HDR技術(shù)在液晶顯示中的研究與實(shí)現(xiàn)

劉 明

（南京中電熊貓家電有限公司研發(fā)中心，江蘇 南京 210038）

HDR技術(shù)在液晶顯示中的研究與實(shí)現(xiàn)

劉 明

（南京中電熊貓家電有限公司研發(fā)中心，江蘇 南京 210038）

當(dāng)前HDR是最熱門(mén)的先進(jìn)顯示技術(shù)之一，我國(guó)是液晶面板制造大國(guó)，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(duì)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(diǎn)分析了HDR顯示相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，提出了直下式LED背光分區(qū)后使用PWM+直流雙驅(qū)動(dòng)精準(zhǔn)控光技術(shù)提高顯示器亮度范圍。

HDR；LCD；色調(diào)映射；LED背光；Dobly Vision；HDR10

眾所周知，高動(dòng)態(tài)范圍圖像（High Dynamic Range，HDR）技術(shù)可以展現(xiàn)出圖像畫(huà)面中高亮和低暗部分更多的圖像細(xì)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(mén)的先進(jìn)技術(shù)之一。相對(duì)于UHD超高清技術(shù)提升顯示畫(huà)面的像素?cái)?shù)量而言，HDR技術(shù)提升了顯示畫(huà)面的像素質(zhì)量，所產(chǎn)生的視覺(jué)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(jìn)步，先后成功研制出以基于有機(jī)物的電致發(fā)光顯示（OLED）、量子點(diǎn)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(guó)先后投入上萬(wàn)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(guó)。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(dòng)態(tài)范圍一般是指圖像的對(duì)比度，即畫(huà)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(yáng)光直照下的物體光亮可達(dá)105cd/m2，而在極暗的黑夜中亮度則低至10-5cd/m2，自然界中場(chǎng)景范圍大致為1010，具有很廣的亮度范圍。人眼的視覺(jué)感知范圍沒(méi)有那么寬，當(dāng)適應(yīng)了某一環(huán)境亮度后，在同一瞳孔開(kāi)度下可辨別的瞬時(shí)亮度范圍約為104。以LCD為代表的常規(guī)顯示器對(duì)比度范圍不到103，小于人眼視覺(jué)的感知。所以，從LCD顯示器上看到的僅僅是一個(gè)用屏幕表現(xiàn)的圖像，而非真實(shí)世界自然場(chǎng)景。

圖1 自然場(chǎng)景亮度范圍

傳統(tǒng)的圖像信號(hào)格式，通常使用RGB彩色模型，每個(gè)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(gè)亮度級(jí)別。圖像場(chǎng)景，只能表現(xiàn)極其有限的動(dòng)態(tài)范圍。用這種低動(dòng)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(xì)節(jié)信息。

HDR圖像（視頻）顯示方式大致分為兩種：一種是通過(guò)色調(diào)映射技術(shù)（Tone Mapping）先對(duì)HDR圖像進(jìn)行壓縮，然后在普通顯示器上顯示；另一種是對(duì)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(dòng)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(dá)到400cd/m2左右，專(zhuān)業(yè)型LCD顯示器的亮度可以達(dá)到l000cd/m2，而特種型LCD顯示器可實(shí)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(guò)對(duì)圖像信號(hào)進(jìn)行映射處理，將高動(dòng)態(tài)范圍的自然場(chǎng)景變換到普通顯示器的顯示范圍內(nèi)，使其顯示出HDR圖像?，F(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(shí)現(xiàn)HDR圖像在LCD上顯示具有實(shí)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(shí)質(zhì)就是在盡量保留原圖的視覺(jué)效果和重要信息的前提下，將高動(dòng)態(tài)范圍的亮度和顏色壓縮到低動(dòng)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(chēng)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(chēng)作全局空間無(wú)關(guān)算法，是指不考慮圖像中各個(gè)像素點(diǎn)的位置，對(duì)所有像素點(diǎn)直接使用預(yù)先設(shè)置的固定不變的映射函數(shù)進(jìn)行壓縮處理。它的優(yōu)點(diǎn)是算法簡(jiǎn)單，在對(duì)圖像信號(hào)進(jìn)行快速處理后能夠充分體現(xiàn)出整體畫(huà)面明暗效果；它的缺點(diǎn)是處理復(fù)雜場(chǎng)景的效果不太理想，容易丟失圖像細(xì)節(jié)。這類(lèi)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(chēng)作局部空間相關(guān)算法，是指在考慮像素點(diǎn)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(duì)圖像亮度進(jìn)行處理。它的優(yōu)點(diǎn)是保留了具有圖像局部特征的大量信息，畫(huà)面細(xì)節(jié)部分處理效果較好，缺點(diǎn)是增加了算法難度。這類(lèi)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(diǎn)，不僅對(duì)圖像整體畫(huà)面明暗效果把握得當(dāng)，還能夠體現(xiàn)出圖像細(xì)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(jià)。

