CN107256688B

CN107256688B - 一种亮度自适应的led显示屏温度控制系统

Info

Publication number: CN107256688B
Application number: CN201610256587.1A
Authority: CN
Inventors: 王瑞光; 丁铁夫; 赵建博; 曹慧
Original assignee: Changchun Cedar Electronics Technology Co Ltd
Current assignee: Changchun Cedar Electronics Technology Co Ltd
Priority date: 2016-04-22
Filing date: 2016-04-22
Publication date: 2020-04-21
Anticipated expiration: 2036-04-22
Also published as: CN107256688A

Abstract

本发明涉及一种亮度自适应的LED显示屏温度控制系统，该系统的第一乘法器将视频图像数据与上位机的亮度调节数据相乘得到视频亮度数据；采样模块采集多个像素点视频亮度数据并求取平均值得到采样点亮度数据；寄存器滚动接收采样点亮度数据；增益计算模块根据寄存器内累计的采样点亮度数据计算实时增益从而对上位机的亮度调节数据进行调整；第二乘法器将亮度调节数据与实时增益相乘后传输至亮度阈值判断模块；亮度阈值判断模块选择直接输出上位机亮度调节数据或者输出第二乘法器计算的亮度数据。利用本发明可以在维持屏体温度不变的情况下提高LED显示屏亮度指标或者维持亮度不变。

Description

一种亮度自适应的LED显示屏温度控制系统

技术领域

本发明属于LED显示控制技术领域，涉及一种亮度自适应的LED显示屏温度控制系统，可用于室内小间距LED全彩显示屏工作过程中的温度控制。

背景技术

近年来，小间距、高密度的室内LED全彩显示屏已经被广泛应用在视频会议，监控分屏显示，电视台室内演播室等高清显示领域，由于集成度的增加，高密LED显示屏的工作温度已经突出成为一个亟待解决的关键性问题。LED显示屏的屏体温度变化趋势在一定范围内随着显示屏亮度变化成正比例关系变化，即如果逐渐提升显示屏亮度，则屏体温度将会呈现上升趋势，反之，如果逐渐降低显示屏亮度，则屏体温度会随之呈现下降趋势。因此在实际使用过程中对二者的需求存在着矛盾关系，一方面，我们希望显示屏最大亮度越高越好，这样可以带来更好的视觉显示效果；而另一方面，我们希望保持屏体工作在相对较低的温度环境下，这样既可以减小由温度变化引起的发光管芯波长偏移，同时可以提高显示器件的寿命、可靠性和安全性。

实际使用中，为了保证屏体温度不超出可能导致屏体烧坏的温度范围普遍采用的方法是限制显示屏最大显示亮度，利用亮度与温度的正比例关系达到限制屏体最大温度的目的。然而根据使用经验，在屏幕实际工作过程中，绝大多数的场合都是播放视频图像。根据统计数据来看，视频图像的平均亮度只占最高显示亮度的15％～30％，远远没有达到屏幕设定的最大显示亮度。所以对于LED显示屏使用者来说，为了保证屏幕在极少数使用场合下的安全性而不得不放弃绝大多数使用场合下更佳的显示效果。

LED显示屏温度变化是大滞后，不会立即响应(即不会立即升、也不会立即降)，所以即时的高亮度需求并不会造成其温度剧烈变化，通过适当控制高亮度画面持续时间可以将屏幕温度控制在稳定区间内波动。亮度的变化是根据一段时间图像数据累计值来调节屏幕亮度增益实现的。长时间图像数据累计值较低时可以保证显示屏在最高亮度下运行，而只有长时间图像数据累计值较高时，亮度才会以渐变的方式逐步降低。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种亮度自适应的LED显示屏温度控制系统，利用该方法可以在维持屏体温度不变的情况下提高LED显示屏亮度指标或者在维持亮度不变的情况下降低屏体温度。

