如何在不增加功耗的情況下提高移動(dòng)視頻的LCD亮度?

　　移動(dòng)手機已迅速地從一個(gè)簡(jiǎn)單的手機演進(jìn)為一個(gè)能讓用戶(hù)分享照片、電郵接入、玩游戲、網(wǎng)上沖浪及尋找他們中意的餐廳這些功能集一身的復雜設備。對于硬件設備的影響則是RF、LCD及應用處理器之間的電能用量有更為均等的分割，是來(lái)自傳統的單一功能蜂窩電話(huà)所使用的RF/處理器主宰的系統的戲劇性轉變。

　　對于設計工程師而言，最新的應用挑戰是能播放視頻及電視節目的新一代電話(huà)或便攜式設備。這些應用提出了一個(gè)矛盾的挑戰，因為它們不僅實(shí)質(zhì)上消耗更多電能，也需要更多亮度達到理想顯示效果，該功能反之也需要更多的功耗。該設計要求進(jìn)一步阻礙工程師在控制整個(gè)設備成本的同時(shí)有效地平衡性能與功耗的要求。

　　移動(dòng)視頻顯示需求

　　顯示屏產(chǎn)業(yè)早已認識到：目前的顯示技術(shù)在不妨礙新技術(shù)采用的情況下，不能滿(mǎn)足下一代設備的功耗要求，并且應該更多地著(zhù)眼于找到通過(guò)修改顯示屏就能優(yōu)化性能并控制過(guò)多耗電的方法。這一點(diǎn)往往是簡(jiǎn)單地通過(guò)降低背光功耗來(lái)得以實(shí)現，犧牲了亮度但對大多數現有應用而言仍會(huì )有不錯的性能。然而，隨著(zhù)移動(dòng)電視的問(wèn)世，對更醒目亮度的需求日益凸顯，這對功耗/性能之間的挑戰增添新的因素。

　　除非亮度足夠高，具有視頻功能的設備仍不會(huì )令那些想要清晰地看到屏幕上所有細節及圖像的消費者感到滿(mǎn)足。目前市場(chǎng)上許多被設計到蜂窩電話(huà)或便攜式設備之中的小顯示屏所展示的平均亮度為200尼特（nit）。然而，要想很滿(mǎn)意地查看移動(dòng)電視內容的詳盡細節或觀(guān)看視頻，就急需使亮度水平增加2到3倍，達到 400尼特或更高，與一臺家用電視機的亮度接近。

　　圖1：250 尼特顯示屏

　　圖2：500 尼特 顯示屏

　　雖然對亮度的作用早有認識，由于電池壽命不足以支持這樣的高亮度顯示，它并沒(méi)有廣泛地應用于手持產(chǎn)品中。

　　讓我們試想一下，例如，一個(gè)典型的250尼特顯示屏（圖1）上正在顯示的kayaker圖像與一個(gè)適于觀(guān)看移動(dòng)電視的具有500或600尼特亮度的顯示屏（圖2）相比較。視頻應用要求亮度約為400尼特或更高，造成顯示屏背光亮度增加至少2倍的功耗要求。

　　PenTile RGBW技術(shù)

　　通過(guò)該簡(jiǎn)單的比較，顯然必須增加亮度標準以適應移動(dòng)視頻應用的要求，這也意味著(zhù)設備的功耗要相應的降低。要在背光亮度轉變中達到2X（倍）到3X的改進(jìn)意即增加2X到3X的功耗。而且因為移動(dòng)視頻應用使背光的使用時(shí)間延長(cháng)，會(huì )消耗顯示中的電能達90%，關(guān)閉背光也不可取，它會(huì )進(jìn)一步加劇移動(dòng)設備的功耗控制問(wèn)題。

　　此外，還有其它原因致使移動(dòng)視頻消耗更多功耗。與靜止的圖像不同，視頻要求有更長(cháng)時(shí)間段的瀏覽，它還需要對MPEG解壓。即使是最有效的微控制器 （MCU），在處理MPEG時(shí)也要比處理其它任務(wù)消耗更多的電能。也許功耗需求增加的最主要因素來(lái)自于對視頻的顯示屏顯示亮度要求的認識。與文本、日歷甚至網(wǎng)絡(luò )瀏覽器應用不同，視頻要求更大范圍的亮度以補充從戶(hù)外運動(dòng)到室內甚至在夜間情景下的大量動(dòng)態(tài)范圍的變化。

