Технологии адаптивного изменения яркости задней подсветки телевизионных ЖК-экранов


PDF версия

ЖК-панели имеют ограниченный коэффициент пропускания, что приводит к бесполезному расходованию электроэнергии и ограничивает доступную яркость. В то же время из-за света, проникающего через ЖК-панель, сигнал, соответствующий уровню черного, имеет некоторую яркостную составляющую, ограничивающую контрастность. В данной статье описываются технологии адаптивного ослабления и усиления задней подсветки, которые позволяют повысить контрастность, яркость и четкость изображения.

ЖК-телевизоры должны обрабатывать изображения таким образом, чтобы обеспечить максимальное качество отображения «картинки» на экране. Они должны удовлетворять множеству параметров, таких, как контрастность, яркость, цветность, мерцание, плавность движения, угол обзора, рассеяние, а также эксплуатационные расходы.
Все перечисленные параметры напрямую зависят от системы задней подсветки. Для ЖК-телевизоров подсветка должна быть яркой, так как в них обычно используется прямая подсветка.
Возможности уменьшения/увеличения силы света имеющихся источников перечислены в приведенной ниже таблице 1.

 

Таблица 1. Нормализованный диапазон мощностей
Источник света
Диапазон мощности, %
Управление
мин.
тип.
макс.
CCFL
33
100
120
0D/1D
EEFL/HCFL
20/10
100
120/300
0D/1D
Слабомощный RGB-светодиод
0
100
140
0D/1D/2D/2Dcolor
Мощный RGB-светодиод
0
100
200
0D/1D/2D/2Dcolor
Белый светодиод
0
100
120
0D/1D/2D

 

Примечание.
CCFL — Cold Cathode Fluorescent Lamp, люминесцентная лампа с холодными катодами.
EEFL — External Electrode Fluorescent Lamp, люминесцентная лампа с внешними электродами.
HCFL — Hot Cathode Fluorescent Lamp, люминесцентная лампа с горячими катодами.

 

Максимальный диапазон мощностей в таблице соответствует возможностям увеличения силы света источников для типичных областей применения. При увеличении количества установленных источников это число пропорционально растет. Следовательно, установка дополнительных источников позволяет достичь большего уровня подсветки, улучшить компенсацию их взаимного влияния, сэкономить больше электроэнергии и добиться лучшей эффективности.
На выставке SID2006 наша концепция задней подсветки на базе технологий 1D-Dimming и Boosting демонстрировалась на стенде Philips и получила множество положительных оценок. Ее основные преимущества:
– увеличение пространственной контрастности и яркости;
– оптимизация уровня черного;
– увеличение диапазона локального ослабления и усиления задней подсветки;
– постоянное сокращение энергопотребления.
В этой статье мы рассмотрим преимущества технологии, а также поговорим о расширенных возможностях метода подсветки 2D. В режиме 2D (например, при использовании каналов R, G и B) применение технологий ослабления и усиления подсветки оказывает еще большее влияние на улучшение контрастности и снижение энергопотребления.

 

Технология Adaptive Dimming Backlight предназначена для затемнения задней подсветки с целью повышения локального контраста, оптимизации уровня черного, а также уменьшения энергопотребления.

Оптические перекрестные помехи между управляемыми элементами задней подсветки оказывают отрицательное влияние на эффективность ослабления света, ограничивая пространственную модуляцию яркости подсветки. Компенсация перекрестных помех позволяет частично устранить этот дефект и усилить пространственную модуляцию элементов.

Для повышения яркости панели (выше 100%) предназначена технология Adaptive Boosting Backlight. При этом увеличивается локальная яркость и контраст светлых изображений, а энергопотребление остается на прежнем уровне.

Компенсация перекрестных помех делает возможным более глубокое затемнение. Оно способствует повышению контрастности и четкости равномерно ярких изображений. При совместном применении обеих технологий:

– контрастность может увеличиться до 5 раз (CCFL/EEFL);

– яркость может удвоиться, а контрастность увеличиться до 20 раз (HCFL);

– альтернативный вариант: технология 2D-Dimming позволяет увеличить пространственный контраст в сотни раз, а временную контрастность – практически до бесконечности (LED). В то же время можно сэкономить до 50% электроэнергии!

