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背光调节在降低液晶显示器功耗中的作用Adjust Backlight to Reduce LCD Power Consumption飞思卡尔半导体 卢春鹏摘要：目前，液晶显示器的使用越来越广泛，而对其功耗降低的要求也越来越严格。无论是在大屏幕的液晶电视还是小屏幕的手持设备中，背光调节是最常用的技术。本文介绍了背光调节技术的最新的进展，包括2维LED背光阵列以及动态亮度调节。Abstract: Currently, Liquid Crystal Display (LCD) is becoming more and more prevalent while the people requires less and less power consumption. Back light adjustment technology is widely utilized, both in large panel LCD TV and small panel handhold device. This article introduces latest progress on this technology, including 2-D LED backlight dimming and dynamic luminance scaling (DLS).关键词：LCD降功耗，背光调节，2维背光，动态亮度调节Keyword: LCD Power Saving, Backlight Adjustment, 2-D LED Backlight Dimming, Dynamic Luminance Scaling (DLS)第一章LCD降功耗的意义目前液晶显示器的使用越来越广泛，从小屏幕的手持播放器、手机到大屏幕的液晶电视、电脑显示器等，在人们的生活中占据越来越重要的位置，而其消耗的能量也越来越引起人们的关注。因为液晶屏自身是不能发光的，它需要一个强劲的光源来给它提供背光。而这样的光源，无论是液晶电视中广泛使用的CCFL（冷阴极荧光灯）或者LED（发光二极管），都是非常耗电的。有人做过统计，一个典型的3.5手持播放器播放视频时，系统总功耗一般为500mW，而其中LCD就消耗了300mW，也就是说LCD消耗的功率常常占到系统总功率的60%或更多。如果考虑整个的LCD子系统，包括控制电路以及帧缓存（frame buffer），那它们在整个系统功耗中所占的比重就更大。因此降低LCD的功耗对于节约能源、实现绿色社会，具有非常重要的意义。第二章传统技术与最新的进展LCD在系统功耗中占据如此之大的比重，因此人们开发了各种技术来降低它的功耗。这些技术集中在两个方向上：减少数据传输和调整背光源。减少图像数据在主机与显示屏之间的传输，能够降低数据线上（I/O）的功耗，同时也能够降低存储芯片（存储图像数据的frame buffer）的功耗。减少数据传输的一个方法是降低屏幕的刷新频率，从典型的5875Hz降低到当前显示所需要的最低频率（不产生闪烁）。比如在播放视频时，30fps就够了。Intel曾经和日本的笔记本电脑生产厂家一起（1），尝试在相对静态的显示应用中（比如简单的文本操作），将LCD的输出由逐行改成隔行（刷新频率降低一半），从而降低系统的功耗。根据实验，LCD系统的功耗降低了25%以上。另外一种方法是降低显示接口传输的数据量。比如我们可以对存储在frame buffer中的数据进行游长编码（run-length encoding），将编码后的数据再发送给显示屏，由屏内电路进行解码和显示。当然，编解码本身需要更多的功耗，但是与内存和数据线上功耗的节省相比，还是值得的。更多的努力放在调整背光源上，因为背光源是最大的能量消耗者。这其中的技术包括改善背光源的驱动电路，改善LED的发光效率，开发新的LED种类，根据环境亮度调整背光等。目前最常用的技术是在显示屏旁边加一个传感器来感受环境亮度的变化，然后根据环境亮度的变化来调整背光的强度，因为人眼在不同的环境亮度条件下，所期望的最舒适的显示亮度是不一样的，环境温度越亮，需要的背光也越强。