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,同時大大降低LCD TV機的功耗,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時存在許多獨特的優(yōu)點。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,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,有時為了滿足圖像亮度的要求,整個背光都被調(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(diào)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(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二維陣列并實現(xiàn)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(diào)光成為可能,這在過去采用傳統(tǒng)CCFL或HCFL熒光燈時是不可能實現(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。

實際上,一個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,但卻能將飽和色擴展到只有LED才能實現(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(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)白背光是利用一個固定的白色點來產(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)容進行背光輸出的局部色彩控制用于典型TV圖像內(nèi)容時則能節(jié)省大約80%的功耗。

背光調(diào)光控制的復(fù)雜性

盡管優(yōu)點很多,但背光明暗控制的復(fù)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(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)動信號來補償背光流明的降低而實現(xiàn)的。

因此,自適應(yīng)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(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,這是因為每一個背光區(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值分別進行統(tǒng)計分析,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,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,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。

干擾補償方面還有很重要的一點,那就是必需能動態(tài)驅(qū)動背光LED直至高于其設(shè)計亮度的水平,這個過程被人們稱作自適應(yīng)增強。采用這種方法,由鄰近背光區(qū)段變暗而導(dǎo)致的某個背光區(qū)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(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,整個背光輪廓的空間調(diào)整就得到了增強。

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

圖2:對稱與非對稱的交叉干擾補償。

如果背光的LED數(shù)量太少,那么背光增強的可能性就會受限。這是因為當(dāng)LED數(shù)量較少時,每個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的個數(shù)增多,背光提升的效果就能改善,從而不但補償了相鄰區(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(yīng)背光控制,NXP半導(dǎo)體公司已在其PNX5100 LCD TV平臺上實現(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,控制運動補償上變頻(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