 

ОБЗОР КОНЦЕПЦИИ

Идеальный уровень задней подсветки зависит от уровней составляющих изображения R, G и B. Если эти уровни высокие, изображение на панели будет оптимальным при номинальном уровне мощности задней подсветки. Но если уровни RGB низкие, интенсивность задней подсветки необходимо уменьшить, чтобы свести к минимуму просачивание света через ЖК-элементы. В то же время сигналы R, G и B необходимо усиливать, чтобы сохранить заданный уровень яркости. В результате улучшается контрастность (особенно в случае темных изображений), однако происходит ограничение яркости. Чтобы добиться оптимального сочетания всех перечисленных параметров, необходим адаптивный алгоритм регулировки задней подсветки.
Такое требование во многом является субъективным, особенно в сочетании с увеличением силы света, из-за взаимного влияния этих двух функций. Наилучших результатов можно достичь с помощью анализа гистограмм. Гистограммы содержат информацию о соотношении между темными и светлыми пикселами изображения и могут использоваться для прогнозирования степени ограничения яркости в процессе усиления.
Желательно выполнять раздельный анализ каналов R, G и B. Обычно функции «автоконтраста», реализованные в телевизионных приемниках, основаны на анализе яркостного компонента Y. Но для этой функции по умолчанию вводится некоторое ограничение яркости, чтобы предотвратить просачивание света через ЖК-элементы, и уровень такого ограничения необходимо строго контролировать. Поэтому информации только о компоненте Y недостаточно. Основные понятия общей технологии усиления и ослабления задней подсветки проиллюстрированы на диаграмме, представленной на рисунке 1.

 

Рис. 1. Схема адаптивного управления задней подсветкой

Обработка включает четыре этапа:
– анализ содержимого изображения для определения оптимальной (минимальной локальной) яркости задней подсветки;
– расчет и контроль требуемых уровней источников освещения, соответствующих оптимальной усиленной светоотдаче;
– построение фактического профиля освещения для задней подсветки, чтобы обеспечить динамическое усиление;
– динамическое усиление потока RGB, выводимого на панель.

 

ТЕХНОЛОГИЯ АДАПТИВНОГО ЗАТЕМНЕНИЯ ADAPTIVE DIMMING BACKLIGHT

Технологию Adaptive Dimming Backlight применяют в ЖК-телевизорах для оптимизации уровня черного, поглощения, а также для увеличения угла обзора. Благодаря согласованию коэффициента усиления с отображаемыми видеоданными, можно уменьшить уровень задней подсветки, при этом воспринимаемая глазом яркость не изменяется.
В зависимости от размерности адресации отдельных элементов подсветки различают технологии 0D, 1D, 2D.

 

Технология затемнения 0D-Dimming

Весь массив ламп задней подсветки управляется как единое целое.
При реализации технологии 0D используется подход, основанный на анализе гистограмм, но часто применяется и альтернативный подход, основанный на обратной связи с ошибками ограничения (обрезания сигнала), вызванными усилением, так как он обходится дешевле. Устройство регулировки усиления определяет оптимальные коэффициенты усиления видеосигнала и ослабления задней подсветки на основе отфильтрованного сигнала обратной связи. Недостаток этого метода — ухудшение временного контроля ошибок ограничения и отсутствие информации о соотношении светлых и темных участков изображения.
Так как коэффициент усиления/ослабления изменяется во времени, яркость задней подсветки будет колебаться в некотором диапазоне, при этом значения временной контрастности будут превышать значение номинальной контрастности. В среднем при воспроизведении типичных видеоданных сокращение энергопотребления может превысить 20% без видимых искажений изображения.

 

1D-Dimming

Метод 1D-Dimming предусматривает определение требуемого уровня яркости отдельно для всех элементов. Элемент определяется как минимальная единица управления источниками света. Элемент 1D — это одна лампа HCFL, группа параллельных ламп CCFL или строка последовательных светодиодов. Наилучшие результаты достигаются при использовании горизонтальных элементов, так как такая ориентация соответствует профилю яркости многих типичных изображений, например ландшафтов.
Чтобы получить значения требуемых уровней свечения каждого элемента, для каждого нового видеокадра генерируется множество гистограмм. Видеоданные анализируются на базе гистограммы локальной видеоинформации. Эти уровни фильтруют по времени и по пространству, так как они должны изменяться плавно, чтобы избежать видимых искажений.
Определяются также вертикальные профили яркости ламп, которые запоминаются в таблице соответствия (Lookup Table, LUT). Элементы могут иметь резкое разделение, когда отдельные источники не влияют на соседние. Однако при этом трудно добиться надлежащей однородности задней подсветки. Плавное разделение позволяет повысить однородность, при этом отсутствуют резкие границы между группами ламп.
Таблица LUT используется для восстановления фактического светового профиля всей задней подсветки для заданных уровней светимости ламп. Теперь известны уровни задней подсветки для каждой строки ЖК-панели. По этим уровням можно рассчитать требуемый коэффициент усиления. Из-за наличия оптических перекрестных помех между элементами этот коэффициент усиления может отличаться от значения, рассчитанного анализатором гистограмм. В результате увеличивается количество ошибок ограничения. Для предотвращения этого используется компенсация перекрестных помех.
В зависимости от времени и местоположения на экране коэффициенты ослабления меняются, поэтому яркость задней подсветки также будет изменяться в широком диапазоне, обеспечивая большие уровни временной и пространственной контрастности, и разница в яркости между очень светлыми и очень темными объектами на экране увеличится. Количество элементов подсветки связано с модуляцией ослабления. Большее количество элементов позволяет выполнять модуляцию с более высоким разрешением, но при этом увеличивается стоимость изделия, поскольку требуется больше ламп. В среднем при воспроизведении типичных видеоданных сокращение энергопотребления может превысить 30% без видимых искажений изображения.

