液晶電視高動態(tài)對比度的實現

1、液晶電視高動態(tài)對比度的實現-動態(tài)LED背光源技術研究龔國友（成都工業(yè)學院 611730）摘要： 提高液晶電視的動態(tài)對比度是LCD不斷追求還原真實場景的創(chuàng)新技術之一。本文研究的基于FPGA技術的分區(qū)動態(tài)控制LED背光源技術，所實現的高動態(tài)對比度特性，明顯的提高了液晶電視圖像畫質，并大大的降低了LCD的實際使用的電功率，在提高液晶電視畫質和節(jié)能降耗方面作出進一步的貢獻，應用前景廣闊。關鍵詞：動態(tài)對比度、LED、FPGA、分區(qū)動態(tài)控制、節(jié)能Dynamic LED backlight technology and its applications-Research on dynamic LE

2、D backlight technologyGong guoyouChengdu Electromechanical College Sichuan chengdu 610031 China Summary：To improve dynamic contrast of LCD TV  is the constant pursuit of innovation technology of LCD to restore thereal scene. Area dynamic control LED

3、backlight technology studied in this paper, based on the FPGA, The realization of the high dynamic contrast characteristics, LCD TV image quality is improved obviously, And greatly reduces the electric power of the practical use of LCD, In a fur

4、ther contribution to improve the LCD TV picture quality and saving energy and reducing consumption, Has the broad application prospect.Keywords: Dynamic contrast ratio, LED, FPGA, area dynamic control, energy conservation一、引言 液晶（LCD）面板是不發(fā)光的，人們所看到LCD的圖像和數字信息，是由

5、液晶面板后面的背光源所發(fā)出的光透過液晶面板而形成的。目前大量使用的背光源已經由CCFL 升級為LED，由于LED的電光效率不斷提高，LED已經成為LCD背光源的主流。LED背光源有兩種形式，即側發(fā)光式和直下式，一般采用符合色溫要求的白色LED管。常用背光源沿用了CCFL的思路，僅僅只起到了按照固定亮度發(fā)光的功能，其光線在擴散板、濾光膜等的作用下，投射到液晶面板，液晶面板中的液晶分子根據圖像信號發(fā)生偏轉，在面板前形成我們肉眼能看得見的圖像。人們對電視圖像質量要求的越來越高，特別是對圖像清晰度、灰度等級、色彩還原性等的高要求，已經采用提高背光源的亮度，提高幀頻、插黑幀的運動補償插黑技術、ME/MC

6、等技術，圖像質量確實有提高，但是在高亮度一定的情況下，對比度變差，高清晰圖的圖像不能得到充分真實的顯示，即該亮的部分實現了很亮，該暗的部分卻暗不下去，圖像層次（指標為：灰度等級）并未預期的要求。分析產生這種情況的原因：首先是由于在液晶分子在完全關閉的狀態(tài)下背光不可能完全被遮住，由于背光源仍然按照固定要求亮著，產生的漏光現象，所以當圖像為黑色的情況下，人眼看到的圖像仍然呈現了一定灰度的圖像，這種問題導致的后果就是嚴重降低了圖像的對比度。一個傳統(tǒng)液晶模組在白場的亮度是500 nit的時候，在黑場時亮度大約為1nit，這就是說整個圖像的對比度最高才有500：1；其次是由于當人眼看液晶電視上的高速運動

7、圖像時，由于眼睛的視覺暫留現象,會在視覺上形成一個拖影效果，這個現象發(fā)生的原因大致有3種：（1）液晶分子的響應時間比較慢（2）液晶分子的scan-and-hold特性（3）人眼的視覺效應。要一直維持500nit亮度的背光源在圖像發(fā)生變化是其功率也是一直不變的，電能也一直在按照最高設置而消耗。所以要進一步提高圖像質量和降低功耗必需要采用更新的技術。二、 提高視頻圖像質量的技術 LCD顯示器和電視機的清晰度，隨著其液晶面板顯示像素的增加，分辨率得以大幅提高，在高清電視標準1920X1080的推廣過程中，液晶面板廠家又推出了3840X2160的超高清LCD面板，其分辨率是高清電視標準的4倍。這是實現

8、高清晰度、高畫質顯示的關鍵基礎技術。本文僅僅是在這一基礎技術之上研究其動態(tài)背光源技術，讓高畫質展現在人們的眼簾中。2.1 圖像掃描新技術簡介提高視頻圖像質量的技術目前主要有：提高幀頻、插黑幀的運動補償插黑技術、ME/MC，掃描背光技術等。提高幀頻的方法是一種復雜、對LCD相應速度要求比較高的方法，在此技術背景下，120HZ甚至240HZ的LCD面板相繼出現。但是即使幀頻加倍，滯留時間也僅僅是減半，此外，所要求的運動預估計和補償技術并不是微不足道的。運動補償插黑技術既是在圖像2幀之間插入一個黑幀，但是黑屏數據的插入會降低圖像的亮度和對比度，除非配合掃描背光源。黑屏插入技術是常用的縮短響應時間的技

