FPGA是怎么做到还原真实世界的？

导言：“影像记录时代，只有真实才能打动人心。”

自从影像记录诞生以来，还原逼真世界的每一寸细节一直便是行业的终极追求。影响图像质量包括分辨率、位深度、帧速率、色域、亮度五个要素，近年来4K/8K 60Hz/120Hz的显示面板逐渐被人耳熟能详，伴随着分辨率、位深度、帧速率升级，色域和亮度也被提出新的要求。

然而事实上，人眼本身就是“奇迹的造物”，可以通过瞳孔的放大缩小感知方寸之间的每一处亮部和暗部，而现实世界则跟随自然的照度不同拥有不同的亮部与暗部细节。

因此，为了能够充分展现每一处细节，HDR（高动态范围）这一显示概念被提出。当然，最终图像仍然是要通过显示面板呈现给观者，其中尤其是大屏显示面板逐渐伴随8K的行业趋势，标配HDR这一技术。

但在激烈的市场竞争之下，大屏显示面板厂商更新迭代速度加快，面板技术也持续更新。这样的背景之下，如何快速适配HDR功能成为了竞争点的关键。

日前，赛灵思（Xilinx）展示了利用FPGA（现场可编程门阵列）器件的创新型TCON（Timing Controller，时序控制器）方案，利用FPGA高效实现供应商和特定面板色彩容量的转换，利用FPGA TCON的IO可编程性适应各种视频接口，以应对瞬息万变的行业。21ic中国电子网受邀参加本次讨论会，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）现场讲解。

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）

HDR影响着两个关键要素

“HDR是最近三到四年显示和电视技术最热的关键词，芯片、显示面板、PC、系统厂商均参与制定了HDR相关标准”，Bob Feng为记者介绍，与HDR（High-Dynamic Range，高动态范围）相对应的概念自然就是SDR（Standard Dynamic Range，标准动态范围），事实上HDR早已远超显示技术专家和学者研究方向这一范畴，真正渗透入了消费电视领域。

简单来说，HDR可以清晰还原图像更多细节。Bob Feng强调，HDR一直是个非常容易被误解的概念，宽动态很多人会直接联想到高对比度或高亮度，事实上并不是这样的。HDR所覆盖的范围包括宽色域（WCG）和高亮度范围（HLR），基于此二维色度范围与亮度范围的叠加转变为三维概念。

上文中也有提及，影响图像质量包括分辨率、位深度、帧速率、色域、亮度这五个要素，HDR所影响的参数就包括色域和亮度这两个关键参数，实际上在分辨率标准提升的现今，也对这两个关键参数提出新的要求。

▶ 在宽色域（WCG）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（REC.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。

▶ 在高亮度范围（HLR）方面，人眼所能覆盖的范围是0到10000 nits，显示行业现在技术则可达到16亿nits。不过需要注意的是超出人眼识别范围的亮度是没有意义的，因为最终呈现的效果必须是人眼能够辨别的。因此，业界为此制定了3条曲线，被称之为伽马曲线（A.K.A. Gamma Curves），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。

HDR对不同屏幕转换不同

从屏幕技术方面来谈，目前行业主流的显示技术正在以LCD、OLED和Micro LED的序列逐渐迭代。Bob Feng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。

▶ LCD本身像素不是自发光的，依赖的是背光。上文也有讲到HDR的一项重要参数就是亮度，LCD背光照明方式也逐渐从边缘LED背光、直下式LED背光转向量子点LED背光、mini LED和双电池背光（Dual Cell，叠屏）。

特别需要注意的是mini LED属于LCD的一种过渡态，虽然名字和OLED和Micro LED相近，但仍然是一种依赖背光的显示技术；叠屏则是利用一层背光和一层控光的方式，达成更多的背光分区。

Bob Feng表示，LCD中真正能够表征HDR的只有量子点LED、mini LED和叠屏这三种背光方式的面板，这是因为实现HDR亮度值需要能够提到800-4000 nits，色度尽可能接近DCIP3。

▶ OLED和Micro LED两者则属于自发光的显示技术，本身相似之处很多，每个红绿蓝亚像素都能自身产生光源，而有句老话曾说过“HDR与OLED是绝配”。二者最大的区别在于OLED主要使用有机材料，Micro LED则是使用无机材料使得组件小于100μm，获得更薄的厚度。

