提升電視機的性能及節省功率方案解析

利用LED光源以及分段控制實(shí)現的先進(jìn)背光技術(shù)可能創(chuàng )造鮮明的觀(guān)看體驗，與此同時(shí)，還把LCD TV的功耗極大地降低達80%。

采用LED的固體背光在LCD TV應用中有著(zhù)許多獨特的優(yōu)點(diǎn)。與目前在大面積LCD背光中主宰市場(chǎng)的冷陰極熒光燈管(CCFL)以及熱陰極熒光燈(HCFL)相比，LED能夠提供更佳的功效。

這并不是固有地緣于它們的光效高(流明每瓦)—它是現在唯一可與CCFL媲美的光源，而是因為L(cháng)ED可以被更加靈活和有效地調光以匹配所需要的圖像亮度。二維背光調光采用可尋址的LED陣列來(lái)創(chuàng )建更為生動(dòng)的觀(guān)看體驗，更高的對比度，更寬的色域，以及更佳的色彩飽和度。

在過(guò)去幾年中，人們推出了各種用于CCFL和HCFL背光的調光技術(shù)。例如，在一些情形下，整個(gè)背光被調整，以匹配所需要的圖像亮度，這種技術(shù)被稱(chēng)為零維調光。當調光沿著(zhù)一個(gè)軸執行時(shí)(例如，通過(guò)控制一根HCFL燈或一組并聯(lián)的CCFL燈的光強)，它被稱(chēng)為1維調光。

最近，隨著(zhù)LED的成本降低以及性能的提高，現在使得LED背光成為了更切合實(shí)際的提議，從而為新型以及更有效的背光調光技術(shù)開(kāi)辟了可能性。實(shí)際上，LED可以被方便地排列成二維陣列并分別進(jìn)行控制，從而使之可能執行二維調光(水平和垂直)，而這時(shí)采用傳統的CCFL或HCFL燈無(wú)法實(shí)現的。這就允許背光電路在所顯示的圖像的明亮區域背后的局部產(chǎn)生更多的光線(xiàn)，而在不顯示圖像的暗區域產(chǎn)生較暗的光線(xiàn)。

實(shí)際上，一個(gè)10 x 18高效的白光LED足以為典型的圖像內容而最優(yōu)化背光的強度，從而導致更大的對比度并極大地降低背光電路的平均功耗。這種根據圖像內容局部控制背光輸出的技術(shù)能夠把為典型電視圖像內容提供背光的功耗平均大約降低50%。

從白光到RGB背光

如果三個(gè)一組的彩色RGB LED被用于取代白光LED，那么，二維LED背光提供更大的優(yōu)點(diǎn)。與傳統的背光LCD面板相比，通過(guò)控制RGB三個(gè)一組的LED當中紅、綠、藍三色的強度，可以實(shí)現的色域被極大地擴寬了。因此，一組RGB LED背光可能創(chuàng )建更明亮、更深厚、更飽和的色彩。

因此，智能飽和控制能夠被應用于把視頻內容的彩色空間(sRGB)映射至LED的背光色彩空間。這樣的映射算法應該保留白色、膚色以及軟色不變，但是，能夠把飽和色擴展至只有LED才能夠產(chǎn)生的生動(dòng)水平。

圖1：二維彩色調光

把RGB LED按照二維陣列排列并以色彩為基礎分別控制它們(二維調光)，就可以降低功耗并提高色域以及對比度。這是因為每一個(gè)背光段僅僅需要產(chǎn)生在它們前面的LCD像素將要發(fā)出的那部分可見(jiàn)光譜，如圖1所示。

傳統的白光背光利用固定顏色的白點(diǎn)來(lái)產(chǎn)生可見(jiàn)光譜，因此，它的大部分光譜能量被禁錮并以熱的形式在LCD面板的彩色濾光片中被消耗掉。根據圖像內容對背光輸出的顏色進(jìn)行局部控制，對于典型的電視內容來(lái)說(shuō)，平均大約可以節省80%的功耗。