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(kāi)發(fā)出具有高動(dòng)態(tài)范圍的顯示器實(shí)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(jì)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(dòng)態(tài)范圍可高達(dá)到54000∶1，但這種設(shè)備不僅造價(jià)高而且體積大，缺乏實(shí)用價(jià)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(dòng)態(tài)范圍。第二種是目前常見(jiàn)的方案，它對(duì)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(shí)現(xiàn)。

還有一種簡(jiǎn)單的實(shí)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(guò)結(jié)合幀率倍頻技術(shù)等措施，優(yōu)化對(duì)圖像處理的軟件算法后，即可提升用戶對(duì)圖像顯示畫(huà)面的主觀視覺(jué)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(gè)子區(qū)域的亮度不同，與該子區(qū)域顯示的圖像畫(huà)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(duì)插入幀各個(gè)子區(qū)域進(jìn)行映射處理，再利用人眼的視覺(jué)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(jué)效果。

2.3 HDR技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

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(hào)之間實(shí)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(duì)圖像信號(hào)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(duì)圖像信號(hào)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(biāo)準(zhǔn)，目的是讓顯示屏幕在不同亮度等級(jí)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(biāo)準(zhǔn)限制了新型顯示器表現(xiàn)真實(shí)景物亮度范圍的能力。

當(dāng)前，已有一些國(guó)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(biāo)準(zhǔn)。這些HDR技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)實(shí)際需求制定出新型的EOTF或OETF轉(zhuǎn)換函數(shù)，有的標(biāo)準(zhǔn)甚至可以實(shí)現(xiàn)10000cd／m2的亮度，從而有效地拓展圖像顯示的動(dòng)態(tài)范圍。這些新的轉(zhuǎn)換函數(shù)取代了CRT時(shí)代使用的伽馬曲線，比較著名的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)包括：美國(guó)杜比公司的Dobly Vision，它提出了感知量化編碼（perceptual quantizer，PQ）；由英國(guó)BBC和日本NHK聯(lián)合研發(fā)的對(duì)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(shí)現(xiàn)高達(dá)107動(dòng)態(tài)范圍。該標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)人眼對(duì)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(jué)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(shí)采用的OETF轉(zhuǎn)換函數(shù)沒(méi)有關(guān)聯(lián)，僅考慮了對(duì)圖像信號(hào)編碼量化和人眼對(duì)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(duì)HDR圖像信號(hào)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(jìn)行處理。其中，對(duì)圖像中低亮的部分沿用了CRT時(shí)代的標(biāo)準(zhǔn)伽馬曲線（Rec.709），對(duì)于圖像中亮度超過(guò)100cd／m2的高亮部分使用了一種對(duì)數(shù)曲線，這樣可以兼容普通動(dòng)態(tài)范圍（SDR）超高清電視。這種轉(zhuǎn)換特性比杜比PQ的更簡(jiǎn)單，但需要考慮到電視信號(hào)從產(chǎn)生到顯示的整條信號(hào)鏈。目前，日本在擴(kuò)展圖像動(dòng)態(tài)范圍電視（EIDRTV）系統(tǒng)中已將HLG方案作為日本無(wú)線工業(yè)及商貿(mào)聯(lián)合會(huì)（ARIB）的標(biāo)準(zhǔn)。

