HDR技術(shù)在液晶顯示中的研究與實現(xiàn)

摘要：當(dāng)前HDR是最熱門的先進顯示技術(shù)之一，我國是液晶面板制造大國，研究HDR技術(shù)在LCD顯示中的應(yīng)用具有重要的意義。文章介紹了HDR圖像定義，對比全局映射算法、局部映射算法以及混合全局與局部算法三種色調(diào)映射算法各自特點分析了HDR顯示相關(guān)技術(shù)標準，提出了直下式LED背光分區(qū)后使用PWM+直流雙驅(qū)動精準控光技術(shù)提高顯示器亮度范圍。

關(guān)鍵詞：HDR；LCD；色調(diào)映射；LED背光；Dobly Vision；HDR10 文獻標識碼：A

中圖分類號：TP391 文章編號：1009-2374（2017）07-0086-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.07.040

眾所周知，高動態(tài)范圍圖像（High Dynamic Range，HDR）技術(shù)可以展現(xiàn)出圖像畫面中高亮和低暗部分更多的圖像細節(jié)，拓展了屏幕顯示的亮度范圍。目前，HDR是顯示行業(yè)中最熱門的先進技術(shù)之一。相對于UHD超高清技術(shù)提升顯示畫面的像素數(shù)量而言，HDR技術(shù)提升了顯示畫面的像素質(zhì)量，所產(chǎn)生的視覺提升效果更加明顯，已經(jīng)成為繼UHD超高清之后的發(fā)展方向。伴隨著科技水平的進步，先后成功研制出以基于有機物的電致發(fā)光顯示（OLED）、量子點發(fā)光二極管顯示（QD-LED）等為代表的新一代顯示器件，但尚未成熟和普及，液晶（LCD）目前仍是平板顯示產(chǎn)業(yè)的主流技術(shù)。我國先后投入上萬億元資金，建設(shè)幾十條LCD面板生產(chǎn)線，已經(jīng)成為全球LCD制造大國。因此，研究HDR技術(shù)在LCD顯示中的應(yīng)用具有重要意義。

1 HDR圖像概述

圖像的動態(tài)范圍一般是指圖像的對比度，即畫面景物中最亮部位與最暗部位的亮度比值。如圖1所示，白天在陽光直照下的物體光亮可達105cd/m2，而在極暗的黑夜中亮度則低至10-5cd/m2，自然界中場景范圍大致為1010，具有很廣的亮度范圍。人眼的視覺感知范圍沒有那么寬，當(dāng)適應(yīng)了某一環(huán)境亮度后，在同一瞳孔開度下可辨別的瞬時亮度范圍約為104。以LCD為代表的常規(guī)顯示器對比度范圍不到103，小于人眼視覺的感知。所以，從LCD顯示器上看到的僅僅是一個用屏幕表現(xiàn)的圖像，而非真實世界自然場景。

傳統(tǒng)的圖像信號格式，通常使用RGB彩色模型，每個彩色通道使用8bit整型數(shù)據(jù)表示不同的圖像信息，具有256個亮度級別。圖像場景，只能表現(xiàn)極其有限的動態(tài)范圍。用這種低動態(tài)范圍（LDR）技術(shù)生成的圖像，亮度比值為255∶1，圖像精度很低，只能描述圖像中有限的細節(jié)信息。

HDR圖像（視頻）顯示方式大致分為兩種：一種是通過色調(diào)映射技術(shù)（Tone Mapping）先對HDR圖像進行壓縮，然后在普通顯示器上顯示；另一種是對HDR圖像不做處理，直接在HDR顯示器上顯示，要求該顯示器顯示圖像的動態(tài)范圍必須符合HDR要求。當(dāng)前，通用型LCD顯示器的亮度可以達到400cd/m2左右，專業(yè)型LCD顯示器的亮度可以達到l000cd/m2，而特種型LCD顯示器可實現(xiàn)4000～5000cd/m2的亮度。若單方面提高顯示器件的亮度范圍以滿足HDR圖像顯示要求，其設(shè)備成本極其昂貴。而色調(diào)映射技術(shù)可以通過對圖像信號進行映射處理，將高動態(tài)范圍的自然場景變換到普通顯示器的顯示范圍內(nèi)，使其顯示出HDR圖像。現(xiàn)有的色調(diào)映射算法已較成熟，因此研究色調(diào)映射技術(shù)實現(xiàn)HDR圖像在LCD上顯示具有實用意義。

