面向LCD-TV系统的自适应调光和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。