利用2D LED调光构成的LCD背光来提升电视机的性能并节省功率

利用LED光源以及分段控制实现的先进背光技术可能创造鲜明的观看体验，与此同时，还把LCD TV的功耗极大地降低达80%。

采用LED的固体背光在LCD TV应用中有着许多独特的优点。与目前在大面积LCD背光中主宰市场的冷阴极荧光灯管(CCFL)以及热阴极荧光灯(HCFL)相比，LED能够提供更佳的功效。

这并不是固有地缘于它们的光效高(流明每瓦)-它是现在唯一可与CCFL媲美的光源，而是因为LED可以被更加灵活和有效地调光以匹配所需要的图像亮度。二维背光调光采用可寻址的LED阵列来创建更为生动的观看体验，更高的对比度，更宽的色域，以及更佳的色彩饱和度。

在过去几年中，人们推出了各种用于CCFL和HCFL背光的调光技术。例如，在一些情形下，整个背光被调整，以匹配所需要的图像亮度，这种技术被称为零维调光。当调光沿着一个轴执行时(例如，通过控制一根HCFL灯或一组并联的CCFL灯的光强)，它被称为1维调光。

最近，随着LED的成本降低以及性能的提高，现在使得LED背光成为了更切合实际的提议，从而为新型以及更有效的背光调光技术开辟了可能性。实际上，LED可以被方便地排列成二维阵列并分别进行控制，从而使之可能执行二维调光(水平和垂直)，而这时采用传统的CCFL或HCFL灯无法实现的。这就允许背光电路在所显示的图像的明亮区域背后的局部产生更多的光线，而在不显示图像的暗区域产生较暗的光线。

实际上，一个10 x 18高效的白光LED足以为典型的图像内容而最优化背光的强度，从而导致更大的对比度并极大地降低背光电路的平均功耗。这种根据图像内容局部控制背光输出的技术能够把为典型电视图像内容提供背光的功耗平均大约降低50%。

从白光到RGB背光

如果三个一组的彩色RGB LED被用于取代白光LED，那么，二维LED背光提供更大的优点。与传统的背光LCD面板相比，通过控制RGB三个一组的LED当中红、绿、蓝三色的强度，可以实现的色域被极大地扩宽了。因此，一组RGB LED背光可能创建更明亮、更深厚、更饱和的色彩。

因此，智能饱和控制能够被应用于把视频内容的彩色空间(sRGB)映射至LED的背光色彩空间。这样的映射算法应该保留白色、肤色以及软色不变，但是，能够把饱和色扩展至只有LED才能够产生的生动水平。



图1：二维彩色调光。

把RGB LED按照二维阵列排列并以色彩为基础分别控制它们(二维调光)，就可以降低功耗并提高色域以及对比度。这是因为每一个背光段仅仅需要产生在它们前面的LCD像素将要发出的那部分可见光谱，如图1所示。

传统的白光背光利用固定颜色的白点来产生可见光谱，因此，它的大部分光谱能量被禁锢并以热的形式在LCD面板的彩色滤光片中被消耗掉。根据图像内容对背光输出的颜色进行局部控制，对于典型的电视内容来说，平均大约可以节省80%的功耗。
背光调光的复杂性

尽管它存在这些好处，但是，背光调光并不是很简单的。这是因为它引入了调节图像亮度的两种不同方式。

为了实现低亮度的图像，如夜景，你可以利用LCD像素阻塞更多的背光输出或者交替地调整背光。从空间和时间对比度以及色域方面出发，对屏幕正面的性能以及背光的功耗进行最优化可以通过增加像素驱动信号来补偿背光亮度的减少而实现。

因此，自适应背光调光在视频流中需要执行大量的图像处理，以分析图像的内容。所采集的信息然后需要被智能地与背光的特征结合起来，以便得到最优化的背光以及像素驱动信号。

挑战在于要把非常低空间分辨率的背光(典型情况为10 x 18段)与非常高清晰度的LCD面板(对于高清电视来说是1920 x 1080像素)。

因为邻近背光段之间存在光耦合，情况变得更加复杂；实际上，每一段均把它的的一些光线泄漏至邻近的各段。

实现平衡

通过对图像各个像素的R、G和B的数值分别进行统计分析，可以确定所需要的最优化背光级别，以便为相应的背光段确定合适的驱动电平。

如果所有的像素电平均为高，它们将在常规的背光电平上与背光匹配。当RGB像素数值低时，背光电平被调节为最小化通过面板的光线泄漏，LCD像素的RGB增益需要被增加以保持所需要的图像亮度。

对比度(特别是对暗级)将得到改善，但是，会削去明亮的像素。因此，自适应背光算法需要找到最优化的折中。红、绿、蓝增益也需要被调节，从而在LCD面板的彩色滤光片中补偿来自背光的不断变化的RGB混合的光线级别。

背光各段之间的交互作用

因光耦合导致的背光各段之间的交互作用对整个图像的性能有很大影响。这种耦合限制有效的空间背光调制，因此，可实现的图像质量改进非常依赖于背光的特性和构造。

耦合补偿的另一个重要方面就是在标称电平上动态地驱动背光LED，这个过程被称为自适应提升。这样就可以补偿因邻近段调光而引起的某一段的光线不足的问题。

耦合补偿有助于降低一段的中心的预测光线级别与所需要的光线级别之差。因此，背光曲线的空间调制被放大了。

然而，直接线性误差补偿会导致在明亮的各段的边界处缺乏光线。不对称补偿可以防止出现这一问题，如图2所示。


图2：对称和非对称耦合补偿。

在背光中LED数目少的地方，采用背光提升技术的机会被限制了。这是因为LED数目少，每一个LED必须被驱动至最大电平以实现所需要的图像亮度。

然而，随着背光中LED数目的增加，背光提升技术可以被用于获得更大的效果，不仅仅补偿耦合，而且提高明亮的图像内容的鲜明程度。

随着LED数目的增加，背光段会更小，从而允许背光亮度在更大的范围内被调制，并提供更具时空感的对比度。对于典型的图像内容，利用调光和提升技术可以把功耗降低50%以上，而不会引入可见的图像被人为处理的痕迹。

光明的未来

不幸的是，相对于传统的CCFL或HCFL灯来说，目前高效率的LED的较高成本把背光LED的数目限制为几百颗。然而，随着LED背光技术越来越成熟，这些成本差额可能会逐渐缩小。

LED背光在移动设备中已经被普及应用并正出现在笔记本计算机中，因其功效更高所致。对于电视机来说，可能首先在50英寸或以上尺寸的屏幕中引入，而随着生产成本的降低，会逐渐向更小尺寸的电视机推广应用。



图3：自适应调光方框图(点击放大该图)。

为了便于引入并鼓励采用基于LED的自适应背光控制技术，恩智浦半导体公司已经在PNX5100 LCD电视机平台上实现了二维白光LED调光所需要的所有算法，以及二维RGB LED调光加色域映射功能。

PNX5100位于视频管后端，它控制上行变换至120Hz的运动补偿以及利用片上基于硬件像素的加速器实现的二维背光驱动，如图3所示。它的由软件驱动的背光控制具有高度的灵活性，并且能够根据特定客户的要求和显示器面板进行调节。

发布者：吕勇