高動態(tài)對比度液晶電視的實現(xiàn)

龔國友*

(成都工業(yè)學(xué)院 通信工程系，成都 611730)

目前液晶電視和顯示器使用的背光源已經(jīng)由CCFL(冷陰極熒光管)升級為LED(半導(dǎo)體發(fā)光二極管)，由于LED的電光效率不斷提高，LED已經(jīng)成為LCD背光源的主流［1］。電視圖像質(zhì)量涉及到的主要性能有:圖像清晰度、動態(tài)對比度、灰度等級、色彩還原性指標(biāo)燈。采用提高幀頻、插黑幀技術(shù)、ME/MC、提高背光源亮度等新技術(shù)［2］后，圖像質(zhì)量得到提高。但實踐表明，單純提高亮度，對比度指標(biāo)會變差，圖像的高清晰度非但未能得到還原，反而變得模糊，灰度等級指標(biāo)(表現(xiàn)為圖像層次感)不能滿足預(yù)期要求。

液晶面板廠家推出了3 840×2 160的超高清LCD面板，其分辨率是高清電視標(biāo)準(zhǔn)的4倍。這是實現(xiàn)高清晰度、高畫質(zhì)顯示的關(guān)鍵技術(shù)。本文在這一基礎(chǔ)技術(shù)之上研究其動態(tài)背光源技術(shù)，讓高畫質(zhì)展現(xiàn)在人們的眼簾中。

1 提高視頻圖像質(zhì)量的技術(shù)

為提高視頻圖像的質(zhì)量，在電路上所采用的主要技術(shù)有:提高幀頻、插黑幀的運動補償插黑技術(shù)、ME/MC(運動估計/運動補償)等技術(shù)，在液晶屏上所采用的技術(shù)就是提高響應(yīng)速度和增加物理顯示像素。響應(yīng)時間已從原來的20 ms提高到了2～5 ms，幀頻為120 Hz甚至240 Hz的液晶面板相繼出現(xiàn)。液晶面板的物理像素已經(jīng)從1 920×1 080提高到了3 840×2 160的超高清屏。

1.1 動態(tài)背光源技術(shù)

1.1.1 掃描式背光源技術(shù)

由于LED的電光效率大幅度提高并超過CCFL，同時LED的響應(yīng)速度很快，且為低電壓工作狀態(tài)，更容易被控制，所以LED作為具有高速響應(yīng)速度的掃描背光源成為可能。掃描式背光源的基本技術(shù)是在一幀圖像數(shù)據(jù)寫入面板時，采用電子顯像管的掃描原理，從視頻信號中取出亮度信號，將此信號按照所設(shè)置的LED個數(shù)進(jìn)行數(shù)字化處理，達(dá)到背光源的亮度隨視頻圖像信號的變化而變化，這樣能有效提高顯示對比度，特別是圖像動態(tài)對比度。但該技術(shù)控制電路復(fù)雜且成本較高，目前已很少采用。

1.1.2 區(qū)域亮度控制(LOCAL-DIMMING)技術(shù)原理

LED區(qū)域亮度控制技術(shù)是本文研究的重點。對比度是影響液晶電視和液晶顯示器顯示圖像的重要指標(biāo)之一，分為靜態(tài)對比度和動態(tài)對比度［3］。要增加對比度除了通過提高液晶屏的開口率和以上描述的技術(shù)以外，還可以根據(jù)圖像信號的亮度來實現(xiàn)背光源的動態(tài)亮度調(diào)節(jié)控制，即提高畫質(zhì)又降低功耗，一舉兩得。

液晶電視的背光源目前一般采用側(cè)發(fā)光式和直下式2種，本研究的區(qū)域亮度控制采用直下式［4］，圖1為LED直下式背光源液晶模組示意圖。

圖1 LED直下式背光源液晶模組示意圖

圖1中液晶面板的像素點的個數(shù):Np=V×H，LED的數(shù)量為:NL=M×Q。實際應(yīng)用中，NL?Np，即:液晶面板的像素點的個數(shù)遠(yuǎn)大于LED的數(shù)量。

區(qū)域動態(tài)背光控制技術(shù)是把所用顯示面板設(shè)置成N個區(qū)域，通過對圖像亮度信號進(jìn)行檢測分析，采用FPGA數(shù)字技術(shù)，計算出所設(shè)置的對應(yīng)區(qū)域的亮度值，亮度低的區(qū)域，相應(yīng)降低背光的亮度;亮度高的區(qū)域，相應(yīng)增大背光的亮度。采用該技術(shù)能夠有效地降低圖像暗場時的漏光問題，亮度指標(biāo)和對比度指標(biāo)都得以提高，實現(xiàn)對灰度等級的細(xì)分。實踐證明:液晶屏黑色的亮度能降低到0.05 nits以下，對比度指標(biāo)可以提高到10 000:1，甚至更高。另外從色域圖可以直接看出LED的色域要比CCFL的更寬，所以采用了LED背光源還能實現(xiàn)更加真實的圖像色彩還原性。該技術(shù)的實現(xiàn)效果如圖2所示。

圖2 區(qū)域動態(tài)背光對圖像對比度增強的示意圖

2 區(qū)域亮度控制技術(shù)的實現(xiàn)

由于采用貼片式LED作為背光源，所以科學(xué)地設(shè)置LED排列和驅(qū)動方式，是有效提高液晶電視畫質(zhì)的關(guān)鍵。

2.1 LED 分區(qū)設(shè)計

圖3 LED背光源平面示意圖

怎樣進(jìn)行分區(qū)，分區(qū)的大小多少，LED的數(shù)量多少，都是影響提高液晶電視畫質(zhì)的重要因素。我們以106.68 cm液晶電視為例，從對比度、顯示效果、驅(qū)動成本、算法復(fù)雜性來考慮，經(jīng)過多次試驗，認(rèn)為LED背光區(qū)域分為45個左右為較佳。

