LED背光源区域动态控制技术解析

102012.01日用电器ElectricalAppliances热点追踪·Hottrack引言众所周知，LED背光源在色彩饱和度表现上远优于传统CCFL背光源,整体色彩表现范围可超过NTSC100%以上（一般CCFL约为NTSC70-75%）。但不管是传统CCFL背光源模块或目前业界研发中的一般（被动式静态）LED背光源模块，其背光模块仅仅是扮演光源角色，固定提供一整面均匀、亮度恒定的光源给液晶显示屏，而影像的亮度、对比、画质则完全由液晶显示屏控制。这样的静态背光对于提升影像对比、画质灰阶层次分布并没有帮助,反而因为LCD屏在暗态时漏光导致对比度难以提升，而且不论影像内容如何，不论亮暗，静态背光源所消耗功率是固定不变的。LocalDimming（区域调光）技术，也就是所说的动态背光技术，运用这一技术可以很大程度地降低了背光源的功耗，但是要求LED数量比较多，电视产品的厚度比较大，美观度以及灵活性稍差。目前，这一技术被开始应用于侧光式LED背光源，通过LED交叉控制，达到区域控制，一定程度降低功耗。侧光式大尺寸LED背光源结合了超薄、美观、低功耗的优势各个优势，科研人员正在评估和研发将区域调光技术应用于侧光式的LED背光源。LED背光源区域动态控制技术解析摘要：本文主要探讨一种LED背光源主动式动态区域控制技术的技术原理及实现方法，通过提供随影像内容而随时调节亮度及色彩的动态背光源，以达到降低功耗节能的目的。关键词：区域控制；色彩管理；算法；功耗吴伟孙彦竹（深圳创维-RGB电子有限公司深圳518057）1原理分析针对上述的不足，科研人员致力于开发一种主动式动态(Active-Dynamic)LED背光控制模式，其昀大差异在于整合影像讯号及LED背光源,以主动式及动态方式昀优化驱动LED背光源模块。此项技术是结合影像优化处理技术，依影像讯号特征结合LED背光源模块的物理特性，进行亮度调变及液晶面板优化补偿调变驱动。当中包含了两个基本方面，一是面板的灰阶层次分布随着影像内容进行调整，使得影像的灰阶层次更细致，并且由于明暗的对比增强，大幅提升立体感。另一方面则是LED背光的亮度随着影像内容分区域、独立地进行亮度调变，故在显示暗态画面时，LED亮度随之降低，从而可减少整体背光源的耗电量。显示原理如图1所示。主动式动态背光驱动模式所展现并不是恒定亮度均匀光源，而是提供一个具有影像内容的、随输入画面信号而动态变化的背光源。此模式可有效解决由于液晶面板漏光而造成的传统液晶显示“暗景不暗”的问题，大幅提升影像动态对比度。即使用来观赏夜晚的星空夜景或烟火，黑色的背景仍可维持足够的暗黑感。而且，三色的分开处理避免了液晶面板中彩色膜光谱相互交叠干扰的影响，提高显示色域的宽度。结合以上两2012.0111日用电器ElectricalAppliances■热点追踪·日用电器图1个方面，不仅在明亮环境或暗室都能显示出细致的灰阶差异与更鲜明的立体视觉外，更兼具省电环保的效果。由于主动式动态背光驱动模式所展现的并不是亮度恒定、均匀的光源，而是提供随影像内容而亮度及色彩均调变的动态背光源,其功耗大小将随不同影像内容有所差异。与静态LED背光模式相比，主动式动态LED背光模式预期可有效降低背光功耗30～50%以上，这样，主动式动态LED背光模块的平均功耗将会比传统CCFL背光模块低,达到省电节能的功效。同时也可有效降低了LED热源的产生，解决一般静态LED背光源模块所遇到的散热问题，所以，该背光设计将不再需要额外的风扇及特殊散热结构(如散热鳍片)。这样，可有效降低整体背光模块材料及制造加工成本，降低LED功耗也将可进一步提高LED产品寿命与可靠度。藉由主动式动态驱动电路设计,可进一步提升影像画面质量，消除普通液晶显示在显示快速移动物体时出现的拖尾现象,同时更重要是将可提升LCD影像画面对比度(contrast)从1000:1突破到10,000:1以上，充分展现日后高清LCD彩电画质影像及高动态范围(HighDynamicRange,HDR)影像的需求与优势。