2 HDR的顯示技術(shù)

2.1 HDR圖像的色調(diào)映射

HDR顯示技術(shù)，實質(zhì)就是在盡量保留原圖的視覺效果和重要信息的前提下，將高動態(tài)范圍的亮度和顏色壓縮到低動態(tài)的范圍內(nèi)，并盡可能減少產(chǎn)生圖像瑕疵的一種方法。一般將該技術(shù)稱為色調(diào)映射或色階重建。根據(jù)映射的不同方式分為全局映射、局部映射以及全局與局部混合的三種算法。全局映射也被稱作全局空間無關(guān)算法，是指不考慮圖像中各個像素點的位置，對所有像素點直接使用預(yù)先設(shè)置的固定不變的映射函數(shù)進行壓縮處理。它的優(yōu)點是算法簡單，在對圖像信號進行快速處理后能夠充分體現(xiàn)出整體畫面明暗效果；它的缺點是處理復(fù)雜場景的效果不太理想，容易丟失圖像細節(jié)。這類算法中具有代表性的有線性壓縮、gamma校正和直方圖均衡化以及直方圖調(diào)整算法。其中，直方圖調(diào)整算法的效果最好。局部映射也被稱作局部空間相關(guān)算法，是指在考慮像素點位置信息的前提下設(shè)置像素的亮度數(shù)值，即結(jié)合像素之間相互影響因素對圖像亮度進行處理。它的優(yōu)點是保留了具有圖像局部特征的大量信息，畫面細節(jié)部分處理效果較好，缺點是增加了算法難度。這類算法中具有代表性的有攝影色調(diào)映射算法、帶色彩恢復(fù)的多尺度算法以及基于iCAM6模型的HDR壓縮算法等。

全局與局部混合算法結(jié)合了以上兩種算法各自的優(yōu)點，不僅對圖像整體畫面明暗效果把握得當(dāng)，還能夠體現(xiàn)出圖像細節(jié)部分的信息，但是需要付出增加算法復(fù)雜程度的代價。

2.2 HDR液晶顯示

如前文所述，普通顯示器的亮度范圍較低，因此開發(fā)出具有高動態(tài)范圍的顯示器實現(xiàn)HDR圖像顯示是值得研究的課題。目前，基于LCD面板的HDR顯示器一般采用了雙屏系統(tǒng)設(shè)計方案，主要包括兩種：一種方案是采用DLP+LCD雙屏顯示，其圖像顯示的動態(tài)范圍可高達到54000∶1，但這種設(shè)備不僅造價高而且體積大，缺乏實用價值，難以推廣應(yīng)用；另一種方案采用LED+LCD的雙屏顯示，以LED作為背光源，采用直下式出光方式，將兩屏顯示效果疊加后提高顯示器的動態(tài)范圍。第二種是目前常見的方案，它對現(xiàn)有的LCD顯示設(shè)備改造工作量少，技術(shù)復(fù)雜程度低，容易實現(xiàn)。

還有一種簡單的實施方案，不需要構(gòu)建很復(fù)雜的硬件系統(tǒng)，僅在普通LCD顯示屏上通過結(jié)合幀率倍頻技術(shù)等措施，優(yōu)化對圖像處理的軟件算法后，即可提升用戶對圖像顯示畫面的主觀視覺感受。該方案使用插幀的軟件算法，將插入幀分成若干子區(qū)域，各個子區(qū)域的亮度不同，與該子區(qū)域顯示的圖像畫面內(nèi)容相關(guān)，以“低暗壓縮、高亮提升、中間保持”的特性函數(shù)分別對插入幀各個子區(qū)域進行映射處理，再利用人眼的視覺暫留特性，將插入幀與原圖幀以倍頻方式播放，顯示圖像暗處更暗、亮處更亮，從而獲得更高的主觀感受視覺效果。

