提升電視機(jī)的性能及節(jié)省功率方案解析

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

采用LED的固體背光在LCD TV應(yīng)用中有著許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。與目前在大面積LCD背光中主宰市場的冷陰極熒光燈管(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(xiàn)在唯一可與CCFL媲美的光源，而是因?yàn)長ED可以被更加靈活和有效地調(diào)光以匹配所需要的圖像亮度。二維背光調(diào)光采用可尋址的LED陣列來創(chuàng)建更為生動(dòng)的觀看體驗(yàn)，更高的對比度，更寬的色域，以及更佳的色彩飽和度。

在過去幾年中，人們推出了各種用于CCFL和HCFL背光的調(diào)光技術(shù)。例如，在一些情形下，整個(gè)背光被調(diào)整，以匹配所需要的圖像亮度，這種技術(shù)被稱為零維調(diào)光。當(dāng)調(diào)光沿著一個(gè)軸執(zhí)行時(shí)(例如，通過控制一根HCFL燈或一組并聯(lián)的CCFL燈的光強(qiáng))，它被稱為1維調(diào)光。

最近，隨著LED的成本降低以及性能的提高，現(xiàn)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(diào)光技術(shù)開辟了可能性。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(zhí)行二維調(diào)光(水平和垂直)，而這時(shí)采用傳統(tǒng)的CCFL或HCFL燈無法實(shí)現(xiàn)的。這就允許背光電路在所顯示的圖像的明亮區(qū)域背后的局部產(chǎn)生更多的光線，而在不顯示圖像的暗區(qū)域產(chǎn)生較暗的光線。

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(nèi)容而最優(yōu)化背光的強(qiáng)度，從而導(dǎo)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(jù)圖像內(nèi)容局部控制背光輸出的技術(shù)能夠把為典型電視圖像內(nèi)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(tǒng)的背光LCD面板相比，通過控制RGB三個(gè)一組的LED當(dāng)中紅、綠、藍(lán)三色的強(qiáng)度，可以實(shí)現(xiàn)的色域被極大地?cái)U(kuò)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(yīng)用于把視頻內(nèi)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(yīng)該保留白色、膚色以及軟色不變，但是，能夠把飽和色擴(kuò)展至只有LED才能夠產(chǎn)生的生動(dòng)水平。

圖1：二維彩色調(diào)光

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

傳統(tǒng)的白光背光利用固定顏色的白點(diǎn)來產(chǎn)生可見光譜，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(jù)圖像內(nèi)容對背光輸出的顏色進(jìn)行局部控制，對于典型的電視內(nèi)容來說，平均大約可以節(jié)省80%的功耗。

背光調(diào)光的復(fù)雜性

盡管它存在這些好處，但是，背光調(diào)光并不是很簡單的。這是因?yàn)樗肓苏{(diào)節(jié)圖像亮度的兩種不同方式。

為了實(shí)現(xiàn)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(diào)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)化可以通過增加像素驅(qū)動(dòng)信號(hào)來補(bǔ)償背光亮度的減少而實(shí)現(xiàn)。

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

挑戰(zhàn)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(對于高清電視來說是1920 x 1080像素)。

因?yàn)猷徑彻舛沃g存在光耦合，情況變得更加復(fù)雜；實(shí)際上，每一段均把它的的一些光線泄漏至鄰近的各段。

實(shí)現(xiàn)平衡

通過對圖像各個(gè)像素的R、G和B的數(shù)值分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可以確定所需要的最優(yōu)化背光級別，以便為相應(yīng)的背光段確定合適的驅(qū)動(dòng)電平。

如果所有的像素電平均為高，它們將在常規(guī)的背光電平上與背光匹配。當(dāng)RGB像素?cái)?shù)值低時(shí)，背光電平被調(diào)節(jié)為最小化通過面板的光線泄漏，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(yīng)背光算法需要找到最優(yōu)化的折中。紅、綠、藍(lán)增益也需要被調(diào)節(jié)，從而在LCD面板的彩色濾光片中補(bǔ)償來自背光的不斷變化的RGB混合的光線級別。

背光各段之間的交互作用

因光耦合導(dǎo)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(diào)制，因此，可實(shí)現(xiàn)的圖像質(zhì)量改進(jìn)非常依賴于背光的特性和構(gòu)造。

耦合補(bǔ)償?shù)牧硪粋€(gè)重要方面就是在標(biāo)稱電平上動(dòng)態(tài)地驅(qū)動(dòng)背光LED，這個(gè)過程被稱為自適應(yīng)提升。這樣就可以補(bǔ)償因鄰近段調(diào)光而引起的某一段的光線不足的問題。

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

然而，直接線性誤差補(bǔ)償會(huì)導(dǎo)致在明亮的各段的邊界處缺乏光線。不對稱補(bǔ)償可以防止出現(xiàn)這一問題，如圖2所示。

圖2：對稱和非對稱耦合補(bǔ)償

在背光中LED數(shù)目少的地方，采用背光提升技術(shù)的機(jī)會(huì)被限制了。這是因?yàn)長ED數(shù)目少，每一個(gè)LED必須被驅(qū)動(dòng)至最大電平以實(shí)現(xiàn)所需要的圖像亮度。

然而，隨著背光中LED數(shù)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(bǔ)償耦合，而且提高明亮的圖像內(nèi)容的鮮明程度。

隨著LED數(shù)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(nèi)被調(diào)制，并提供更具時(shí)空感的對比度。對于典型的圖像內(nèi)容，利用調(diào)光和提升技術(shù)可以把功耗降低50%以上，而不會(huì)引入可見的圖像被人為處理的痕跡。

光明的未來

不幸的是，相對于傳統(tǒng)的CCFL或HCFL燈來說，目前高效率的LED的較高成本把背光LED的數(shù)目限制為幾百顆。然而，隨著LED背光技術(shù)越來越成熟，這些成本差額可能會(huì)逐漸縮小。

LED背光在移動(dòng)設(shè)備中已經(jīng)被普及應(yīng)用并正出現(xiàn)在筆記本計(jì)算機(jī)中，因其功效更高所致。對于電視機(jī)來說，可能首先在50英寸或以上尺寸的屏幕中引入，而隨著生產(chǎn)成本的降低，會(huì)逐漸向更小尺寸的電視機(jī)推廣應(yīng)用。

圖3：自適應(yīng)調(diào)光方框圖(點(diǎn)擊放大該圖)

為了便于引入并鼓勵(lì)采用基于LED的自適應(yīng)背光控制技術(shù)，恩智浦半導(dǎo)體公司已經(jīng)在PNX5100 LCD電視機(jī)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了二維白光LED調(diào)光所需要的所有算法，以及二維RGB LED調(diào)光加色域映射功能。

PNX5100位于視頻管后端，它控制上行變換至120Hz的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償以及利用片上基于硬件像素的加速器實(shí)現(xiàn)的二維背光驅(qū)動(dòng)，如圖3所示。它的由軟件驅(qū)動(dòng)的背光控制具有高度的靈活性，并且能夠根據(jù)特定客戶的要求和顯示器面板進(jìn)行調(diào)節(jié)。