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(jī)已迅速地從一個(gè)簡(jiǎn)單的手機(jī)演進(jìn)為一個(gè)能讓用戶分享照片、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(fù)雜設(shè)備。對(duì)于硬件設(shè)備的影響則是RF、LCD及應(yīng)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(tǒng)的單一功能蜂窩電話所使用的RF/處理器主宰的系統(tǒng)的戲劇性轉(zhuǎn)變。

　　對(duì)于設(shè)計(jì)工程師而言，最新的應(yīng)用挑戰(zhàn)是能播放視頻及電視節(jié)目的新一代電話或便攜式設(shè)備。這些應(yīng)用提出了一個(gè)矛盾的挑戰(zhàn)，因?yàn)樗鼈儾粌H實(shí)質(zhì)上消耗更多電能，也需要更多亮度達(dá)到理想顯示效果，該功能反之也需要更多的功耗。該設(shè)計(jì)要求進(jìn)一步阻礙工程師在控制整個(gè)設(shè)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(rèn)識(shí)到：目前的顯示技術(shù)在不妨礙新技術(shù)采用的情況下，不能滿足下一代設(shè)備的功耗要求，并且應(yīng)該更多地著眼于找到通過(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(xiàn)，犧牲了亮度但對(duì)大多數(shù)現(xiàn)有應(yīng)用而言仍會(huì)有不錯(cuò)的性能。然而，隨著移動(dòng)電視的問(wèn)世，對(duì)更醒目亮度的需求日益凸顯，這對(duì)功耗/性能之間的挑戰(zhàn)增添新的因素。

　　除非亮度足夠高，具有視頻功能的設(shè)備仍不會(huì)令那些想要清晰地看到屏幕上所有細(xì)節(jié)及圖像的消費(fèi)者感到滿足。目前市場(chǎng)上許多被設(shè)計(jì)到蜂窩電話或便攜式設(shè)備之中的小顯示屏所展示的平均亮度為200尼特（nit）。然而，要想很滿意地查看移動(dòng)電視內(nèi)容的詳盡細(xì)節(jié)或觀看視頻，就急需使亮度水平增加2到3倍，達(dá)到 400尼特或更高，與一臺(tái)家用電視機(jī)的亮度接近。

　　圖1：250 尼特顯示屏

　　圖2：500 尼特 顯示屏

　　雖然對(duì)亮度的作用早有認(rèn)識(shí)，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(yīng)用于手持產(chǎn)品中。

　　讓我們?cè)囅胍幌?，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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)以適應(yīng)移動(dòng)視頻應(yīng)用的要求，這也意味著設(shè)備的功耗要相應(yīng)的降低。要在背光亮度轉(zhuǎn)變中達(dá)到2X（倍）到3X的改進(jìn)意即增加2X到3X的功耗。而且因?yàn)橐苿?dòng)視頻應(yīng)用使背光的使用時(shí)間延長(zhǎng)，會(huì)消耗顯示中的電能達(dá)90%，關(guān)閉背光也不可取，它會(huì)進(jìn)一步加劇移動(dòng)設(shè)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(zhǎng)時(shí)間段的瀏覽，它還需要對(duì)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(duì)視頻的顯示屏顯示亮度要求的認(rèn)識(shí)。與文本、日歷甚至網(wǎng)絡(luò)瀏覽器應(yīng)用不同，視頻要求更大范圍的亮度以補(bǔ)充從戶外運(yùn)動(dòng)到室內(nèi)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)電話的趨勢(shì)正向著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(guó)電視系統(tǒng)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看整個(gè)圖像水平滾動(dòng)的次數(shù)，寬屏格式也漸被采用來(lái)觀看視頻和以原有的格式玩游戲或?yàn)g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(yù)算增加達(dá)250mW之多。

　　組件制造商們正對(duì)一些潛在的方案著手研究，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(shè)計(jì)相結(jié)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足觀看移動(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)

　　由人類視覺(jué)先驅(qū)Clairvoyante所開(kāi)發(fā)，PenTile RGBW技術(shù)能夠在不降低分辨率或增加數(shù)據(jù)中心設(shè)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(lán)三色組成的傳統(tǒng)RGB條紋排列中，然后再應(yīng)用相應(yīng)的子象素成像技術(shù)，以人類看見(jiàn)圖像的方式對(duì)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(dá)50%。

