?如何使用FPGA實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)全陣列局部調(diào)光呢？

乍一看，今天的汽車看起來(lái)跟幾十年前的汽車沒(méi)什么差別，但事實(shí)并非如此。車艙內(nèi)、引擎蓋下甚至輪胎內(nèi)都隱藏這巨大的變化，可謂到處都有進(jìn)步。

當(dāng)前的一個(gè)趨勢(shì)是向軟件定義車輛發(fā)展，對(duì)車輛的許多功能和特性的控制是集中式的。實(shí)現(xiàn)方式是利用微處理器、傳感器和軟件算法來(lái)增強(qiáng)車輛性能、功能和用戶體驗(yàn)。軟件定義車輛的一些關(guān)鍵方面包括集中計(jì)算、無(wú)線（OTA）更新和云通信。

然后就是車輛的電氣化。這是指用電子元件替換或補(bǔ)充傳統(tǒng)機(jī)械元件的過(guò)程。其中最顯而易見(jiàn)的就是電機(jī)?；旌蟿?dòng)力車型是向電動(dòng)汽車（EV）的過(guò)渡的主要階段，這類汽車同時(shí)擁有燃油發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)，最后持續(xù)發(fā)展到僅由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。由于沒(méi)有廢氣排放，電動(dòng)汽車更環(huán)保，而且減少了人們對(duì)化石燃料的依賴，有助于全球ESG治理。

軟件定義和電動(dòng)汽車的下一階段就是自動(dòng)駕駛汽車。同樣，隨著高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）功能的不斷完善，這也是分步實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)今的ADAS系統(tǒng)利用傳感器、攝像頭、雷達(dá)和其他組件來(lái)監(jiān)控車輛周圍環(huán)境、收集數(shù)據(jù)并協(xié)助駕駛員。這些系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)反饋、警告和干預(yù)措施，減少道路上的潛在危險(xiǎn)。目前常見(jiàn)的ADAS功能包括自適應(yīng)巡航控制、車道偏離警告、自動(dòng)緊急制動(dòng)、盲點(diǎn)檢測(cè)和停車輔助系統(tǒng)。隨著這些功能承擔(dān)更多的責(zé)任，汽車的計(jì)算系統(tǒng)完全控制車輛的一天終將到來(lái)。

下一代汽車顯示屏數(shù)量眾多

然后是“娛樂(lè)”功能，就現(xiàn)代汽車而言，這意味著集成下一代智能手機(jī)的所有功能，例如Wi-Fi、藍(lán)牙、GPS、流媒體音頻和視頻等。為了提供這些功能，整車的不同位置都需要適當(dāng)?shù)娘@示屏，包括中央娛樂(lè)中心、儀表盤(pán)、平視顯示器（HUD）和后座顯示器。有時(shí)制造商還會(huì)部署顯示器作為后視鏡的替代。

談到這些顯示器時(shí)，你可能會(huì)認(rèn)為OLED（有機(jī)LED）是最理所當(dāng)然的選擇，因?yàn)檐囕v內(nèi)的照明條件跨度很大，從強(qiáng)光直射到近乎完全黑暗，視角范圍也很大，從直視到大角度斜視。但是雖然OLED可以提供很高的對(duì)比度，但與背光LCD相比，它們亮度不夠。此外，眾所周知，OLED會(huì)遇到壽命問(wèn)題，不同顏色會(huì)以不同的速率老化，隨著時(shí)間的推移影響圖像質(zhì)量。

出于其中一些原因，制造商會(huì)堅(jiān)持使用能久經(jīng)考驗(yàn)的LCD屏，它們具有各種尺寸和分辨率。一個(gè)重要的考慮因素顯然是成本，LCD的價(jià)值在于其成熟的制造工藝和在惡劣的汽車溫度環(huán)境中表現(xiàn)出的可靠性。LCD的使用壽命通常也比OLED更長(zhǎng)。OLED中使用的有機(jī)材料會(huì)隨著時(shí)間的推移而降解，這可能導(dǎo)致殘影和色彩偏移。而LCD不易出現(xiàn)此類問(wèn)題，并且可以在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持其圖像質(zhì)量。