杜比公司擁有整套Dobly Vision方案專(zhuān)利，其內(nèi)容、播放源、顯示設(shè)備都必須符合杜比Vision標(biāo)準(zhǔn)。每個(gè)顯示設(shè)備都帶有一塊專(zhuān)用芯片來(lái)檢測(cè)確認(rèn)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(hào)源設(shè)備。信號(hào)源設(shè)備根據(jù)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行逐幀輸出優(yōu)化，兼顧顯示設(shè)備能力的同時(shí)盡量保持原始信號(hào)的完整度。為了節(jié)約支付Dolby專(zhuān)利費(fèi)用，提升對(duì)于自身產(chǎn)品的控制權(quán)，Samsung、SONY、LG等家電大廠希望擁有開(kāi)放的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)，他們自己開(kāi)發(fā)出對(duì)于HDR圖像的處理方案，即HDR10標(biāo)準(zhǔn)。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(biāo)準(zhǔn)相近的參數(shù)。兩項(xiàng)技術(shù)最主要的差別在于顯示終端對(duì)于HDR內(nèi)容的處理。HDR10并沒(méi)有專(zhuān)屬芯片來(lái)監(jiān)測(cè)和反饋顯示設(shè)備狀態(tài)，所以信源設(shè)備無(wú)法根據(jù)顯示設(shè)備的性能差異實(shí)施調(diào)整。HDR10最高支持10bit色深。HDR10的播放圖像時(shí)還原準(zhǔn)確性比Dobly Vision要略差一些。

3 HDR圖像在液晶顯示中的實(shí)現(xiàn)

和OLED主動(dòng)發(fā)光的工作機(jī)理不同，LCD屬于被動(dòng)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(guò)提高背光亮度實(shí)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(dòng)態(tài)背光＋精準(zhǔn)局域控光方案可以在LCD顯示中實(shí)現(xiàn)HDR圖像效果。

背光源是一個(gè)相對(duì)獨(dú)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?yàn)橐壕У墓ぷ鳈C(jī)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(shí)亮度無(wú)法達(dá)到零值，因此會(huì)降低LCD顯示器圖像對(duì)比度。對(duì)直下式LED背光劃分若干區(qū)域，依據(jù)每個(gè)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(duì)LED背光實(shí)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(lái)自外部輸入的視頻信號(hào)能夠同時(shí)到達(dá)LED背光板和LCD面板，使用視頻分配器將該信號(hào)一分為二：一路視頻信號(hào)經(jīng)由原系統(tǒng)中LCD面板驅(qū)動(dòng)單元正常顯示圖像；另一路由液晶驅(qū)動(dòng)板把接收到的視頻信號(hào)進(jìn)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(hào)，再送至背光驅(qū)動(dòng)模塊映射為背光的行、列地址和亮度信息后再驅(qū)動(dòng)背光源中各個(gè)區(qū)域的LED發(fā)光，完成每個(gè)背光區(qū)域LED亮度與顯示圖像動(dòng)態(tài)匹配，實(shí)現(xiàn)控制對(duì)應(yīng)區(qū)域的LED背光的亮度。

圖2 背光局部控光方案系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

為了提高局部控光的精準(zhǔn)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(guò)多，會(huì)提高了背光驅(qū)動(dòng)和控制電路系統(tǒng)的復(fù)雜程度。通過(guò)優(yōu)化區(qū)域調(diào)光的算法也能提高局部控光精準(zhǔn)水平。