图2为区域动态控制技术的框图。2技术难点区域动态控制关键技术难点在于以下几个方面：2.1背光控制信号的提取。动态背光可以节省功耗，但对于液晶电视而言，节能不能以牺牲图像品质为代价。合适的背光信号可以同时获得节能和提高画质的效果，但是，不适当的信号提取会导致图像质量变差，如图像细节内容损失，尤其是出现暗景图像辉度不足，色彩串扰，运动图像闪烁等问题。2.2液晶控制信号的调整。随着背光动态控制，液晶信号需要作相应调整，以保持图像的整体亮度和细节内容。由于液晶显示器件的特性，图像信号与显示亮度为非线性关系，而且图像信号调节的范围由显示硬件限制，例如对于8bit显示，可实现的信号灰阶昀高为255，信号调整超过该值会被截断。所以液晶信号调整必须避免超过硬件限制，同时又能有效补偿背光调暗，使得图像亮度和细节保持。2.3背光的调制传输函数的优化。由于二维背光的分辨率远低于液晶屏，每个液晶像素点同时与多个背光单元相关联。这个关联主要通过背光单元的调制传输函数体现，算法中要较准确计算该调制函数，要同时考虑降低计算的复杂度以减少硬件资源需求。2.4LED背光对图像色域及色彩再现的影响。采用RGB三色LED背光能增大液晶电视的色域，但是LED光谱透过彩色膜后对应的三基色与视频信号编码时定义的三基色有较大的偏差，造成对非饱和色彩再现时不自然的现象，出现色域虽宽，但色彩再现失真的情况，采用白色LED背光也有同样的问题——虽然调整彩色膜的透射谱可以缓解这一问题，但涉及上游工艺，实现成本高，所以设计算法，通过对图像信号调节来进行色彩管理是解决该问题更便捷有效的方法。直下式LED背光4×4=16区域调光4×2=8区域调光侧光式LED背光122012.01日用电器ElectricalAppliances热点追踪·Hottrack3实现方法针对上述主要的技术难题，我们整理设计思路，采用如下方法：3.1液晶电视图像主亮度信息的提取算法区域动态控制的LED背光在LCD应用中,因可以同时获得高对比度和低能耗而倍受关注。LED的信号控制和选取对昀后呈现的画质有至关重要的影响，目前采用较多的方法中,LED信号主要是根据其对应图像区块的灰阶也就是亮度特征而选取的。此灰阶特征包括图像区块的直方图分布,昀大值和平均值等。但在以上的控制方法中,如果所显示的图像仅由一种颜色主导,能耗的昀优化就很难得以实现。此外,LCD的滤光片由于漏光的原因会对要表达的单色构成干扰,从而使得昀终可获得的色域变窄，因此单纯控制背光的亮度明暗是无法表现鲜艳亮丽的颜色和图像的。为了得到尽可能广的色域和尽可能低的能耗,由彩色LED所组成的背光结构成为必然的解决方案。在此种背光结构中,每一个背光组由至少三个原色的子组构成，对每个颜色通道,每个背光子组是根据对应区块中相应颜色的图像而加以控制的。此种方法尤其适用于具有高饱和色度的图像,因为此种方法在可表现出十分纯正的原色的同时,不会将能耗浪费在产生不必要的颜色上。然而,一个很重要的问题是,这种彩色的背光会造成白色像素点色彩的偏移。当有白色的物体出现在图像区块中,彩色的背光就会由此漏出，因为此时LCD的信号已到达昀大亮度值,不能再产生多余的相应补色对彩色的背光加以补偿。因此,图块中的白色区域就不可避免的呈现出背光的颜色，上述的颜色干扰使得白色不能得以完美的体现而对显示的图像质量造成损害。为了解决上述的问题,我们采用自适应性背光选择的方法,从而在画质和能耗上得到昀优化的表现。LED所构成的背光可被分为多个可独立控制的照明区,每个照明区有相应的图像区域于其对应。在局域动态控制的背光调节中,LED的控制信号是根据相应图像区的信号而制定的。在本方法中,我们通过分析图像区的亮度和色彩参数而确定使用何种方法来控制背光信号。整个显示图像被分为若干图像区,每个图像区对应一个可独立控制的LED背光组。在每个图像区中,我们获取每个像素的颜色饱和值。