 

2D-Dimming

Эта технология также предполагает анализ множества гистограмм для определения желательного уровня яркости каждого элемента (обычно, группы светодиодов). Поскольку двумерные 2D-элементы имеют больше соседей, в данном случае компенсация перекрестных помех еще более важна, чтобы обеспечить достаточную светоотдачу задней подсветки.
При уменьшении размера элементов уровни яркости необходимо определять более точно, тогда увеличивается вероятность совпадения какой-либо очень темной области изображения с элементом 2D, что позволит использовать более глубокую модуляцию и обеспечит еще большие уровни временной и пространственной контрастности. В случае использования мощной светодиодной подсветки количество элементов обычно равно количеству красных, зеленых и синих светодиодов (~100), при маломощной светодиодной подсветке каждый элемент соответствует группе красных, зеленых и синих светодиодов. В среднем при воспроизведении типичных видеоданных сокращение энергопотребления может превысить 50% без видимых искажений изображения.

 

2D-color Dimming

Для этой технологии необходим анализ гистограмм по каждому цвету, чтобы определить желательный уровень яркости отдельного цветного источника света, входящего в элемент подсветки (красного, зеленого и синего светодиодов).
Для цветового ослабления требуется более сложная коррекция потока света RGB. Усиление должно выполняться с помощью матрицы, чтобы компенсировать смешение различных уровней RGB-подсветки в цветовых фильтрах ЖК-панели.

 

КОМПЕНСАЦИЯ ПЕРЕКРЕСТНЫХ ПОМЕХ 1D И 2D

Общая эффективность поэлементного ослабления и усиления сильно зависит от взаимного влияния элементов вследствие перекрестных оптических помех. Перекрестные помехи ограничивают эффективность пространственной модуляции задней подсветки (даже в случае применения компенсации). Компенсация никогда не будет безупречной, и качество очень сильно зависит от свойств источников света.
Важным моментом является возможность увеличения силы света источника выше номинального уровня. Таким способом можно скомпенсировать недостаток света из-за ослабления соседнего элемента. Без такого усиления эффективная компенсация перекрестных помех возможна только в случае, если требуемые уровни свечения соседних элементов ослаблены. Если эффективная компенсация перекрестных помех невозможна, для элементов, расположенных рядом с неослабляемым элементом, ослабление ограничивают. Этим процессом управляет ограничитель уровня свечения, как показано на рисунке 2.

 

Рис. 2. Пример ограничителя уровня свечения 1D

Ограничитель препятствует выходу за установленные пределы или ограничению управляемых уровней источников после компенсации перекрестных помех и/или экономит диапазон для применения алгоритма усиления.
Компенсация перекрестных помех корректирует расхождение между спрогнозированным уровнем освещенности в центре элемента и требуемым уровнем освещенности. В результате усиливается пространственная модуляция профиля задней подсветки. Прямая линейная компенсация погрешностей приводит к недостаточной освещенности границ ярких элементов, как показано на рисунке 3. Предотвратить этот эффект может асимметричная компенсация.

 

Рис. 3. Пример асимметричной компенсации взаимного влияния 1D

 

ТЕХНОЛОГИЯ АДАПТИВНОГО УСИЛЕНИЯ ЯРКОСТИ ADAPTIVE BACKLIGHT BOOSTING

Чтобы улучшить яркость и контрастность изображения на экране ЖК-телевизора, можно использовать технологию Adaptive Backlight Boosting (адаптивное усиление задней подсветки). Наряду с усилением видеосигнала (адаптивный усилитель контрастности, Adaptive Contrast Booster), можно также повысить силу света задней подсветки, чтобы дополнительно усилить яркость изображения. Однако имеется ряд ограничений. Система управления задней подсветкой должна укладываться в заданные температурные и электрические характеристики.
Технологию адаптивного усиления подсветки можно использовать только в сочетании с технологией адаптивного ослабления, так как для усиления необходим запас по электропитанию и температуре, который создается благодаря ослаблению подсветки других областей экрана. Воспринимаемую контрастность изображений можно повысить, изменяя начальную стратегию ослабления — по времени или по пространству.