2.3 HDR技術(shù)標準

HDR顯示技術(shù)中，電光轉(zhuǎn)換函數(shù)（EOTF）和光電轉(zhuǎn)換函數(shù)（OETF）的定義非常重要。它們是一種電與光兩種信號之間實現(xiàn)相互轉(zhuǎn)換的規(guī)則。在電視系統(tǒng)中，OETF函數(shù)規(guī)定了在圖像采集端攝像后對圖像信號采用非線性數(shù)字編碼的匹配特性，而EOTF函數(shù)規(guī)定了在圖像顯示端對圖像信號采用（逆）非線性數(shù)字編碼后顯示圖像的匹配特性。這兩種非線性匹配特性最初是以早期CRT的顯示特性為基礎(chǔ)制定的光電轉(zhuǎn)換標準，目的是讓顯示屏幕在不同亮度等級上獲得一致噪聲效果。當(dāng)年，CRT所能提供的最高亮度約為100cd/m2。因此，該標準限制了新型顯示器表現(xiàn)真實景物亮度范圍的能力。

當(dāng)前，已有一些國際知名公司（例如杜比、BBC、NHK和Philip等）分別提出了各自的HDR顯示技術(shù)標準。這些HDR技術(shù)標準是根據(jù)實際需求制定出新型的EOTF或OETF轉(zhuǎn)換函數(shù)，有的標準甚至可以實現(xiàn)10000cd/m2的亮度，從而有效地拓展圖像顯示的動態(tài)范圍。這些新的轉(zhuǎn)換函數(shù)取代了CRT時代使用的伽馬曲線，比較著名的技術(shù)標準包括：美國杜比公司的Dobly Vision，它提出了感知量化編碼（perceptual quantizer，PQ）；由英國BBC和日本NHK聯(lián)合研發(fā)的對數(shù)伽馬分布（Hybrid Log Gamma，HLG）等。

Dobly Vision最高采用12bit色深，亮度范圍覆蓋10-3～104cd/m2，實現(xiàn)高達107動態(tài)范圍。該標準根據(jù)人眼對顯示屏幕亮度分辨的閾值設(shè)定編碼量化位數(shù)，滿足人眼在視覺上的生理和心理兩方面的需求。杜比的PQ是一種顯示端具有非線性變換特性的EOTF轉(zhuǎn)換函數(shù)，它與圖像采集端攝像時采用的OETF轉(zhuǎn)換函數(shù)沒有關(guān)聯(lián)，僅考慮了對圖像信號編碼量化和人眼對亮度分辨率的關(guān)系。

BBC與NHK聯(lián)合提出的HLG方案，包括了圖像采集端的OETF函數(shù)和圖像顯示端的EOTF函數(shù)。它分別對HDR圖像信號中包含的高亮和低亮部分采用了兩種不同的函數(shù)關(guān)系進行處理。其中，對圖像中低亮的部分沿用了CRT時代的標準伽馬曲線（Rec.709），對于圖像中亮度超過100cd/m2的高亮部分使用了一種對數(shù)曲線，這樣可以兼容普通動態(tài)范圍（SDR）超高清電視。這種轉(zhuǎn)換特性比杜比PQ的更簡單，但需要考慮到電視信號從產(chǎn)生到顯示的整條信號鏈。目前，日本在擴展圖像動態(tài)范圍電視（EIDRTV）系統(tǒng)中已將HLG方案作為日本無線工業(yè)及商貿(mào)聯(lián)合會（ARIB）的標準。

杜比公司擁有整套Dobly Vision方案專利，其內(nèi)容、播放源、顯示設(shè)備都必須符合杜比Vision標準。每個顯示設(shè)備都帶有一塊專用芯片來檢測確認此設(shè)備的圖像輸出性能（包括亮度、色彩空間等），并將這些數(shù)據(jù)回傳給信號源設(shè)備。信號源設(shè)備根據(jù)這些數(shù)據(jù)進行逐幀輸出優(yōu)化，兼顧顯示設(shè)備能力的同時盡量保持原始信號的完整度。為了節(jié)約支付Dolby專利費用，提升對于自身產(chǎn)品的控制權(quán)，Samsung、SONY、LG等家電大廠希望擁有開放的技術(shù)標準平臺，他們自己開發(fā)出對于HDR圖像的處理方案，即HDR10標準。HDR10是建立在與Dolby Vision相同的PQ核心技術(shù)上，在亮度和顏色等方面選用與Dolby Vision標準相近的參數(shù)。兩項技術(shù)最主要的差別在于顯示終端對于HDR內(nèi)容的處理。HDR10并沒有專屬芯片來監(jiān)測和反饋顯示設(shè)備狀態(tài)，所以信源設(shè)備無法根據(jù)顯示設(shè)備的性能差異實施調(diào)整。HDR10最高支持10bit色深。HDR10的播放圖像時還原準確性比Dobly Vision要略差一些。

