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顯示真實世界 Xilinx發表FPGA時序控制器解決方案

文‧廖專崇 發布日期:2020/10/08 關鍵字:HDR TCON 時序控制器 Xilinx Timing Controller MicroLED

近年來,感光元件與顯示器持續發展高動態範圍(High Dynamic Range, HDR)技術,希望呈現更貼近人眼所觀察到的真實世界,業界晶片、顯示面板、PC、系統廠商均參與制定HDR標準。在同一個場景,人眼可以感受到的明暗變化範圍較大,相較於目前的感光元件能夠看到更明亮的光位、更深黯的暗位,以及最亮與最暗的明顯對比,賽靈思(Xilinx)發表FPGA時序控制器(Timing Controller, TCON)解決方案,提供顯示器廠商更豐富的顯示效果。

圖1 高動態範圍HDR是結合廣色域WCG與高亮度範圍HLR

為了呈現更貼近人眼所觀察到的真實世界,忠實表現出從太陽光射到無光射陰影處這樣大的範圍,各家影音製造廠商無一不以提高影像的動態範圍為目標,Xilinx大中華區核心市場事業部市場及業務開發總監酆毅表示,HDR可以還原更多的圖像細節,在較暗色度區域獲取更多的細節表現,顯示出更多的深度和內容。

酆毅強調,HDR的概念,非常容易被誤解為高對比或高亮度,但真正的HDR應該是廣色域加上高亮度範圍,事實上是一個二維色度範圍,再加上一個一維的亮度範圍,兩個整合在一起,變成三維的概念。以圖1(左)為例,傳統的高解析顯示器所能看到的是REC709,是這個圖裡最小的三角形。但是UHD或者4K,是外部這個更大的三角形。到了8K,或者REC2020,能看到的是更大的三角形。對於亮度範圍,一般稱為伽馬曲線,對於攝影機的採集內容,實際上是一個光電傳輸函數,對於顯示器來說,是一個電光傳輸函數,所謂的光電轉換和電光轉換,正好是相輔相成相轉換的。

不同的顯示技術有自己的電光轉換曲線,與顏色表現曲線,以目前主要的三種顯示技術LCD、OLED、MicroLED為例,酆毅提到,OLED的亮度約800nits,MicroLED則可以做到4000nits,量子點可以做到1000nits。但是對於黑色表現來說,OLED可以做到接近於0或0.0001,但是量子點或LCD螢幕,則可能做到0.005,也就是說每一種螢幕的色度空間和亮度範圍,動態範圍是不一樣的,可以把它分解成兩部分,一個是亮度轉換,另外一個是顏色轉換。

顯示器基於其顯示原理與技術架構,都必須要進行顏色轉換,面對不同的顯示技術,必須解決TCON晶片裡面的色調映射和色量轉換問題,而這個轉換是根據每個顯示技術的不同,螢幕的種類不同和每個面板廠的設計不同而有所差別。酆毅指出,由於FPGA邏輯的可程式設計性,不管是LCD的演算法、OLED演算法、MicroLED演算法,FPGA TCON可以搭配任何面板、背光與介面。

TCON的影像處理就是色域色調的轉換,有些TCON還會整合圖像的縮放功能,比如說smart TCON。傳統的TCON架構是四級的設計,包括三個晶片;搭配FPGA的TCON設計,結構可以簡化成三級,少掉V-by-One晶片,只剩下兩個晶片,可以在FPGA設計裡完全被剔除掉,可以簡化智慧電視的設計。

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