9、術。通過在每個圖像幀之間插入黑色幀，可以產生與CRT相似的快速脈沖調制效應。人腦可以濾除這種閃爍并自動產生中間圖像，這樣就可以消除觀看快速移動物體而時出現的模糊現象。ME/MC技術，這種技術用在120Hz液晶屏上，不但使電影信號的還原更加流暢，沒有抖動，同時也更有效的消除了運動模糊的現象。不過這個技術也不是盡善盡美，因為對運動物體的估計不一定100%準確，特別是兩個物體擦身而過的時候，不知道應該把哪個物體放在前面。2.2 動態(tài)背光源技術2.2.1掃描式背光源技術由于LED的響應速度較快，可以非常容易的滿足背光控制的需要。采用高速響應的LED掃描背光源可以明顯的降低運動模糊和增大節(jié)能效率。掃描式

10、背光源的原理是：由于在一幀圖像數據寫入面板的時候是采用的類似CRT的掃描原理，不同的是液晶顯示是逐行掃描而非隔行掃描，由于液晶分子的響應時（scan-and-hold）所限，液晶分子從一個舊的灰度轉換到一個新的灰度需要較長的時間，導致圖像在人眼中的滯留時間過長，在幀間轉換的時候，人眼響應到的圖像數據是一個模糊的數據，導致前面所講的運動模糊的現象出現。而掃描背光的原理即是使背光在液晶分子的轉換期間關閉，而此時人眼已經對先前的圖像做了正確的響應。利用掃描背光源還能有效提高顯示對比度。在外部環(huán)境亮度較低的情形下使用LCD電視時，LCD屏幕上暗場景的對比度明顯不足。因為即便是暗態(tài)背光源也會有些漏光，這

11、時候從某一角度看屏特別明顯。在暗場景狀態(tài)，可通過減小背光亮度同時增強屏的透射來提高顯示圖像的對比度。減小光照占空比可以降低亮度。用掃描背光減低亮度有另外的好處。在沒有掃描背光的條件下，幀與幀之間的照明沒有明確界限，于是此幀的減暗行為可能會覆蓋到下一幀。在有掃描減暗背光的情形下，因為存在與屏上尋址相關的精確照明時序，完全可以尋址一整幀而與前一幀或后一幀無關。與非掃描減暗背光相比，有掃描減暗背光更容易采用快速響應的方法來改變亮度，非常有利于從暗景到亮景的跳變，大大提高了動態(tài)對比度指標，達到提高圖像質量的效果。2.2.2 區(qū)域亮度控制 （LOCAL-DIMMING）技術原理LED區(qū)域亮度控制技術這是

12、本文要重點研究的。液晶電視除亮度指標外的另一個重要指標是對比度，對比度從兩個方面來理解：一是靜態(tài)對比度，二是動態(tài)對比度。靜態(tài)對比度定義為在一副圖像內像素的最大亮度和最小亮度之比。動態(tài)對比度一般指在不同圖像的時候像素的最大亮度和最小亮度之比。導致低對比度的原因在很大程度上是由于液晶面板的漏光和背光光源的恒亮原因所致，特別是在暗場時這個現象尤為明顯。這個問題的一個很好的解決辦法，就是根據圖像信號的亮度需要對背光源進行動態(tài)亮度調節(jié)控制。不僅可以提高畫質而且可以降低功耗。圖1就是以LED作為直下式背光源的液晶模組示意圖。圖1直下式分區(qū)LED背光液晶模組示意圖液晶面板的像素點的個數：Np=V×

13、H，而LED的總數為：NL=M×Q， 實際上，NLNp。區(qū)域動態(tài)背光通過調節(jié)把整個顯示區(qū)分成N個區(qū)域，通過對R/G/B信號進行分析，應用FPGA技術，計算出每個區(qū)域的輝度值，在輝度小的區(qū)域，適當降低相應背光的亮度，在輝度大的區(qū)域，則增加相應背光的亮度。這樣就有效地降低了暗場時液晶漏光的問題，得到更加黑的黑色，亮度和對比度都得到了提高，而且亮度的范圍也更廣了。通過LED背光技術黑色的光通量能降低到0.05nits以下，對比度高達10000:1。LED在單獨控制每個區(qū)域的發(fā)光量的同時使用1250V的低壓電源。還由于LED色域比CCFL的更高，LED背光系統(tǒng)可以實現真實的圖像還原，無論色彩