此外，出于多種原因，設(shè)計(jì)人員需要最大程度降低汽車顯示器的延遲。它們會(huì)影響駕駛員安全，車輛中多個(gè)顯示器的不同步問(wèn)題也會(huì)影響用戶體驗(yàn)。

局部調(diào)光

標(biāo)準(zhǔn)LCD顯示屏通常使用背光，背光是位于液晶層后面的均勻光源。為了創(chuàng)建圖像，液晶打開(kāi)或關(guān)閉來(lái)控制通過(guò)每個(gè)像素的光量。然而，即使處于關(guān)閉狀態(tài)，背光的一些光線也會(huì)泄漏，導(dǎo)致黑色不完美，對(duì)比度降低。

消費(fèi)者已經(jīng)習(xí)慣了智能手機(jī)和電視的高對(duì)比度顯示屏，汽車顯示屏也必須達(dá)到這一標(biāo)準(zhǔn)。局部調(diào)光是產(chǎn)生消費(fèi)者所期望的高對(duì)比度、絢麗圖像的一種流行選擇，這在較差的照明環(huán)境中尤其有益。

隨著汽車使用更多、更高質(zhì)量的LCD，局部調(diào)光技術(shù)也在汽車中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。局部調(diào)光旨在通過(guò)選擇性調(diào)暗或關(guān)閉屏幕背光的某些區(qū)域來(lái)增強(qiáng)對(duì)比度并改善黑電平。這是通過(guò)將背光劃分為多個(gè)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)的。每個(gè)區(qū)域都可以獨(dú)立控制以調(diào)整其亮度或完全關(guān)閉。當(dāng)圖像的特定部分需要較暗的區(qū)域時(shí)，局部調(diào)光算法會(huì)降低該區(qū)域的背光強(qiáng)度，從而有效地使相應(yīng)的像素變暗。

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局部調(diào)光技術(shù)主要有兩種類型，全陣列式（full-array）和側(cè)光式（edge-lit）。側(cè)光式局部調(diào)光方案中，LED位于顯示面板的邊緣，使用光導(dǎo)或漫射器照亮整個(gè)屏幕，并通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整邊緣不同LED的亮度來(lái)實(shí)現(xiàn)局部調(diào)光。全陣列局部調(diào)光在LCD 面板后面使用了一組LED，可提供更精確的控制并產(chǎn)生更好的對(duì)比度和黑電平。LED分為多個(gè)區(qū)域，可以單獨(dú)調(diào)暗或關(guān)閉。采用的分區(qū)數(shù)量直接影響性能，但會(huì)使設(shè)計(jì)更加復(fù)雜。

汽車應(yīng)用中的局部調(diào)光是一個(gè)計(jì)算密集型功能，因?yàn)樗璧乃惴ㄏ鄬?duì)復(fù)雜。除了考慮各個(gè)分區(qū)外，軟件還必須持續(xù)監(jiān)控照明條件，它會(huì)隨著汽車的行駛而不斷變化，如白天和黑暗、不同的天氣條件、通過(guò)隧道等。

局部調(diào)光算法會(huì)根據(jù)檢測(cè)到的環(huán)境光水平，相應(yīng)地調(diào)整顯示器的背光。此外，算法還必須監(jiān)控正在顯示的內(nèi)容，并根據(jù)內(nèi)容中的特定元素相應(yīng)調(diào)整亮度和對(duì)比度。減少眩光也是一個(gè)關(guān)鍵因素，因?yàn)閬?lái)自外部光源（如陽(yáng)光或迎面而來(lái)的大燈）的眩光會(huì)影響顯示器的可見(jiàn)度。局部調(diào)光算法可最大程度地減少眩光并提高可視度。