0D-Boosting

Период усиления может начаться только после периода ослабления. Поэтому длительное усиление освещенности статических изображений невозможно, в основном, из-за температурных ограничений.
Из-за того, что коэффициенты усиления и ослабления видеосигнала меняются во времени, яркость будет модулироваться в более широком диапазоне, обеспечивая большее значение временной контрастности. В среднем при воспроизведении типичных видеоданных сокращение энергопотребления благодаря использованию технологий ослабления + усиления освещенности может превысить 20% без видимых искажений изображения.

 

1D-Boosting

По существу, увеличение мощности — это адаптивный рост уровней яркости всех элементов подсветки. При этом усиление видеосигнала не снижается. Коэффициент увеличения мощности изменяется для каждого кадра пропорционально номинальной мощности задней подсветки (без ослабления), а также мощности, соответствующей уровням ослабления. Для усиления светоотдачи панели используется только энергия, сэкономленная в результате применения алгоритма ослабления 1D. Поэтому средняя мощность, потребляемая за время воспроизведения одного кадра, меньше или равна номинальной потребляемой мощности. Следовательно, в этом режиме возможно также усиление освещенности статических изображений.
Численный пример. Если во время работы системы задней подсветки свечение 5 элементов уменьшено до 20%, а освещенность 5 других элементов — до 80% от номинальной мощности, то экономия электроэнергии составит 50%. Поэтому силу света всех ламп можно увеличить в 2 раза. Таким образом, светимость 5 ламп можно увеличить до 40%, а 5 других ламп — до 160%.
Фактический коэффициент усиления мощности ограничен максимально допустимым значением. Это значение равно отношению максимально допустимого уровня яркости элемента к самому высокому (после компенсации перекрестных помех) уровню ослабления яркости и к управляемому пользователем максимуму, так как нет необходимости «превращать ночь в день».
Пространственное усиление мощности можно сочетать с временным усилением 0D.
В зависимости от времени и местоположения на экране коэффициенты усиления видеосигнала и задней подсветки меняются, поэтому яркость также будет изменяться в более широком диапазоне, обеспечивая большие уровни временной и пространственной контрастности, и разница в яркости между очень светлыми и очень темными объектами увеличится. В среднем при воспроизведении типичных видеоданных сокращение энергопотребления благодаря использованию технологий ослабления и усиления освещенности может превысить 25% без видимых искажений изображения.

 

2D-color Boosting

Базовые концепции технологий 2D и 1D тоже одинаковы. Однако на практике возможности усиления светимости светодиодов задней подсветки ограничены пределами мощности отдельного светодиода, а не общим энергопотреблением системы задней подсветки.
Поэтому, чтобы создать запас мощности для усиления, пределы компенсации взаимного влияния источников должны быть лимитированы ограничителем пространственной модуляции, описанным выше.
По мере уменьшения осветительных элементов яркость задней подсветки можно модулировать в более широких пределах, чтобы еще больше повысить временную и пространственную контрастность. В среднем при воспроизведении типичных видеоданных сокращение энергопотребления благодаря использованию технологий ослабления и усиления освещенности может превысить 50% без видимых искажений изображения.

 

ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ К СИСТЕМЕ

Рассмотренные корректирующие алгоритмы предъявляют особые требования к используемым лампам. Предпочтительный рабочий диапазон ламп должен составлять от 30 до 150% для применения адресной задней подсветки 0D, от 10 до 200% для 1D и от 0 до 300% для 2D.

 

Традиционные лампы CCFL/EEFL для задней подсветки

Традиционные лампы CCFL/EEFL для задней подсветки могут поддерживать или некоторый уровень общей (сканирующей) подсветки, или определенный уровень подсветки с ослаблением, поскольку имеют ограниченный динамический диапазон и не приспособлены для быстрого переключения.
При использовании традиционных источников CCFL и EEFL для подсветки 32-дюймовой ЖК-панели требуется около 16 ламп, чтобы обеспечить светоотдачу с внешней стороны экрана 600 кд/м2. Сила света ламп может быть уменьшена до 30%, однако усиление подсветки практически невозможно, так как эти лампы не могут отдавать мощность выше номинальной.

