐成为显示面板、智能电视、智能手机等厂商追逐和炒作的热点。简单来说,HDR高动态范围图像相比普通的图像,能够更好的反映出真实环境中的视觉效果。

HDR技术带来的画质提升是直观可感的,即使是普通观众也能用肉眼辨别。因此从2016年开始,众多厂商纷纷在电视产品上搭载HDR技术。

不过,呈现完美的HDR需要两个条件,第一是卓越的色彩表现力,即宽色域;第二是高亮度范围。

在宽色域方面,在显示业界2K HD级别的显示的色度范围遵循的是全高清广播标准BT.709;而当在4K UHD级别下,则遵循DCI-P3标准色域更广;在8K SHV级别下,则遵循REC2020标准,色域越来越接近人眼。

而在高亮度范围方面,人眼所能覆盖的范围是0到10000 nits,太阳光甚至可以达到16亿nits。因此,业界为此制定了3条曲线,被称之为伽马曲线,摄像机的采集内容和显示传输的内容,即光电转换和电光转换的过程,二者是相辅相成的。

酆毅认为,对于追寻接近自然的显示效果来说,光讲颜色不讲亮度是没有意义的。一个没有亮度的东西,颜色再丰富也是不能表征出来的。

当然,反之亦然,当显示亮度超出人眼识别范围的亮度同样也是没有意义的,因为最终呈现的效果必须是人眼能够辨别的。

而从面板显示技术来看,目前行业主流的显示技术正在从LCD背光向Micro LED背光以及OLED/Micro LED等自发光等方向演进。酆毅强调,显示技术的迭代最终的目标是更加完整地还原人眼所见,在逐次迭代的过程,也会越来越接近HDR。

对于显示厂商来说,为了越来越接近人眼所见,就要不断推出新的显示面板技术,所以,如何尽可能的提升现有的显示面板的对于HDR内容的还原,成为了现阶段面板厂商所面临的主要问题。

看到这里,似乎看不出HDR和FPGA到底有什么关系。事实上,这需要我们了解HDR图像内容是如何显示在屏幕上的?

根据酆毅介绍,在摄像端,环境光被收束至摄像机中的光电转换过程中,光线被PQ HDR或HLG HDR伽马曲线转换为电信号;在图像端,则需要针对不同屏幕进行电光转换,进行色量转换的这一器件便是TCON(时序控制器)。

酆毅表示,假设电信号是许多调色桶,TCON芯片便是控制色量调控和色量转换的关键芯片。而色彩容量转换的效果取决于HDR标准、显示器类型和显示器供应商。其中,HDR标准确定了如何使用选定的伽玛曲线、最大动态范围和色域来创建交付内容,而显示器类型和供应商则确定了实际的表示能力。

事实上,LCD、OLED、叠屏、Micro LED等面板方案在颜色与电信号的映射上不可能是完全一样的,因此,在不同供应商的不同技术类型的显示面板中,每一个都需要在其TCON中使用特定的色彩容量映射算法,从而最大程度的优化显示效果。也就是说, 如果使用传统的通过ASIC或ASSP等专用器件设计TCON的方法,意味着要为不同的面板、不同的供应商进行不同的开模, 成本、效率、复杂度可想而知。

与此同时,HDR内容通常还伴随着不同分辨率和刷新率需求,这就极大地增加了TCON输入和输出接口的种类和带宽的需求。 同样使得传统ASIC或ASSP TCON方法变得越来越困难,甚至阻碍了新型创新面板的及时采用。

接下来,就是发挥FPGA优势的时候了。

为了解决上述挑战,赛灵思推出的FPGA产品提供了相比ASIC或ASSP更为灵活的解决方案。针对不同的分辨率下,FPGA TCON所具有的的逻辑可编程性在LCD、OLED、叠屏、Micro LED下具有很好的适配性。对于屏厂来说,原本可能需要多颗ASIC或ASSP才能够解决的问题,现在可能只需要一颗FPGA就能够解决,从而大大简化了整体设计、增强了效率,并极大地减轻屏厂的负担。

酆毅表示,赛灵思FPGA TCON设计可以对接任何面板、任何背光、任何接口。所以选用FPGA作为TCON将成为屏厂一个非常理想的选择。

具体来看,赛灵思提出了三种FPGA TCON适配,FHD的情况下使用Spartan-6 FPGA 系列产品、UHD下使用Kintex-7系列产品、8K情况下使用Kintex UltraScaleFPGA 系列产品。

据介绍,目前赛灵思已经与视显光电合作,针对不同面板厂商不同技术类型的面板分别推出了基于Spartan-6、Kintex-7,、Kintex UltraScale KU060、Kintex UltraScale KU115的解决方案。

当然,FPGA应用到屏幕TCON设计上有很多优势,在Micro LED、mini LED等新兴的应用领域,不少厂商都在开始采用FPGA方案,但在大批量商用市场ASIC已经有很多成熟的方案,所以两者未来将呈现同步发展的格局。

最后,酆毅感慨的说道,“TCON的设计是很艺术的。尤其屏厂,我一直都非常崇敬他们, 感觉他们就是专门为人眼做服务的艺术家。他们需要有很多优秀的平台能够去进行无限的创造,能够尽可能还原我们人眼所期待的东西。我很高兴,赛灵思的FPGA正在这个造福人类的事业中扮演日益重要角色。”(来源:赛灵思)

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