為移動(dòng)設(shè)備提供電視品質(zhì)的視覺享受

移動(dòng)設(shè)備正在迅速轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗝襟w平臺(tái)，原因之一在于互聯(lián)網(wǎng)上視頻應(yīng)用的增長以及互聯(lián)網(wǎng)與移動(dòng)設(shè)備越來越多的橋接。近1/3的美國年輕手機(jī)用戶將照片和視頻發(fā)布在YouTube這樣的大眾網(wǎng)站上。實(shí)際上，所有大眾網(wǎng)站都將在未來兩年開發(fā)出一個(gè)移動(dòng)板塊。

推動(dòng)向可視媒體內(nèi)容演變的另一個(gè)原因是即將到來的移動(dòng)電視，實(shí)地測(cè)試已經(jīng)證明了消費(fèi)者對(duì)在移動(dòng)設(shè)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(dòng)電視的各種網(wǎng)絡(luò)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(dá)到140億美元。

可視媒體的發(fā)展對(duì)移動(dòng)設(shè)備設(shè)計(jì)者提出了若干挑戰(zhàn)。追求更大顯示屏、更高分辨率趨勢(shì)的發(fā)展相對(duì)于延長電池壽命的技術(shù)要快得多，由此帶來了能耗預(yù)算和電池壽命的限制。在強(qiáng)環(huán)境光照下，移動(dòng)設(shè)備要運(yùn)行必然會(huì)降低傳統(tǒng)LCD屏的成像亮度，并耗費(fèi)能量。另外，由于不同地域、國家的偏好，需要提供一系列范圍廣泛的設(shè)備和顯示形式參數(shù)，如翻蓋、旋蓋、滑蓋、直板，想要設(shè)計(jì)出一套可以迎合全球市場(chǎng)需求的產(chǎn)品系列很困難。

顯示屏限制圖像可視性

一個(gè)最關(guān)鍵的挑戰(zhàn)來自LCD技術(shù)的有限動(dòng)態(tài)范圍。人類視覺要求高對(duì)比度才能察覺精密細(xì)節(jié)。LCD的動(dòng)態(tài)范圍限制制約了顯示屏能提供的圖像對(duì)比度，從而限制了圖像細(xì)節(jié)的可視性，結(jié)果就導(dǎo)致圖像對(duì)于那些熟悉電視屏幕、電腦屏幕的消費(fèi)者來說，缺乏清晰度和色彩深度。

移動(dòng)可視多媒體設(shè)備及其服務(wù)要想滿足消費(fèi)者的期望并成功立足于市場(chǎng)，圖像和視頻在LCD顯示屏上的可視性限制必須解決。調(diào)查結(jié)果顯示消費(fèi)者在試用后放棄移動(dòng)電視的主要原因就在于視覺體驗(yàn)質(zhì)量不高。歐洲區(qū)調(diào)查顯示，近24%的試用者因?yàn)椴粷M意圖像質(zhì)量而放棄移動(dòng)電視業(yè)務(wù)。

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(gè)LCD顯示器都有一個(gè)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(shí)際光束傳輸取決于濾光器的設(shè)計(jì)和分辨率）。在數(shù)據(jù)范圍的另一端，顯示器屏蔽99.5％的光源光，從而在成像數(shù)據(jù)值和傳輸光束間造就了一種簡(jiǎn)單關(guān)系。

將圖像數(shù)據(jù)值映射成視覺構(gòu)圖并不簡(jiǎn)單。影響成像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為圖像的有三個(gè)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(lán)各8位，而顯示屏可能無法接受全部24位色彩。輸入范圍限制導(dǎo)致了成像數(shù)據(jù)的不連續(xù)。輸出不同光源值可能會(huì)因?yàn)樯崛胝`差而導(dǎo)致圖像細(xì)節(jié)的可視性缺失。
影響可視性的第二個(gè)因素是背景燈強(qiáng)度。顯示光最大只能與背景光強(qiáng)度一樣。因此，背景光強(qiáng)度就決定了一個(gè)圖像的可視動(dòng)態(tài)范圍上限。

第三個(gè)因素是環(huán)境燈強(qiáng)度,它決定了圖像可視動(dòng)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(qiáng)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(yīng)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(qiáng)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(qiáng)度決定上限，而環(huán)境光決定下限，這造成顯示的動(dòng)態(tài)范圍被限制在一個(gè)“盒子”中，極大地影響了眼睛觀察圖像細(xì)節(jié)的能力，使消費(fèi)者無法得到滿意的視覺體驗(yàn)。這一問題在視頻顯示上更為突出，因?yàn)檠劬υ诳匆曨l的時(shí)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(shù)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(qiáng)背景光，特別是在環(huán)境光強(qiáng)的條件下。對(duì)于移動(dòng)設(shè)備設(shè)計(jì)者來說，這一辦法有個(gè)嚴(yán)重的缺陷――增加能耗。移動(dòng)顯示器的背景光消耗30%～60%的設(shè)備能耗。在強(qiáng)背景光條件下運(yùn)行顯然會(huì)縮短電池使用壽命。