　　要用人類視覺(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(dú)編址。它減少了子象素的總體數(shù)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(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)比傳統(tǒng)RGB條紋顯示屏更明亮、分辨率更高。因?yàn)楦嗟谋彻饽芡ㄟ^(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(lán)子象素構(gòu)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(xiàn)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(qū)動(dòng)器的數(shù)量及減少特定亮度輸出水平所要求的背光LED數(shù)量而節(jié)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(shè)備顯示屏的功效獲得顯著改進(jìn)?；蛟S在效率上的最大收益是向著具有更高開(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(zhuǎn)化為資本得到體現(xiàn)。

　　如下所示，與傳統(tǒng)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)寫入到一個(gè)PenTile RGBW顯示屏中與常規(guī)的RGB條紋顯示屏進(jìn)行對(duì)比。

　　當(dāng)編寫由黑線和白線構(gòu)成的最細(xì)微模式時(shí)，一個(gè)黑色線與一個(gè)白色線的完整周期就會(huì)出現(xiàn)與RGB條紋形成比照（參見(jiàn)圖4）。請(qǐng)留意對(duì)于PenTile RGBW顯示屏，需要四個(gè)欄來(lái)寫入一個(gè)線對(duì)，而對(duì)于RGB條紋，則需要6個(gè)數(shù)據(jù)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(jié)合，對(duì)所采用的底板技術(shù)不予考慮的話，通常會(huì)讓穿過(guò)一個(gè)2.4到 .8英寸斜對(duì)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(jì)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(diào)整輸入查找表（LUT）中特定顯示屏的每個(gè)顯示傳輸曲線（伽馬）的數(shù)據(jù)，采用Clairvoyante相應(yīng)的色域互配算法（GMA），把RGB輸入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成RGBW。Clairvoyante以此作為輸入色域加以參考。把GMA應(yīng)用到白色象素處理塊后，就有必要應(yīng)用子象素渲染算法，這些算法利用多個(gè)矩陣的數(shù)學(xué)形式。這時(shí)，矩陣代數(shù)學(xué)顯得尤為重要，并要將之應(yīng)用到3x3矩陣的象素中去。 Clairvoyante的IC利用針對(duì)兩條數(shù)據(jù)線的內(nèi)存緩沖器，從而使第3條數(shù)據(jù)線在進(jìn)入芯片時(shí)即可被操作，使得對(duì)3x3矩陣的象素可進(jìn)行連續(xù)的處理。在子象素成像后，伽馬調(diào)節(jié)被撤消以確保顯示屏的轉(zhuǎn)換曲線準(zhǔn)確地應(yīng)用到由RGBW數(shù)據(jù)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?yàn)橛布仃囂幚硎钟行?，在處理視頻時(shí)只有一條線出現(xiàn)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(duì)比

　　一些顯示屏生產(chǎn)廠家已對(duì)PenTile子象素成像技術(shù)展開(kāi)研究，并發(fā)現(xiàn)它能顯著改進(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)廠家還認(rèn)識(shí)到這些性能的增強(qiáng)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(qū)動(dòng)器的數(shù)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(shù)量，并為類似LCD電源供應(yīng)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(jié)約一半。在LTPS VGA顯示屏中采用該技術(shù)能節(jié)約功耗達(dá)250mW或使QVGA顯示屏的功耗節(jié)約100mW。

　　圖6：基于友達(dá)光電規(guī)格的對(duì)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(jī)會(huì)更悅目

　　包括iSuppli在內(nèi)的幾家調(diào)查公司預(yù)言，具有視頻功能的移動(dòng)電話市場(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廠家正全力以赴應(yīng)對(duì)視頻手機(jī)的預(yù)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(yàn)，工程師能利用諸如PenTile RGBW設(shè)計(jì)這樣的顯示技術(shù)所提供的更大設(shè)計(jì)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(jī)以競(jìng)爭(zhēng)力的價(jià)格。結(jié)果，這些設(shè)備就能以更高的視覺(jué)表現(xiàn)及更長(zhǎng)的電池壽命很容易地滿足客戶的要求，創(chuàng)造需求并推動(dòng)銷售。