为了解决上述技术问题，本发明的亮度自适应的LED显示屏温度控制系统包括下述模块：

第一乘法器：将视频图像RGB数据与上位机传输的亮度调节数据相乘后得到视频RGB亮度数据；

采样模块：监测视频场同步信号，按照设定的采样时间间隔对第一乘法器输出的视频RGB亮度数据进行采集；对于采样帧视频图像，选取平均分布在该视频图像内的n×m个像素点的视频RGB亮度数据进行采集并进行灰度值求平均运算，得到采样点RGB亮度数据并将其传输给寄存器；其中3≤n≤N，3≤m≤M；N为显示屏像素行数，M为显示屏像素列数；

寄存器：设置为一个移动窗口，即先进先出栈，栈内连续、滚动接收采样模块输出的采样点RGB亮度数据；移动窗口的大小相当于连续累计设定时间的采样点RGB亮度数据的总帧数；

增益计算模块：读取寄存器内累计的采样点RGB亮度数据并据此计算实时增益，该实时增益与上位机传输的亮度调节数据相乘，对上位机输出的亮度调节数据进行70％～100％之间的亮度调整；

第二乘法器：将上位机传输的亮度调节数据与实时增益计算模块输出的实时增益相乘后传输至亮度阈值判断模块；

亮度阈值判断模块：判断上位机传输的亮度调节数据是否大于设定的亮度阈值，若是则将第二乘法器输出的亮度数据作为最终亮度数据传输给亮度数据输出模块，否则直接将上位机传输的亮度调节数据最终亮度数据传输给亮度数据输出模块。

最终亮度数据经亮度数据输出模块输出后与视频图像RGB数据相乘，得到的最终结果传输给显示屏进行显示。

所述采样模块设定的采样时间间隔为t，t优选2.5～8.5秒；寄存器移动窗口大小为连续累计设定时间T的采样点RGB亮度数据的总帧数，T优选3～10分钟；

所述n、m的数值优选3≤n≤10，3≤m≤10。

所述亮度阈值判断模块设定的亮度阈值为0.7。

设视频图像RGB数据和亮度数据位宽为N₀比特，增益计算模块根据式(1)计算实时增益G；

G＝(L_max×d×70％)/A

其中d为寄存器深度，即连续累计设定时间的采样点RGB亮度数据的总帧数；

A为连续累计设定时间的采样点RGB亮度数据的总和，寄存器位宽选择为N₀+2比特，L_max为一帧采样点RGB亮度数据的最大值；

或者A为连续累计设定时间的采样点RGB亮度数据高n₀位数据的总和；寄存器位宽为n₀+2比特，n₀＜N₀，L_max为采样点RGB亮度数据高n₀位数据的最大值。

本发明可以完全通过显示器控制电路内部固有的FPGA内部程序实现，将科学的阈值判断方法与显示控制功能融合，充分发挥控制系统性能，实现简单且效果出色。

本发明的有益效果体现在以下方面：

1、利用本发明可以有效把LED显示屏亮度指标提高40％，或者维持亮度不变的情况下将最高屏体温度降低12℃。也可以二者兼顾，即亮度指标提高20％同时温度降低6℃。

2、本发明完全通过FPGA内部程序实现，无需在屏体端外接温度传感器，简化了设计并极大节约了成本，尤其在较大屏体的应用环境下；

3、亮度自动调整的全部过程发生在FPGA内部，取代了外接温度传感器时必需的多点温度数据采集、多点温度信号回传及处理等多个环节，极大的降低了多环节过程易出错的风险。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1为实现本发明的硬件平台结构框图。

图2为FPGA内部电路框图；

图3为自动增益调整曲线。

具体实施方式

如图1所示，实现本发明的硬件平台包括DVI解码芯片，FPGA，时钟电路，配置FLASH，动态内存，网络接口芯片，接收扫描卡；FPGA由时钟电路提供时钟；FPGA上电配置由片外配置FLASH完成；动态内存负责缓存视频数据供FPGA调用；FPGA通过显示器控制电路内部固有的ARM控制器与上位机通信。FPGA引脚与DVI解码芯片输出引脚连接，DVI解码芯片将输入的视频图像数据信号解码成视频图像RGB数据，并传输给FPGA。ARM控制器前端通过百兆以太网连接上位机，接收手动亮度调节数据，然后将亮度调节数据转发到FPGA内部。FPGA采集视频RGB亮度数据和亮度调节数据并进行运算，将经过运算得到的最终亮度数据经网口接口芯片，通过千兆以太网传输到LED显示屏所有接收扫描卡进行实时亮度调节。

