面向LCD-TV系统的自适应调光和自适应背光增强技术探讨

中心议题：
    *  自适应调光和自适应背光概念的回顾
    *  自适应背光调节 
    *  自适应背光增强
解决方案：
    *  采用自适应背光调光技术
    *  采用自适应背光增强技术

摘要

有限的LCD面板透射率可以被视为浪费能量，从而导致有限的亮度。而驱动关闭时LCD面板泄漏的光线导致黑色级别差，从而限制对比度。

自适应背光调光技术可以被用于衰减背光的亮度，改善局部对比度、黑色级别以及节省电能。       

各个可控背光段之间的光学色度亮度干扰对调光性能有负面影响，因而限制了空间背光亮度调制。色度亮度干扰的补偿在一定程度上可以补偿这种人为问题，增强各段的空间调制。       

自适应增强背光技术可以被用于把面板的输出提升100%以上。这可以改善局部亮度以及闪烁图像的对比度，并且还能节省电能。

色度亮度干扰补偿使较深调光成为可能。较深调光改善对比度，并且甚至使进一步提高图像的亮度成为可能。因此，如果把这些技术结合起来就可以实现：       
* 对比度可能增加五倍(CCFL/EEFL)；
* 亮度可能翻番而对比度可能增加最多20倍(HCFL)；
* 作为一种选择，对于2D调光，空间对比度可能增加为100的因子，而临时对比度可能增加到无限(LED)。与此同时，可以节省50%以上的平均功率。
       
1. 引言 

LCD电视系统需要用最优化的屏幕前性能来表现视频和多媒体图像。它们必须满足许多要求，如对比度、亮度、色彩、闪烁、运动画像、视角、功耗以及成本。所有这些项目均直接与背光有关。LCD电视需要高亮度，因此，这些系统通常采用直接照明的LCD面板。

现有光源的调光/增强特性如下表所示。在表中的最大功率显示了在典型应用中对光源进行增强所需要的开销。如果要安装更多的光源，这个数字会成比例地增加。因此，安装的光源越多，就使更大的增强以及色度色彩干扰补偿成为可能，从而以较佳的性能节省更多的功率。

表1：标称功率范围。       

在SID2006展览会上，我们的1D背光调光和增强概念在飞利浦公司的展位上展出，并获得了大量的正面反馈。主要好处在于：       

* 空间对比度和亮度增强；       
* 黑色级别得到改善；       
* 更多的局部调光和增强；       
* 连续地降低功率；
       
本文我们将证明该技术的好处，并把其应用范围扩大到2D背光。在2D模式(可能根据R、G、B通道)，空间调光和增强技术对于改善对比度以及降低功耗有着甚至更大的影响。

2. 概念的回顾       

理想的背光亮度取决于图像内容的R、G、和B的数值。如果这些亮度高，那么，面板要以标称的背光亮度进行优化。然而，如果RGB亮度低，那么，就要调节背光，以最小化液晶屏的泄露。与此同时，RGB的级别要增加，以保持想要的亮度。因此，对比度(特别是对于暗级)的到了改进，但是，对亮级要进行剪辑。自适应背光算法需要找到一种最优化的折中。       

这个相当主观的要求是难以确定的，特别是因为两个特征之间存在相互作用而用增强进行组合时。通过利用柱状图分析，可以获得最佳的结果。柱状图提供关于图像中暗与亮像素之间平衡的信息，并能被用于预测作为增益函数的剪辑的量。       
 

更适合的分析是针对R、G和B的数值分别执行调节。常见的电视机的“自动对比度”功能就是基于对Y分量的分析。然而，对于这个功能，我们将引入一些剪辑，以防止液晶泄漏，并且需要对此进行严格控制！因此，单单Y分量信息是不够的。总的调光和增强技术的基本概念如图1中的方框图所示。

这些处理分四步执行：       
* 分析图像内容以确定最优化的背光亮度(局部最低)；       
* 计算并控制所需要的光源级别以满足最优化的增强光输出；       
* 构建实际的背光调光曲线以求解动态增益；       
* 在RGB流到面板的过程中执行动态增益；       

3. 自适应背光调节        

为了改善LCD电视系统的黑色级别、视角以及功耗，要采用自适应背光调光技术。通过对视频数据采用一个匹配增益，背光可以被减小，以便图像的感觉亮度维持一样。       

3.1 0D调光        

这个概念的基础是柱状图分析并且适用于0D、1D和2D色彩的实现。利用由增益引起的剪辑误差的反馈，这个概念常常被用于0D的实现，因为它的实现更便宜。根据经过滤的反馈，增益控制单元确定一个最优化视频增益以及背光衰减因子。这种方法的缺点在于：对于剪辑误差的短暂控制恶化且无法意识到图像的亮/暗平衡。       

随着时间的推移，增益和衰减因子将发生变化，背光亮度要随着范围的变化而调节，从而提供了比标称对比度更大的暂时对比度。在平均图像数据上，可以把功耗降低20%以上，而看不到图像被人为处理的痕迹。       

