在不增加功耗的情况下提高移动视频的LCD亮度

移动手机已迅速地从一个简单的手机演进为一个能让用户分享照片、电邮接入、玩游戏、网上冲浪及寻找他们中意的餐厅这些功能集一身的复杂设备。对于硬件设备的影响则是RF、LCD及应用处理器之间的电能用量有更为均等的分割，是来自传统的单一功能蜂窝电话所使用的RF/处理器主宰的系统的戏剧性转变。

对于设计工程师而言，最新的应用挑战是能播放视频及电视节目的新一代电话或便携式设备。这些应用提出了一个矛盾的挑战，因为它们不仅实质上消耗更多电能，也需要更多亮度达到理想显示效果，该功能反之也需要更多的功耗。该设计要求进一步阻碍工程师在控制整个设备成本的同时有效地平衡性能与功耗的要求。

移动视频显示需求

显示屏产业早已认识到：目前的显示技术在不妨碍新技术采用的情况下，不能满足下一代设备的功耗要求，并且应该更多地着眼于找到通过修改显示屏就能优化性能并控制过多耗电的方法。这一点往往是简单地通过降低背光功耗来得以实现，牺牲了亮度但对大多数现有应用而言仍会有不错的性能。然而，随着移动电视的问世，对更醒目亮度的需求日益凸显，这对功耗/性能之间的挑战增添新的因素。

除非亮度足够高，具有视频功能的设备仍不会令那些想要清晰地看到屏幕上所有细节及图像的消费者感到满足。目前市场上许多被设计到蜂窝电话或便携式设备之中的小显示屏所展示的平均亮度为200尼特(nit)。然而，要想很满意地查看移动电视内容的详尽细节或观看视频，就急需使亮度水平增加2到3倍，达到400尼特或更高，与一台家用电视机的亮度接近。



图1：250 尼特显示屏。



图2：500 尼特 显示屏。

虽然对亮度的作用早有认识，由于电池寿命不足以支持这样的高亮度显示，它并没有广泛地应用于手持产品中。

让我们试想一下，例如，一个典型的250尼特显示屏(图1)上正在显示的kayaker图像与一个适于观看移动电视的具有500或600尼特亮度的显示屏(图2)相比较。视频应用要求亮度约为400尼特或更高，造成显示屏背光亮度增加至少2倍的功耗要求。

下一代PenTile RGBW技术

通过该简单的比较，显然必须增加亮度标准以适应移动视频应用的要求，这也意味着设备的功耗要相应的降低。要在背光亮度转变中达到2X(倍)到3X的改进意即增加2X到3X的功耗。而且因为移动视频应用使背光的使用时间延长，会消耗显示中的电能达90%，关闭背光也不可取，它会进一步加剧移动设备的功耗控制问题。

此外，还有其它原因致使移动视频消耗更多功耗。与静止的图像不同，视频要求有更长时间段的浏览，它还需要对MPEG解压。即使是最有效的微控制器(MCU)，在处理MPEG时也要比处理其它任务消耗更多的电能。也许功耗需求增加的最主要因素来自于对视频的显示屏显示亮度要求的认识。与文本、日历甚至网络浏览器应用不同，视频要求更大范围的亮度以补充从户外运动到室内甚至在夜间情景下的大量动态范围的变化。

同样，具有视频功能的移动电话的趋势正向着能提供视频图形阵列(VGA)方案、262K到16M种颜色，色域100%接近全国电视系统委员会制式(NTSC)这样色彩丰富的显示屏方向发展。此外，由于宽频减少了为在屏幕上观看整个图像水平滚动的次数，宽屏格式也渐被采用来观看视频和以原有的格式玩游戏或浏览网页。所有这些需求增加了功耗，尤其是背光的功耗，能使功耗预算增加达250mW之多。

组件制造商们正对一些潜在的方案着手研究，这些方案包括：开发新的显示器工艺；在LCD或背光中采用增亮片；或与透反式LCD、OLED或其它能提供更大光亮度的新型设计相结合。此外，改进电池技术的很多工作也在进行之中。然而这些革命性的措施并不能满足观看移动视频所要求的亮度、分辨率及低功耗等要求；而且在某些情况下，由于涉及到额外的制造成本，却是成本制约因素。

PenTile RGBW显示屏技术

由人类视觉先驱Clairvoyante所开发，PenTile RGBW技术能够在不降低分辨率或增加数据中心设备功耗使用的情况下，获得更高亮度水平。

PenTile技术把一种白色子象素填加到由红、黄、蓝三色组成的传统RGB条纹排列中，然后再应用相应的子象素成像技术，以人类看见图像的方式对那些子象素进行更好的排列。这样就确保生成那些不能被人眼所看见的图像时，不会损耗显示屏功率及亮度源。