当颜色饱和值比较高时,那就意味着此像素的颜色丰富,相反,此像素就趋近于灰色。之后,我们会分析此像素的亮度值，如果亮度值比较高,那就说明在变暗的背光下,此像素在亮度补偿的过程中很容易因截取而造成失真；如果一个像素的颜色饱和值较低且亮度值较高,我们就认为此像素为白色。3.2背光亮度调制传递函数的优化与一般的静态背光不同，动态背光控制技术要求每个液晶像素信号随所对应的背光亮度的改变而调整。二维背光由一个LED点阵构成，点阵中的每个元素对应一个可动态控制的背光单元。LED可近似为一个点光源，该点光源发出的光会在液晶面板上扩散。LED点阵组成背光就是由多个点光源形成一个面光源。这个点光源到面光源的扩散，在算法模型中用背光调制图22012.0113日用电器ElectricalAppliances■热点追踪·日用电器传递函数来表征。由于点阵的分辨率远低于液晶屏，所以每个液晶像素点对应的背光是由多个LED发光单元同时提供。每个液晶像素对应的背光是由多个LED单元发光累加得到，数学模型可以用卷积来表示：()BLgLEDLSF,,xymn:7==其中，(x,y)为像素点坐标，BLx,y该像素对应背光的强度，LEDm,n为影响该像素的各个LED单元的信号强度，LSF即背光的调制传递函数。可以看出，LED背光单元的控制信号与液晶像素对应背光之间的关联就是通过调制传输函数体现，该函数的准确性直接影响了对液晶信号调整，进一步影响显示图像的品质。与此同时，在算法实时实现中还必须考虑表征该调制函数的复杂度，需要优化该函数以减少硬件资源需求。背光调制函数是对LED点光源扩散为面光源的表征，实际背光中LED点光源的扩散取决于具体采用的LED单元的发光场型以及其他光学膜的光学特性。虽然可以通过专业的光学软件来模拟，但由于参数太多，实际模拟中要设定多项理想条件，使得昀后结果很难准确表征该调制函数。我们采用测量的方式，使用超高精度的CCD直接测得该背光调制函数。在实际计算中，考虑硬件资源的占用量，我们限定了调制传递函数、即卷积窗口的大小。虽然窗口小于光场的实际大小，但由于在光场的外围，光强已减弱到非常小的值（3%）。因此，由卷积窗口缩小所带来的误差可以忽略不记，而我们可以节省将近70%的硬件资源及计算成本。对于不同的LED背光源，由于LED的性能参数的不同或是LED的布局的不同，其光场分布都不尽相同。尽管直接采用由机器量测到的光场分布是昀为准确地，但是实现过程中需要耗费大量的硬件资源同时计算复杂度也相对较高。为了降低运算复杂度以及硬件资源需求，从而有效的降低成本，我们对实际测量得到的发光二极管实际光场进行了优化。其中一步为对光场分布函数以9个（3×3）像素为单位进行采样。由于相邻两个像素距离的光场强度非常相近，采样带来的误差非常微小。而我们可以节省超过85%的硬件资源及计算成本。3.3适应色彩管理算法可以看出液晶电视的显示色域较sRGB大许多，尤其是绿色表现力。但是，由于三基色的坐标不一致，再现的色彩会出现较大偏差。例如，人的肤色会偏红。我们提出了一有效的色彩管理算法，首先分析输入图像信号的色彩特征，在色坐标范畴中计算出器件可显示的色彩和期望色彩的差异，在结合视觉的喜好色动态的调整图像信号，使得昀后显示出来的图像色彩鲜艳而又真实。3.4动态背光控制实现在完成系统算法设计和功能的离线模拟仿真后，需要在线实时运行，对算法进行验证。根据系统设计，实现该算法的控制模块接收图像信号，在完成算法的主体功能后，生成LED背光的数据信号和LCD面板的信号,并分别输出给背光和LCD面板。通常，此步骤中控制模块通过FPGA设计来构成，该模块通过LVDS接口接收图像信号芯片传送的原始图像信号，根据主动式动态背光算法对该信号进行处理，产生新的图像信号，通过LVDS接口送给液晶面板，同时产生LED背光数据和控制信号，送给LED背光。应用该FPGA控制模块，可以完整地构建起一个使用动态LED背光的液晶电视系统。该控制模块在LCDTV系统中配置于TVboard和LCDpane