目前，常用的區(qū)域調(diào)光的算法是基于LED的驅(qū)動(dòng)電流大小保持恒定不變，依據(jù)圖像畫(huà)面內(nèi)容的亮度信息通過(guò)改變PWM占比實(shí)現(xiàn)對(duì)LED驅(qū)動(dòng)電流的控制。由于實(shí)際顯示的圖像內(nèi)容不太可能是全白信號(hào)（測(cè)試信號(hào)除外），采用這種做法，在絕大多數(shù)時(shí)間內(nèi)LED驅(qū)動(dòng)電流PWM占比小于100%，背光亮度達(dá)不到最大值。因此，區(qū)域調(diào)光提升圖像顯示的動(dòng)態(tài)范圍仍有潛在空間，可以通過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)。在保留改變背光驅(qū)動(dòng)電流PWM占比的同時(shí)，還可以利用LED電流驅(qū)動(dòng)的發(fā)光特性，根據(jù)圖像畫(huà)面內(nèi)容動(dòng)態(tài)調(diào)整LED驅(qū)動(dòng)電流的大小，使得LED背光在顯示圖像黑暗場(chǎng)景時(shí)更黑，在顯示圖像高亮場(chǎng)景時(shí)瞬間更亮。這種PWM＋直流雙驅(qū)動(dòng)精準(zhǔn)控光技術(shù)可以進(jìn)一步提高顯示畫(huà)面的動(dòng)態(tài)范圍，不僅能增強(qiáng)圖像顯示效果，還能進(jìn)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(dòng)電流的增加而增加，當(dāng)LED狀態(tài)進(jìn)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(dòng)電流沒(méi)有超出其最大限值的條件下，一旦驅(qū)動(dòng)電流超出額定值后，LED會(huì)瞬間爆亮，發(fā)光強(qiáng)度超過(guò)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(jiàn)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(jìn)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(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)電流調(diào)整機(jī)制。這種新型區(qū)域調(diào)光算法利用LED短期瞬態(tài)過(guò)流驅(qū)動(dòng)，可以獲得更高的峰值亮度，實(shí)現(xiàn)更廣的圖像動(dòng)態(tài)范圍。這種新的動(dòng)態(tài)背光調(diào)整機(jī)制的示意圖如圖3的右圖所示，具體的調(diào)整機(jī)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(xì)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(guò)流驅(qū)動(dòng)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。

圖3 PWM+直流LED背光雙驅(qū)動(dòng)示意圖

為了實(shí)現(xiàn)這種新的算法，需要對(duì)現(xiàn)有的背光驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行升級(jí)改造。熊貓電子集團(tuán)公司曾在2014年提出過(guò)一種新型的背光驅(qū)動(dòng)電流的調(diào)整電路。圖4是這種新型LED背光驅(qū)動(dòng)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(dòng)集成電路端口ISET上控制信號(hào)的PWM占空比，完成對(duì)LED背光驅(qū)動(dòng)電流大小的調(diào)整；改變背光驅(qū)動(dòng)集成電路端口PWM上控制信號(hào)的PWM占比，完成對(duì)LED背光驅(qū)動(dòng)電流的PWM占比調(diào)整。該電路為以軟件算法實(shí)現(xiàn)PWM＋直流雙驅(qū)動(dòng)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。

圖4 新型LED背光驅(qū)動(dòng)控制電路示意圖

4 結(jié)語(yǔ)

在消費(fèi)電子、醫(yī)療、軍事等諸多領(lǐng)域中，HDR技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)顯示高動(dòng)態(tài)細(xì)節(jié)圖像，具有很高的技術(shù)研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用前景，是未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

顯示出的HDR圖像，動(dòng)態(tài)范圍更廣，畫(huà)面細(xì)節(jié)更多，臨場(chǎng)觀賞感更強(qiáng)。HDR技術(shù)在液晶顯示領(lǐng)域已成為研究熱點(diǎn)。提高背光亮度可以提高LCD顯示的亮度，但會(huì)增加功耗。本文提出的新型PWM＋直流雙驅(qū)動(dòng)機(jī)制的LED動(dòng)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。

[1]萬(wàn)曉霞，謝德紅，甘朝華，張蜻．基于顏色視覺(jué)的高動(dòng)態(tài)范圍圖像壓縮算法[J]．中國(guó)印刷與包裝研究，2014，16（1）.

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[4]劉明．一種背光驅(qū)動(dòng)電流的調(diào)整裝置及其方法[P]．中國(guó)專(zhuān)利：201410537558.3，2016.

（責(zé)任編輯：蔣建華）

TP391

1009-2374（2017）07-0086-03

10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.07.040

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

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