14、還是亮度都超過以CCFL為背光的液晶電視。如圖2所示，區(qū)域動態(tài)背光技術實現了背光源組成的簡單圖像和原圖像的疊加，這樣可以大大增強圖像的對比度和降低背光的能耗，而且可以通過根據對背光源的調整對原圖像進行亮度和色度補償。 原圖像 動態(tài)背光源 輸出的圖像圖2區(qū)域動態(tài)背光帶來的圖像對比度增強和節(jié)能示意圖通過采用區(qū)域亮度控制不但能夠解決亮度均勻的問題，而且還可進一步降低背光功耗。這是因為實際的圖像在每個具體部位的亮度是不一樣的，可能有的區(qū)域較亮、有的區(qū)域較暗，所以完全沒有必要在整個屏幕采用均勻亮度的背光，可以采用根據圖象內容決定的區(qū)域亮度控制。實現方法是：將整個屏幕分隔為N等份（例如42英寸45個等份）

15、，檢測圖象內容的最高亮度，確決該區(qū)域所需的背光亮度，然后對該區(qū)域的背光LED亮度利用PWM技術進行實時控制，從而實現節(jié)能的目的。在采用背光的區(qū)域亮度控制以后，該區(qū)域的圖象信號也應加以相應的補償，大大降低了產生亮度失真的可能性。三、區(qū)域亮度控制 （LOCAL-DIMMING）技術的實現3.1 電路原理圖3是動態(tài)LED背光源的液晶電視的原理示意圖，在信號處理后端增加了一個動態(tài)調光控制模塊（采用FPGA模塊），為液晶電視LED背光控制技術的硬件部分。LED背光控制技術的應用發(fā)展，可大大提高液晶電視對比度、改善運動畫面拖尾。因為LED背光在LED排列、驅動方式上，靈活性很高，所以適當的LED排列、驅動

16、方式，應用LED背光動態(tài)控制算法，可有效的消除或改善液晶電視在顯示方面的問題。圖3LED背光液晶電視原理示意圖3.2 LED分區(qū)設計對于一個LCD的背光源，如何進行分區(qū)，分區(qū)的大小、個數，是提高LCD顯示畫質的一個重要問題。本文42寸LCD的LED背光分區(qū)個數在45個左右，整個LCD的對比度、顯示效果、驅動成本、算法復雜性是最佳的?？紤]到LED驅動芯片的驅動路數、驅動能力等因素，本文算法的驗證硬件平臺是采用9×5（5行9列）個LED分區(qū)。LED背光采用均勻分區(qū)的好處，是可應用背光掃描算法。LED分區(qū)的形狀一般為矩形或正方形，分區(qū)內4個LED串聯在一起。由于分區(qū)內流過每個LED的電流是

17、相同的，因此分區(qū)內各個LED的光學性能基本一致。LED背光源可以分為0D/1D/2D/3D設計，限于篇幅，這里僅僅描述OD和2D的設計方案。LED背光源的0D/1D/2D/3D是指在背光源的平面上，LED的分區(qū)、排列、驅動所形成的維數（D為dimension的縮寫）。LED背光源的維數設計對LED分區(qū)排列和驅動方式等硬件設計和本文LED背光控制算法設計都有著直接的影響。（1）0D LED背光源：LED背光源的所有LED同時驅動，在背光源平面上顯示為同時點亮、同等亮度。其在平面上沒有行列的亮度灰階差異，因此這樣的LED背光源稱為0D LED背光源。（2）2D LED背光源：幾個LED作為一個分區(qū)

18、排列驅動，在行、列方向上，有多個分區(qū)組成，每個分區(qū)可獨立調整亮度灰階變換，這樣的LED背光源稱為2D LED背光源。圖4為2D LED背光源平面示意圖，圖中有72個分區(qū)，每個分區(qū)有4顆LED組成，分區(qū)內4顆LED串聯驅動，可獨立調整亮度灰階。圖4 2D LED背光源平面示意圖3.3白光LED背光源的一種分區(qū)動態(tài)控制原理LED背光源的液晶電視中，要實現分區(qū)動態(tài)背光控制，提出了一種新的LED背光分區(qū)控制算法，在工程中得以實踐并逐步改善。LED背光分區(qū)動態(tài)控制算法的硬件平臺以42寸液晶電視，背光源為5*9（5行9列）分區(qū)白光LED背光源。本文的控制算法在FPGA LFXP2-8E經過驗證。FPGA的

19、位置在圖5中的動態(tài)調光控制模塊中，無存儲器，采用SPI（Serial Peripheral Interface）訪問控制背光驅動模塊，接收從主板輸出的圖像數據（LVDS格式的數據，Low Voltage Differential Signal），處理后的圖像數據（LVDS格式的數據）輸出給Tcon（PANEL驅動電路）板去驅動PANEL。LED背光分區(qū)動態(tài)控制算法的軟件平臺主要有兩個，一是用于算法模塊的輸入、綜合、適配、時序分析及硬件配置等功能的Quartus 2 vertion 7.2；另一個是用于模塊的功能、時序仿真的modelsim SE 6.1f。圖6是算法在FPGA上實現的總的系統(tǒng)框

