面向LCD-TV系統的自適應調光和自適應背光增強技術(shù)

1. 引言

LCD電視系統需要用最優(yōu)化的屏幕前性能來(lái)表現視頻和多媒體圖像。它們必須滿(mǎn)足許多要求，如對比度、亮度、色彩、閃爍、運動(dòng)畫(huà)像、視角、功耗以及成本。所有這些項目均直接與背光有關(guān)。LCD電視需要高亮度，因此，這些系統通常采用直接照明的LCD面板。

現有光源的調光/增強特性如下表所示。在表中的最大功率顯示了在典型應用中對光源進(jìn)行增強所需要的開(kāi)銷(xiāo)。如果要安裝更多的光源，這個(gè)數字會(huì )成比例地增加。因此，安裝的光源越多，就使更大的增強以及色度色彩干擾補償成為可能，從而以較佳的性能節省更多的功率。

表1：標稱(chēng)功率范圍。

在SID2006展覽會(huì )上，我們的1D背光調光和增強概念在飛利浦公司的展位上展出，并獲得了大量的正面反饋。主要好處在于：

* 空間對比度和亮度增強；

* 黑色級別得到改善；

* 更多的局部調光和增強；

* 連續地降低功率；

本文我們將證明該技術(shù)的好處，并把其應用范圍擴大到2D背光。在2D模式(可能根據R、G、B通道)，空間調光和增強技術(shù)對于改善對比度以及降低功耗有著(zhù)甚至更大的影響。

2. 概念的回顧

理想的背光亮度取決于圖像內容的R、G、和B的數值。如果這些亮度高，那么，面板要以標稱(chēng)的背光亮度進(jìn)行優(yōu)化。然而，如果RGB亮度低，那么，就要調節背光，以最小化液晶屏的泄露。與此同時(shí)，RGB的級別要增加，以保持想要的亮度。因此，對比度(特別是對于暗級)的到了改進(jìn)，但是，對亮級要進(jìn)行剪輯。自適應背光算法需要找到一種最優(yōu)化的折中。

這個(gè)相當主觀(guān)的要求是難以確定的，特別是因為兩個(gè)特征之間存在相互作用而用增強進(jìn)行組合時(shí)。通過(guò)利用柱狀圖分析，可以獲得最佳的結果。柱狀圖提供關(guān)于圖像中暗與亮像素之間平衡的信息，并能被用于預測作為增益函數的剪輯的量。

更適合的分析是針對R、G和B的數值分別執行調節。常見(jiàn)的電視機的“自動(dòng)對比度”功能就是基于對Y分量的分析。然而，對于這個(gè)功能，我們將引入一些剪輯，以防止液晶泄漏，并且需要對此進(jìn)行嚴格控制！因此，單單Y分量信息是不夠的?？偟恼{光和增強技術(shù)的基本概念如圖1中的方框圖所示。

這些處理分四步執行：

* 分析圖像內容以確定最優(yōu)化的背光亮度(局部最低)；

* 計算并控制所需要的光源級別以滿(mǎn)足最優(yōu)化的增強光輸出；

* 構建實(shí)際的背光調光曲線(xiàn)以求解動(dòng)態(tài)增益；

* 在RGB流到面板的過(guò)程中執行動(dòng)態(tài)增益；

3. 自適應背光調節

為了改善LCD電視系統的黑色級別、視角以及功耗，要采用自適應背光調光技術(shù)。通過(guò)對視頻數據采用一個(gè)匹配增益，背光可以被減小，以便圖像的感覺(jué)亮度維持一樣。

3.1 0D調光

這個(gè)概念的基礎是柱狀圖分析并且適用于0D、1D和2D色彩的實(shí)現。利用由增益引起的剪輯誤差的反饋，這個(gè)概念常常被用于0D的實(shí)現，因為它的實(shí)現更便宜。根據經(jīng)過(guò)濾的反饋，增益控制單元確定一個(gè)最優(yōu)化視頻增益以及背光衰減因子。這種方法的缺點(diǎn)在于：對于剪輯誤差的短暫控制惡化且無(wú)法意識到圖像的亮/暗平衡。