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一些制造商正在采用基于傅里葉級(jí)數(shù)的LCD優(yōu)化方案，這是一種使用傅里葉級(jí)數(shù)分析原理來(lái)優(yōu)化顯示器輸出的技術(shù)。這種方法涉及分析目標(biāo)信號(hào)的輸出特性，例如強(qiáng)度和顏色分布，然后確定適當(dāng)?shù)碾娦盘?hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)顯示器以實(shí)現(xiàn)這些特性。

同樣的局部調(diào)光技術(shù)可用于汽車的平視顯示器（HUD），這些顯示器通常用于將駕駛信息投射到擋風(fēng)玻璃上，例如汽車的速度，導(dǎo)航指令或警告。HUD的局部調(diào)光不僅增強(qiáng)了可視性，還消除了所謂的“明信片效果”，提供更加無(wú)縫的體驗(yàn)。

對(duì)人工智能的依賴

與當(dāng)今許多設(shè)計(jì)領(lǐng)域一樣，人工智能已經(jīng)影響了局部調(diào)光的各個(gè)方面，特別是所謂的“深度可控背光調(diào)光”。這種方案可以分析內(nèi)容，做出明智的決策，并動(dòng)態(tài)調(diào)整背光來(lái)提高圖像質(zhì)量，改善用戶體驗(yàn)。AI算法根據(jù)不同的顯示內(nèi)容和照明條件不斷調(diào)整背光。AI和ML模型可以快速分析和響應(yīng)內(nèi)容的變化，確保背光優(yōu)化并與顯示的圖像同步。

這些相同的算法可以通過(guò)提高圖像質(zhì)量和減少偽影來(lái)增強(qiáng)用戶體驗(yàn)。利用人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)（ML），算法可以適應(yīng)不同的內(nèi)容類型，如視頻、游戲或文本，并相應(yīng)地優(yōu)化背光，提供視覺(jué)上令人愉悅和舒適的觀看體驗(yàn)。

FPGA實(shí)現(xiàn)局部調(diào)光

FPGA是在汽車LCD面板中實(shí)現(xiàn)局部調(diào)光的絕佳選擇，原因有很多，其中包括：

實(shí)時(shí)處理能力。汽車LCD面板中的局部調(diào)光需要FPGA提供的快速響應(yīng)處理，從而分析內(nèi)容、調(diào)整背光區(qū)域和控制LED亮度。

AI和ML。FPGA提供了運(yùn)行這些復(fù)雜算法所需的算力。

定制和靈活性。設(shè)計(jì)人員可以借助FPGA的特性，實(shí)現(xiàn)汽車LCD局部調(diào)光要求的自定義算法和控制策略。

高速接口。FPGA通常支持一系列高速I/O，這是支持面板顯示大量?jī)?nèi)容所必需的。

資源優(yōu)化。設(shè)計(jì)人員可以分配專門(mén)的硬件資源，即使用FPGA大量的I/O以及本地存儲(chǔ)空間用于局部調(diào)光操作，這些存儲(chǔ)器可以有效地處理局部調(diào)光所涉及的復(fù)雜計(jì)算。

高度可靠。汽車應(yīng)用需要穩(wěn)定可靠的解決方案，能夠承受惡劣的環(huán)境條件、溫度變化以及沖擊和振動(dòng)。

面向未來(lái)。汽車顯示器和局部調(diào)光算法會(huì)不斷發(fā)展。FPGA提供適應(yīng)性和可升級(jí)選項(xiàng)，允許實(shí)現(xiàn)新算法、控制策略或系統(tǒng)增強(qiáng)功能。此外，F(xiàn)PGA還支持輕松遷移，以及靈活選擇LCD和LED背光控制器供應(yīng)商。

萊迪思半導(dǎo)體FPGA提供實(shí)現(xiàn)汽車LCD局部調(diào)光應(yīng)用所需的所有特性和規(guī)格，包括低功耗、小封裝尺寸、可擴(kuò)展性、合適的工藝節(jié)點(diǎn)和足夠的穩(wěn)定性。萊迪DriveTM支持FPGA快速運(yùn)用于汽車應(yīng)用，并且作為萊迪思首款汽車市場(chǎng)解決方案集合，非常適配針對(duì)汽車應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化的低功耗、小型FPGA。