图1：自适应背光方框图。       

3.2 1D调光        

对于1D调光来说，所有各段需要的亮度级别是分别确定的。根据定义，一段是光源的最小可控单元。一个1D段是单一HCFL灯泡、或一组并联的CCFL灯泡或一串串联的LED。最佳结果是利用水平段实现的，因为这种方向符合像风景这样的图像的亮度分布情况。       

为了获得每一段要求的光线级别，要用每一幅新的视频帧生成多个柱状图。要根据局部视频内容的柱状图对视频数据进行分析。这些光线级别是暂时的，要经过空间过滤，因为它们只应该逐渐改变，以避免出现看得见的人为处理痕迹。       

灯泡的垂直亮度曲线被特征提取并存储在查找表中(LUT)。这些段可以具备锐利的分割，其中，各个灯泡不会影响它们附近的灯泡；然而，着使之难以实现背光的正确的同质。平滑的分割可以改善同质，因为在各个灯泡分段之间的边界不锐利。       

LUT被用于为给定的灯泡级别重构完整背光的实际光线曲线。现在，对于每一行的液晶面板，背光级别是已知的。根据这个级别可以计算出所需要的增益。因为各段之间存在光学色度色彩干扰，这个增益不同于由柱状图分析器预期的数值，从而产生更大的剪辑误差。采用色度色彩干扰补偿技术将防止出现这种情况。       

随着时间和空间的变化，调光因子将发生变化，背光亮度将在比较大的范围内调节，从而提供较大的暂时和空间对比度，因为非常亮和非常暗之间的亮度差变得比较大。段的数量与调光调制有光。段数越多，就可以在更高的分辨率上进行调节，但是，可能增加成本，因为需要更多的灯泡驱动器。在平均图像数据上，可以实现降低功耗30%以上，而看不到图像被人为处理的痕迹。       
 

3.3 2D调光        

对于这种技术，也要采用多个柱状图分析来确定想要的每一段的亮度级别，这些段通常是一组LED。因为2D段具有更多的邻近段，色度色彩干扰补偿甚至对于确保在背光的所有位置上有足够的光输出更为重要。       

随着各段变得越来越小，亮度也应该以较高的分辨率被检测。这就增加了一个非常暗的图像区域与一个2D段一致的机会，从而使更深的调节成为可能，并提供甚至更为暂时的和空间的对比度。对于高功率的LED背光，片段的数量通常等于RGB LED(大约100只)的数量；对于低功耗LED背光，每一个片段均要采用RGB-LED组。在平均图像数据上，可以把功耗降低50%以上，而看不到图像被人为处理的痕迹。       

3.4 2D色彩调光        

对于这种技术，要针对色彩进行柱状图分析，以确定各段(R、G和B LED)所需要的光源的每一种色彩的亮度。       

同样，RGB调光导致在RGB流中要进行更复杂的校正。该增益要由矩阵执行，以补偿液晶面板的色彩滤光片中不断变化的RGB光线级别的混合。       

4. 1D和2D色度色彩干扰的补偿       

因为存在光学色度色彩干扰，各段之间的交互作用对各段调光和增强的整体性能有重要的影响。色度色彩干扰限制了有效的空间背光调节，即使为此进行了补偿。这种补偿永远不可能是完美的，并且补偿质量很大程度上取决于光源的特性。       

一个重要的方面就是有可能把光源驱动到高于标称的级别之上(增强)，这种方式缺乏光线，因为要对邻近的段调光，因此，要采取补偿措施。如果不采取增强措施，那么，有效的色度色彩干扰补偿可能是唯一的办法，如果所有周围的各段的需要的级别被调光的话。此外，如果不可能采取有效的色度色彩干扰补偿措施，调光就要被局限在接近不被调光段的附近的各段，其中，采用如图2所示的光线级别调节限制器。       

图2：1D光线调节限制器的例子。       

该限制器降低了过冲，或对色度色彩干扰补偿的光源控制级别进行了剪辑和/或为增强算法保持增强空间。       

色度色彩干扰补偿措施确保补偿了在一段中间的预测光线级别以及所要求的光线级别之间的误差。因此，对背光曲线的空间调节被放大。简单的线性误差补偿将导致在明亮的各段边界上缺乏光线，如图3所示。采取不对称补偿措施可以避免这一点。       

5. 自适应背光增强        

为了改善LCD电视系统的亮度和对比度，可以采用自适应背光增强技术。通过把视频数据放大(采用自适应对比度增强器)，背光亮度也可以被增强，以便图像的亮度被增加得甚至更多。然而，存在一些应该被满足的约束条件。背光控制应该适合给定的温度和功率预算。       

增强只能存在于跟自适应调光的组合之中，因为它要求一个由背光调光引入的功率裕量和温度预算。通过改变最初的调光策略，可以暂时或在空间上增强图像的感觉对比度。       

5.1 0D增强        

经过一段时间的调光之后，容许进行一段时间的增强。因此，不可能长时间地增强静止图像，主要是因为存在温度限制。      
       
因为随着时间的推移，视频增益和衰减因子会发生变化，亮度将在较大的范围内调节，以提供较大的短暂对比度。在平均图像数据上，利用调光和增强技术可以把功耗降低20%以上，而不产生可见的、图像被认为处理的痕迹。       

