FPGA是怎么做到還原真實(shí)世界的？

導(dǎo)言：“影像記錄時(shí)代，只有真實(shí)才能打動(dòng)人心?！?/span>

自從影像記錄誕生以來(lái)，還原逼真世界的每一寸細(xì)節(jié)一直便是行業(yè)的終極追求。影響圖像質(zhì)量包括分辨率、位深度、幀速率、色域、亮度五個(gè)要素，近年來(lái)4K/8K 60Hz/120Hz的顯示面板逐漸被人耳熟能詳，伴隨著分辨率、位深度、幀速率升級(jí)，色域和亮度也被提出新的要求。

然而事實(shí)上，人眼本身就是“奇跡的造物”，可以通過(guò)瞳孔的放大縮小感知方寸之間的每一處亮部和暗部，而現(xiàn)實(shí)世界則跟隨自然的照度不同擁有不同的亮部與暗部細(xì)節(jié)。

因此，為了能夠充分展現(xiàn)每一處細(xì)節(jié)，HDR（高動(dòng)態(tài)范圍）這一顯示概念被提出。當(dāng)然，最終圖像仍然是要通過(guò)顯示面板呈現(xiàn)給觀者，其中尤其是大屏顯示面板逐漸伴隨8K的行業(yè)趨勢(shì)，標(biāo)配HDR這一技術(shù)。

但在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)之下，大屏顯示面板廠商更新迭代速度加快，面板技術(shù)也持續(xù)更新。這樣的背景之下，如何快速適配HDR功能成為了競(jìng)爭(zhēng)點(diǎn)的關(guān)鍵。

日前，賽靈思（Xilinx）展示了利用FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列）器件的創(chuàng)新型TCON（Timing Controller，時(shí)序控制器）方案，利用FPGA高效實(shí)現(xiàn)供應(yīng)商和特定面板色彩容量的轉(zhuǎn)換，利用FPGA TCON的IO可編程性適應(yīng)各種視頻接口，以應(yīng)對(duì)瞬息萬(wàn)變的行業(yè)。21ic中國(guó)電子網(wǎng)受邀參加本次討論會(huì)，賽靈思公司大中華區(qū)核心市場(chǎng)事業(yè)部市場(chǎng)及業(yè)務(wù)開發(fā)總監(jiān)酆毅（Bob Feng）現(xiàn)場(chǎng)講解。

賽靈思公司大中華區(qū)核心市場(chǎng)事業(yè)部市場(chǎng)及業(yè)務(wù)開發(fā)總監(jiān)酆毅（Bob Feng）

HDR影響著兩個(gè)關(guān)鍵要素

“HDR是最近三到四年顯示和電視技術(shù)最熱的關(guān)鍵詞，芯片、顯示面板、PC、系統(tǒng)廠商均參與制定了HDR相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)”，Bob Feng為記者介紹，與HDR（High-Dynamic Range，高動(dòng)態(tài)范圍）相對(duì)應(yīng)的概念自然就是SDR（Standard Dynamic Range，標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)范圍），事實(shí)上HDR早已遠(yuǎn)超顯示技術(shù)專家和學(xué)者研究方向這一范疇，真正滲透入了消費(fèi)電視領(lǐng)域。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，HDR可以清晰還原圖像更多細(xì)節(jié)。Bob Feng強(qiáng)調(diào)，HDR一直是個(gè)非常容易被誤解的概念，寬動(dòng)態(tài)很多人會(huì)直接聯(lián)想到高對(duì)比度或高亮度，事實(shí)上并不是這樣的。HDR所覆蓋的范圍包括寬色域（WCG）和高亮度范圍（HLR），基于此二維色度范圍與亮度范圍的疊加轉(zhuǎn)變?yōu)槿S概念。

上文中也有提及，影響圖像質(zhì)量包括分辨率、位深度、幀速率、色域、亮度這五個(gè)要素，HDR所影響的參數(shù)就包括色域和亮度這兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，實(shí)際上在分辨率標(biāo)準(zhǔn)提升的現(xiàn)今，也對(duì)這兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)提出新的要求。

? 在寬色域（WCG）方面，在顯示業(yè)界2K HD級(jí)別的顯示的色度范圍遵循的是全高清廣播標(biāo)準(zhǔn)BT.709（REC.709）；而當(dāng)在4K UHD級(jí)別下，則遵循DCI-P3標(biāo)準(zhǔn)色域更廣；在8K SHV級(jí)別下，則遵循REC2020標(biāo)準(zhǔn)，色域越來(lái)越接近人眼。