萊迪思Drive的首個(gè)版本的側(cè)重于顯示器接口和處理，它提供參考設(shè)計(jì)和演示、定制設(shè)計(jì)服務(wù)、軟件工具、IP核和硬件平臺(tái)。

例如，萊迪思Nexus CertusPro-NX FPGA支持靈活的接口，包括最高HBR3（8.1gbps）的DisplayPort，通過(guò)單根線纜以高分辨率和刷新率連接多個(gè)屏幕。CertusPro-NX具有可擴(kuò)展性和適應(yīng)性，支持多個(gè)區(qū)域和不同的面板，并允許控制各種LED驅(qū)動(dòng)器IC。

只需一片萊迪思CertusPro-NX FPGA器件就可以處理實(shí)現(xiàn)汽車LCD面板局部調(diào)光方案的幾乎所有功能。如果需要，Nexus FPGA平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)甚至數(shù)千個(gè)分區(qū)。

設(shè)計(jì)人員目前在此應(yīng)用中面臨的一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)包括需要控制的大量LED、沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)的LED驅(qū)動(dòng)器接口以及不同的電路板設(shè)計(jì)和布局。萊迪思Nexus FPGA平臺(tái)擁有更高精度的掃描線切換時(shí)序控制、豐富的I/O接口組合、對(duì)大多數(shù)LED驅(qū)動(dòng)器IC的支持以及重新映射LED矩陣的能力，這些特性都有助于解決上述問(wèn)題。

圖中展示了萊迪思與Parretto和LincolnTechnologies Solutions合作設(shè)計(jì)和創(chuàng)建的DisplayPort、視頻縮放器和局部調(diào)光演示。

萊迪思構(gòu)建的演示清楚地展示了局部調(diào)光的工作原理。它圍繞Raspberry Pi開(kāi)發(fā)板，通過(guò)GPIO將720p 50Hz視頻流式傳輸?shù)饺R迪思CertusPro-NXFPGA。內(nèi)部視頻縮放器獲取該視頻數(shù)據(jù)，并將其放大到 2160p（50 Hz）。同時(shí)，局部調(diào)光功能可動(dòng)態(tài)控制面板的全 LED 陣列背光。然后DisplayPort發(fā)送器IP獲取放大后的視頻，并以HBR2（4通道）格式將其流式傳輸?shù)?K像素面板。最后，面板顯示該視頻，同時(shí)全LED陣列背光處于持續(xù)控制之中。

綜上所述，萊迪思Nexus平臺(tái)用于汽車局部調(diào)光應(yīng)用的原因有很多。它包括了一個(gè)經(jīng)濟(jì)高效的單芯片解決方案，可最大限度地提高靈活性，支持所有流行的視頻接口，包括LVDS、eDP、MIPI和V-by-One等，還支持低處理延遲、8.1Gbit/s傳輸，12位內(nèi)部處理精度等。

結(jié)語(yǔ)

作為低功耗可編程器件的領(lǐng)先供應(yīng)商，萊迪思樹(shù)立了低功耗、小尺寸FPGA的性能和功耗標(biāo)準(zhǔn)。萊迪思致力于發(fā)揚(yáng)為客戶提供支持和咨詢的企業(yè)文化，有助于其保持行業(yè)領(lǐng)先地位。

萊迪思提供基于Nexus的創(chuàng)新解決方案，將設(shè)計(jì)軟件和現(xiàn)成的軟IP模塊與評(píng)估板、套件和參考設(shè)計(jì)相結(jié)合。了解有關(guān)萊迪思Nexus平臺(tái)或其萊迪思Drive的更多信息，請(qǐng)聯(lián)系您當(dāng)?shù)氐娜R迪思銷售代表。

審核編輯：劉清