在2008移动手持显示技术大会上，台湾厂商展示了最新的LCD降功耗技术：包括降低驱动电压的富余空间，降低液晶驱动的绝对压差，利用点反转取代行反转，根据内容动态调节背光，改进LED背光驱动阵列的排列、用新的PenTile RGBW取代RGB Stripe技术等。这些技术依然可以归结到上面的两个类别中去。从技术的发展趋势来说，有两种技术值得关注：二维背光驱动，动态亮度调节。它们都通过调整背光强度来降低功耗，但是在实现上却各有千秋。这些技术不仅仅是为了降低功耗，而且可以用来改善画面质量。目前全球领先的芯片开发商如NXP、nVidia和Freescale，都在这两个方面投入了相当多的研发力量，同时也取得了显著的进展。第三章维背光调节2维背光系统一般应用于大尺寸的液晶电视。它采用一个可寻址的分段控制的LED阵列，创造出更好的明暗对比度，更宽的色彩域和更好的色彩饱和度。LED成本的下降和性能的提升，使得2维的LED背光调节技术成为可能，它允许背光源在被显示的画面较亮的部分提供更多的光照，而在较暗的部分提供更少的光照。下面的图和图显示了二维LED背光阵列的示意图和效果图。二维背光电源驱动电路图1，二维LED背光阵列图2，二维背光调节的效果图实践中，一个10*18的高效白光LED阵列已经足够去优化典型画面内容的背光强度，从而实现更好的对比度和更低的平均功耗。基于图像内容的局部背光控制技术对典型的电视内容可以降低50%以上的功耗。如果用RGB三色LED代替白光LED并分别控制三色LED的光强，则可以提供比白光LED宽得多的色彩域，从而提供更亮、更深、更饱和的色彩。传统的白光LED是通过屏蔽掉不需要的光谱来显示需要的色彩的，而这也意味着功耗的损失。而对三色LED，可以控制需要输出的颜色的光强，这可以大大降低背光的功耗。对典型的电视图像内容，可以降低80%以上。前面图中显示的就是采用三色LED组成的背光阵列。最优的背光水平需要由图像像素的RGB值的统计分析决定，这样才能决定背光阵列的每个段的驱动水平。当RGB的值高时，设置背光为正常水平。如果RGB的值变低了，就需要调暗背光以便让从屏幕泄漏的光最少，同时需要调整LCD屏幕色彩滤波器中RGB的增益以保持需要的画面亮度。自适应的二维背光调节技术需要大量的图像处理以分析视频流的内容。图像分析获得的信息需要与LCD的背光特性绑在一起以产生最优的背光和像素驱动信号。其难度在于将一个很高解析度的LCD屏（对高清电视，可能高达1920*1080）映射到相对很低的空间解析度的二维背光阵列上（比如10*18）。而进一步的困难则在于相邻LED背光段之间的串扰每个段总是会溢出一些光到相邻段上。背光段之间的串扰对画面的质量有很大的影响。对画面质量的改善非常依赖于背光阵列的质量和结构。另外一个重要的补偿串扰的方法是动态地以超过正常水平的级别驱动背光LED，或者称为自适应提升。这样，当一个段由于相邻段的调暗而亮度不足时，就可以得到补偿。串扰补偿有助于减少一个段的中心预测的亮度与实际需要的亮度之间的偏差。这样，背光的空间调制就被放大了。但是，直接的线性偏差补偿会导致较亮的段的边缘会缺乏光。非对称补偿可以防止这种现象。当背光阵列中LED的数量很少时，背光提升的机会是有限的。因为LED数量很少时，每个LED就会被驱动到接近最大的水平以达到需要的画面亮度。然而当LED的数量增加时，亮度提升不仅能够补偿段之间的串扰，也可以增加较亮的会面内容的动感。更大数量的LED，和更小的背光段，可以让背光在一个更大的范围内调制，从而提供更多的时间和空间上的对比。对典型的画面内容，自适应的亮度提升和降低可以节省超过50%的功耗，而且不会引入明显的图像缺陷。当然，高效率LED的高成本限制了LED的数量，但是随着LED背光技术的成熟，成本会下降的。NXP和Freescale都在二维背光调节技术上处于领先的位置。参考文献2介绍了NXP的二维背光调节技术。NXP的方案是一种嵌入式的结构，图像的实时分析和处理是由液晶电视的主芯片完成的。图给出了NXP方案的结构框图。