? 在高亮度范圍（HLR）方面，人眼所能覆蓋的范圍是0到10000 nits，顯示行業(yè)現(xiàn)在技術(shù)則可達(dá)到16億nits。不過(guò)需要注意的是超出人眼識(shí)別范圍的亮度是沒(méi)有意義的，因?yàn)樽罱K呈現(xiàn)的效果必須是人眼能夠辨別的。因此，業(yè)界為此制定了3條曲線，被稱之為伽馬曲線（A.K.A. Gamma Curves），攝像機(jī)的采集內(nèi)容和顯示傳輸?shù)膬?nèi)容，即光電轉(zhuǎn)換和電光轉(zhuǎn)換的過(guò)程，二者是相輔相成的。

HDR對(duì)不同屏幕轉(zhuǎn)換不同

從屏幕技術(shù)方面來(lái)談，目前行業(yè)主流的顯示技術(shù)正在以LCD、OLED和Micro LED的序列逐漸迭代。Bob Feng強(qiáng)調(diào)，顯示技術(shù)的迭代最終的目標(biāo)是更加完整地還原人眼所見，在逐次迭代的過(guò)程，也會(huì)越來(lái)越接近HDR。

? LCD本身像素不是自發(fā)光的，依賴的是背光。上文也有講到HDR的一項(xiàng)重要參數(shù)就是亮度，LCD背光照明方式也逐漸從邊緣LED背光、直下式LED背光轉(zhuǎn)向量子點(diǎn)LED背光、mini LED和雙電池背光（Dual Cell，疊屏）。

特別需要注意的是mini LED屬于LCD的一種過(guò)渡態(tài)，雖然名字和OLED和Micro LED相近，但仍然是一種依賴背光的顯示技術(shù)；疊屏則是利用一層背光和一層控光的方式，達(dá)成更多的背光分區(qū)。

Bob Feng表示，LCD中真正能夠表征HDR的只有量子點(diǎn)LED、mini LED和疊屏這三種背光方式的面板，這是因?yàn)閷?shí)現(xiàn)HDR亮度值需要能夠提到800-4000 nits，色度盡可能接近DCIP3。

? OLED和Micro LED兩者則屬于自發(fā)光的顯示技術(shù)，本身相似之處很多，每個(gè)紅綠藍(lán)亞像素都能自身產(chǎn)生光源，而有句老話曾說(shuō)過(guò)“HDR與OLED是絕配”。二者最大的區(qū)別在于OLED主要使用有機(jī)材料，Micro LED則是使用無(wú)機(jī)材料使得組件小于100μm，獲得更薄的厚度。

不過(guò)，由于Micro LED只有在高亮度情況下藍(lán)光eqe才具有明顯優(yōu)勢(shì)、低電流低亮度下效率無(wú)優(yōu)勢(shì)以及成本過(guò)高和邊緣效應(yīng)等問(wèn)題還正在解決之中。因此OLED是目前的主流發(fā)展方向，不過(guò)OLED本身也存在良率的一些問(wèn)題。

Bob Feng強(qiáng)調(diào)，對(duì)于顯示廠商來(lái)說(shuō)，為了越來(lái)越接近人眼所見，就要不斷推出新的顯示面板技術(shù)，但事實(shí)上面板廠商正在面臨著良率和成本的雙重考驗(yàn)。

HDR是如何顯示在屏幕上的？在攝像機(jī)端，環(huán)境光被收束至攝像機(jī)中的光電轉(zhuǎn)換過(guò)程中，光線被PQ HDR或HLG HDR伽馬曲線轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；在圖像端，則需要針對(duì)不同屏幕進(jìn)行電光轉(zhuǎn)換，進(jìn)行色量轉(zhuǎn)換的這一器件便是TCON（時(shí)序控制器）。

Bob Feng為記者做了一個(gè)比喻，假設(shè)電信號(hào)是許多調(diào)色桶，TCON芯片便是控制色量調(diào)控和色量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵芯片。事實(shí)上，LCD、OLED、Micro LED在顏色與電信號(hào)的映射上不可能是完全一樣的，因此必然會(huì)帶來(lái)轉(zhuǎn)換算法的不同。

適配不同屏幕接口的FPGA TCON

正因?yàn)椴煌@示面板，TCON芯片的算法不同，因此在顯示技術(shù)更新?lián)Q代之時(shí)，廠商必然會(huì)遇到TCON設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)。

? 假設(shè)使用傳統(tǒng)ASIC/ASSP TCON方法，意味著針對(duì)不同分辨率下的LCD、OLED、Dual Cell、Micro LED等不同的屏幕類型，都要針對(duì)性設(shè)計(jì)開模，這主要是因?yàn)锳SIC的程序是固定或者標(biāo)準(zhǔn)的，不可修改。

