CN109102770B - 一种面向高性能计算的低功耗低带宽显示面板驱动芯片 - Google Patents

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Abstract

一种面向高性能计算的低功耗低带宽显示面板驱动芯片，数据锁存电路的输入端与视频接口相连；控制接口分别经时序控制器及模拟电路与高性能源驱动器相连，数据锁存电路的输出端依次经低性能处理单元、性能增强单元后与高性能处理单元相连，高性能处理单元的输出端分别与高性能源驱动器、时序控制器相连。基于显示面板驱动芯片内嵌的低性能处理单元、性能增强单元和高性能处理单元，使得整个电子设备系统内部能够在低性能的视频信号上进行传输，使得显示面板能够接收到高性能的视频信号；这样可以有效地降低系统内部的传输带宽和计算功耗，达到低功耗低带宽的目的，又能保留高性能视频信号的显示效果。

Description

一种面向高性能计算的低功耗低带宽显示面板驱动芯片
技术领域
本发明涉及电子设备显示面板的数字视频处理技术领域，尤其涉及一种面向高性能计算的低功耗低带宽显示面板驱动芯片。
背景技术
本发明所涉及但不仅限于的显示面板，包括LCD显示面板、OLED显示面板、和MicroLED显示面板等。本发明所涉及但不仅限于的高性能计算，包括虚拟现实（VR）相关计算、数字视频处理（Video Processing）相关计算、数字图像处理（Image Processing）相关计算、数字图形处理（Graphics Processing）相关计算、指纹识别相关计算等。
显示面板主要用在手机、平板电脑、台式机、笔记本电脑、电视、数码相框、虚拟现实头戴式显示器、虚拟现实一体机、电子橱窗，等电子设备里。显示面板作为电子设备的显示终端，其功能是将电子设备内部的视频图形模块所产生的视频信号显示出来。随着显示面板分辨率、刷新率和像素位宽的提高，电子设备内部的视频图形计算对性能的要求也越来越高，电子设备的整体功耗也越来越高，电子设备内部的视频图形模块传输到显示面板的信号带宽更是越来越高。特别是，当显示面板的分辨率达到超高分辨率，或者刷新率达到超高刷新率，或者像素位宽达到超高位宽时，许多电子设备内部的视频图形模块将无法负担如此高性能的计算，也无法输出如此高的信号带宽。
超高分辨率是指分辨率大于全高清分辨率FHD（1920x1080），例如2160x1080、WQHD（2560x1440）、2880x1440、2960x1440、UHD（3840x2160）等。超高刷新率是指刷新频率大于等于90Hz，例如90Hz、120Hz、240Hz，等。超高位宽是指像素的位宽大于等于10-bit。满足超高分辨率，或者超高刷新率，或者超高位宽的显示面板，被称为高性能显示面板；满足超高分辨率，或者超高刷新率，或者超高位宽的源驱动器，被称为高性能源驱动器；满足超高分辨率，或者超高刷新率，或者超高位宽的数字视频信号，被称为高性能数字视频信号。
显示屏厂商、电子设备厂商与芯片厂商都在积极寻找面向高性能显示面板的低功耗低带宽的解决方案。这种解决方案，在移动设备里（手机、平板电脑、虚拟现实头盔），显得尤其重要，因为移动设备中的视频图形模块计算能力不强，无法渲染并输出高性能的信号到高性能显示面板上，并且移动设备也需要低功耗的显示方案来降低整个系统的功耗，从而延长电池的续航时间。
如图2所示，电子设备分为系统模块（SM：System Module）和显示模块（DM：DisplayModule）。系统模块与显示模块之间，通过标准接口连接起来。在系统模块里，CPU的作用是来控制视频图形模块（VGM：Video and Graphics Module）和其它模块；
VGM包括视频处理单元（Video Processing Unit）和图形处理单元（GraphicsProcessing Unit）。VGM产生视频信号，通过标准接口发送器（TX），传送至显示屏模块。电子设备传输的视频信号带宽是由VGM所产生的最高分辨率、最高刷新率、和最高像素位宽决定。分辨率越高，刷新率越高，像素位宽越高，则系统内部传输的视频信号带宽越高，并且系统内部的传输功耗也越大；
