面向LCD-TV系統(tǒng)的自適應(yīng)調(diào)光和自適應(yīng)背光增強(qiáng)技術(shù)

1. 引言

LCD電視系統(tǒng)需要用最優(yōu)化的屏幕前性能來表現(xiàn)視頻和多媒體圖像。它們必須滿足許多要求，如對比度、亮度、色彩、閃爍、運(yùn)動畫像、視角、功耗以及成本。所有這些項(xiàng)目均直接與背光有關(guān)。LCD電視需要高亮度，因此，這些系統(tǒng)通常采用直接照明的LCD面板。

現(xiàn)有光源的調(diào)光/增強(qiáng)特性如下表所示。在表中的最大功率顯示了在典型應(yīng)用中對光源進(jìn)行增強(qiáng)所需要的開銷。如果要安裝更多的光源，這個數(shù)字會成比例地增加。因此，安裝的光源越多，就使更大的增強(qiáng)以及色度色彩干擾補(bǔ)償成為可能，從而以較佳的性能節(jié)省更多的功率。

表1：標(biāo)稱功率范圍。

在SID2006展覽會上，我們的1D背光調(diào)光和增強(qiáng)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(qiáng)；

* 黑色級別得到改善；

* 更多的局部調(diào)光和增強(qiáng)；

* 連續(xù)地降低功率；

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

2. 概念的回顧

理想的背光亮度取決于圖像內(nèi)容的R、G、和B的數(shù)值。如果這些亮度高，那么，面板要以標(biāo)稱的背光亮度進(jìn)行優(yōu)化。然而，如果RGB亮度低，那么，就要調(diào)節(jié)背光，以最小化液晶屏的泄露。與此同時，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(yīng)背光算法需要找到一種最優(yōu)化的折中。

這個相當(dāng)主觀的要求是難以確定的，特別是因?yàn)閮蓚€特征之間存在相互作用而用增強(qiáng)進(jìn)行組合時。通過利用柱狀圖分析，可以獲得最佳的結(jié)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(yù)測作為增益函數(shù)的剪輯的量。

更適合的分析是針對R、G和B的數(shù)值分別執(zhí)行調(diào)節(jié)。常見的電視機(jī)的“自動對比度”功能就是基于對Y分量的分析。然而，對于這個功能，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(yán)格控制！因此，單單Y分量信息是不夠的?？偟恼{(diào)光和增強(qiáng)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(zhí)行：

* 分析圖像內(nèi)容以確定最優(yōu)化的背光亮度(局部最低)；

* 計(jì)算并控制所需要的光源級別以滿足最優(yōu)化的增強(qiáng)光輸出；

* 構(gòu)建實(shí)際的背光調(diào)光曲線以求解動態(tài)增益；

* 在RGB流到面板的過程中執(zhí)行動態(tài)增益；

3. 自適應(yīng)背光調(diào)節(jié)

為了改善LCD電視系統(tǒng)的黑色級別、視角以及功耗，要采用自適應(yīng)背光調(diào)光技術(shù)。通過對視頻數(shù)據(jù)采用一個匹配增益，背光可以被減小，以便圖像的感覺亮度維持一樣。

3.1 0D調(diào)光

這個概念的基礎(chǔ)是柱狀圖分析并且適用于0D、1D和2D色彩的實(shí)現(xiàn)。利用由增益引起的剪輯誤差的反饋，這個概念常常被用于0D的實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樗膶?shí)現(xiàn)更便宜。根據(jù)經(jīng)過濾的反饋，增益控制單元確定一個最優(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法意識到圖像的亮/暗平衡。

隨著時間的推移，增益和衰減因子將發(fā)生變化，背光亮度要隨著范圍的變化而調(diào)節(jié)，從而提供了比標(biāo)稱對比度更大的暫時對比度。在平均圖像數(shù)據(jù)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(yīng)背光方框圖。

3.2 1D調(diào)光

對于1D調(diào)光來說，所有各段需要的亮度級別是分別確定的。根據(jù)定義，一段是光源的最小可控單元。一個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(jié)果是利用水平段實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)檫@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級別，要用每一幅新的視頻幀生成多個柱狀圖。要根據(jù)局部視頻內(nèi)容的柱狀圖對視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。這些光線級別是暫時的，要經(jīng)過空間過濾，因?yàn)樗鼈冎粦?yīng)該逐漸改變，以避免出現(xiàn)看得見的人為處理痕跡。

燈泡的垂直亮度曲線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，各個燈泡不會影響它們附近的燈泡；然而，著使之難以實(shí)現(xiàn)背光的正確的同質(zhì)。平滑的分割可以改善同質(zhì)，因?yàn)樵诟鱾€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(gòu)完整背光的實(shí)際光線曲線。現(xiàn)在，對于每一行的液晶面板，背光級別是已知的。根據(jù)這個級別可以計(jì)算出所需要的增益。因?yàn)楦鞫沃g存在光學(xué)色度色彩干擾，這個增益不同于由柱狀圖分析器預(yù)期的數(shù)值，從而產(chǎn)生更大的剪輯誤差。采用色度色彩干擾補(bǔ)償技術(shù)將防止出現(xiàn)這種情況。