隨著(zhù)時(shí)間的推移，增益和衰減因子將發(fā)生變化，背光亮度要隨著(zhù)范圍的變化而調節，從而提供了比標稱(chēng)對比度更大的暫時(shí)對比度。在平均圖像數據上，可以把功耗降低20%以上，而看不到圖像被人為處理的痕跡。

圖1：自適應背光方框圖。

3.2 1D調光

對于1D調光來(lái)說(shuō)，所有各段需要的亮度級別是分別確定的。根據定義，一段是光源的最小可控單元。一個(gè)1D段是單一HCFL燈泡、或一組并聯(lián)的CCFL燈泡或一串串聯(lián)的LED。最佳結果是利用水平段實(shí)現的，因為這種方向符合像風(fēng)景這樣的圖像的亮度分布情況。

為了獲得每一段要求的光線(xiàn)級別，要用每一幅新的視頻幀生成多個(gè)柱狀圖。要根據局部視頻內容的柱狀圖對視頻數據進(jìn)行分析。這些光線(xiàn)級別是暫時(shí)的，要經(jīng)過(guò)空間過(guò)濾，因為它們只應該逐漸改變，以避免出現看得見(jiàn)的人為處理痕跡。

燈泡的垂直亮度曲線(xiàn)被特征提取并存儲在查找表中(LUT)。這些段可以具備銳利的分割，其中，各個(gè)燈泡不會(huì )影響它們附近的燈泡；然而，著(zhù)使之難以實(shí)現背光的正確的同質(zhì)。平滑的分割可以改善同質(zhì)，因為在各個(gè)燈泡分段之間的邊界不銳利。

LUT被用于為給定的燈泡級別重構完整背光的實(shí)際光線(xiàn)曲線(xiàn)?，F在，對于每一行的液晶面板，背光級別是已知的。根據這個(gè)級別可以計算出所需要的增益。因為各段之間存在光學(xué)色度色彩干擾，這個(gè)增益不同于由柱狀圖分析器預期的數值，從而產(chǎn)生更大的剪輯誤差。采用色度色彩干擾補償技術(shù)將防止出現這種情況。

隨著(zhù)時(shí)間和空間的變化，調光因子將發(fā)生變化，背光亮度將在比較大的范圍內調節，從而提供較大的暫時(shí)和空間對比度，因為非常亮和非常暗之間的亮度差變得比較大。段的數量與調光調制有光。段數越多，就可以在更高的分辨率上進(jìn)行調節，但是，可能增加成本，因為需要更多的燈泡驅動(dòng)器。在平均圖像數據上，可以實(shí)現降低功耗30%以上，而看不到圖像被人為處理的痕跡。

3.3 2D調光

對于這種技術(shù)，也要采用多個(gè)柱狀圖分析來(lái)確定想要的每一段的亮度級別，這些段通常是一組LED。因為2D段具有更多的鄰近段，色度色彩干擾補償甚至對于確保在背光的所有位置上有足夠的光輸出更為重要。

隨著(zhù)各段變得越來(lái)越小，亮度也應該以較高的分辨率被檢測。這就增加了一個(gè)非常暗的圖像區域與一個(gè)2D段一致的機會(huì )，從而使更深的調節成為可能，并提供甚至更為暫時(shí)的和空間的對比度。對于高功率的LED背光，片段的數量通常等于RGB LED(大約100只)的數量；對于低功耗LED背光，每一個(gè)片段均要采用RGB-LED組。在平均圖像數據上，可以把功耗降低50%以上，而看不到圖像被人為處理的痕跡。

3.4 2D色彩調光

對于這種技術(shù)，要針對色彩進(jìn)行柱狀圖分析，以確定各段(R、G和B LED)所需要的光源的每一種色彩的亮度。

同樣，RGB調光導致在RGB流中要進(jìn)行更復雜的校正。該增益要由矩陣執行，以補償液晶面板的色彩濾光片中不斷變化的RGB光線(xiàn)級別的混合。

4. 1D和2D色度色彩干擾的補償

因為存在光學(xué)色度色彩干擾，各段之間的交互作用對各段調光和增強的整體性能有重要的影響。色度色彩干擾限制了有效的空間背光調節，即使為此進(jìn)行了補償。這種補償永遠不可能是完美的，并且補償質(zhì)量很大程度上取決于光源的特性。