显示屏模块是由显示面板（Panel）和显示面板驱动芯片（PDIC：Panel Driver IC）组成。如果配备高性能显示面板，则可以大幅度提高电子设备的显示效果，增强消费者的视觉体验。但是，在大多数中低端电子设备里，尤其是在大多数移动设备里，由于VGM的计算能力不强，导致无法产生高性能的视频信号。所以，在这样的电子设备里，无法配备高性能显示面板。另一方面，在少数高端电子设备里，VGM虽然能够产生高性能的视频信号，但产生高性能视频信号会大大增加整个电子设备的功耗，降低CPU和VGM的工作效率，而且由于增加了视频信号传输带宽，需要配备更高性能的标准接口，这样都会增加整个电子设备的成本。
发明内容
为了解决上述带有高性能显示面板的电子设备内部高功耗、高带宽的问题，本发明提出了一种面向高性能计算的低功耗低带宽显示面板驱动芯片。
一种面向高性能计算的低功耗低带宽显示面板驱动芯片，其特征在于：包括视频接口、数据锁存电路、控制接口、时序控制器、高性能源驱动器和模拟电路，所述数据锁存电路的输入端与所述视频接口相连；所述控制接口分别经所述时序控制器及模拟电路与所述高性能源驱动器相连，所述数据锁存电路的输出端依次经低性能处理单元、性能增强单元后与高性能处理单元相连，所述高性能处理单元的输出端分别与所述高性能源驱动器、时序控制器相连，所述低性能处理单元用于缓存低性能视频信号，所述性能增强单元用于将所述低性能视频信号增强转换为高性能视频信号，所述高性能处理单元用于增强图像的能量密度。
进一步为：所述高性能源驱动器的通道数为C/n，其中，C为显示面板的总通道数，n为所述显示面板里采用多路复用器的复用路数。
进一步为：所述低性能处理单元包括帧存储器和基于所述帧存储器的算法Ⅰ，所述算法Ⅰ包括镜头畸变矫正算法、反镜头色散算法、运动检测与运动补偿算法、指纹识别算法。把帧存储器和基于帧存储器的算法Ⅰ放在性能增强单元之前，可以节省帧存储器的容量和节省帧存储器读写的功耗。帧存储器只用缓存数据量较小的低性能视频信号。
进一步为：所述帧存储器的存储容量为一帧低性能数字视频信号，这样可以降低芯片内部算法的计算功耗，和降低芯片外部传输过来的视频信号的带宽。
进一步为：所述高性能处理单元包括行存储器和基于所述行存储器的算法Ⅱ，所述算法Ⅱ包括亮度调节算法、对比度调节算法、白平衡调节算法、锐度调节算法、灰度直方图均衡算法、背光调节算法和HDR-to-SDR算法。
进一步为：所述行存储器的存储容量为小于100行高性能数字视频信号，这个容量远远低于一帧高性能数字视频信号。
进一步为：所述性能增强单元包括分辨率放大器、帧频转换器和像素位宽转换器，所述分辨率放大器的实现算法包括双线性插值法、双三次插值法、多相滤波器法、超分辨率法和卷积神经网络法。性能增强单元通过实时性能增强控制算法，可以实时地对数字视频信号进行性能增强，并降低功耗，节省带宽。
进一步为：所述帧频转换器的实现算法包括帧重复法和基于MEMC的帧插值法。
进一步为：所述像素位宽转换器算法包括SDR反向色调映射算法、HDR智能色调管理算法和色彩抖动算法。
进一步为：所述性能增强单元包括实时性能增强控制算法模块，所述实时性能增强控制算法模块中设置的实时性能增强控制算法包括以下流程：
步骤1：输入信号三元组Rlow, Flow, Wlow；
步骤2：如果Rlow<Rhigh，则执行所述分辨率放大器，并令RG = Rhigh；否则跳过所述分辨率放大器，同时令RG = Rlow，并执行步骤3；
步骤3：如果Flow<Fhigh，则执行所述帧频转换器，并令FG = Fhigh；否则跳过所述帧频转换器，同时令FG = Flow，并执行步骤4；
步骤4：如果Wlow<Whigh，则执行像素位宽转换器，并令WG = Whigh，否则跳过所述像素位宽转换器，同时令WG = Wlow，并执行步骤5，
步骤5：输出信号三元组RG , FG , WG；
其中， Rlow为所述低性能处理单元所接收到的视频信号的分辨率，Flow为所述低性能处理单元所接收到的视频信号的刷新率，Wlow为所述低性能处理单元所接收到的视频信息的像素位宽；所述视频信号经所述性能增强单元处理后能够输出的分辨率为Rhigh，刷新率为Fhigh，像素位宽为Whigh。RG , FG , WG分别为所述性能增强单元输出的视频信号的分辨率、刷新率、像素位宽。按照输出数字视频信号的性能需求，分别对输入数字视频信号的分辨率、帧频和像素位宽进行实时按需增强，具体通过设定所述性能增强单元处理数字视频信号时分辨率Rhigh、刷新率Rhigh、像素位宽Rhigh三者的设定值。