　　同樣，具有視頻功能的移動(dòng)電話(huà)的趨勢正向著(zhù)能提供視頻圖形陣列（VGA）方案、262K到16M種顏色，色域100%接近全國電視系統委員會(huì )制式 （NTSC）這樣色彩豐富的顯示屏方向發(fā)展。此外，由于寬頻減少了為在屏幕上觀(guān)看整個(gè)圖像水平滾動(dòng)的次數，寬屏格式也漸被采用來(lái)觀(guān)看視頻和以原有的格式玩游戲或瀏覽網(wǎng)頁(yè)。所有這些需求增加了功耗，尤其是背光的功耗，能使功耗預算增加達250mW之多。

　　組件制造商們正對一些潛在的方案著(zhù)手研究，這些方案包括：開(kāi)發(fā)新的顯示器工藝；在LCD或背光中采用增亮片；或與透反式LCD、OLED或其它能提供更大光亮度的新型設計相結合。此外，改進(jìn)電池技術(shù)的很多工作也在進(jìn)行之中。然而這些革命性的措施并不能滿(mǎn)足觀(guān)看移動(dòng)視頻所要求的亮度、分辨率及低功耗等要求；而且在某些情況下，由于涉及到額外的制造成本，卻是成本制約因素。

　　PenTile RGBW顯示屏技術(shù)

　　由人類(lèi)視覺(jué)先驅Clairvoyante所開(kāi)發(fā)，PenTile RGBW技術(shù)能夠在不降低分辨率或增加數據中心設備功耗使用的情況下，獲得更高亮度水平。

　　PenTile技術(shù)把一種白色子象素填加到由紅、黃、藍三色組成的傳統RGB條紋排列中，然后再應用相應的子象素成像技術(shù)，以人類(lèi)看見(jiàn)圖像的方式對那些子象素進(jìn)行更好的排列。這樣就確保生成那些不能被人眼所看見(jiàn)的圖像時(shí)，不會(huì )損耗顯示屏功率及亮度源。

　　圖3：子象素成像能使顯示屏獲得接近雙倍的白色亮度或降低功耗達50%。

　　要用人類(lèi)視覺(jué)獲得更好的排列，PenTile子象素成像技術(shù)為每一個(gè)子象素單獨編址。它減少了子象素的總體數量但增加了個(gè)體的尺寸，并且把一種白色（清晰）子象素填加到排列模式中，形成一種RGBW象素設計，該設計比傳統RGB條紋顯示屏更明亮、分辨率更高。因為更多的背光能通過(guò)更大及半透的子象素發(fā)光，而不是被RGB條紋采用的更小的紅、綠、藍子象素構成的緊密排列的所阻止，透射率及亮度均得到了增加。由于子象素越大，開(kāi)口率越大，加之利用白色子象素，在功耗沒(méi)有增加的情況下實(shí)現了白色亮度近兩倍的增加。PenTile技術(shù)集成能有選擇地把功率效能增加一倍，并能通過(guò)削減資源驅動(dòng)器的數量及減少特定亮度輸出水平所要求的背光LED數量而節約材料的成本。

　　采用PenTile RGBW技術(shù)進(jìn)行處理

　　由于大量功耗因背光及仍少于5%的LCD透射率所消耗，幾乎沒(méi)有幾種方法能使手持設備顯示屏的功效獲得顯著(zhù)改進(jìn)?；蛟S在效率上的最大收益是向著(zhù)具有更高開(kāi)口率顯示屏的方向邁進(jìn)，這可能與非晶硅（aSi）薄膜晶體管（TFTs）甚或低溫多晶硅（LTPS）技術(shù)的進(jìn)步有關(guān)，通過(guò)采用 Clairvoyante＇s PenTile RGBW技術(shù)，它們的優(yōu)越性就可被進(jìn)一步轉化為資本得到體現。

　　如下所示，與傳統的RGB LCD不同，PenTile技術(shù)利用多種顏色濾光器的不同排列。如下所示，人們可把一個(gè)白點(diǎn)寫(xiě)入到一個(gè)PenTile RGBW顯示屏中與常規的RGB條紋顯示屏進(jìn)行對比。

　　當編寫(xiě)由黑線(xiàn)和白線(xiàn)構成的最細微模式時(shí)，一個(gè)黑色線(xiàn)與一個(gè)白色線(xiàn)的完整周期就會(huì )出現與RGB條紋形成比照（參見(jiàn)圖4）。請留意對于PenTile RGBW顯示屏，需要四個(gè)欄來(lái)寫(xiě)入一個(gè)線(xiàn)對，而對于RGB條紋，則需要6個(gè)數據欄。這使得PenTile顯示屏中的欄寬出1/3，從而增加了開(kāi)口率并允許穿過(guò)更多的光。