扫描每个背光区段的图像亮度计算每个区段的背光亮度级别对相邻区段的串扰进行补偿得到每个区段的背光驱动强度驱动二维LED背光阵列获得图像的亮度轮廓图像分析图像调整背光控制调整RGB增益和色彩域映射RGB发送图像到液晶屏RGB图3，嵌入式的自适应二维背光调节系统的结构框图NXP已经将该技术集成进它的PNX5100液晶电视平台，并且在今年的IFA2008上展示了最新的产品42PFL9803（3）。这款42英寸的液晶电视背光阵列由128个段组成，8行，每行16个段，每个段9个LED，总共1152个LED。这些LED可以分别调节以精确地控制每个像素的输出。这样，即使一个段内同时存在亮和暗的部分，暗的部分的像素依然可以被调暗以获得更好的对比度。每个LED的明暗度被连续的计算以精确的复现图像。因为没有光的泄漏，图像暗黑的部分更暗而亮的部分更亮，从而获得了惊人的对比度2000000：1，这比日本夏普宣称的最高1000000：1的对比度还要好得多。Freescale也在这个领域有独到的创新，而且是唯一一个提供全套LED背光解决方案的公司。从电源芯片，背光驱动，控制器，以及软件。利用智能的驱动器，实现了区域化的LED背光调解。例如将背光阵列分为8行10列，每段12个LED，总共由10颗智能芯片控制。对于三色R/G/B LED背光系统，Freescale的方案中开发了一套色彩管理算法来计算每个R/G/B LED的驱动强度。在用PWM驱动时，就是计算其占空比。参考文献4详细介绍了Freescale的方案。与NXP的方案不同，计算R/G/B LED的驱动强度并不是通过对图像内容的实时分析，而是通过读取色彩传感器的采样值实现的。这样，图像内容的实时分析就无需嵌入到系统的图像处理流水线中，而是由一个外接的微处理器独立完成。这样大大简化了系统的架构设计。图给出了Freescale方案的结构框图。图中，色彩管理与背光控制器由飞思卡尔的高性能微处理器实现，它通过I2C总线与主机通信（这里主机指液晶电视，监视器或者笔记本电脑的主CPU或者图像处理器）。该微处理器接受来自色彩传感器的输入，根据色彩控制算法，计算二维LED背光阵列中每个LED的RGB分量的驱动强度，并将驱动信号发送给智能驱动电路。通常，RGB LED的驱动强度由PWM信号的占空比决定。通过调整每个分量PWM驱动的占空比，在实现了对色彩的控制的同时，也达到了节能的目的。I2C总线智能驱动电路电源管理模块色彩管理与背光控制器色彩传感器主机显示系统图、分离式的自适应二维背光调节系统的结构框图第四章动态亮度调节正如前面介绍的一样，LCD显示屏的作用就像一个透镜一样，人眼感受到的色彩和亮度是背光通过屏幕透射之后到达人眼的部分。而屏幕的透射率是由屏上的各个像素的值决定的，这些像素不仅决定了图像的色彩（屏蔽掉背光中某一点上不需要的色彩而只让需要的色彩通过），而且决定了图像的亮度（屏蔽掉部分色彩也就意味着能量的损失和亮度的降低）。可以用一个简单的公式表示如下：li = ti*b。在这里l是人眼感受的图像i的亮度，t是图像i对应的透射率，b是背光强度。从这个公式可以看出，要实现降功耗的目的，就需要降低背光，而要同时维持人眼感受到的亮度不变，就需要增强透射率，而且两者降低和提升的比率必须相同。用公式表示如下li = ti*b = (ti*)*(b/)根据分析，透射率是图像 （YUV格式）的Y的一个函数。也就是ti =t(Yi)。 所谓动态亮度调节就是通过调节图像中每个像素的Y值，从而提升屏的透射率，并进而补偿LCD背光降低所带来的亮度损失，在保持用户可感受的画面基本质量（亮度）的同时，达到降功耗的目的。透射率与Y的关系是一条曲线，其典型形状如下：图5、透射亮度与Y的关系曲线该曲线可以用一个公式进行拟合f(x)=A*x*B，也就是近似为一个幂函数。在具体的实现中，也可以用查表法。在上图中，经过曲线拟合之后的B值约为2.2。LCD的背光强度一般与其背光模块的驱动电流成正比关系，但是有一些驱动芯片的输出电流并不是线性变化的，这时候也需要实际测量其背光曲线，也就是输出电流设置与背光强度的关系。对图像的每个像素的Y值做调整，也就是说做整体提升，必然会导致某些已经很亮的像素点被饱和，也就是其Y值=255。这时就需要设置一个门限，以决定允许被饱和的像素所占的百份比。饱和比越高，能够节省的功耗就越多，但是同时图像的失真也就越厉害。一般来说，5%以下的饱和比对图像的质量影响较小，能够比较容易地被人接受。