基於 FPGA 的 Micro-LED 實時色彩校正控制系統

摘要:

Micro-LED 技術是一種新興的顯示技術，具有許多引人注目的優勢。首先，Micro-LED 顯示器擁有極高的亮度，這使得它在室內和室外環境中都能 提供出色的視覺效果非常適合用於商業廣告牌和戶外大屏幕。 其次，Micro LED 顯示器具有極低的功耗。相比傳統的液晶顯示器和有機發光二極管（OLED）顯示器，Micro-LED 顯示器在相同亮度水平下消耗的能量更少。 這種低功耗有助於延長顯示器的使用壽命，同時降低能源消耗，符合環保和 節能的要求。此外，Micro-LED 顯示器在色彩性能方面表現出眾。 它能夠呈現廣色域，具有更高的色彩飽和度和更準確的色彩再現能力。這意味著 Micro-LED 顯示器可以更好地呈現真實世界中的色彩，使影像更加生動逼真。 對於需要高色彩準確性的應用，如專業圖形設計、影像編輯和醫學影像顯示，Micro-LED 顯示器提供了一個理想的解決方案。 然而，要驅動 Micro-LED 顯示器並實現這些優勢，需要複雜的控制算法 和高速數據處理。這就帶來了一些挑戰，如如何實現實時控制、確保色彩準 確性和保持系統的穩定性。 為了應對這些挑戰，本研究開發了一個基於 FPGA 的實時控制系統，專為 68 英寸 4K/60Hz 的 Micro-LED 顯示器而設計。 該控制系統具有高性能和精確的控制能力，能夠實現精確的色彩準確度，並支持 10 位色深以提升色彩再現效果，並且為了戶外大屏幕的考量，實現收 發端長距離的傳輸。 為了確保整個顯示器上的色彩一致性，系統實現了色彩 校準技術，使得每個 Micro-LED 元素都能呈現一致的色彩。

整體系統架構:

在圖 1中，我們呈現了整個系統面設計的架構圖。 該系統的視頻信號源 類似於機頂盒的SoC（系統單晶片），能夠產生10位精確度的RGB彩色4K@60Hz信號。 為了保證信號的穩定傳輸，系統採用了 V-by-one 協議和 LVDS（低壓差分信號）及乙太網路傳輸協議。 V-by-one協議是一種高速串行數據傳輸協議，能夠有效地傳輸大容量的視頻數據。 通過 V-by-one接收器，V-by-one信號轉換為 LVDS信號，而 LVDS 信號具有高速傳輸和抗干擾能力，可以確保視頻信號的穩定傳輸，在我們的設計中使用了4獨立通道且每通道5對差分對的形式並以 JEIDA 接口標準傳輸(圖 2)，從而可以使時鐘頻率維持在150 Mhz傳輸，降低過高頻率導致的時鐘不穩定性，以實現高質量的4K圖像傳輸。 FPGA TX 模塊採用 XC7K160T 實現，它負責接收來自 V-by-one 接收器的 LVDS 信號，並進行後續處理。處理過程包括數據緩存、同步和視頻合成，以確保接收到的視頻數據能夠實時處理和顯示。 為了實現實時且無延遲的數據接收，系統設計了 16 個 RX 端口，我們使用 XILINX XC6SLX45 實現，並在16個相同的 FPGA 中共享相同的設計。 這些 RX模塊的主要功能包括顏色 校準和熱插拔功能。顏色校準數據存儲在 SPI FLASH 中，並在系統啟動時寫入 DDR3 存儲設備中。DDR3 和 FPGA 中的 BRAM 用於進一步重新分配數據流，以滿足 16 個 RX端口無延遲接收數據的需求。

圖一：本論文提出之系統設計架構圖

圖二:LVDS JIEDA 10bits 接口標準

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