图3：子象素成像能使显示屏获得接近双倍的白色亮度或降低功耗达50%。

要用人类视觉获得更好的排列，PenTile子象素成像技术为每一个子象素单独编址。它减少了子象素的总体数量但增加了个体的尺寸，并且把一种白色(清晰)子象素填加到排列模式中，形成一种RGBW象素设计，该设计比传统RGB条纹显示屏更明亮、分辨率更高。因为更多的背光能通过更大及半透的子象素发光，而不是被RGB条纹采用的更小的红、绿、蓝子象素构成的紧密排列的所阻止，透射率及亮度均得到了增加。由于子象素越大，开口率越大，加之利用白色子象素，在功耗没有增加的情况下实现了白色亮度近两倍的增加。PenTile技术集成能有选择地把功率效能增加一倍，并能通过削减资源驱动器的数量及减少特定亮度输出水平所要求的背光LED数量而节约材料的成本。

采用PenTile RGBW技术进行处理

由于大量功耗因背光及仍少于5%的LCD透射率所消耗，几乎没有几种方法能使手持设备显示屏的功效获得显著改进。或许在效率上的最大收益是向着具有更高开口率显示屏的方向迈进，这可能与非晶硅(aSi)薄膜晶体管(TFTs)甚或低温多晶硅(LTPS)技术的进步有关，通过采用Clairvoyante's PenTile RGBW技术，它们的优越性就可被进一步转化为资本得到体现。

如下所示，与传统的RGB LCD不同，PenTile技术利用多种颜色滤光器的不同排列。如下所示，人们可把一个白点写入到一个PenTile RGBW显示屏中与常规的RGB条纹显示屏进行对比。

当编写由黑线和白线构成的最细微模式时，一个黑色线与一个白色线的完整周期就会出现与RGB条纹形成比照(参见图4)。请留意对于PenTile RGBW显示屏，需要四个栏来写入一个线对，而对于RGB条纹，则需要6个数据栏。这使得PenTile显示屏中的栏宽出1/3，从而增加了开口率并允许穿过更多的光。

增加的开口率与清晰的子象素所提供的更大的透射率相结合，对所采用的底板技术不予考虑的话，通常会让穿过一个2.4到 .8英寸斜对角VGA显示屏的透光率增加一倍。



图4：PenTile RGBW模式(a)比RGB Stripe模式(b)的每个像素需要较少的栏，却在经济上及性能上均具有优越性。

如下图所示的固件，PenTile RGBW处理方式分为几个步骤。第一步是通过调整输入查找表(LUT)中特定显示屏的每个显示传输曲线(伽马)的数据，采用Clairvoyante相应的色域互配算法(GMA)，把RGB输入数据转换成RGBW。Clairvoyante以此作为输入色域加以参考。把GMA应用到白色象素处理块后，就有必要应用子象素渲染算法，这些算法利用多个矩阵的数学形式。这时，矩阵代数学显得尤为重要，并要将之应用到3x3矩阵的象素中去。Clairvoyante的IC利用针对两条数据线的内存缓冲器，从而使第3条数据线在进入芯片时即可被操作，使得对3x3矩阵的象素可进行连续的处理。在子象素成像后，伽马调节被撤消以确保显示屏的转换曲线准确地应用到由RGBW数据产生的新的子象素。



图5：为寄存器编程。

视频处理与静止图像及文体处理几乎没有什么不同之处，这是因为硬件矩阵处理十分有效，在处理视频时只有一条线出现延迟，这个延迟几乎是浏览者觉察不到的。

下一个：2.8英寸LTPS显示屏的对比

一些显示屏生产厂家已对PenTile子象素成像技术展开研究，并发现它能显著改进显示屏在亮度、分辨率及功耗方面的性能，而不失为一个实际可行的方案。此外，生产厂家还认识到这些性能的增强不仅是非晶硅还包括LTPS及OLED显示屏。

例如，通过采用具有LTPS的子象素成像处理技术，驱动器的数量就会在不影响视觉分辨率的情况下使RGB stripe减少1/3。该改进在不降低亮度的情况下减少了背光LED的数量，并为类似LCD电源供应的组件集成到玻璃上提供更多空间。仅这些因素就能使LTPS的功耗节约一半。在LTPS VGA显示屏中采用该技术能节约功耗达250mW或使QVGA显示屏的功耗节约100mW。



图6：基于友达光电规格的对比研究：两个2.8英寸的LTPS VGA显示屏，一个采用PenTile技术，一个没有采用该术。

未来具有视频功能的手机会更悦目

包括iSuppli在内的几家调查公司预言，具有视频功能的移动电话市场将从2005年的7亿美元增加到2010年的22亿美元，同期由视频带来的收益将从5亿5千万美元增加到140亿美元。较早采用的人已经越过了由新型互联网传输模式带动的移动电视的流行，并获得了巨大的成功，OEM厂家正全力以赴应对视频手机的预期需要。

通过特殊优化的显示屏改进了移动电视的体验，工程师能利用诸如PenTile RGBW设计这样的显示技术所提供的更大设计灵活性，性能的折衷考虑此时也已无足轻重，并能赋予手机以竞争力的价格。结果，这些设备就能以更高的视觉表现及更长的电池寿命很容易地满足客户的要求，创造需求并推动销售。

关于作者

Joel Pollack为加州Clairvoyante公司公司的董事长及总裁。Pollack具有罗切斯特工业学院物理学学士学位及罗切斯特大学材料科学硕士学位。他已在LCD及喷墨技术领域获得7项专利及专著。您可通过邮址jpollack@clairvoyante.com与他取得联系。