3 HDR圖像在液晶顯示中的實現(xiàn)

和OLED主動發(fā)光的工作機理不同，LCD屬于被動發(fā)光顯示器件，LCD屏幕顯示亮度范圍往往取決于背光亮度范圍。因此，要大幅度提升LCD顯示器亮度的主要手段是通過提高背光亮度實現(xiàn)的。在直下式液晶顯示器中，采用全新的高性能LED組成背光源，使用動態(tài)背光+精準局域控光方案可以在LCD顯示中實現(xiàn)HDR圖像效果。

背光源是一個相對獨立的單元，直下式LED背光源位于LCD面板背部，通常向LCD顯示屏提供亮度均勻的恒定光源。因為液晶的工作機理造成LCD面板存在漏光現(xiàn)象，使用這種亮度均勻的背光在LCD顯示器顯示圖像較暗區(qū)域時亮度無法達到零值，因此會降低LCD顯示器圖像對比度。對直下式LED背光劃分若干區(qū)域，依據(jù)每個區(qū)域?qū)?yīng)顯示圖像內(nèi)容的亮度控制該區(qū)域背光大小，這種對LED背光實施局部控光（Local Dimming）的技術(shù)可以提高LCD顯示亮度范圍。

圖2是一種典型的背光源局部控光方案的系統(tǒng)架構(gòu)示意圖。為了確保來自外部輸入的視頻信號能夠同時到達LED背光板和LCD面板，使用視頻分配器將該信號一分為二：一路視頻信號經(jīng)由原系統(tǒng)中LCD面板驅(qū)動單元正常顯示圖像；另一路由液晶驅(qū)動板把接收到的視頻信號進行數(shù)字化處理后送入邏輯板解析出圖像像素的行/列地址、RGB數(shù)據(jù)以及其他控制信號，再送至背光驅(qū)動模塊映射為背光的行、列地址和亮度信息后再驅(qū)動背光源中各個區(qū)域的LED發(fā)光，完成每個背光區(qū)域LED亮度與顯示圖像動態(tài)匹配，實現(xiàn)控制對應(yīng)區(qū)域的LED背光的亮度。

為了提高局部控光的精準水平，可以增加背光分區(qū)的數(shù)量。但分區(qū)數(shù)量增加過多，會提高了背光驅(qū)動和控制電路系統(tǒng)的復(fù)雜程度。通過優(yōu)化區(qū)域調(diào)光的算法也能提高局部控光精準水平。

目前，常用的區(qū)域調(diào)光的算法是基于LED的驅(qū)動電流大小保持恒定不變，依據(jù)圖像畫面內(nèi)容的亮度信息通過改變PWM占比實現(xiàn)對LED驅(qū)動電流的控制。由于實際顯示的圖像內(nèi)容不太可能是全白信號（測試信號除外），采用這種做法，在絕大多數(shù)時間內(nèi)LED驅(qū)動電流PWM占比小于100%，背光亮度達不到最大值。因此，區(qū)域調(diào)光提升圖像顯示的動態(tài)范圍仍有潛在空間，可以通過進一步優(yōu)化算法實現(xiàn)。在保留改變背光驅(qū)動電流PWM占比的同時，還可以利用LED電流驅(qū)動的發(fā)光特性，根據(jù)圖像畫面內(nèi)容動態(tài)調(diào)整LED驅(qū)動電流的大小，使得LED背光在顯示圖像黑暗場景時更黑，在顯示圖像高亮場景時瞬間更亮。這種PWM+直流雙驅(qū)動精準控光技術(shù)可以進一步提高顯示畫面的動態(tài)范圍，不僅能增強圖像顯示效果，還能進繼續(xù)降低功耗。