　　增加的開(kāi)口率與清晰的子象素所提供的更大的透射率相結合，對所采用的底板技術(shù)不予考慮的話(huà)，通常會(huì )讓穿過(guò)一個(gè)2.4到 .8英寸斜對角VGA顯示屏的透光率增加一倍。

　　圖4：PenTile RGBW模式（a）比RGB Stripe模式（b）的每個(gè)像素需要較少的欄，卻在經(jīng)濟上及性能上均具有優(yōu)越性。

　　如下圖所示的固件，PenTile RGBW處理方式分為幾個(gè)步驟。第一步是通過(guò)調整輸入查找表（LUT）中特定顯示屏的每個(gè)顯示傳輸曲線(xiàn)（伽馬）的數據，采用Clairvoyante相應的色域互配算法（GMA），把RGB輸入數據轉換成RGBW。Clairvoyante以此作為輸入色域加以參考。把GMA應用到白色象素處理塊后，就有必要應用子象素渲染算法，這些算法利用多個(gè)矩陣的數學(xué)形式。這時(shí)，矩陣代數學(xué)顯得尤為重要，并要將之應用到3x3矩陣的象素中去。 Clairvoyante的IC利用針對兩條數據線(xiàn)的內存緩沖器，從而使第3條數據線(xiàn)在進(jìn)入芯片時(shí)即可被操作，使得對3x3矩陣的象素可進(jìn)行連續的處理。在子象素成像后，伽馬調節被撤消以確保顯示屏的轉換曲線(xiàn)準確地應用到由RGBW數據產(chǎn)生的新的子象素。

　　圖5：為寄存器編程

　　視頻處理與靜止圖像及文體處理幾乎沒(méi)有什么不同之處，這是因為硬件矩陣處理十分有效，在處理視頻時(shí)只有一條線(xiàn)出現延遲，這個(gè)延遲幾乎是瀏覽者覺(jué)察不到的。

　　下一個(gè)：2.8英寸LTPS顯示屏的對比

　　一些顯示屏生產(chǎn)廠(chǎng)家已對PenTile子象素成像技術(shù)展開(kāi)研究，并發(fā)現它能顯著(zhù)改進(jìn)顯示屏在亮度、分辨率及功耗方面的性能，而不失為一個(gè)實(shí)際可行的方案。此外，生產(chǎn)廠(chǎng)家還認識到這些性能的增強不僅是非晶硅還包括LTPS及OLED顯示屏。

　　例如，通過(guò)采用具有LTPS的子象素成像處理技術(shù)，驅動(dòng)器的數量就會(huì )在不影響視覺(jué)分辨率的情況下使RGB stripe減少1/3。該改進(jìn)在不降低亮度的情況下減少了背光LED的數量，并為類(lèi)似LCD電源供應的組件集成到玻璃上提供更多空間。僅這些因素就能使 LTPS的功耗節約一半。在LTPS VGA顯示屏中采用該技術(shù)能節約功耗達250mW或使QVGA顯示屏的功耗節約100mW。

　　圖6：基于友達光電規格的對比研究：兩個(gè)2.8英寸的LTPS VGA顯示屏，一個(gè)采用PenTile技術(shù)，一個(gè)沒(méi)有采用該術(shù)。

　　未來(lái)具有視頻功能的手機會(huì )更悅目

　　包括iSuppli在內的幾家調查公司預言，具有視頻功能的移動(dòng)電話(huà)市場(chǎng)將從2005年的7億美元增加到2010年的22億美元，同期由視頻帶來(lái)的收益將從5億5千萬(wàn)美元增加到140億美元。較早采用的人已經(jīng)越過(guò)了由新型互聯(lián)網(wǎng)傳輸模式帶動(dòng)的移動(dòng)電視的流行，并獲得了巨大的成功，OEM廠(chǎng)家正全力以赴應對視頻手機的預期需要。

　　通過(guò)特殊優(yōu)化的顯示屏改進(jìn)了移動(dòng)電視的體驗，工程師能利用諸如PenTile RGBW設計這樣的顯示技術(shù)所提供的更大設計靈活性，性能的折衷考慮此時(shí)也已無(wú)足輕重，并能賦予手機以競爭力的價(jià)格。結果，這些設備就能以更高的視覺(jué)表現及更長(cháng)的電池壽命很容易地滿(mǎn)足客戶(hù)的要求，創(chuàng )造需求并推動(dòng)銷(xiāo)售。