背光調光的復雜性

盡管它存在這些好處，但是，背光調光并不是很簡(jiǎn)單的。這是因為它引入了調節圖像亮度的兩種不同方式。

為了實(shí)現低亮度的圖像，如夜景，你可以利用LCD像素阻塞更多的背光輸出或者交替地調整背光。從空間和時(shí)間對比度以及色域方面出發(fā)，對屏幕正面的性能以及背光的功耗進(jìn)行最優(yōu)化可以通過(guò)增加像素驅動(dòng)信號來(lái)補償背光亮度的減少而實(shí)現。

因此，自適應背光調光在視頻流中需要執行大量的圖像處理，以分析圖像的內容。所采集的信息然后需要被智能地與背光的特征結合起來(lái)，以便得到最優(yōu)化的背光以及像素驅動(dòng)信號。

挑戰在于要把非常低空間分辨率的背光(典型情況為10 x 18段)與非常高清晰度的LCD面板(對于高清電視來(lái)說(shuō)是1920 x 1080像素)。

因為鄰近背光段之間存在光耦合，情況變得更加復雜；實(shí)際上，每一段均把它的的一些光線(xiàn)泄漏至鄰近的各段。

實(shí)現平衡

通過(guò)對圖像各個(gè)像素的R、G和B的數值分別進(jìn)行統計分析，可以確定所需要的最優(yōu)化背光級別，以便為相應的背光段確定合適的驅動(dòng)電平。

如果所有的像素電平均為高，它們將在常規的背光電平上與背光匹配。當RGB像素數值低時(shí)，背光電平被調節為最小化通過(guò)面板的光線(xiàn)泄漏，LCD像素的RGB增益需要被增加以保持所需要的圖像亮度。

對比度(特別是對暗級)將得到改善，但是，會(huì )削去明亮的像素。因此，自適應背光算法需要找到最優(yōu)化的折中。紅、綠、藍增益也需要被調節，從而在LCD面板的彩色濾光片中補償來(lái)自背光的不斷變化的RGB混合的光線(xiàn)級別。

背光各段之間的交互作用

因光耦合導致的背光各段之間的交互作用對整個(gè)圖像的性能有很大影響。這種耦合限制有效的空間背光調制，因此，可實(shí)現的圖像質(zhì)量改進(jìn)非常依賴(lài)于背光的特性和構造。

耦合補償的另一個(gè)重要方面就是在標稱(chēng)電平上動(dòng)態(tài)地驅動(dòng)背光LED，這個(gè)過(guò)程被稱(chēng)為自適應提升。這樣就可以補償因鄰近段調光而引起的某一段的光線(xiàn)不足的問(wèn)題。

耦合補償有助于降低一段的中心的預測光線(xiàn)級別與所需要的光線(xiàn)級別之差。因此，背光曲線(xiàn)的空間調制被放大了。

然而，直接線(xiàn)性誤差補償會(huì )導致在明亮的各段的邊界處缺乏光線(xiàn)。不對稱(chēng)補償可以防止出現這一問(wèn)題，如圖2所示。

圖2：對稱(chēng)和非對稱(chēng)耦合補償

在背光中LED數目少的地方，采用背光提升技術(shù)的機會(huì )被限制了。這是因為L(cháng)ED數目少，每一個(gè)LED必須被驅動(dòng)至最大電平以實(shí)現所需要的圖像亮度。

然而，隨著(zhù)背光中LED數目的增加，背光提升技術(shù)可以被用于獲得更大的效果，不僅僅補償耦合，而且提高明亮的圖像內容的鮮明程度。

隨著(zhù)LED數目的增加，背光段會(huì )更小，從而允許背光亮度在更大的范圍內被調制，并提供更具時(shí)空感的對比度。對于典型的圖像內容，利用調光和提升技術(shù)可以把功耗降低50%以上，而不會(huì )引入可見(jiàn)的圖像被人為處理的痕跡。