采用LED光源的高級背光控制技術(shù)配合分段控制則可以創(chuàng)造一種鮮活生動的視覺感受,同時(shí)大大降低LCD TV機(jī)的功耗,降低程度可高達(dá)80%。
采用LED的固態(tài)背光控制應(yīng)用于LCD TV時(shí)存在許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。與當(dāng)前市場上大屏幕LCD背光控制中主要使用的冷陰極熒光燈(CCFL)和熱陰極熒光燈(HCFL)相比,LED的能效高得多。
實(shí)際上LED的光學(xué)效率目前與CCFL相當(dāng),其高能效并非是其光學(xué)效率(流明每瓦)的自然結(jié)果,而是由于其明暗程度可以更靈活高效地控制,以滿足圖像亮度的要求。采用一組可尋址的LED陣列進(jìn)行二維背光亮度控制所創(chuàng)造的視覺效果更加生動,對比度更強(qiáng),色域更廣,色彩飽和度也更好。
過去幾年,CCFL和HCFL背光控制中采用了多種亮度控制技術(shù)。例如,有時(shí)為了滿足圖像亮度的要求,整個(gè)背光都被調(diào)暗,這采用的是一種叫做0維調(diào)光(dimming)的技術(shù)。如果調(diào)光是沿著一條單軸進(jìn)行的(例如通過控制一根HCFL熒光燈的亮度或同時(shí)控制一組CCFL熒光燈的亮度),就叫做一維調(diào)光。
隨著最近LED成本的降低和性能的提高,利用LED進(jìn)行背光控制的可行性越來越高,因而該技術(shù)可能成為一種新型的更高效的背光亮度控制技術(shù)。而LED能夠輕松布置成為一個(gè)二維陣列并實(shí)現(xiàn)每個(gè)陣列單元的單獨(dú)控制這一事實(shí)又讓二維(水平和垂直方向)調(diào)光成為可能,這在過去采用傳統(tǒng)CCFL或HCFL熒光燈時(shí)是不可能實(shí)現(xiàn)的。二維調(diào)光能在顯示圖片的亮區(qū)域背后局部地產(chǎn)生更多的光,而在暗區(qū)域產(chǎn)生較少的光。
實(shí)際上,一個(gè)10x18的高效白色LED陣列就足以局部優(yōu)化一般圖像內(nèi)容的背光亮度,使圖像對比度更佳,并大大降低背光的平均功耗。這種基于圖像內(nèi)容的背光輸出局部控制在典型的TV圖像內(nèi)容上平均能節(jié)省大約50%的功耗。
從白背光到RGB背光
如果不用白色LED,而用RGB三色LED,那么二維LED背光控制的優(yōu)勢更大。通過控制RGB中紅、綠、藍(lán)LED的亮度,可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)寬于傳統(tǒng)背光LCD面板的色域。因此,RGB LED的背光能產(chǎn)生更亮、更深、飽和度更高的色彩。
于是,我們可以通過智能飽和度控制將視頻內(nèi)容(RGB)的色彩空間映射到LED背光的色彩空間。此類映射算法不應(yīng)改變圖像中的白色、膚色和柔和色,但卻能將飽和色擴(kuò)展到只有LED才能實(shí)現(xiàn)的鮮亮程度。
將RGB LED按二維陣列的方式排放并在單色基礎(chǔ)上對其進(jìn)行單獨(dú)控制(即二維彩色明暗控制)不但能降低功耗,還能改善色域和對比度。這是因?yàn)楠?dú)立的背光分段只需產(chǎn)生能被其前方的LCD像素發(fā)射的可見光譜部分,見圖1。
圖1:2維彩色調(diào)光控制。
傳統(tǒng)白背光是利用一個(gè)固定的白色點(diǎn)來產(chǎn)生可見光譜,但很大一部分能量都無法通過LCD發(fā)射出去,而變成熱能消耗在LCD面板的濾色器中。基于圖像內(nèi)容進(jìn)行背光輸出的局部色彩控制用于典型TV圖像內(nèi)容時(shí)則能節(jié)省大約80%的功耗。
背光調(diào)光控制的復(fù)雜性
盡管優(yōu)點(diǎn)很多,但背光明暗控制的復(fù)雜性也不可小覷。這是因?yàn)樗肓藘煞N不同的圖像亮度調(diào)節(jié)方式。
為了顯示夜景等低亮度圖像,我們可以利用LCD的像素來阻礙更多背光的輸出,或者也可以直接將背光調(diào)暗。從空間和時(shí)間對比度以及色域角度獲得最優(yōu)化的屏幕前端性能,再加上最優(yōu)化的背光功耗,這些都是通過獲取像素驅(qū)動信號來補(bǔ)償背光流明的降低而實(shí)現(xiàn)的。
因此,自適應(yīng)背光亮度控制需要對視頻流進(jìn)行大量圖像處理,以分析圖像內(nèi)容。然后,還要將所需的信息與背光的特性巧妙地組合起來,這樣才能產(chǎn)生最佳的背光和像素驅(qū)動信號。