一個(gè)重要的方面就是有可能把光源驅動(dòng)到高于標稱(chēng)的級別之上(增強)，這種方式缺乏光線(xiàn)，因為要對鄰近的段調光，因此，要采取補償措施。如果不采取增強措施，那么，有效的色度色彩干擾補償可能是唯一的辦法，如果所有周?chē)母鞫蔚男枰募墑e被調光的話(huà)。此外，如果不可能采取有效的色度色彩干擾補償措施，調光就要被局限在接近不被調光段的附近的各段，其中，采用如圖2所示的光線(xiàn)級別調節限制器。

圖2：1D光線(xiàn)調節限制器的例子。

該限制器降低了過(guò)沖，或對色度色彩干擾補償的光源控制級別進(jìn)行了剪輯和/或為增強算法保持增強空間。

色度色彩干擾補償措施確保補償了在一段中間的預測光線(xiàn)級別以及所要求的光線(xiàn)級別之間的誤差。因此，對背光曲線(xiàn)的空間調節被放大。簡(jiǎn)單的線(xiàn)性誤差補償將導致在明亮的各段邊界上缺乏光線(xiàn)，如圖3所示。采取不對稱(chēng)補償措施可以避免這一點(diǎn)。

5. 自適應背光增強

為了改善LCD電視系統的亮度和對比度，可以采用自適應背光增強技術(shù)。通過(guò)把視頻數據放大(采用自適應對比度增強器)，背光亮度也可以被增強，以便圖像的亮度被增加得甚至更多。然而，存在一些應該被滿(mǎn)足的約束條件。背光控制應該適合給定的溫度和功率預算。

增強只能存在于跟自適應調光的組合之中，因為它要求一個(gè)由背光調光引入的功率裕量和溫度預算。通過(guò)改變最初的調光策略，可以暫時(shí)或在空間上增強圖像的感覺(jué)對比度。

5.1 0D增強

經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的調光之后，容許進(jìn)行一段時(shí)間的增強。因此，不可能長(cháng)時(shí)間地增強靜止圖像，主要是因為存在溫度限制。

因為隨著(zhù)時(shí)間的推移，視頻增益和衰減因子會(huì )發(fā)生變化，亮度將在較大的范圍內調節，以提供較大的短暫對比度。在平均圖像數據上，利用調光和增強技術(shù)可以把功耗降低20%以上，而不產(chǎn)生可見(jiàn)的、圖像被認為處理的痕跡。

5.2 1D增強

本質(zhì)上，功率增強是對所有各段光源的亮度級別進(jìn)行自適應調節，盡管視頻增益未被減少。功率增益每一幀均被刷新，并且正比于背光的標稱(chēng)功率(未調光)以及調光級別所要求的功率。只有通過(guò)1D調光算法可能節省下來(lái)的功率，才被用于增強面板的光輸出。因此，每一幀時(shí)間的平均功率低于或等于標稱(chēng)功耗。因此，對于靜止圖像來(lái)說(shuō)，增強也是可能的。

數字實(shí)例：如果5個(gè)背光燈調光20%，另5個(gè)背光燈調光80%，它們節省的功率均為標稱(chēng)功率的50%。因此，所有的燈均可以2的倍數進(jìn)行增強，這樣，5只燈將以40%的增強而工作，另5只燈以160%的增強進(jìn)行工作。

實(shí)際功率增益受限于最大容許的功率增益。該增益是一段的最大容許亮度級別除以最高(經(jīng)補償的色度亮度干擾)調光亮度級別以及一個(gè)由用戶(hù)控制的最大值，因為沒(méi)有必要把夜間的場(chǎng)景轉換為晝間的場(chǎng)景。

空間功率增強可以更短暫的0D增強器結合起來(lái)。

隨著(zhù)時(shí)間和空間的變化，視頻增益以及背光衰減因子將發(fā)生變化，要在較大的范圍內調節亮度，以提供較大的短暫空間對比度，因為非常明亮和非常暗的物體之間的亮度差會(huì )增加。在平均的圖像數據上，利用調光和增強，可以把功耗降低25%以上，而不出現可見(jiàn)的、圖像被人為處理的痕跡。

5.3 2D色彩增強

要重申的是，2D和1D的基本概念是一樣的。然而，LED背光的增強性能實(shí)際上受限于每一LED的功率限制，而不是背光的總功耗。因此，為增強色度色彩干擾補償的過(guò)沖而保持的增強開(kāi)銷(xiāo)，應該由圖4中討論的空間調節限制器進(jìn)行約束。

