導(dǎo)言：“影像記錄時代，只有真實才能打動人心。”

自從影像記錄誕生以來，還原逼真世界的每一寸細節(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、亮度五個要素，近年來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，色域和亮度也被提出新的要求。

然而事實上，人眼本身就是“奇跡的造物”，可以通過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)實世界則跟隨自然的照度不同擁有不同的亮部與暗部細節(jié)。

因此，為了能夠充分展現(xiàn)每一處細節(jié)，HDR（高動態(tài)范圍）這一顯示概念被提出。當然，最終圖像仍然是要通過顯示面板呈現(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，標配HDR這一技術(shù)。

但在激烈的市場競爭之下，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功能成為了競爭點的關(guān)鍵。

日前，賽靈思（Xilinx）展示了利用FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）器件的創(chuàng)新型TCON（Timing Controller，時序控制器）方案，利用FPGA高效實現(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)對瞬息萬變的行業(yè)。21ic中國電子網(wǎng)受邀參加本次討論會，賽靈思公司大中華區(qū)核心市場事業(yè)部市場及業(yè)務(wù)開發(fā)總監(jiān)酆毅（Bob Feng）現(xiàn)場講解。

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

HDR影響著兩個關(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)標準”，Bob Feng為記者介紹，與HDR（High-Dynamic Range，高動態(tài)范圍）相對應(yīng)的概念自然就是SDR（Standard Dynamic Range，標準動態(tài)范圍），事實上HDR早已遠超顯示技術(shù)專家和學者研究方向這一范疇，真正滲透入了消費電視領(lǐng)域。

簡單來說，HDR可以清晰還原圖像更多細節(jié)。Bob Feng強調(diào)，HDR一直是個非常容易被誤解的概念，寬動態(tài)很多人會直接聯(lián)想到高對比度或高亮度，事實上并不是這樣的。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、亮度這五個要素，HDR所影響的參數(shù)就包括色域和亮度這兩個關(guān)鍵參數(shù)，實際上在分辨率標準提升的現(xiàn)今，也對這兩個關(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級別的顯示的色度范圍遵循的是全高清廣播標準BT.709（REC.709）；而當在4K UHD級別下，則遵循DCI-P3標準色域更廣；在8K SHV級別下，則遵循REC2020標準，色域越來越接近人眼。

? 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)則可達到16億nits。不過需要注意的是超出人眼識別范圍的亮度是沒有意義的，因為最終呈現(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)換的過程，二者是相輔相成的。

HDR對不同屏幕轉(zhuǎn)換不同

從屏幕技術(shù)方面來談，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強調(diào)，顯示技術(shù)的迭代最終的目標是更加完整地還原人眼所見，在逐次迭代的過程，也會越來越接近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LED、mini LED和疊屏這三種背光方式的面板，這是因為實現(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，每個紅綠藍亞像素都能自身產(chǎn)生光源，而有句老話曾說過“HDR與OLED是絕配”。二者最大的區(qū)別在于OLED主要使用有機材料，Micro LED則是使用無機材料使得組件小于100μm，獲得更薄的厚度。

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

Bob Feng強調(diào)，對于顯示廠商來說，為了越來越接近人眼所見，就要不斷推出新的顯示面板技術(shù)，但事實上面板廠商正在面臨著良率和成本的雙重考驗。

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

Bob Feng為記者做了一個比喻，假設(shè)電信號是許多調(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。事實上，LCD、OLED、Micro LED在顏色與電信號的映射上不可能是完全一樣的，因此必然會帶來轉(zhuǎn)換算法的不同。

適配不同屏幕接口的FPGA TCON

正因為不同顯示面板，TCON芯片的算法不同，因此在顯示技術(shù)更新?lián)Q代之時，廠商必然會遇到TCON設(shè)計的挑戰(zhàn)。

? 假設(shè)使用傳統(tǒng)ASIC/ASSP TCON方法，意味著針對不同分辨率下的LCD、OLED、Dual Cell、Micro LED等不同的屏幕類型，都要針對性設(shè)計開模，這主要是因為ASIC的程序是固定或者標準的，不可修改。

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

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

? 在此方面，F(xiàn)PGA的靈活性似乎是“天生”為這種場景而生，針對不同的分辨率下，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。

具體來說，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，可以簡化整體設(shè)計，增強效率。具體來說，傳統(tǒng)設(shè)計中包括Mobile SoC和TV SoC兩顆芯片，但由于定制的AISC/ASSP是沒有直接接口可以對接Mobile SoC，TV SoC僅僅是充當了轉(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)上來看，元器件選擇從3芯片變成了2芯片。Bob Feng強調(diào)，Xilinx還剔除了一些冗余接口一對一（V-by-One）的選擇，為智能電視設(shè)計帶來極大的簡單化和小型化。

在智能電視越來越輕薄化的行業(yè)動態(tài)下，一般采用面板后貼主芯片和外置芯片兩種方式。但無論采用哪種方式，利用一對一（V-by-One）的接口相連，會顯得非常臃腫。

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范圍，就可實現(xiàn)不同類型顯示屏間的設(shè)計轉(zhuǎn)換。

深圳市視顯光電技術(shù)有限公司的8K@60Hz無損視頻播放機在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)帶來了極大的助力。比如我們用FPGA開發(fā)了針對視頻領(lǐng)域的各種專用傳輸接口，針對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，最早給出了解決方案，可以比我們的競爭對手，或者ASIC方案，更快的推出新產(chǎn)品，這是我們的核心行業(yè)競爭力之一。”

對于ASIC/ASSP TCON和FPGA TCON， Bob Feng認為二者是共存關(guān)系，ASIC本身具有成本優(yōu)勢必然會長期存在，但FPGA TCON的靈活性和簡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。

責任編輯：haq