其二是應(yīng)用全局成像處理算法，如Gamma、矩陣矯正，提高圖像對(duì)比度從而增加可視性。全局方法的問題在于人的視覺會(huì)隨光線強(qiáng)度變化。在中等強(qiáng)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(duì)所有圖像都做同等水平的增強(qiáng)。那么，全局增強(qiáng)的代價(jià)就是要犧牲一部分圖像細(xì)節(jié)來改善另外一部分圖像細(xì)節(jié)。

值得慶幸的是，移動(dòng)設(shè)備設(shè)計(jì)者還可以選擇其他方法，如基于QuickLogic視覺增強(qiáng)引擎（VEE）的動(dòng)態(tài)范圍壓縮技術(shù)。VEE基于Apical 公司研發(fā)的iridix算法，通過一個(gè)人類視覺對(duì)光強(qiáng)度、空間差異的不同反應(yīng)模型，改善視覺體驗(yàn)。與全局成像處理算法不同，這些算法會(huì)根據(jù)圖像位置、周圍圖像內(nèi)容、背光差異、環(huán)境光水平調(diào)節(jié)單個(gè)像素值。

圖像強(qiáng)化是通過對(duì)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(xì)節(jié)不被忽略。其次，根據(jù)圖像的內(nèi)容和位置，為每個(gè)像素計(jì)算并應(yīng)用不同的色調(diào)曲線。增強(qiáng)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(shí)保留亮區(qū)和暗區(qū)中的細(xì)節(jié)，如圖2所示。QuickLogic 的CSSP平臺(tái)已被優(yōu)化，使其可通過高數(shù)率提供VEE 技術(shù)，以支持移動(dòng)設(shè)備上的高質(zhì)量視頻內(nèi)容。

圖2 動(dòng)態(tài)范圍壓縮以強(qiáng)化可視性

這些動(dòng)態(tài)范圍壓縮算法還會(huì)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(qiáng)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(qiáng)以實(shí)現(xiàn)圖像的最大可視性。因此，動(dòng)態(tài)范圍壓縮可以彌補(bǔ)環(huán)境光的變化，如用戶從暗處走到明亮的陽光下。

動(dòng)態(tài)范圍壓縮具有靈活性

這一適應(yīng)不同顯示環(huán)境的調(diào)節(jié)能力為設(shè)計(jì)者在移動(dòng)圖像顯示設(shè)計(jì)中提供了更強(qiáng)的靈活性。設(shè)備不用通過保持高強(qiáng)度背景光來實(shí)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(dòng)態(tài)范圍壓縮來完成圖像補(bǔ)償。設(shè)備可以降低背景光水平，在一個(gè)更合理的光照條件下補(bǔ)償缺失?；蛘撸O(shè)計(jì)者可以通過自動(dòng)調(diào)節(jié)以獲得靜態(tài)設(shè)計(jì)上的能源節(jié)省，同時(shí)保證視覺體驗(yàn)的質(zhì)量。

盡管動(dòng)態(tài)范圍壓縮算法最適用于原始成像數(shù)據(jù)，對(duì)于一些采用缺失圖像壓縮方法還原的移動(dòng)內(nèi)容的成像數(shù)據(jù)也同樣有效，這使得在現(xiàn)有移動(dòng)設(shè)備設(shè)計(jì)的圖像處理過后就能夠?qū)崿F(xiàn)提升。這樣看來，動(dòng)態(tài)范圍壓縮一般發(fā)生在圖像處理引擎向顯示設(shè)備進(jìn)行輸出的過程中，使得它可以簡(jiǎn)單地插入到一個(gè)現(xiàn)有的構(gòu)架中。圖3展示了VEE如何被整合到一個(gè)移動(dòng)系統(tǒng)并實(shí)現(xiàn)最佳視覺質(zhì)量。

圖3 整合VEE的移動(dòng)系統(tǒng)

當(dāng)前移動(dòng)成像市場(chǎng)的有效增強(qiáng)不僅需要?jiǎng)討B(tài)范圍壓縮算法。發(fā)展商還需要滿足全球市場(chǎng)對(duì)不同顯示界面、顯示格式、分辨率的需求。另外，設(shè)計(jì)者還需要提供檢測(cè)環(huán)境光、背景光的能力，以實(shí)現(xiàn)動(dòng)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(dòng)設(shè)備的處理負(fù)擔(dān)。軟件可配置的寄存器可以控制算法的運(yùn)作，設(shè)計(jì)者可以根據(jù)不同顯示器類型調(diào)節(jié)算法以適應(yīng)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(tái)，2.0版本將整合到新ArcticLink II-VX解決方案平臺(tái)中。

如VEE技術(shù)的動(dòng)態(tài)范圍壓縮使設(shè)計(jì)者可以應(yīng)付來自移動(dòng)成像和視頻的激烈挑戰(zhàn)。如果消費(fèi)者可以在移動(dòng)設(shè)備上獲得更高質(zhì)量的可視內(nèi)容，LCD 顯示屏的限制將會(huì)凸顯出來，人們將希望獲得更好的視覺體驗(yàn)?？梢蕴峁└玫囊苿?dòng)視覺享受，即達(dá)到消費(fèi)者所熟悉的、在家中看電視時(shí)的那種圖像質(zhì)量的設(shè)計(jì)者將會(huì)贏得先機(jī)。