本发明的有益效果：基于显示面板驱动芯片内嵌的低性能处理单元、性能增强单元和高性能处理单元，使得整个电子设备系统内部能够在低性能的视频信号上进行传输，而最终的显示面板却依然能够接收到高性能的视频信号；这样可以有效地降低系统内部的传输带宽和计算功耗，达到低功耗低带宽的目的，同时又能保留高性能视频信号的显示效果。
附图说明
图1为本发明的结构框图；
图2为电子设备的结构框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细说明。下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
虚拟现实电子设备包括虚拟现实一体机、虚拟现实头戴显示器、智能手机等。本发明提供了一种在虚拟现实电子设备里的实施实例，如图1所示，包括MIPI-DSI视频接口模块401，D触发器锁存模块402，镜头畸变矫正和反色散模块403，多相滤波器法分辨率放大器模块404，亮度、对比度、锐度调节模块405，DMUX-X3源驱动器模块406，MIPI-DBI Type C控制接口模块407，UHD时序控制器模块408，以及其它模拟电路模块409。
其中，MIPI-DSI视频接口模块401用于接收外部的数字视频信号，分辨率为FHD（1920x1080），然后把视频信号按照时间顺序同步缓存进D触发器锁存模块402；经过MIPI-DSI视频接口模块401同步缓存的数字视频信号才可以被低性能处理单元同步读取。在这个实施实例中，低性能处理单元就是镜头畸变矫正和反色散模块403，其中镜头畸变矫正算法需要缓存一帧所接收到的视频信号。虚拟现实图像经过镜头畸变矫正和反色散处理后，产生补偿后的反向畸变和反向色散图像；多相滤波器法分辨率放大器模块404接收到补偿后的图像，采用多相滤波器法把分辨率从FHD（1920x1080）放大到UHD（3840x2160）；由于分辨率放大器会造成图像能量密度的降低，使得图像质量下降，所以经过多相滤波器法分辨率放大器模块404放大后生产的超高分辨率图像被传输到亮度、对比度、锐度调节模块405，从而对UHD分辨率的图像进行亮度、对比度、锐度进行补偿，以达到增强图像能量密度，提高图像质量的目的；
MIPI-DBI Type C控制接口模块407，接收外部的控制命令，并对整个芯片的内部参数进行配置。这些参数包括分辨率值、镜头畸变矫正级数、镜头畸变矫正折射率、亮度值、对比度值、锐度值、时钟频率值、源驱动器电压值、源驱动器电流值等。
UHD时序控制器模块408产生与UHD分辨率视频信号相匹配的时序控制信号，这些信号包括行有效信号、帧有效信号、行同步信号、帧同步信号等。
DMUX-X3源驱动器模块406是采用了3路复用器的高性能源驱动器，共有2160个通道S1、S2、…、S2160。DMUX-X3源驱动器模块406接收到来自亮度、对比度、锐度调节模块405的UHD视频数据，和来自UHD时序控制器模块408的UHD时序控制信号，并产生最终的模拟视频信号，传输到外部的UHD显示面板，把整个UHD画面显示出来。
另外，实施例中的视频接口还可以为HDMI、DP、eDP、Vx1、LVDS等，这些视频接口接收到的信号为数字视频信号，接收之后将信号送入锁存电路。
实施例中的D触发器锁存模块402即锁存电路模块是完成时序缓存的电路，其目的是将接收到的数字视频信号与系统时钟同步，并按照时间顺序同步缓存起来。其它形式的锁存电路模块还可以为锁存器（latch）、RS触发器、JK触发器、T触发器以及SRAM存储器等。
实施例中的控制接口还可以为I2C、SPI等。这些控制接口接收到外部传送过来的命令，然后设置驱动芯片内部的寄存器，从而可以动态配置驱动芯片内部各个模块的参数。
实施例中的时序控制器是一种时序产生电路，根据所要显示的图像，来产生显示面板所需要的源极和门极上的时序控制信号。
实施例中的模拟电路模块409是负责驱动芯片里模拟信号的产生以及数模信号的转换，包括电荷泵（Charge Pump）、数模转化器（DA/AD Converter）、低压线性稳压器（LDO）、DCDC转换器、OSC振荡电路、栅极驱动阵列（GOA）等。