LED的發(fā)光特性如圖3中左圖所示，在線性區(qū)內(nèi)，LED的發(fā)光亮度隨驅(qū)動電流的增加而增加，當(dāng)LED狀態(tài)進入飽和區(qū)后，其發(fā)光亮度基本保持穩(wěn)定。在給LED加載的驅(qū)動電流沒有超出其最大限值的條件下，一旦驅(qū)動電流超出額定值后，LED會瞬間爆亮，發(fā)光強度超過其額定狀態(tài)，然后再回落，直至下降到其飽和狀態(tài)的額定亮度（見圖3中左圖亮度變化曲線的虛線部分）。利用LED這種發(fā)光的沖擊爆亮效應(yīng)，可以進一步優(yōu)化區(qū)域調(diào)光算法，在保留PWM占空比調(diào)整的基礎(chǔ)上，增加動態(tài)驅(qū)動電流調(diào)整機制。這種新型區(qū)域調(diào)光算法利用LED短期瞬態(tài)過流驅(qū)動，可以獲得更高的峰值亮度，實現(xiàn)更廣的圖像動態(tài)范圍。這種新的動態(tài)背光調(diào)整機制的示意圖如圖3的右圖所示，具體的調(diào)整機制如下：（1）在圖像的灰度部分，利用PWM占空比可以線性且精細調(diào)整背光亮度，產(chǎn)生與圖像內(nèi)容相匹配的背光；（2）在圖像內(nèi)容有瞬態(tài)高亮部分，利用LED瞬態(tài)過流驅(qū)動產(chǎn)生的沖擊爆亮效應(yīng)使得圖像產(chǎn)生更高的峰值亮度；（3）在圖像的黑暗部分，降低LED電流甚至關(guān)閉LED背光，使得圖像產(chǎn)生更加黑暗的效果。

為了實現(xiàn)這種新的算法，需要對現(xiàn)有的背光驅(qū)動電路進行升級改造。熊貓電子集團公司曾在2014年提出過一種新型的背光驅(qū)動電流的調(diào)整電路。圖4是這種新型LED背光驅(qū)動控制電路示意圖，它是以圖像處理芯片內(nèi)部軟件調(diào)整方式，改變背光驅(qū)動集成電路端口ISET上控制信號的PWM占空比，完成對LED背光驅(qū)動電流大小的調(diào)整；改變背光驅(qū)動集成電路端口PWM上控制信號的PWM占比，完成對LED背光驅(qū)動電流的PWM占比調(diào)整。該電路為以軟件算法實現(xiàn)PWM+直流雙驅(qū)動調(diào)整背光電流大小提供了一種具體的思路和技術(shù)方案。

4 結(jié)語

在消費電子、醫(yī)療、軍事等諸多領(lǐng)域中，HDR技術(shù)可以實現(xiàn)顯示高動態(tài)細節(jié)圖像，具有很高的技術(shù)研究價值和應(yīng)用前景，是未來發(fā)展的必然趨勢。

顯示出的HDR圖像，動態(tài)范圍更廣，畫面細節(jié)更多，臨場觀賞感更強。HDR技術(shù)在液晶顯示領(lǐng)域已成為研究熱點。提高背光亮度可以提高LCD顯示的亮度，但會增加功耗。本文提出的新型PWM+直流雙驅(qū)動機制的LED動態(tài)背光控制方案可以很好地解決亮度與功耗之間的矛盾。

參考文獻

[1] 萬曉霞，謝德紅，甘朝華，張蜻.基于顏色視覺的高動態(tài)范圍圖像壓縮算法[J].中國印刷與包裝研究，2014，16（1）.

[2] 李曉光，沈蘭蓀，林健文.一種高動態(tài)范圍圖像可視化算法[J].計算機應(yīng)用研究，2014，7（14）.

[3] 付華東，黃哲.HDR技術(shù)與區(qū)域調(diào)光算法[J].廣播電視信息，2016，294（10）.

[4] 劉明.一種背光驅(qū)動電流的調(diào)整裝置及其方法[P].中國專利：201410537558.3，2016.

作者簡介：劉明（1974-），男，南京中電熊貓家電有限公司研發(fā)中心高級工程師，碩士，研究方向：新一代平板顯示智能影音系統(tǒng)。

（責(zé)任編輯：蔣建華）