LCD自适应背光控制设计方案解析

采用LED的固态背光控制应用于LCD TV时存在许多独特的优点。与当前市场上大屏幕LCD背光控制中主要使用的冷阴极荧光灯(CCFL)和热阴极荧光灯(HCFL)相比，LED的能效高得多。

实际上LED的光学效率目前与CCFL相当，其高能效并非是其光学效率(流明每瓦)的自然结果，而是由于其明暗程度可以更灵活高效地控制，以满足图像亮度的要求。采用一组可寻址的LED阵列进行二维背光亮度控制所创造的视觉效果更加生动，对比度更强，色域更广，色彩饱和度也更好。

过去几年，CCFL和HCFL背光控制中采用了多种亮度控制技术。例如，有时为了满足图像亮度的要求，整个背光都被调暗，这采用的是一种叫做0维调光(dimming)的技术。如果调光是沿着一条单轴进行的(例如通过控制一根HCFL荧光灯的亮度或同时控制一组CCFL荧光灯的亮度)，就叫做一维调光。

随着最近LED成本的降低和性能的提高，利用LED进行背光控制的可行性越来越高，因而该技术可能成为一种新型的更高效的背光亮度控制技术。而LED能够轻松布置成为一个二维阵列并实现每个阵列单元的单独控制这一事实又让二维(水平和垂直方向)调光成为可能，这在过去采用传统CCFL或HCFL荧光灯时是不可能实现的。二维调光能在显示图片的亮区域背后局部地产生更多的光，而在暗区域产生较少的光。

实际上，一个10x18的高效白色LED阵列就足以局部优化一般图像内容的背光亮度，使图像对比度更佳，并大大降低背光的平均功耗。这种基于图像内容的背光输出局部控制在典型的TV图像内容上平均能节省大约50%的功耗。

从白背光到RGB背光

如果不用白色LED，而用RGB三色LED，那么二维LED背光控制的优势更大。通过控制RGB中红、绿、蓝LED的亮度，可实现远远宽于传统背光LCD面板的色域。因此，RGB LED的背光能产生更亮、更深、饱和度更高的色彩。

于是，我们可以通过智能饱和度控制将视频内容(RGB)的色彩空间映射到LED背光的色彩空间。此类映射算法不应改变图像中的白色、肤色和柔和色，但却能将饱和色扩展到只有LED才能实现的鲜亮程度。

将RGB LED按二维阵列的方式排放并在单色基础上对其进行单独控制(即二维彩色明暗控制)不但能降低功耗，还能改善色域和对比度。这是因为独立的背光分段只需产生能被其前方的LCD像素发射的可见光谱部分，见图1。

图1：2维彩色调光控制。

传统白背光是利用一个固定的白色点来产生可见光谱，但很大一部分能量都无法通过LCD发射出去，而变成热能消耗在LCD面板的滤色器中。基于图像内容进行背光输出的局部色彩控制用于典型TV图像内容时则能节省大约80%的功耗。

背光调光控制的复杂性

尽管优点很多，但背光明暗控制的复杂性也不可小觑。这是因为它引入了两种不同的图像亮度调节方式。

为了显示夜景等低亮度图像，我们可以利用LCD的像素来阻碍更多背光的输出，或者也可以直接将背光调暗。从空间和时间对比度以及色域角度获得最优化的屏幕前端性能，再加上最优化的背光功耗，这些都是通过获取像素驱动信号来补偿背光流明的降低而实现的。

因此，自适应背光亮度控制需要对视频流进行大量图像处理，以分析图像内容。然后，还要将所需的信息与背光的特性巧妙地组合起来，这样才能产生最佳的背光和像素驱动信号。

这其中存在的挑战就在于如何将极低的空间分辨率(通常只有10x18个区段)与LCD面板的极高分辨率(对高清TV而言可高达1920x1080像素)匹配起来。

相邻背光区段之间光学干扰的存在让情况变得更加复杂，这是因为每一个背光区段发出的光都会漏到其邻近的区段中去。

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怎样求得平衡

要确定最佳的背光水平，必需对图像像素的R、G、B值分别进行统计分析，这样才能为相应的背光分段确定合适的驱动电平。

如果所有像素电平都是高电平，将与归一化背光电平上的背光相匹配。当RGB像素值为低电平时，就应将背光电平调暗，以减少通过显示面板漏出的光。同时，还要增大用于LCD像素的RGB增益，以保证图像亮度满足要求。

这样一来，对比度(尤其是用于黑电平的对比度)会得到改善，但会对亮像素产生削幅。因此，自适应背光算法需要找到一种最佳的折衷。红、绿、蓝的增益也需要调整，以补偿LCD面板滤色器中输出的不断变化的混合RGB背光亮度。

不同背光分段之间的相互作用

因光干扰而产生的不同背光区段之间的交叉干扰也对图像的整体性能有很大影响。这种干扰限制了有效的空间背光调节，因此通过背光调节能够达到的图像质量改善很大程度上取决于背光的特性和构造。

干扰补偿方面还有很重要的一点，那就是必需能动态驱动背光LED直至高于其设计亮度的水平，这个过程被人们称作自适应增强。采用这种方法，由邻近背光区段变暗而导致的某个背光区段的亮度缺乏这样的情况就能得到补偿。

干扰补偿能够帮助减少某个分段中心处应达到的亮度水平与要求达到的亮度水平之间的误差。这样一来，整个背光轮廓的空间调整就得到了增强。

然而，简单的线性误差补偿可能导致亮区域边缘处亮度不足。利用非对称补偿就能避免出现这种情况，见图2。

图2：对称与非对称的交叉干扰补偿。

如果背光的LED数量太少，那么背光增强的可能性就会受限。这是因为当LED数量较少时，每个LED都必需驱动到接近最大亮度的水平才能达到所需的图像亮度。而随着背光LED的个数增多，背光提升的效果就能改善，从而不但补偿了相邻区段之间的干扰，而且也提升了亮图像内容的鲜活度。

LED数量增多会使每个背光区段变得更小，从而允许背光流明在更大的范围内得到调节，提供更优秀的时间和空间对比度。对于典型的图像内容而言，采用背光调暗和背光增强技术能将功耗降低超过50%，且图像看上去不会有可见的不良影响。

LED背光技术前景光明

不幸的是，与传统CCFL或HCFL荧光灯相比，目前高效LED背光的成本太高，故用于背光的LED的个数只限于几百只。但随着基于LED背光技术趋于更加成熟，这种成本差距今后很可能会缩小。

LED背光在移动设备中已经很常见，而且其优秀的能效特性也使它开始出现在笔记本电脑中。对电视机而言，LED背光很可能首先用于50寸以上的大屏幕电视，然后随着生产成本降低，再进入较小屏幕的电视机。

为了帮助和鼓励人们使用基于LED的自适应背光控制，NXP半导体公司已在其PNX5100 LCD TV平台上实现了所有2维白色LED明暗控制、2维RGB LED明暗控制以及色域映射所需的算法。

PNX5100位于视频视频处理通道的后端，它利用片上的基于像素的加速器，控制运动补偿上变频(到120Hz)和2维背光驱动，详见图3。其软件驱动背光控制非常灵活，并能根据特定的客户需求和显示面板进行调节。

图3：自适应调光方框图。

作者：Pierre de Greef

系统架构师

Hendriek Groot Hulze

研究员

Harm van der Heijden

图像质量架构师

NXP半导体