 

Лампы HCFL для задней подсветки

Лампы для задней подсветки Philips Lighting Aptura HCFL удовлетворяют всем перечисленным требованиям. Они могут работать в режимах сканирующей подсветки, ослабления 1D и усиления. Светоотдача лампы HCFL до 5 раз выше, чем у традиционных CCFL. При использовании этих источников для подсветки традиционной 32-дюймовой ЖК-панели потребуется всего 8 ламп, чтобы по-прежнему обеспечить светоотдачу с внешней стороны экрана 600 кд/м2.

 

Светодиодная подсветка

Маломощные светодиоды NXP — идеальные устройства для поддержки технологии ослабления 2D-colour Dimming Backlight, так как они позволяют формировать небольшие элементы с высоким разрешением.
На нынешнем уровне развития технологии производства светодиодов их себестоимость все еще высока, но по мере совершенствования производственных процессов она будет быстро снижаться.
К сожалению, на светодиоды нельзя подавать достаточно большую мощность для поддержки реального усиления, если их количество ограничено минимумом, необходимым для обеспечения номинальной светоотдачи (по соображениям стоимости).

 

Требования к процессорам обработки изображений

Для выполнения функций адаптивного ослабления и усиления подсветки необходимы вычислительные ресурсы. Адаптивные алгоритмы требуют анализа входного видеосигнала. Результаты этого анализа являются входными данными для алгоритмов обработки изображений. В алгоритмах ослабления также требуется обработка изображений, так как ослабление задней подсветки должно компенсироваться усилением видеосигнала.
Наиболее экономичное решение — интеграция этих функций в микросхему TCON, которая уже является неотъемлемым компонентом видеотракта, разработка интерфейсов с драйверами дисплея, а также ускорение обработки для улучшения воспроизведения движения.

 

Вспомогательный дисплейный чип

Для того чтобы эти функции стали как можно быстрее доступны всем производителям модулей дисплеев, было разработано альтернативное решение — Display Companion Chip (вспомогательный чип). В этой микросхеме реализован широкий набор специализированных функций обработки изображений и управления подсветкой. Она предназначена для использования в качестве внешнего интерфейса с имеющимися (массовыми) микросхемами TCON. Следовательно, ее можно напрямую интегрировать в существующую продукцию и сочетать с системами обработки изображений собственной разработки или со специализированными системами управления ЖК-панелями. Доработка имеющихся устройств TCON не требуется.
В настоящее время компания NXP Semiconductors занимается разработкой этого устройства, чтобы сделать технологию адаптивной задней подсветки доступной для всех производителей модулей ЖК-дисплеев и телевизоров.

 

ВЫВОДЫ

Зрительные контрастность и яркость изображения можно значительно улучшить с помощью комбинации технологий ослабления и усиления задней подсветки. Лампами задней подсветки можно управлять таким образом, чтобы они излучали меньше света в темных областях изображения и больше света в ярких областях (во времени и по пространству экрана), с соответствующей компенсацией коэффициента усиления видеосигнала.
Разработаны алгоритмы управления адресной задней подсветкой 0D, 1D, 2D или 2D-color, на базе которых создан ряд решений для телевизоров и мониторов, от недорогих до высокопроизводительных.

 

Литература
1. de Greef P., Groot H., Sluyterman S. Адаптивная двухимпульсная задняя подсветка для телевизионных ЖК-экранов. SID 2006, доклад 54.4.
2. Stessen J., van Mourik H. Алгоритм для сохранения контрастности, ослабления и усиления задней подсветки ЖК-панелей. SID 2006, доклад 26.4.
3. Shiga T., Kuwahara S., Takeo N., Mikoshiba S. Технология адаптивного уменьшения светоотдачи оптически изолированных групп источников света. SID 2005, доклад 18.1.
4. Sluyterman S., Boonekamp E. Варианты архитектуры сканирующей задней подсветки для больших телевизионных ЖК-экранов. SID 2005, доклад 18.2.
5. Raman N., Hekstra G. Динамическое повышение контрастности изображения ЖК-дисплеев с помощью модуляции задней подсветки. ICCE 2005, доклад 5.2-1.
6. Kim K.-D. и др. Адаптивное динамическое управление изображениями на экране ЖК-телевизора в режиме IPS. SID 2004, доклад 59.4.
7. Shiga T., Mikoshiba S. Применение технологии адаптивного ослабления подсветки для снижения мощности задней подсветки ЖК-экранов и расширения шкалы уровней серого. SID 2003, доклад 49.2.
8. Gielen H. Практический подход к применению источников света HCFL для задней подсветки ЖК-экранов, SID 2005, 18.3, с. 1001.

Оставьте отзыв

Ваш емейл адрес не будет опубликован. Обязательные поля отмечены *