隨著時間和空間的變化，調(diào)光因子將發(fā)生變化，背光亮度將在比較大的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，從而提供較大的暫時和空間對比度，因?yàn)榉浅Ａ梁头浅０抵g的亮度差變得比較大。段的數(shù)量與調(diào)光調(diào)制有光。段數(shù)越多，就可以在更高的分辨率上進(jìn)行調(diào)節(jié)，但是，可能增加成本，因?yàn)樾枰嗟臒襞蒡?qū)動器。在平均圖像數(shù)據(jù)上，可以實(shí)現(xiàn)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(diào)光

對于這種技術(shù)，也要采用多個柱狀圖分析來確定想要的每一段的亮度級別，這些段通常是一組LED。因?yàn)?D段具有更多的鄰近段，色度色彩干擾補(bǔ)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。

隨著各段變得越來越小，亮度也應(yīng)該以較高的分辨率被檢測。這就增加了一個非常暗的圖像區(qū)域與一個2D段一致的機(jī)會，從而使更深的調(diào)節(jié)成為可能，并提供甚至更為暫時的和空間的對比度。對于高功率的LED背光，片段的數(shù)量通常等于RGB LED(大約100只)的數(shù)量；對于低功耗LED背光，每一個片段均要采用RGB-LED組。在平均圖像數(shù)據(jù)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(diào)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(diào)光導(dǎo)致在RGB流中要進(jìn)行更復(fù)雜的校正。該增益要由矩陣執(zhí)行，以補(bǔ)償液晶面板的色彩濾光片中不斷變化的RGB光線級別的混合。

4. 1D和2D色度色彩干擾的補(bǔ)償

因?yàn)榇嬖诠鈱W(xué)色度色彩干擾，各段之間的交互作用對各段調(diào)光和增強(qiáng)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(diào)節(jié)，即使為此進(jìn)行了補(bǔ)償。這種補(bǔ)償永遠(yuǎn)不可能是完美的，并且補(bǔ)償質(zhì)量很大程度上取決于光源的特性。

一個重要的方面就是有可能把光源驅(qū)動到高于標(biāo)稱的級別之上(增強(qiáng))，這種方式缺乏光線，因?yàn)橐獙︵徑亩握{(diào)光，因此，要采取補(bǔ)償措施。如果不采取增強(qiáng)措施，那么，有效的色度色彩干擾補(bǔ)償可能是唯一的辦法，如果所有周圍的各段的需要的級別被調(diào)光的話。此外，如果不可能采取有效的色度色彩干擾補(bǔ)償措施，調(diào)光就要被局限在接近不被調(diào)光段的附近的各段，其中，采用如圖2所示的光線級別調(diào)節(jié)限制器。

圖2：1D光線調(diào)節(jié)限制器的例子。

該限制器降低了過沖，或?qū)ι壬矢蓴_補(bǔ)償?shù)墓庠纯刂萍墑e進(jìn)行了剪輯和/或?yàn)樵鰪?qiáng)算法保持增強(qiáng)空間。

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

5. 自適應(yīng)背光增強(qiáng)

為了改善LCD電視系統(tǒng)的亮度和對比度，可以采用自適應(yīng)背光增強(qiáng)技術(shù)。通過把視頻數(shù)據(jù)放大(采用自適應(yīng)對比度增強(qiáng)器)，背光亮度也可以被增強(qiáng)，以便圖像的亮度被增加得甚至更多。然而，存在一些應(yīng)該被滿足的約束條件。背光控制應(yīng)該適合給定的溫度和功率預(yù)算。

增強(qiáng)只能存在于跟自適應(yīng)調(diào)光的組合之中，因?yàn)樗笠粋€由背光調(diào)光引入的功率裕量和溫度預(yù)算。通過改變最初的調(diào)光策略，可以暫時或在空間上增強(qiáng)圖像的感覺對比度。

5.1 0D增強(qiáng)

經(jīng)過一段時間的調(diào)光之后，容許進(jìn)行一段時間的增強(qiáng)。因此，不可能長時間地增強(qiáng)靜止圖像，主要是因?yàn)榇嬖跍囟认拗啤?/p>

因?yàn)殡S著時間的推移，視頻增益和衰減因子會發(fā)生變化，亮度將在較大的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，以提供較大的短暫對比度。在平均圖像數(shù)據(jù)上，利用調(diào)光和增強(qiáng)技術(shù)可以把功耗降低20%以上，而不產(chǎn)生可見的、圖像被認(rèn)為處理的痕跡。

5.2 1D增強(qiáng)