FPGA采用Verilog语言进行程序设计，利用片内分布式RAM对参与运算过程中的数据进行缓存。视频输入采用DVI标准协议。运算后的最终亮度数据统一传输到所有接收扫描卡，保证整屏所有控制部分具有相同亮度。

下面以亮度调节数据采用8比特位宽二进制数，视频信号输入分辨率是1920x1080为例，详细描述本发明。

如图2所示，FPGA内部逻辑包括第一乘法器，采样模块，寄存器，增益计算模块，第二乘法器，亮度阈值判断模块和亮度数据输出模块。

控制系统上电后，FPGA从配置FLASH中加载配置文件，配置完成后，第一乘法器开始接收DVI解码芯片输出的8比特的视频图像RGB数据和上位机发送的亮度调节数据。根据内置逻辑关系，首先将视频图像RGB数据与上位机设置的亮度调节数据相乘，并将相乘后得到的视频RGB亮度数据发送到采样模块。

采样模块监测视频场同步信号，按照设定的采样时间间隔对第一乘法器输出的视频RGB亮度数据进行采集。根据DVI解码芯片输出每秒60帧的协议标准来进行计时采样，计数到300帧也就是每5秒钟(即采样时间间隔为5秒)时间场同步信号计数器清零一次，将第300帧作为采样帧，对该帧的视频信号进行采集，同时场同步信号计数器重新开始计数。

对选定帧的视频信号进行采集的方法是对行有效信号和像素时钟进行计数，视频输入分辨率是1920x1080，也就是说每一帧共有1080行，1920列的像素点。在选定帧内选取多个位置点进行采集，原则是选取16个点平均分布在该帧内，每隔270行选取4个点，每行内4个采样点之间两两间隔480个像素。将该帧内采集到的16个像素点进行灰度值求平均运算，将结果(即采样点RGB亮度数据)输出到寄存器内。

寄存器设置为一个移动窗口，即先进先出栈。栈内连续、滚动接收采样模块输出的采样点RGB亮度数据。移动窗口大小相当于连续累计最后5分钟的采样点RGB亮度数据的总帧数。开机时增益为1、栈内置零。

随图像信息流，栈内累计值(即采样点RGB亮度数据总和)在变化。增益计算模块读取寄存器内累计的采样点RGB亮度数据，当累计值超过图像亮度最高值的70％时，则按超出量降低增益，直至最小增益降至0.7，并保持该增益；期间根据采样点RGB亮度数据的累积情况实时增减增益，通过调节增益调节亮度、调节电流，从而调节温度；窗内累计低于70％时，增益逐步上调；当上调至1.0时，保持该增益值不再继续上调。具体方法如下：

设视频图像RGB数据和亮度数据位宽为N₀比特，这里取视频图像RGB数据和亮度数据位宽为8比特；增益计算模块根据式(1)计算实时增益G；

G＝(L_max×d×70％)/A

其中d为寄存器深度，即连续累计5分钟的采样点RGB亮度数据的总帧数；寄存器位宽可以选择为10比特，此时L_max为8比特RGB亮度数据的最大值之和，其值等于765；A为连续累计5分钟的8比特采样点RGB亮度数据的总和；或者寄存器位宽可以选择为6比特，此时L_max为4比特RGB亮度数据的最大值之和，其值等于45；A为连续累计5分钟的采样点RGB亮度数据的高4位数据的总和。

第二乘法器将上位机传输的亮度调节数据与实时增益计算模块输出的实时增益相乘后传输至亮度阈值判断模块；

亮度阈值判断模块：判断上位机传输的亮度调节数据是否大于0.7，若是则将第二乘法器输出的亮度数据作为最终亮度数据传输给亮度数据输出模块，否则直接将上位机传输的亮度调节数据作为最终亮度数据传输给亮度数据输出模块。