如何调整像素的Y值，随处理器架构和软件架构的不同而不同。可以在视频解码的时候做，也可以在色彩空间转换的时候做。因为视频解码器输出的图像格式为YUV，而LCD接受的数据格式为RGB（当然LCD也可以接受YUV格式的数据，但是一般视频图像需要与图形用户界面GUI绑在一起，而GUI总是输出RGB格式的数据，这就需要做色彩空间转焕了）。一般的YUV转RGB的CSC公式如下：R=Y + 1.138*VG=Y 0.395*U 0.580*VB=Y + 2.032*U而打开了DLS后，其公式就变成了R=*Y + 1.138*VG=*Y 0.395*U 0.580*VB=*Y + 2.032*U这里就是对Y进行提升的系数，它是通过计算得到的。整个软件实现的流程图如下：新旧帧的差异是否足够大？否根据得到新的CSC系数，做色彩空间转换将新的背光值b设置到背光驱动电路查表得到新的对应的背光值b扫描视频帧，获得亮度分布的柱状图根据设置的饱和门限，计算Y提升的比例对获得的比例，应用低通滤波器LPF，得到新的等待新的帧信息到达，激活线程是图、动态亮度调节（DLS）软件流程图而其实现的效果图如下：（a）原始图像（b）Y提升后的图像（c）背光降低后的图像图7、动态亮度调节（DLS）的效果图从上面的效果图可以看出，通过修改CSC参数提升Y值，会使得整个画面的透光率显著增强（同时导致部分像素被饱和），从而可以补偿由于背光减弱而导致的亮度损失，使人眼感知的图像质量基本维持不变。由于Y的提升和背光的调低是同时瞬时发生的，人眼几乎感受不到画面的变化。而实际上，背光的功耗已经被显著的降低了。DLS的节能效果是很明显的。根据文章5中的测量，饱和比5%的时候可以节省45%的功耗。饱和比更高时，降低的功耗更多（当然是在牺牲部分图像质量的前提下）。但是，在具体的实现中，DLS也经常带来两个问题：一个是色彩的闪烁，一个是色彩的偏移。后者常常是由于对像素Y值的过大的调整引起的，因为即使总体的饱和比没有超出限制，但是图像的个别区域或个别帧的像素Y值被提升得过大，会导致RGB空间的色彩失真。而色彩的闪烁则一般是由于Y提升与背光变暗的不同步引起的。当这两者不同步时，用户就可能感觉到图像的亮度在不停的变化（闪烁），这种感觉是很令人扫兴的。目前，对于这两类问题，还没有很完美的解决方案，只能根据具体情况具体分析，常用的方法是在软件流程中加一个滤波器，控制Y值和背光变化的频度和幅度，这也是前面的流程图中有一个滤波器LPF的原因。另外就是尽量让Y与背光的变化同步。第五章小结以上两种技术目前引起了广泛的关注，各大公司都在积极的开发。在2维背光技术上NXP和Freescale处于领先地位，而在动态亮度调节技术上，Freescale和nVidia处于领先地位。除此以外，还有动态范围压缩（Dynamic Range Compression，6）技术。该技术基于Apical公司开发的Iridix算法，该算法模仿了人眼视网膜成像的过程，能够对输入的图像做动态范围的压缩，从而较强的环境亮度和较弱的背光强度下，感知尽可能多的细节。该技术能够对图像的各个部分作出不同的处理（提亮或者调暗），而它也就需要更强大的图像分析和处理能力。我们相信，随着更强大的图像处理器的出现，会有更多的LCD降功耗的技术出现，在带给人们更好的视觉享受的同时，节省我们宝贵的能源。参考文献1. Intel and Toshiba, 4/2006, Dynamic Display Power Optimization, /h/2006-04-17/1439906455.shtml2. NXP, Pierre de Greef, 2/2008, LCD backlighting using 2-D LED dimming boosts TV performance and saves power, /howto/206900923;jsessionid=YZFBJ3MTWFNSMQSNDLRSKH0CJUNN2JVN3. IFA, 8/2006, Philips pitches black with monster contrast LED backlight, http:/www.reghardwar