淺談如何為移動設備提供電視品質(zhì)的視覺享受

近年來，3G網(wǎng)絡的部署、移動帶寬的提高和更多的互聯(lián)網(wǎng)應用服務的涌現(xiàn)，都在促進移動互聯(lián)網(wǎng)的蓬勃發(fā)展。在中國市場，隨著中國PC互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)民和移動互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)民兩個群體的逐步融合，中國消費者對在移動終端上獲得真正的互聯(lián)網(wǎng)體驗的需求也越發(fā)強烈?；ヂ?lián)網(wǎng)應用/服務的發(fā)展和產(chǎn)業(yè)鏈成熟的驅(qū)動下，MID產(chǎn)業(yè)未來幾年將迎來迅猛發(fā)展。

推動向可視媒體內(nèi)容演變的另一個原因是即將到來的移動電視，移動電視一般主要是指在公共汽車等可移動物體內(nèi)通過電視終端以接受無線信號的形式收看電視節(jié)目的一種技術或應用。但是廣義上只要以一切可以以移動方式收看電視節(jié)目的技術或應用，這就包括了狹義的移動電視、手機電視等其他。實地測試已經(jīng)證明了消費者對在移動設備上接收所需的視頻、新聞、體育等節(jié)目很感興趣。承載移動電視的各種網(wǎng)絡正在不斷被開發(fā)出來，開發(fā)商期待到2011年在電視節(jié)目訂制和廣告上的收入達到140億美元。

可視媒體的發(fā)展對移動設備設計者提出了若干挑戰(zhàn)。追求更大顯示屏、更高分辨率趨勢的發(fā)展相對于延長電池壽命的技術要快得多，由此帶來了能耗預算和電池壽命的限制。在強環(huán)境光照下，移動設備要運行必然會降低傳統(tǒng)LCD屏的成像亮度，并耗費能量。

顯示屏限制圖像可視性

一個最關鍵的挑戰(zhàn)來自LCD技術的有限動態(tài)范圍。LCD液晶投影機是液晶顯示技術和投影技術相結(jié)合的產(chǎn)物，它利用了液晶的電光效應，通過電路控制液晶單元的透射率及反射率，從而產(chǎn)生不同灰度層次及多達1670萬種色彩的靚麗圖像。LCD投影機的主要成像器件是液晶板。LCD投影機的體積取決于液晶板的大小，液晶板越小，投影機的體積也就越小。根據(jù)電光效應，液晶材料可分為活性液晶和非活性液晶兩類，其中活性液晶具有較高的透光性和可控制性。液晶板使用的是活性液晶，人們可通過相關控制系統(tǒng)來控制液晶板的亮度和顏色。人類視覺要求高對比度才能察覺精密細節(jié)。LCD的動態(tài)范圍限制制約了顯示屏能提供的圖像對比度，從而限制了圖像細節(jié)的可視性，結(jié)果就導致圖像對于那些熟悉電視屏幕、電腦屏幕的消費者來說，缺乏清晰度和色彩深度。

移動可視多媒體設備及其服務要想滿足消費者的期望并成功立足于市場，圖像和視頻在LCD顯示屏上的可視性限制必須解決。歐洲區(qū)調(diào)查顯示，近24%的試用者因為不滿意圖像質(zhì)量而放棄移動電視業(yè)務。

可視性問題的根源在于LCD顯示器的工作原理。本質(zhì)上，每個LCD顯示器都有一個位于可控制濾光器后的光源。在數(shù)據(jù)范圍一端，濾光器完全開啟，最大限度傳送光源燈光（實際光束傳輸取決于濾光器的設計和分辨率）。

將圖像數(shù)據(jù)值映射成視覺構(gòu)圖并不簡單。影響成像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為圖像的有三個因素。首先是顯示屏的輸入范圍。全色成像采用8位色彩，即紅、綠、藍各8位，而顯示屏可能無法接受全部24位色彩。輸出不同光源值可能會因為舍入誤差而導致圖像細節(jié)的可視性缺失。

影響可視性的第二個因素是背景燈強度。顯示光最大只能與背景光強度一樣。

第三個因素是環(huán)境燈強度，它決定了圖像可視動態(tài)范圍的下限。顯示屏的任意區(qū)域，其亮度至少要與顯示屏上反射的環(huán)境光一樣多，否則都無法為人所見。在強環(huán)境光條件下，反射光通常為白色，沖淡了顯示光，反射環(huán)境光的凈效應就是"沖淡"顯示屏上的暗區(qū)域并降低亮域的色彩飽和度。

圖1 LCD的圖像可視性依賴于光，背景燈強度決定最大亮度而環(huán)境光控制最小亮度

由此，成像數(shù)據(jù)向可視光的映射就被限制在一定范圍內(nèi)。如圖1所示，背景燈強度決定上限，而環(huán)境光決定下限，這造成顯示的動態(tài)范圍被限制在一個"盒子"中，極大地影響了眼睛觀察圖像細節(jié)的能力，使消費者無法得到滿意的視覺體驗。這一問題在視頻顯示上更為突出，因為眼睛在看視頻的時候更加無法將光集中以成像。

沖破可視限制

傳統(tǒng)顯示技術只允許開發(fā)商通過兩種方法來克服可視問題。其一是加強背景光，特別是在環(huán)境光強的條件下。移動顯示器的背景光消耗30%~60%的設備能耗。在強背景光條件下運行顯然會縮短電池使用壽命。

