【導讀】乍一看，今天的汽車看起來跟幾十年前的汽車沒什么差別，但事實并非如此。車艙內、引擎蓋下甚至輪胎內都隱藏這巨大的變化，可謂到處都有進步。
乍一看，今天的汽車看起來跟幾十年前的汽車沒什么差別，但事實并非如此。車艙內、引擎蓋下甚至輪胎內都隱藏這巨大的變化，可謂到處都有進步。
當前的一個趨勢是向軟件定義車輛發展，對車輛的許多功能和特性的控制是集中式的。實現方式是利用微處理器、傳感器和軟件算法來增強車輛性能、功能和用戶體驗。軟件定義車輛的一些關鍵方面包括集中計算、無線（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充傳統機械元件的過程。其中最顯而易見的就是電機。混合動力車型是向電動汽車（EV）的過渡的主要階段，這類汽車同時擁有燃油發動機和電機，最后持續發展到僅由電動機驅動。由于沒有廢氣排放，電動汽車更環保，而且減少了人們對化石燃料的依賴，有助于全球ESG治理。
軟件定義和電動汽車的下一階段就是自動駕駛汽車。同樣，隨著高級駕駛輔助系統（ADAS）功能的不斷完善，這也是分步實現的。當今的ADAS系統利用傳感器、攝像頭、雷達和其他組件來監控車輛周圍環境、收集數據并協助駕駛員。這些系統提供實時反饋、警告和干預措施，減少道路上的潛在危險。目前常見的ADAS功能包括自適應巡航控制、車道偏離警告、自動緊急制動、盲點檢測和停車輔助系統。隨著這些功能承擔更多的責任，汽車的計算系統完全控制車輛的一天終將到來。
下一代汽車顯示屏無處不在
然后是“娛樂”功能，就現代汽車而言，這意味著集成下一代智能手機的所有功能，例如Wi-Fi、藍牙、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的顯示屏，包括中央娛樂中心、儀表盤、平視顯示器（HUD）和后座顯示器。有時制造商還會部署顯示器作為后視鏡的替代。
談到這些顯示器時，你可能會認為OLED（有機LED）是最理所當然的選擇，因為車輛內的照明條件跨度很大，從強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可以提供很高的對比度，但與背光LCD相比，它們亮度不夠。此外，眾所周知，OLED會遇到壽命問題，不同顏色會以不同的速率老化，隨著時間的推移影響圖像質量。
出于其中一些原因，制造商會堅持使用能久經考驗的LCD屏，它們具有各種尺寸和分辨率。一個重要的考慮因素顯然是成本，LCD的價值在于其成熟的制造工藝和在惡劣的汽車溫度環境中表現出的可靠性。LCD的使用壽命通常也比OLED更長。OLED中使用的有機材料會隨著時間的推移而降解，這可能導致殘影和色彩偏移。而LCD不易出現此類問題，并且可以在較長時間內保持其圖像質量。
此外，出于多種原因，設計人員需要最大程度降低汽車顯示器的延遲。它們會影響駕駛員安全，車輛中多個顯示器的不同步問題也會影響用戶體驗。
局部調光
標準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。為了創建圖像，液晶打開或關閉來控制通過每個像素的光量。然而，即使處于關閉狀態，背光的一些光線也會泄漏，導致黑色不完美，對比度降低。
消費者已經習慣了智能手機和電視的高對比度顯示屏，汽車顯示屏也必須達到這一標準。局部調光是產生消費者所期望的高對比度、絢麗圖像的一種流行選擇，這在較差的照明環境中尤其有益。
隨著汽車使用更多、更高質量的LCD，局部調光技術也在汽車中發揮越來越重要的作用。局部調光旨在通過選擇性調暗或關閉屏幕背光的某些區域來增強對比度并改善黑電平。這是通過將背光劃分為多個區域實現的。每個區域都可以獨立控制以調整其亮度或完全關閉。當圖像的特定部分需要較暗的區域時，局部調光算法會降低該區域的背光強度，從而有效地使相應的像素變暗。
局部調光技術主要有兩種類型，全陣列式（full-array）和側光式（edge-lit）。側光式局部調光方案中，LED位于顯示面板的邊緣，使用光導或漫射器照亮整個屏幕，并通過動態調整邊緣不同LED的亮度來實現局部調光。全陣列局部調光在LCD 面板后面使用了一組LED，可提供更精確的控制并產生更好的對比度和黑電平。LED分為多個區域，可以單獨調暗或關閉。采用的分區數量直接影響性能，但會使設計更加復雜。
汽車應用中的局部調光是一個計算密集型功能，因為所需的算法相對復雜。除了考慮各個分區外，軟件還必須持續監控照明條件，它會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、通過隧道等。
局部調光算法會根據檢測到的環境光水平，相應地調整顯示器的背光。此外，算法還必須監控正在顯示的內容，并根據內容中的特定元素相應調整亮度和對比度。減少眩光也是一個關鍵因素，因為來自外部光源（如陽光或迎面而來的大燈）的眩光會影響顯示器的可見度。局部調光算法可最大程度地減少眩光并提高可視度。
一些制造商正在采用基于傅里葉級數的LCD優化方案，這是一種使用傅里葉級數分析原理來優化顯示器輸出的技術。這種方法涉及分析目標信號的輸出特性，例如強度和顏色分布，然后確定適當的電信號來驅動顯示器以實現這些特性。
