LED背光電視區域調光技術簡介

2021-01-11 電子產品世界

節能及畫質提升技術一直是彩電行業不斷追求創新的領域,隨著

液晶電視

的普及,區域

調光技術

成為集節能與畫質提升於一身的最佳技術之一。

  傳統CRT電視因是平面光源,其發光要麼整片點亮,要麼整片變暗,無法實現按畫面分區域調光。液晶電視

顯示

部分主要包括

背光

源和

液晶

顯示單元,其中

背光

源主要採用直線光源

CCFL

和點光源

led

,這就為實現區域調光提供了可能。而液晶電視的

背光

是整機耗能最大的部分,所以通過各種方式調節背光

亮度

實現節能且提升畫質的技術一直是業界不斷攻克的難題。

  液晶電視推出初期,其背光亮度是固定或用戶通過菜單手動調節的,這與CRT的平面光源類似,要麼整片變亮,要麼整片變暗。而CCFL是直線光源,所以分區調節在技術上是可行的,隨著液晶電視逐漸佔據市場主流,背光源亮度區域調節技術也得到迅速發展,經0次元(0D) Dimming、1次元(1D)Dimming發展到當前的2次元(2D)Dimming。  

  背光區域調節技術

  液晶電視背光區域調節技術即Local dimming技術,是指液晶電視系統將圖像信號分成若干區域,並根據各區域圖像亮度進行分析計算,然後自動控制各區域背光源的亮暗。
  0D Dimming:指液晶電視系統對整個電視畫面統一調節亮度,無論是CCFL背光源還是LED背光源,所有的CCFL燈管或LED在同一場畫面下亮度一樣,由系統統一控制,當下一場畫面亮度變暗或變亮時,系統再自動將背光統一調暗或調亮。一般算法是用軟體計算整個畫面的平均亮度,根據平均亮度的大小去調節背光亮暗。例如當全黑畫面(如圖1.1)時CPU自動將背光亮度調至最暗,而當全白畫面(如圖1.2)時CPU自動將背光亮度調至最亮。0D Dimming的缺點是統一調節不夠準確,如當同一畫面中出現純白和純黑的畫面時(如圖1.3上下黑中間白畫面),系統CPU計算平均亮度後將背光亮度調至中間偏小處,這將導致純白的地方不夠亮,而純黑的地方則不夠黑。因此嚴格來說,0D Dimming不算區域調光。
  

圖1,電視中可能出現幾種不同亮度的顯示畫面


  1D Dimming:英文也叫line dimming,顧名思義就是按線調節。對CCFL背光源而言,它將按每個燈管調節,或將總燈管數按相鄰燈管分成若干組按組調節;對於直下式LED而言,則是按每行LED調節,或將相鄰行LED分組按組分別調節。如圖1.3畫面,CPU會按區域計算各區域平均亮度,可以將上、下部分的燈管或LED調暗或關斷,而將中間的燈管或LED調至最亮。1D Dimming比0D Dimming在技術上有了很大提升,以此來調節背光亮度可以很大程度地降低液晶電視能耗,提升畫面對比度。然而當其遇到如圖1.4這種在同一行中有黑白交錯的畫面時,又會出現同一行畫面亮度調節不準確的情況。
  2D Dimming:即Local dimming,是指將整個畫面按矩陣式分成若干個區域,CPU根據每個區域分布計算平均亮度,對各區域的亮度獨立控制,這樣就可以完美解決如圖1.4畫面在1D Dimming下出現的問題。
但是,早期液晶電視主要採用CCFL背光,屬於直線光源發光方式。以32英寸TV用LCD面板為例,大部分需使用12根CCFL燈管,若真的要做到Local Dimming,最多也只能劃分為12個區塊,且CCFL光源最大問題是點滅速度不夠快,若強力驅動其開關的速度,則會減損燈管壽命,因此CCLF背光源無法做到矩陣式按區域調節亮度。
  2009年,液晶電視市場掀起LED背光潮,即液晶電視的背光採用LED。LED體積小巧,屬於點光源,它為實現真正的區域調光技術提供了可能。以主流的側背光為例,其LED燈分布在液晶屏的四周,而系統對LED燈的控制可以按矩陣式區域控制,如圖2所示。
  

圖2,LED燈分布在液晶屏的四周,系統可以按矩陣式區域對其進行控制

  2D區域調光的優點

  2D Dimming能對LCD背光源作不同區域、不同程度明暗變化的調節,可大幅降低耗電量,提高顯示畫面對比度,增加灰階數,減少殘影,提升LCD顯示器畫質,是最佳的區域調光技術。
  為何2D Dimming區域控制可大幅降低LCD顯示器耗電量?這是因為不論平面光源、直線光源CCFL還是EEFL,其背光源一般都處在全亮狀態,而當顯示暗態畫面時則通過降低液晶穿透率來實現,故它們對於降低耗電量沒有幫助。與之相對,2D Dimming在顯示暗態畫面時,LED亮度隨之降低,故可減少整體背光源的耗電量。日本電氣通信大學針對不同型態背光源測量同一顯示畫面耗電量,測量結果顯示:倘若0D Dimming平均耗電量為100%,2D Dimming型態背光源平均耗電量僅43%。
  2D Dimming區域控制除了可降低耗電量,也可改善LCD顯示器畫質表現。因為2D Dimming可以對區域亮度獨立控制,而傳統平面背光源只能整片點亮,故2D Dimming可大幅提高畫面的動態對比度。
  LED光源快速點滅特性對於LCD顯示器運動拖尾也大有改善。傳統CCFL背光源因持續點亮緣故,以移動中的人眼球看去會有晃動、拖影感覺;當LED背光源模擬CRT顯示器脈衝式發光,即背光源也採用間歇性點滅方式,LED背光在極短時間關斷時可遮住快速移動物體所產生的拖影畫面,故所呈現畫質較為清楚。

  2D區域調光面臨的難題及機遇

  上面提到的2D Dimming技術需要CPU同時去分析一個圖像多個區域的亮度,然後根據計算結果分別控制各區域亮度,實質是通過控制LED驅動來調節各區域LED燈的亮暗。軟體對圖像分析的算法對CPU性能是一個考驗,LED驅動時序控制在設計上也是難題,倘若時序控制不當,容易造成LED燈燒壞。
  目前液晶電視主晶片較少具有2D local dimming功能,這樣整機在設計2D local dimming時需要外加DSP,且分區越多LED驅動使用越多,算法和時序控制越複雜,這大大增加了整機的成本,所以當前市場上的液晶電視使用2D local dimming功能還比較少。
  隨著技術的發展,逐漸有一些60Hz轉120Hz的FRC晶片將2D local dimming算法集成進來,並提供相應接口,且一般為SPI接口,因此對於120Hz LED背光液晶電視而言,實現2D local dimming功能只需增加LED驅動器成本,從而使得功能模塊成本大大降低,這對該技術在120Hz液晶電視上的普及帶來了機遇。然而120Hz屏比60Hz屏貴很多,基於成本原因,目前市場上佔主流的液晶電視還是60Hz液晶電視,而60Hz屏又不需要用到FRC晶片,因此2D local dimming功能規模化還比較困難。
  所幸的是,3D電視在2011年快速普及,而快門式3D電視必須採用120Hz屏,因此2D local dimming功能搭借快門式3D電視的東風將有望得到快速成長。

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