20、圖?？驁D有LVDS圖像數據接收和發(fā)送單元、并行數據與R/G/B數據間轉換單元、系統(tǒng)初始化單元、分區(qū)背光值的提取單元、分區(qū)背光值的處理單元、背光驅動控制單元、圖像校正單元、溫度傳感器接口、光學傳感器接口、I2C主板通信接口、RS232調試接口等功能單元組成。其處理流程大體是：首先LVDS圖像數據接收和發(fā)送單元將主板輸出的LVDS圖像數據轉換為并行的數據，然后并行數據與R/G/B數據間轉換單元將并行數據按照一定的對應關系提取R/G/B及同步信號DE（data_en），R/G/B及同步信號DE分別提供給系統(tǒng)初始化單元、分區(qū)背光值的提取單元和圖像校正單元。其中，系統(tǒng)初始化單元僅在上電或強制復位時工作，

21、給系統(tǒng)的各個單元初始化；分區(qū)背光值的提取單元首先轉換R/G/B色彩空間的I（亮度）分量，然后統(tǒng)計亮度分量的分區(qū)的最大值和平均值，最終將最大值和平均值加權平均，從而得到分區(qū)的背光值；圖像校正單元是根據處理后的背光值，同時結合I2C主板通信接口或RS232調試接口輸出的命令，對圖像進行全屏的gamma校正，校正后的R/G/B圖像數據會送入并行數據與R/G/B數據間轉換單元，并行數據與R/G/B數據間轉換模塊會將R/G/B圖像數據按照一定的對應關系轉換成LVDS圖像數據接收和發(fā)送模塊所能識別的并行數據，由LVDS圖像數據接收和發(fā)送模塊將送回的并行數據編寫成LVDS圖像數據輸出。分區(qū)背光值的處理模塊會

22、接收統(tǒng)計出的分區(qū)背光值，根據溫度傳感器傳回的溫度值和光學傳感器傳回的光亮值，同時結合I2C主板通信接口或RS232調試接口輸出的命令，對分區(qū)背光值進行重新的處理，而后，將分區(qū)背光值鄰域平均，輸出給背光驅動控制單元。背光驅動控制單元會依次將分區(qū)的背光值編寫成背光驅動電路所能識別的數據輸出。LVDSIN/OUT單元圖像校正單元主板I2C通信接口分區(qū)背光之提取單元溫度傳感RS232調試接口分區(qū)背光數值處理單元背光驅動控制輸出亮度傳感并行數據與R/G/B數據轉換單元初始化處理后的RGB數據各個單元控制的命令和反饋數據RGB數據分區(qū)背光值根據圖像處理后的分區(qū)背光值并行數據 INOUT I2C RS232

23、 驅動輸出各個單元的初始信號 圖5白光LED分區(qū)動態(tài)控制系統(tǒng)框圖四、分區(qū)控制背光源應用及測試4.1 LED選擇選用的LED為帶角度放大鏡的LED，圖6為其結構和裝配圖，增加了放大鏡將原來LED僅120度的散射角曾達到了近170度，大大提高了亮度均勻性，并減小了LED背光源的光室厚度。圖6 LED結構及其裝配示意圖LED主要參數如下：表1 LED主要參數序號名 稱單位參數1封裝形式2in1(2合1)2光通量lm363直流電流mA754正向電壓V7.355功率mW551.256光通亮/WLm/W65.37色坐標X0.268色坐標Y0.2384.2 LED分區(qū)及其控制 分區(qū)圖見圖7.圖7 LED分區(qū)

24、圖具有分區(qū)LED控制背光源的LCD電路組成見圖8 。圖9 動態(tài)LED背光源實例系統(tǒng)圖4.3 測試使用結果4.3.1 主要參數測試情況表2主要參數測試情況序號項目名稱單位參數備注1平均亮度nits5002暗場亮度nits0.053對比度10000:14動態(tài)對比度1000000：154最大功率W95亮場測試65最小功率W3暗場測試76平均功率W4555播放動態(tài)圖像4.3.2 圖像主觀評價及節(jié)能具有動態(tài)LED背光源的LCDTV，播放了高清（1920×1080P）動態(tài)圖像、數字信息、靜態(tài)高清圖片等節(jié)目。動態(tài)圖像清晰度很高、動態(tài)對比度展示明顯、圖像和圖片景深還原性高、層次清晰，數字信息邊緣清楚，特別是高亮度展示時，具有較強的視覺震撼力，加之LED本身的色域比CCFL更寬，圖像色還原性感覺即真實又鮮艷