同樣的局部調光技術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玻璃上，例如汽車的速度，導航指令或警告。HUD的局部調光不僅增強了可視性，還消除了所謂的“明信片效果”，提供更加無縫的體驗。
對人工智能的依賴
與當今許多設計領域一樣，人工智能已經影響了局部調光的各個方面，特別是所謂的“深度可控背光調光”。這種方案可以分析內容，做出明智的決策，并動態調整背光來提高圖像質量，改善用戶體驗。AI算法根據不同的顯示內容和照明條件不斷調整背光。AI和ML模型可以快速分析和響應內容的變化，確保背光優化并與顯示的圖像同步。
這些相同的算法可以通過提高圖像質量和減少偽影來增強用戶體驗。利用人工智能和機器學習（ML），算法可以適應不同的內容類型，如視頻、游戲或文本，并相應地優化背光，提供視覺上令人愉悅和舒適的觀看體驗。
FPGA實現局部調光
FPGA是在汽車LCD面板中實現局部調光的絕佳選擇，原因有很多，其中包括：
? 實時處理能力。汽車LCD面板中的局部調光需要FPGA提供的快速響應處理，從而分析內容、調整背光區域和控制LED亮度。
? AI和ML。FPGA提供了運行這些復雜算法所需的算力。
? 定制和靈活性。設計人員可以借助FPGA的特性，實現汽車LCD局部調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內容所必需的。
? 資源優化。設計人員可以分配專門的硬件資源，即使用FPGA大量的I/O以及本地存儲空間用于局部調光操作，這些存儲器可以有效地處理局部調光所涉及的復雜計算。
? 高度可靠。汽車應用需要穩定可靠的解決方案，能夠承受惡劣的環境條件、溫度變化以及沖擊和振動。
? 面向未來。汽車顯示器和局部調光算法會不斷發展。FPGA提供適應性和可升級選項，允許實現新算法、控制策略或系統增強功能。此外，FPGA還支持輕松遷移，以及靈活選擇LCD和LED背光控制器供應商。
萊迪思半導體FPGA提供實現汽車LCD局部調光應用所需的所有特性和規格，包括低功耗、小封裝尺寸、可擴展性、合適的工藝節點和足夠的穩定性。萊迪思DriveTM支持FPGA快速運用于汽車應用，并且作為萊迪思首款汽車市場解決方案集合，非常適配針對汽車應用進行優化的低功耗、小型FPGA。
萊迪思Drive的首個版本的側重于顯示器接口和處理，它提供參考設計和演示、定制設計服務、軟件工具、IP核和硬件平臺。
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，通過單根線纜以高分辨率和刷新率連接多個屏幕。CertusPro-NX具有可擴展性和適應性，支持多個區域和不同的面板，并允許控制各種LED驅動器IC。
只需一片萊迪思CertusPro-NX FPGA器件就可以處理實現汽車LCD面板局部調光方案的幾乎所有功能。如果需要，Nexus FPGA平臺可實現甚至數千個分區。
設計人員目前在此應用中面臨的一個關鍵挑戰包括需要控制的大量LED、沒有標準的LED驅動器接口以及不同的電路板設計和布局。萊迪思Nexus? FPGA平臺擁有更高精度的掃描線切換時序控制、豐富的I/O接口組合、對大多數LED驅動器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題。
圖中展示了萊迪思與Parretto和Lincoln Technologies Solutions合作設計和創建的DisplayPort、視頻縮放器和局部調光演示。
萊迪思構建的演示清楚地展示了局部調光的工作原理。它圍繞Raspberry Pi開發板，通過GPIO將720p 50Hz視頻流式傳輸到萊迪思CertusPro-NX FPGA。內部視頻縮放器獲取該視頻數據，并將其放大到 2160p（50 Hz）。同時，局部調光功能可動態控制面板的全 LED 陣列背光。然后DisplayPort發送器IP獲取放大后的視頻，并以HBR2（4通道）格式將其流式傳輸到4K像素面板。最后，面板顯示該視頻，同時全LED陣列背光處于持續控制之中。
綜上所述，萊迪思Nexus平臺用于汽車局部調光應用的原因有很多。它包括了一個經濟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、8.1 Gbit/s傳輸，12位內部處理精度等。
相信領導者的力量
作為低功耗可編程器件的領先供應商，萊迪思樹立了低功耗、小尺寸FPGA的性能和功耗標準。萊迪思致力于發揚為客戶提供支持和咨詢的企業文化，有助于其保持行業領先地位。
萊迪思提供基于Nexus的創新解決方案，將設計軟件和現成的軟IP模塊與評估板、套件和參考設計相結合。了解有關萊迪思Nexus平臺或其萊迪思Drive的更多信息，請聯系您當地的萊迪思銷售代表。
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