5.2 1D增强 

本质上，功率增强是对所有各段光源的亮度级别进行自适应调节，尽管视频增益未被减少。功率增益每一帧均被刷新，并且正比于背光的标称功率(未调光)以及调光级别所要求的功率。只有通过1D调光算法可能节省下来的功率，才被用于增强面板的光输出。因此，每一帧时间的平均功率低于或等于标称功耗。因此，对于静止图像来说，增强也是可能的。       
 

数字实例：如果5个背光灯调光20%，另5个背光灯调光80%，它们节省的功率均为标称功率的50%。因此，所有的灯均可以2的倍数进行增强，这样，5只灯将以40%的增强而工作，另5只灯以160%的增强进行工作。       

实际功率增益受限于最大容许的功率增益。该增益是一段的最大容许亮度级别除以最高(经补偿的色度亮度干扰)调光亮度级别以及一个由用户控制的最大值，因为没有必要把夜间的场景转换为昼间的场景。       

空间功率增强可以更短暂的0D增强器结合起来。       

随着时间和空间的变化，视频增益以及背光衰减因子将发生变化，要在较大的范围内调节亮度，以提供较大的短暂空间对比度，因为非常明亮和非常暗的物体之间的亮度差会增加。在平均的图像数据上，利用调光和增强，可以把功耗降低25%以上，而不出现可见的、图像被人为处理的痕迹。       

5.3 2D色彩增强        

要重申的是，2D和1D的基本概念是一样的。然而，LED背光的增强性能实际上受限于每一LED的功率限制，而不是背光的总功耗。因此，为增强色度色彩干扰补偿的过冲而保持的增强开销，应该由图4中讨论的空间调节限制器进行约束。       

随着灯泡各段越来越小，背光亮度可以在较大的范围内调节，从而提供甚至更为短暂和空间的对比度。在平均图像数据上，利用背光调光和增强，可以省电多达50%，而看不到可见的、图像被人为处理的痕迹。
       
6. 系统要求       

这种对增强算法的设置对所使用的灯泡提出了一些额外、特殊的要求。这些灯泡必须具有更为合适的工作范围，其中，0D可寻址背光为30%到150%，1D背光为10%到200%，2D背光为0到300%。       

6.1 传统的CCFL/EEFL背光        

传统的CCFL和EEFL背光能够既支持一些级别的扫描背光，也支持一些级别的背光调光，因为它们具有有限的调光范围且没有快速的开关特性。       

利用传统的CCFL以及EEFL，32英寸的LCD面板需要大约16只灯管，以提供600 Cd/m2的屏幕正面光输出。在典型情况下，灯管亮度可以被调低到30%，但是，几乎不支持背光增强，因为它们无法在超过其正常电流设置的条件下被驱动。       

6.2 HCFL背光
       
飞利浦的Lighting Aptura HCFL满足所有的要求。它能够支持对扫描、1D调光以及背光增强的组合。HCFL能够创建比传统的CCFL灯强的亮度五倍以上的光线。利用这些灯，传统的32寸LCD背光仅仅需要8只灯泡，并且仍然能够提供600 Cd/m2的屏幕正面光输出。       

6.3 LED背光       

NXP的低功耗LED是支持2D色彩背光调光的理想器件，因为它们以高清晰度提供小的片段。       

利用现有的LED技术，成本依然高昂，但是，随着技术的进步，这些器件的成本下降非常快。遗憾的是，如果LED的数量被限制在正常光输出所需要的最低数量(成本)上，那么，就无法用更高的功率驱动LED以支持真实的增强。       

6.4 显示器的处理要求        

为了支持自适应调光和增强背光的功能，需要进行一些处理。因为这些算法自适应调节视频输入，因此，要对视频数据进行分析。该分析结果要求作为显示器处理算法的输入。调光算法也需要进行视频处理，因为背光调光需要针对所具有的视频增益进行补偿。       

最有成本经济性的解决方案是把这些功能集成到TCON芯片—它是视频路径上已经存在的元器件—之中，仔细设计显示驱动器的接口，并为增强运动画像而进行过渡驱动处理。       

6.5 显示器伴随芯片        

然而，为了使这些功能被显示器模块制造商及时地采用，一种可选方案就是定义显示器伴随芯片。这种芯片使大量针对特殊显示和背光要求的功能成为可能。它也可以被用于现有TCON芯片的前端。因此，它能够被无缝地集成到现有的产品之中，并与专有IP或特殊的LCD面板特性结合起来。因此，不需要重新设计现有的TCON器件。       

NXP目前正在开发这种器件，以便为所有的显示器模块制造商以及LCD电视机制造商提供自适应背光解决方案。       

7 本文小结        

通过把背光调光与增强技术结合起来，可以极大地增强感觉对比度和亮度。利用相应的视频增益对其进行补偿，背光灯的驱动可以采取两种方式：1. 在暗处它们产生较少的光线；2. 在亮处它们产生更多的光线(临时和空间对比度)。       

这些算法能够控制：0D、1D、2D或2D色彩可寻址背光，从而为电视机以及显示器应用提供了从有成本经济型到高性能的解决方案。