本实施实例可以使得一个FHD的输入视频信号被放大到UHD的输出视频信号。分辨率被放大了四倍。这一点对于虚拟现实电子设备尤为重要，能够极大地提高用户体验效果。由于输入信号的分辨率是FHD，这就把输入带宽降到了UHD的四分之一。由于芯片内集成了针对虚拟现实视频的镜头畸变矫正和反色散模块，这样就不需要外部通过CPU或GPU的软件来进行这部分的计算，从而降低了整个系统的功耗。综上所述，达到了低功耗低带宽，并支持超高分辨率的显示面板。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种面向高性能计算的低功耗低带宽显示面板驱动芯片，其特征在于：包括视频接口、数据锁存电路、控制接口、时序控制器、高性能源驱动器和模拟电路，所述数据锁存电路的输入端与所述视频接口相连；所述控制接口分别经所述时序控制器及模拟电路与所述高性能源驱动器相连，所述数据锁存电路的输出端依次经低性能处理单元、性能增强单元后与高性能处理单元相连，所述高性能处理单元的输出端分别与所述高性能源驱动器、时序控制器相连，所述低性能处理单元用于缓存低性能视频信号，所述性能增强单元用于将所述低性能视频信号增强转换为高性能视频信号，所述高性能处理单元用于增强图像的能量密度。
2.根据权利要求1所述的一种面向高性能计算的低功耗低带宽显示面板驱动芯片，其特征在于：所述高性能源驱动器的通道数为C/n，其中，C为显示面板的总通道数，n为所述显示面板里采用多路复用器的复用路数。
3.根据权利要求1所述的一种面向高性能计算的低功耗低带宽显示面板驱动芯片，其特征在于：所述低性能处理单元包括帧存储器和基于所述帧存储器的算法Ⅰ，所述算法Ⅰ包括镜头畸变矫正算法、反镜头色散算法、运动检测与运动补偿算法、指纹识别算法。
4.根据权利要求3所述的一种面向高性能计算的低功耗低带宽显示面板驱动芯片，其特征在于：所述帧存储器的存储容量为一帧低性能数字视频信号。
5.根据权利要求1所述的一种面向高性能计算的低功耗低带宽显示面板驱动芯片，其特征在于：所述高性能处理单元包括行存储器和基于所述行存储器的算法Ⅱ，所述算法Ⅱ包括亮度调节算法、对比度调节算法、白平衡调节算法、锐度调节算法、灰度直方图均衡算法、背光调节算法和HDR-to-SDR算法。
6.根据权利要求5所述的一种面向高性能计算的低功耗低带宽显示面板驱动芯片，其特征在于：所述行存储器的存储容量为小于100行高性能数字视频信号。
7.根据权利要求1所述的一种面向高性能计算的低功耗低带宽显示面板驱动芯片，其特征在于：所述性能增强单元包括分辨率放大器、帧频转换器和像素位宽转换器，所述分辨率放大器的实现算法包括双线性插值法、双三次插值法、多相滤波器法、超分辨率法和卷积神经网络法。
8.根据权利要求7所述的一种面向高性能计算的低功耗低带宽显示面板驱动芯片，其特征在于：所述帧频转换器的实现算法包括帧重复法和基于MEMC的帧插值法。
9.根据权利要求7所述的一种面向高性能计算的低功耗低带宽显示面板驱动芯片，其特征在于：所述像素位宽转换器算法包括SDR反向色调映射算法、HDR智能色调管理算法和色彩抖动算法。
10.根据权利要求7所述的一种面向高性能计算的低功耗低带宽显示面板驱动芯片，其特征在于，所述性能增强单元包括实时性能增强控制算法模块，所述实时性能增强控制算法模块中设置的实时性能增强控制算法包括以下流程：
步骤1：输入信号三元组Rlow,Flow,Wlow；
步骤2：如果Rlow<Rhigh，则执行所述分辨率放大器，并令RG＝Rhigh；否则跳过所述分辨率放大器，同时令RG＝Rlow，并执行步骤3；
步骤3：如果Flow<Fhigh，则执行所述帧频转换器，并令FG＝Fhigh；否则跳过所述帧频转换器，同时令FG＝Flow，并执行步骤4；
步骤4：如果Wlow<Whigh，则执行像素位宽转换器，并令WG＝Whigh，否则跳过所述像素位宽转换器，同时令WG＝Wlow，并执行步骤5，
步骤5：输出信号三元组RG,FG,WG；
其中，Rlow为所述低性能处理单元所接收到的视频信号的分辨率，Flow为所述低性能处理单元所接收到的视频信号的刷新率，Wlow为所述低性能处理单元所接收到的视频信息的像素位宽；所述视频信号经所述性能增强单元处理后能够输出的分辨率为Rhigh，刷新率为Fhigh，像素位宽为Whigh。
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