LED分區(qū)形狀按照矩形或正方形來設(shè)計，本例中小區(qū)內(nèi)的4個LED串聯(lián)，小區(qū)內(nèi)每個LED的電流相同、亮度變化保持一致。圖3為本例LED背光源平面示意圖。

2.2 LED分區(qū)動態(tài)控制原理

為實現(xiàn)分區(qū)動態(tài)背光控制，我們采用 FPGA LFXP2-8E控制算法，并在實際應(yīng)用中經(jīng)過多次試驗和改善。實驗硬件平臺仍以106.68 cm液晶電視為例，背光源LED按照5×9分區(qū)，按照控制算法經(jīng)過反復(fù)調(diào)試和實際驗證。分區(qū)動態(tài)控制系統(tǒng)框圖如圖4所示，F(xiàn)PGA采用SPI(Serial Peripheral Interface)方式訪問控制背光驅(qū)動模塊［5］，接收從主板輸出的LVDS(Low Voltage Differential Signal，低壓差信號)格式的圖像視頻數(shù)據(jù)信號，經(jīng)處理后，一路圖像數(shù)據(jù)信號(LVDS)輸出給Tcon(液晶驅(qū)動電路)板，另一路信號(LVDS)去控制背光源。背光分區(qū)動態(tài)控制算法的軟件平臺主要有:用于算法模塊的輸入、綜合、適配、時序分析及硬件配置等功能的Quartus 2 vertion 7.2軟件;用于模塊的功能、時序仿真的modelsim SE 6.1f軟件。

圖4 LED分區(qū)動態(tài)控制系統(tǒng)框圖

圖5 LED背光源結(jié)構(gòu)及其裝配示意圖

圖6 LED分區(qū)示意圖

3 分區(qū)控制背光源應(yīng)用及測試

3.1 LED選擇及分區(qū)

目前原始LED的最大散射角為120°，不能滿足5×9的分區(qū)排列方式，會出現(xiàn)光柵不均勻的情況;如果增加LED的數(shù)量又會提高調(diào)試的復(fù)雜度并大幅度增大功耗。因此，本實驗選用帶角度放大鏡的LED組合件(如圖5所示)，角度放大鏡是無源器件，其目的是將原始LED小于120°的散射角增大到170°，試驗表明:采用帶角度放大鏡的LED組合件既提高了背光源的亮度均勻性，又降低背光源光室的厚度。帶角度放大鏡的LED組合件的主要參數(shù)如表1所示，其分區(qū)圖如圖6所示。

表1 帶角度放大鏡的LED的主要參數(shù)

3.2 測試結(jié)果

主要參數(shù)測試情況如表2所示。

表2 主要參數(shù)測試情況

本實驗中，用動態(tài)LED背光源的液晶電視機(jī)對高清(1 920×1 080 P)動態(tài)圖像、數(shù)字信息、靜態(tài)高清圖片等節(jié)目進(jìn)行了播放。從主觀評價來看，靜態(tài)和動態(tài)圖像清晰度很高、層次感明顯加強，動態(tài)圖像和靜態(tài)圖片的景深很深、層次清晰。動態(tài)對比度測試指標(biāo)最高達(dá)到1 000 000∶1。與CCFL背光源的電視進(jìn)行比對，表現(xiàn)出圖像的色彩還原性即真實又鮮艷。用電度計量表對LED背光源的功率進(jìn)行了動態(tài)監(jiān)測，統(tǒng)計計算的平均節(jié)能效果達(dá)到50%以上。

4 結(jié)語

針對液晶電視的直下式LED背光源技術(shù)，按照分區(qū)動態(tài)控制算法，大幅度提高了液晶顯示的對比度，特別是動態(tài)對比度，將電視機(jī)的灰度等級進(jìn)一步提高，從而提高了圖像和圖片的顯示質(zhì)量。按此設(shè)計并經(jīng)實驗證明節(jié)約電能的效果非常明顯，106.68 cm的電視機(jī)可以做到僅耗電45 W左右。由此可見，動態(tài)背光源控制技術(shù)是液晶電視進(jìn)一步提高畫質(zhì)和節(jié)能的發(fā)展方向。

以上所述僅為一項硬件和軟件的實驗，要真正實現(xiàn)產(chǎn)品化，還有許多工作要進(jìn)行，如:隨著LED電光效率的進(jìn)一步提高，在LED的選取上應(yīng)更注重其實用性和低功耗;在背光源的布局上和算法上應(yīng)更簡單實用。

［1］黃國鵬.大尺寸LED背光液晶電視動態(tài)控制系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)與算法研究［D］.青島:中國海洋大學(xué)，2009.

［2］汪敏，夏咸軍.新型LED背光源技術(shù)及應(yīng)用［J］.光電子技術(shù)，2005，25(4):267 －270.

［3］龔國友.液晶電視動態(tài)LED背光源技術(shù)及其應(yīng)用［J］.價值工程，2011(28):135－136.

［4］梁萌，王國宏，范曼寧，等.LCD－TV用直下式LED背光源的光學(xué)設(shè)計［J］.液晶與顯示，2007，22(1):42 －46.

［5］陳興鋒.液晶電視分區(qū)動態(tài)控制LED背光源的研究與實現(xiàn)［D］.青島:中國海洋大學(xué)，2009.