這其中存在的挑戰(zhàn)就在于如何將極低的空間分辨率(通常只有10x18個(gè)區(qū)段)與LCD面板的極高分辨率(對高清TV而言可高達(dá)1920x1080像素)匹配起來。
相鄰背光區(qū)段之間光學(xué)干擾的存在讓情況變得更加復(fù)雜,這是因?yàn)槊恳粋€(gè)背光區(qū)段發(fā)出的光都會漏到其鄰近的區(qū)段中去。
怎樣求得平衡
要確定最佳的背光水平,必需對圖像像素的R、G、B值分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,這樣才能為相應(yīng)的背光分段確定合適的驅(qū)動電平。
如果所有像素電平都是高電平,將與歸一化背光電平上的背光相匹配。當(dāng)RGB像素值為低電平時(shí),就應(yīng)將背光電平調(diào)暗,以減少通過顯示面板漏出的光。同時(shí),還要增大用于LCD像素的RGB增益,以保證圖像亮度滿足要求。
這樣一來,對比度(尤其是用于黑電平的對比度)會得到改善,但會對亮像素產(chǎn)生削幅。因此,自適應(yīng)背光算法需要找到一種最佳的折衷。紅、綠、藍(lán)的增益也需要調(diào)整,以補(bǔ)償LCD面板濾色器中輸出的不斷變化的混合RGB背光亮度。
不同背光分段之間的相互作用
因光干擾而產(chǎn)生的不同背光區(qū)段之間的交叉干擾也對圖像的整體性能有很大影響。這種干擾限制了有效的空間背光調(diào)節(jié),因此通過背光調(diào)節(jié)能夠達(dá)到的圖像質(zhì)量改善很大程度上取決于背光的特性和構(gòu)造。
干擾補(bǔ)償方面還有很重要的一點(diǎn),那就是必需能動態(tài)驅(qū)動背光LED直至高于其設(shè)計(jì)亮度的水平,這個(gè)過程被人們稱作自適應(yīng)增強(qiáng)。采用這種方法,由鄰近背光區(qū)段變暗而導(dǎo)致的某個(gè)背光區(qū)段的亮度缺乏這樣的情況就能得到補(bǔ)償。
干擾補(bǔ)償能夠幫助減少某個(gè)分段中心處應(yīng)達(dá)到的亮度水平與要求達(dá)到的亮度水平之間的誤差。這樣一來,整個(gè)背光輪廓的空間調(diào)整就得到了增強(qiáng)。
然而,簡單的線性誤差補(bǔ)償可能導(dǎo)致亮區(qū)域邊緣處亮度不足。利用非對稱補(bǔ)償就能避免出現(xiàn)這種情況,見圖2。
圖2:對稱與非對稱的交叉干擾補(bǔ)償。
如果背光的LED數(shù)量太少,那么背光增強(qiáng)的可能性就會受限。這是因?yàn)楫?dāng)LED數(shù)量較少時(shí),每個(gè)LED都必需驅(qū)動到接近最大亮度的水平才能達(dá)到所需的圖像亮度。而隨著背光LED的個(gè)數(shù)增多,背光提升的效果就能改善,從而不但補(bǔ)償了相鄰區(qū)段之間的干擾,而且也提升了亮圖像內(nèi)容的鮮活度。
LED數(shù)量增多會使每個(gè)背光區(qū)段變得更小,從而允許背光流明在更大的范圍內(nèi)得到調(diào)節(jié),提供更優(yōu)秀的時(shí)間和空間對比度。對于典型的圖像內(nèi)容而言,采用背光調(diào)暗和背光增強(qiáng)技術(shù)能將功耗降低超過50%,且圖像看上去不會有可見的不良影響。
LED背光技術(shù)前景光明
不幸的是,與傳統(tǒng)CCFL或HCFL熒光燈相比,目前高效LED背光的成本太高,故用于背光的LED的個(gè)數(shù)只限于幾百只。但隨著基于LED背光技術(shù)趨于更加成熟,這種成本差距今后很可能會縮小。
LED背光在移動設(shè)備中已經(jīng)很常見,而且其優(yōu)秀的能效特性也使它開始出現(xiàn)在筆記本電腦中。對電視機(jī)而言,LED背光很可能首先用于50寸以上的大屏幕電視,然后隨著生產(chǎn)成本降低,再進(jìn)入較小屏幕的電視機(jī)。
為了幫助和鼓勵(lì)人們使用基于LED的自適應(yīng)背光控制,NXP半導(dǎo)體公司已在其PNX5100 LCD TV平臺上實(shí)現(xiàn)了所有2維白色LED明暗控制、2維RGB LED明暗控制以及色域映射所需的算法。
PNX5100位于視頻視頻處理通道的后端,它利用片上的基于像素的加速器,控制運(yùn)動補(bǔ)償上變頻(到120Hz)和2維背光驅(qū)動,詳見圖3。其軟件驅(qū)動背光控制非常靈活,并能根據(jù)特定的客戶需求和顯示面板進(jìn)行調(diào)節(jié)。
圖3:自適應(yīng)調(diào)光方框圖。
作者:Pierre de Greef
系統(tǒng)架構(gòu)師
Hendriek Groot Hulze
研究員
Harm van der Heijden
圖像質(zhì)量架構(gòu)師
NXP半導(dǎo)體
