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采用LED光源的高級背光控制技術配合分段控制則可以創造一種鮮活生動的視覺感受,同時大大降低LCD TV機的功耗,降低程度可高達80%。

采用LED的固態背光控制應用于LCD TV時存在許多獨特的優點。與當前市場上大屏幕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。

實際上LED的光學效率目前與CCFL相當,其高能效并非是其光學效率(流明每瓦)的自然結果,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陣列進行二維背光亮度控制所創造的視覺效果更加生動,對比度更強,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。例如,有時為了滿足圖像亮度的要求,整個背光都被調暗,這采用的是一種叫做0維調光(dimming)的技術。如果調光是沿著一條單軸進行的(例如通過控制一根HCFL熒光燈的亮度或同時控制一組CCFL熒光燈的亮度),就叫做一維調光。

隨著最近LED成本的降低和性能的提高,利用LED進行背光控制的可行性越來越高,因而該技術可能成為一種新型的更高效的背光亮度控制技術。而LED能夠輕松布置成為一個二維陣列并實現每個陣列單元的單獨控制這一事實又讓二維(水平和垂直方向)調光成為可能,這在過去采用傳統CCFL或HCFL熒光燈時是不可能實現的。二維調光能在顯示圖片的亮區域背后局部地產生更多的光,而在暗區域產生較少的光。

實際上,一個10x18的高效白色LED陣列就足以局部優化一般圖像內容的背光亮度,使圖像對比度更佳,并大大降低背光的平均功耗。這種基于圖像內容的背光輸出局部控制在典型的TV圖像內容上平均能節省大約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背光控制的優勢更大。通過控制RGB中紅、綠、藍LED的亮度,可實現遠遠寬于傳統背光LCD面板的色域。因此,RGB LED的背光能產生更亮、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。此類映射算法不應改變圖像中的白色、膚色和柔和色,但卻能將飽和色擴展到只有LED才能實現的鮮亮程度。

將RGB LED按二維陣列的方式排放并在單色基礎上對其進行單獨控制(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。這是因為獨立的背光分段只需產生能被其前方的LCD像素發射的可見光譜部分,見圖1。

圖1:2維彩色調光控制。

傳統白背光是利用一個固定的白色點來產生可見光譜,但很大一部分能量都無法通過LCD發射出去,而變成熱能消耗在LCD面板的濾色器中。基于圖像內容進行背光輸出的局部色彩控制用于典型TV圖像內容時則能節省大約80%的功耗。

背光調光控制的復雜性

盡管優點很多,但背光明暗控制的復雜性也不可小覷。這是因為它引入了兩種不同的圖像亮度調節方式。

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暗。從空間和時間對比度以及色域角度獲得最優化的屏幕前端性能,再加上最優化的背光功耗,這些都是通過獲取像素驅動信號來補償背光流明的降低而實現的。

因此,自適應背光亮度控制需要對視頻流進行大量圖像處理,以分析圖像內容。然后,還要將所需的信息與背光的特性巧妙地組合起來,這樣才能產生最佳的背光和像素驅動信號。

這其中存在的挑戰就在于如何將極低的空間分辨率(通常只有10x18個區段)與LCD面板的極高分辨率(對高清TV而言可高達1920x1080像素)匹配起來。

相鄰背光區段之間光學干擾的存在讓情況變得更加復雜,這是因為每一個背光區段發出的光都會漏到其鄰近的區段中去。

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值分別進行統計分析,這樣才能為相應的背光分段確定合適的驅動電平。

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RGB像素值為低電平時,就應將背光電平調暗,以減少通過顯示面板漏出的光。同時,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,但會對亮像素產生削幅。因此,自適應背光算法需要找到一種最佳的折衷。紅、綠、藍的增益也需要調整,以補償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

因光干擾而產生的不同背光區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節,因此通過背光調節能夠達到的圖像質量改善很大程度上取決于背光的特性和構造。

干擾補償方面還有很重要的一點,那就是必需能動態驅動背光LED直至高于其設計亮度的水平,這個過程被人們稱作自適應增強。采用這種方法,由鄰近背光區段變暗而導致的某個背光區段的亮度缺乏這樣的情況就能得到補償。

干擾補償能夠幫助減少某個分段中心處應達到的亮度水平與要求達到的亮度水平之間的誤差。這樣一來,整個背光輪廓的空間調整就得到了增強。

然而,簡單的線性誤差補償可能導致亮區域邊緣處亮度不足。利用非對稱補償就能避免出現這種情況,見圖2。

圖2:對稱與非對稱的交叉干擾補償。

如果背光的LED數量太少,那么背光增強的可能性就會受限。這是因為當LED數量較少時,每個LED都必需驅動到接近最大亮度的水平才能達到所需的圖像亮度。而隨著背光LED的個數增多,背光提升的效果就能改善,從而不但補償了相鄰區段之間的干擾,而且也提升了亮圖像內容的鮮活度。

LED數量增多會使每個背光區段變得更小,從而允許背光流明在更大的范圍內得到調節,提供更優秀的時間和空間對比度。對于典型的圖像內容而言,采用背光調暗和背光增強技術能將功耗降低超過50%,且圖像看上去不會有可見的不良影響。

LED背光技術前景光明

不幸的是,與傳統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的個數只限于幾百只。但隨著基于LED背光技術趨于更加成熟,這種成本差距今后很可能會縮小。

LED背光在移動設備中已經很常見,而且其優秀的能效特性也使它開始出現在筆記本電腦中。對電視機而言,LED背光很可能首先用于50寸以上的大屏幕電視,然后隨著生產成本降低,再進入較小屏幕的電視機。

為了幫助和鼓勵人們使用基于LED的自適應背光控制,NXP半導體公司已在其PNX5100 LCD TV平臺上實現了所有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,控制運動補償上變頻(到120Hz)和2維背光驅動,詳見圖3。其軟件驅動背光控制非常靈活,并能根據特定的客戶需求和顯示面板進行調節。

圖3:自適應調光方框圖。

作者:Pierre de Greef

系統架構師

Hendriek Groot Hulze

研究員

Harm van der Heijden

圖像質量架構師

NXP半導體