隨著(zhù)燈泡各段越來(lái)越小，背光亮度可以在較大的范圍內調節，從而提供甚至更為短暫和空間的對比度。在平均圖像數據上，利用背光調光和增強，可以省電多達50%，而看不到可見(jiàn)的、圖像被人為處理的痕跡。

6. 系統要求

這種對增強算法的設置對所使用的燈泡提出了一些額外、特殊的要求。這些燈泡必須具有更為合適的工作范圍，其中，0D可尋址背光為30%到150%，1D背光為10%到200%，2D背光為0到300%。

6.1 傳統的CCFL/EEFL背光

傳統的CCFL和EEFL背光能夠既支持一些級別的掃描背光，也支持一些級別的背光調光，因為它們具有有限的調光范圍且沒(méi)有快速的開(kāi)關(guān)特性。

利用傳統的CCFL以及EEFL，32英寸的LCD面板需要大約16只燈管，以提供600 Cd/m2的屏幕正面光輸出。在典型情況下，燈管亮度可以被調低到30%，但是，幾乎不支持背光增強，因為它們無(wú)法在超過(guò)其正常電流設置的條件下被驅動(dòng)。

6.2 HCFL背光

飛利浦的Lighting Aptura HCFL滿(mǎn)足所有的要求。它能夠支持對掃描、1D調光以及背光增強的組合。HCFL能夠創(chuàng )建比傳統的CCFL燈強的亮度五倍以上的光線(xiàn)。利用這些燈，傳統的32寸LCD背光僅僅需要8只燈泡，并且仍然能夠提供600 Cd/m2的屏幕正面光輸出。

6.3 LED背光

NXP的低功耗LED是支持2D色彩背光調光的理想器件，因為它們以高清晰度提供小的片段。

利用現有的LED技術(shù)，成本依然高昂，但是，隨著(zhù)技術(shù)的進(jìn)步，這些器件的成本下降非?？?。遺憾的是，如果LED的數量被限制在正常光輸出所需要的最低數量(成本)上，那么，就無(wú)法用更高的功率驅動(dòng)LED以支持真實(shí)的增強。

6.4 顯示器的處理要求

為了支持自適應調光和增強背光的功能，需要進(jìn)行一些處理。因為這些算法自適應調節視頻輸入，因此，要對視頻數據進(jìn)行分析。該分析結果要求作為顯示器處理算法的輸入。調光算法也需要進(jìn)行視頻處理，因為背光調光需要針對所具有的視頻增益進(jìn)行補償。

最有成本經(jīng)濟性的解決方案是把這些功能集成到TCON芯片—它是視頻路徑上已經(jīng)存在的元器件—之中，仔細設計顯示驅動(dòng)器的接口，并為增強運動(dòng)畫(huà)像而進(jìn)行過(guò)渡驅動(dòng)處理。

6.5 顯示器伴隨芯片

然而，為了使這些功能被顯示器模塊制造商及時(shí)地采用，一種可選方案就是定義顯示器伴隨芯片。這種芯片使大量針對特殊顯示和背光要求的功能成為可能。它也可以被用于現有TCON芯片的前端。因此，它能夠被無(wú)縫地集成到現有的產(chǎn)品之中，并與專(zhuān)有IP或特殊的LCD面板特性結合起來(lái)。因此，不需要重新設計現有的TCON器件。

NXP目前正在開(kāi)發(fā)這種器件，以便為所有的顯示器模塊制造商以及LCD電視機制造商提供自適應背光解決方案。

7 本文小結

通過(guò)把背光調光與增強技術(shù)結合起來(lái)，可以極大地增強感覺(jué)對比度和亮度。利用相應的視頻增益對其進(jìn)行補償，背光燈的驅動(dòng)可以采取兩種方式：1. 在暗處它們產(chǎn)生較少的光線(xiàn)；2. 在亮處它們產(chǎn)生更多的光線(xiàn)(臨時(shí)和空間對比度)。

這些算法能夠控制：0D、1D、2D或2D色彩可尋址背光，從而為電視機以及顯示器應用提供了從有成本經(jīng)濟型到高性能的解決方案。