值得注意的是，TCON除了包攬列驅(qū)動(dòng)器（Column driver）和行驅(qū)動(dòng)器（Row driver）的色調(diào)和色域轉(zhuǎn)換工作以外，還會(huì)集成smart TCON等圖像縮放功能。

在OLED或Micro LED轉(zhuǎn)變的過(guò)程中，本身的良率和成本問(wèn)題本身并沒(méi)有解決，還要考慮ASIC/ASSP TCON的適配問(wèn)題，這無(wú)疑無(wú)形中又增加了一座“大山”。

? 在此方面，F(xiàn)PGA的靈活性似乎是“天生”為這種場(chǎng)景而生，針對(duì)不同的分辨率下，F(xiàn)PGA TCON所具有的的邏輯可編程性在LCD、OLED、Dual Cell、Micro LED下具有很好的適配性。

Xilinx提出了三種FPGA TCON適配，F(xiàn)HD的情況下使用SPARTAN 6系列產(chǎn)品、UHD下使用KINTEX 7系列產(chǎn)品、8K情況下使用KINTEX UltraSCALE系列產(chǎn)品。Bob Feng為記者介紹，之所以選用不同系列產(chǎn)品，主要是從功耗和成本上考慮。

具體來(lái)說(shuō)，從FHD到8K的迭代中，主頻也以4倍速度迭代。FHD下主頻大約在150 MHz，SPARTAN則剛好貼合這一數(shù)值；UHD主頻大約在600 MHz左右，但KINTEX 7無(wú)需其他廠家一樣使用四像素并行總線，KINTEX 7只需做雙像素并行總線，主頻可以降到300 MHz，利用一半規(guī)模跑所需邏輯；8K方面，KINTEX UltraSCALE的主頻甚至可以做到600 MHz。

需要注意的是，使用FPGA TCON的接口靈活性，可以簡(jiǎn)化整體設(shè)計(jì)，增強(qiáng)效率。具體來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中包括Mobile SoC和TV SoC兩顆芯片，但由于定制的AISC/ASSP是沒(méi)有直接接口可以對(duì)接Mobile SoC，TV SoC僅僅是充當(dāng)了轉(zhuǎn)接的作用，整體的內(nèi)容和服務(wù)均由Mobile SoC提供。

使用FPGA TCON則更加理想，從架構(gòu)上來(lái)看，元器件選擇從3芯片變成了2芯片。Bob Feng強(qiáng)調(diào)，Xilinx還剔除了一些冗余接口一對(duì)一（V-by-One）的選擇，為智能電視設(shè)計(jì)帶來(lái)極大的簡(jiǎn)單化和小型化。

在智能電視越來(lái)越輕薄化的行業(yè)動(dòng)態(tài)下，一般采用面板后貼主芯片和外置芯片兩種方式。但無(wú)論采用哪種方式，利用一對(duì)一（V-by-One）的接口相連，會(huì)顯得非常臃腫。

基于這樣的洞察，賽靈思和賽靈思的合作伙伴深圳視顯光電公司推出4種解決方案，囊括了FHD TCON、4K60 TCON、8K60 TCON、8K120 TCON。正如上文所述，只要速度和性能滿足這個(gè)范圍，就可實(shí)現(xiàn)不同類型顯示屏間的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換。

深圳市視顯光電技術(shù)有限公司的8K@60Hz無(wú)損視頻播放機(jī)在2020年全球同步量產(chǎn)，其使用的方案便是FPGA TCON。根據(jù)該公司總經(jīng)理李興龍的說(shuō)法：“FPGA靈活的可編程特性，為我們快速開發(fā)新產(chǎn)品，新技術(shù)帶來(lái)了極大的助力。比如我們用FPGA開發(fā)了針對(duì)視頻領(lǐng)域的各種專用傳輸接口，針對(duì)8K應(yīng)用的HDMI2.1、DP1.4等，我們利用FPGA可編程快速迭代的特點(diǎn)，最早給出了解決方案，可以比我們的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，或者ASIC方案，更快的推出新產(chǎn)品，這是我們的核心行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力之一。”

對(duì)于ASIC/ASSP TCON和FPGA TCON， Bob Feng認(rèn)為二者是共存關(guān)系，ASIC本身具有成本優(yōu)勢(shì)必然會(huì)長(zhǎng)期存在，但FPGA TCON的靈活性和簡(jiǎn)化性相信在新興面板技術(shù)轉(zhuǎn)型中將發(fā)揮充足的優(yōu)勢(shì)。

責(zé)任編輯：haq