其二是應用全局成像處理算法，如Gamma、矩陣矯正，提高圖像對比度從而增加可視性。全局方法的問題在于人的視覺會隨光線強度變化。在中等強度光下可視的差別在明亮或灰暗的圖像部分可能就不那么明顯，而Gamma矯正和其他全局解決方法是對所有圖像都做同等水平的增強。

值得慶幸的是，移動設備設計者還可以選擇其他方法，如基于QuickLogic視覺增強引擎（VEE）的動態(tài)范圍壓縮技術。VEE基于Apical 公司研發(fā)的iridix算法，通過一個人類視覺對光強度、空間差異的不同反應模型，改善視覺體驗。

圖像強化是通過對顯示器可視范圍內(nèi)的成像數(shù)據(jù)再映射來完成的。這些基于圖像的再映射通過兩種方式解決顯示限制問題。首先，通過顯示器的有限輸入范圍保留圖像細節(jié)不被忽略。其次，根據(jù)圖像的內(nèi)容和位置，為每個像素計算并應用不同的色調(diào)曲線。增強的程度隨眼睛透視這些區(qū)域差別的能力而變化，從而同時保留亮區(qū)和暗區(qū)中的細節(jié)，如圖2所示。QuickLogic 的CSSP平臺已被優(yōu)化，使其可通過高數(shù)率提供VEE 技術，以支持移動設備上的高質(zhì)量視頻內(nèi)容。

圖2 動態(tài)范圍壓縮以強化可視性

這些動態(tài)范圍壓縮算法還會考慮顯示器映射的數(shù)據(jù)值到顯示輸出中的各種變量，適用于不同的LCD顯示特性。另外，如果強環(huán)境光，或低背景光降低了某一特定顯示屏"范圍",該算法可以在可行范圍內(nèi)協(xié)調(diào)增強以實現(xiàn)圖像的最大可視性。

動態(tài)范圍壓縮具有靈活性

這一適應不同顯示環(huán)境的調(diào)節(jié)能力為設計者在移動圖像顯示設計中提供了更強的靈活性。設備不用通過保持高強度背景光來實現(xiàn)明亮、直射燈光下的可視性，它能夠在背景光處于一般水平的情況下通過調(diào)節(jié)動態(tài)范圍壓縮來完成圖像補償。設備可以降低背景光水平，在一個更合理的光照條件下補償缺失。

盡管動態(tài)范圍壓縮算法最適用于原始成像數(shù)據(jù)，對于一些采用缺失圖像壓縮方法還原的移動內(nèi)容的成像數(shù)據(jù)也同樣有效，圖像壓縮方法，其特征在于：對于具有單一或多個彩色信道的位圖、數(shù)字圖像數(shù)據(jù)的橫方向的各列，用各像素的橫方向的位置和亮度對該圖像數(shù)據(jù)進行2維矢量化，而且以連結(jié)上述各列的起點與終點的線的部分為基準，利用亮度變化的大小進行量化，對于上述圖像數(shù)據(jù)的縱方向的各行，用縱方向的位置和亮度對在橫方向上進行了矢量化和量化的上述圖像數(shù)據(jù)進行2維矢量化，而且以連結(jié)上述各行的起點與終點的線的部分為基準，利用亮度變化的大小進行量化，由此，變換為基于各像素具有的亮度信息的有效位數(shù)的矩陣結(jié)構(gòu)的壓縮圖像數(shù)據(jù)。這使得在現(xiàn)有移動設備設計的圖像處理過后就能夠?qū)崿F(xiàn)提升。這樣看來，動態(tài)范圍壓縮一般發(fā)生在圖像處理引擎向顯示設備進行輸出的過程中，使得它可以簡單地插入到一個現(xiàn)有的構(gòu)架中。圖3展示了VEE如何被整合到一個移動系統(tǒng)并實現(xiàn)最佳視覺質(zhì)量。

圖3 整合VEE的移動系統(tǒng)

當前移動成像市場的有效增強不僅需要動態(tài)范圍壓縮算法。發(fā)展商還需要滿足全球市場對不同顯示界面、顯示格式、分辨率的需求。另外，設計者還需要提供檢測環(huán)境光、背景光的能力，以實現(xiàn)動態(tài)范圍壓縮的最大效益。

VEE采用硬件來保證提升圖像質(zhì)量卻不加重移動設備的處理負擔。軟件可配置的寄存器可以控制算法的運作，設計者可以根據(jù)不同顯示器類型調(diào)節(jié)算法以適應階段性環(huán)境光和背景光的變化。VEE 1.0版本現(xiàn)已用于QuickLogic 的 PolarPro平臺，2.0版本將整合到新ArcticLink II-VX解決方案平臺中。QuickLogic? 公司推出新一代CSSP平臺--PolarPro II.這款PolarPro家族的最新產(chǎn)品具有更優(yōu)化的I/O結(jié)構(gòu)、更先進的超低功耗（VLP）模式、更佳的嵌入式SRAM可配置性，以及其他一些可縮小PCB空間、降低系統(tǒng)原材料（BOM）成本的特性。

如VEE技術的動態(tài)范圍壓縮使設計者可以應付來自移動成像和視頻的激烈挑戰(zhàn)。如果消費者可以在移動設備上獲得更高質(zhì)量的可視內(nèi)容，LCD 顯示屏的限制將會凸顯出來，人們將希望獲得更好的視覺體驗。