亮度数据输出模块输出的最终亮度数据与视频图像RGB数据相乘后传输给显示屏进行显示。

由于上位机控制软件设置了手动调节亮度功能，所以在亮度增益自动调节的过程中需要兼顾手动调节亮度功能。按照控制思想，将亮度自动调节的实时增益限制在0.7至1之间变化，所以采取的处理方法是：当手动调节亮度大于最大调节亮度的70％时，亮度自动调节增益功能介入，将实时增益与上位机输入亮度调节数据进行乘积运算，并将运算后的最终结果输出作为最终亮度数据；当手动亮度调节数据或者开机保存亮度数据小于最大调节亮度的70％时，自动屏蔽亮度自动调节增益功能，将上位机输入的手动亮度调节数据作为最终亮度数据输出。自动调节增益变化曲线如图3所示。

本发明的工作原理是：根据视频图像RGB数据与上位机设置的亮度调节数据相乘得到的待采样视频亮度数据及累计时间来评估屏体温度变化趋势并加以控制。对待采样视频亮度数据进行固定时间采样，然后根据一段时间采样数值累加结果来计算实时增益，该实时增益会随着视频RGB亮度数据的灰度值变化而变化，对该实时增益的变化范围进行设定，分别设置上限为0.7和下限为1.0，兼顾了屏幕显示效果和安全性。该功能与上位机亮度控制模块协同工作，上位机亮度控制首先决定初步上屏数据，第二乘法器将实时增益与上位机亮度调节数据进行乘积运算得到最终亮度数据，该结果决定最终视频显示时的屏幕亮度。利用屏幕温度与视频亮度的对应关系来确定各计算步骤过程中的阈值，从而达到通过检测视频显示数据来控制LED显示屏温度的目标。

采样点个数理论最佳是全屏幕，但是考虑到数据处理难度可以选择9～100点，取平均灰度值。

根据经验，如果屏幕处在全白场最大亮度情况下超过5分钟，屏幕工作温度会上升至对屏体有害的范围，也就是说5分钟后必须降低屏幕亮度。适宜的累计设定时间T可以选择3～10分钟。

采样频率是由累加时间和寄存器深度决定的，当累加时间已经确定以后，由寄存器深度确定，寄存器深度大小主要考虑计算量和精度问题。寄存器数量过多会增加计算量，同时不会对亮度调节精度产生较大提升。本发明中寄存器实际深度为70(6比特位宽)，根据采样点RGB亮度数据的高4位计算实时增益，减小了计算量的同时可以保证亮度在自动调节时人眼不会感受到亮度跳变。

以上虽然描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims

1.一种亮度自适应的LED显示屏温度控制系统，其特征在包括下述模块：

G＝(L_max×d×70％)/A (1)

或者A为连续累计设定时间的采样点RGB亮度数据高n₀位数据的总和；寄存器位宽为n₀+2比特，n₀＜N₀，L_max为采样点RGB亮度数据高n₀位数据的最大值；

亮度阈值判断模块：判断上位机传输的亮度调节数据是否大于设定的亮度阈值，若是则将第二乘法器输出的亮度数据作为最终亮度数据传输给亮度数据输出模块，否则直接将上位机传输的亮度调节数据作为最终亮度数据传输给亮度数据输出模块。

2.根据权利要求1所述的亮度自适应的LED显示屏温度控制系统，其特征在于所述采样模块设定的采样时间间隔为t，t选择为2.5～8.5秒；寄存器移动窗口大小为连续累计设定时间T的采样点RGB亮度数据的总帧数，T选择为3～10分钟。

3.根据权利要求1所述的亮度自适应的LED显示屏温度控制系统，其特征在于所述n、m的数值优选3≤n≤10，3≤m≤10。

4.根据权利要求1所述的亮度自适应的LED显示屏温度控制系统，其特征在于所述亮度阈值判断模块设定的亮度阈值为0.7。