本質(zhì)上，功率增強(qiáng)是對所有各段光源的亮度級別進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)，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(biāo)稱功率(未調(diào)光)以及調(diào)光級別所要求的功率。只有通過1D調(diào)光算法可能節(jié)省下來的功率，才被用于增強(qiáng)面板的光輸出。因此，每一幀時間的平均功率低于或等于標(biāo)稱功耗。因此，對于靜止圖像來說，增強(qiáng)也是可能的。

數(shù)字實(shí)例：如果5個背光燈調(diào)光20%，另5個背光燈調(diào)光80%，它們節(jié)省的功率均為標(biāo)稱功率的50%。因此，所有的燈均可以2的倍數(shù)進(jìn)行增強(qiáng)，這樣，5只燈將以40%的增強(qiáng)而工作，另5只燈以160%的增強(qiáng)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(bǔ)償?shù)纳攘炼雀蓴_)調(diào)光亮度級別以及一個由用戶控制的最大值，因?yàn)闆]有必要把夜間的場景轉(zhuǎn)換為晝間的場景。

空間功率增強(qiáng)可以更短暫的0D增強(qiáng)器結(jié)合起來。

隨著時間和空間的變化，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(nèi)調(diào)節(jié)亮度，以提供較大的短暫空間對比度，因?yàn)榉浅Ｃ髁梁头浅０档奈矬w之間的亮度差會增加。在平均的圖像數(shù)據(jù)上，利用調(diào)光和增強(qiáng)，可以把功耗降低25%以上，而不出現(xiàn)可見的、圖像被人為處理的痕跡。

5.3 2D色彩增強(qiáng)

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(qiáng)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(qiáng)色度色彩干擾補(bǔ)償?shù)倪^沖而保持的增強(qiáng)開銷，應(yīng)該由圖4中討論的空間調(diào)節(jié)限制器進(jìn)行約束。

隨著燈泡各段越來越小，背光亮度可以在較大的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，從而提供甚至更為短暫和空間的對比度。在平均圖像數(shù)據(jù)上，利用背光調(diào)光和增強(qiáng)，可以省電多達(dá)50%，而看不到可見的、圖像被人為處理的痕跡。

6. 系統(tǒng)要求

這種對增強(qiáng)算法的設(shè)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(tǒng)的CCFL/EEFL背光

傳統(tǒng)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(diào)光，因?yàn)樗鼈兙哂杏邢薜恼{(diào)光范圍且沒有快速的開關(guān)特性。

利用傳統(tǒng)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(diào)低到30%，但是，幾乎不支持背光增強(qiáng)，因?yàn)樗鼈儫o法在超過其正常電流設(shè)置的條件下被驅(qū)動。

6.2 HCFL背光

飛利浦的Lighting Aptura HCFL滿足所有的要求。它能夠支持對掃描、1D調(diào)光以及背光增強(qiáng)的組合。HCFL能夠創(chuàng)建比傳統(tǒng)的CCFL燈強(qiáng)的亮度五倍以上的光線。利用這些燈，傳統(tǒng)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(diào)光的理想器件，因?yàn)樗鼈円愿咔逦忍峁┬〉钠巍?/p>

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

6.4 顯示器的處理要求

為了支持自適應(yīng)調(diào)光和增強(qiáng)背光的功能，需要進(jìn)行一些處理。因?yàn)檫@些算法自適應(yīng)調(diào)節(jié)視頻輸入，因此，要對視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。該分析結(jié)果要求作為顯示器處理算法的輸入。調(diào)光算法也需要進(jìn)行視頻處理，因?yàn)楸彻庹{(diào)光需要針對所具有的視頻增益進(jìn)行補(bǔ)償。

最有成本經(jīng)濟(jì)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(xì)設(shè)計(jì)顯示驅(qū)動器的接口，并為增強(qiáng)運(yùn)動畫像而進(jìn)行過渡驅(qū)動處理。

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(xiàn)有TCON芯片的前端。因此，它能夠被無縫地集成到現(xiàn)有的產(chǎn)品之中，并與專有IP或特殊的LCD面板特性結(jié)合起來。因此，不需要重新設(shè)計(jì)現(xiàn)有的TCON器件。

NXP目前正在開發(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(jī)制造商提供自適應(yīng)背光解決方案。

7 本文小結(jié)

通過把背光調(diào)光與增強(qiáng)技術(shù)結(jié)合起來，可以極大地增強(qiáng)感覺對比度和亮度。利用相應(yīng)的視頻增益對其進(jìn)行補(bǔ)償，背光燈的驅(qū)動可以采取兩種方式：1. 在暗處它們產(chǎn)生較少的光線；2. 在亮處它們產(chǎn)生更多的光線(臨時和空間對比度)。

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(jī)以及顯示器應(yīng)用提供了從有成本經(jīng)濟(jì)型到高性能的解決方案。