不过，由于Micro LED只有在高亮度情况下蓝光eqe才具有明显优势、低电流低亮度下效率无优势以及成本过高和边缘效应等问题还正在解决之中。因此OLED是目前的主流发展方向，不过OLED本身也存在良率的一些问题。

Bob Feng强调，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，但事实上面板厂商正在面临着良率和成本的双重考验。

HDR是如何显示在屏幕上的？在摄像机端，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）。

Bob Feng为记者做了一个比喻，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。事实上，LCD、OLED、Micro LED在颜色与电信号的映射上不可能是完全一样的，因此必然会带来转换算法的不同。

适配不同屏幕接口的FPGA TCON

正因为不同显示面板，TCON芯片的算法不同，因此在显示技术更新换代之时，厂商必然会遇到TCON设计的挑战。

▶ 假设使用传统ASIC/ASSP TCON方法，意味着针对不同分辨率下的LCD、OLED、Dual Cell、Micro LED等不同的屏幕类型，都要针对性设计开模，这主要是因为ASIC的程序是固定或者标准的，不可修改。

值得注意的是，TCON除了包揽列驱动器（Column driver）和行驱动器（Row driver）的色调和色域转换工作以外，还会集成smart TCON等图像缩放功能。

在OLED或Micro LED转变的过程中，本身的良率和成本问题本身并没有解决，还要考虑ASIC/ASSP TCON的适配问题，这无疑无形中又增加了一座“大山”。

▶ 在此方面，FPGA的灵活性似乎是“天生”为这种场景而生，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、Dual Cell、Micro LED下具有很好的适配性。

Xilinx提出了三种FPGA TCON适配，FHD的情况下使用SPARTAN 6系列产品、UHD下使用KINTEX 7系列产品、8K情况下使用KINTEX UltraSCALE系列产品。Bob Feng为记者介绍，之所以选用不同系列产品，主要是从功耗和成本上考虑。

具体来说，从FHD到8K的迭代中，主频也以4倍速度迭代。FHD下主频大约在150 MHz，SPARTAN则刚好贴合这一数值；UHD主频大约在600 MHz左右，但KINTEX 7无需其他厂家一样使用四像素并行总线，KINTEX 7只需做双像素并行总线，主频可以降到300 MHz，利用一半规模跑所需逻辑；8K方面，KINTEX UltraSCALE的主频甚至可以做到600 MHz。

需要注意的是，使用FPGA TCON的接口灵活性，可以简化整体设计，增强效率。具体来说，传统设计中包括Mobile SoC和TV SoC两颗芯片，但由于定制的AISC/ASSP是没有直接接口可以对接Mobile SoC，TV SoC仅仅是充当了转接的作用，整体的内容和服务均由Mobile SoC提供。

使用FPGA TCON则更加理想，从架构上来看，元器件选择从3芯片变成了2芯片。Bob Feng强调，Xilinx还剔除了一些冗余接口一对一（V-by-One）的选择，为智能电视设计带来极大的简单化和小型化。

在智能电视越来越轻薄化的行业动态下，一般采用面板后贴主芯片和外置芯片两种方式。但无论采用哪种方式，利用一对一（V-by-One）的接口相连，会显得非常臃肿。

基于这样的洞察，赛灵思和赛灵思的合作伙伴深圳视显光电公司推出4种解决方案，囊括了FHD TCON、4K60 TCON、8K60 TCON、8K120 TCON。正如上文所述，只要速度和性能满足这个范围，就可实现不同类型显示屏间的设计转换。

深圳市视显光电技术有限公司的8K@60Hz无损视频播放机在2020年全球同步量产，其使用的方案便是FPGA TCON。根据该公司总经理李兴龙的说法：“FPGA灵活的可编程特性，为我们快速开发新产品，新技术带来了极大的助力。比如我们用FPGA开发了针对视频领域的各种专用传输接口，针对8K应用的HDMI2.1、DP1.4等，我们利用FPGA可编程快速迭代的特点，最早给出了解决方案，可以比我们的竞争对手，或者ASIC方案，更快的推出新产品，这是我们的核心行业竞争力之一。”

对于ASIC/ASSP TCON和FPGA TCON， Bob Feng认为二者是共存关系，ASIC本身具有成本优势必然会长期存在，但FPGA TCON的灵活性和简化性相信在新兴面板技术转型中将发挥充足的优势。

责任编辑：haq