液晶电视高动态对比度的实现教材

1、 液晶电视高动态对比度的实现 - 动态 LED背光源技术研究 龚国友 （成都工业学院 611730） 摘要： 提高液晶电视的动态对比度是 LCD 不断追求还原真实场景的创新技术之一。 本文研 究的基于 FPGA 技术的分区动态控制 LED 背光源技术，所实现的高动态对比度特性，明显 的提高了液晶电视图像画质，并大大的降低了 LCD 的实际使用的电功率，在提高液晶电视 画质和节能降耗方面作出进一步的贡献，应用前景广阔。 关键词： 动态对比度、 LED 、FPGA、分区动态控制、节能 Dynamic LED backlight technology and its applications -Re

2、search on dynamic LED backlight technology Gong guoyou Chengdu 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 backlight technology studie

3、d 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, Ina further contribution to improve the LCD TV picture quality and saving energy and reduc

4、ing consumption ,Has the broad application prospec.t Keywords: Dynamic contrast ratio, LED, FPGA, area dynamic control, energy conservation 引言 液晶（ LCD ）面板是不发光的，人们所看到 LCD 的图像和数字信息，是由液晶面板后 面的背光源所发出的光透过液晶面板而形成的。目前大量使用的背光源已经由 CCFL 升级 为 LED ，由于 LED 的电光效率不断提高， LED 已经成为 LCD 背光源的主流。 LED 背光源有两种形式， 即侧发光式和直下式，

5、 一般采用符合色温要求的白色 LED 管。 常用背光源沿用了 CCFL 的思路，仅仅只起到了按照固定亮度发光的功能， 其光线在扩散板、 滤光膜等的作用下， 投射到液晶面板， 液晶面板中的液晶分子根据图像信号发生偏转， 在面 板前形成我们肉眼能看得见的图像。 人们对电视图像质量要求的越来越高， 特别是对图像清晰度、 灰度等级、 色彩还原性等 的高要求，已经采用提高背光源的亮度，提高帧频、插黑帧的运动补偿插黑技术、 ME/MC 等技术，图像质量确实有提高， 但是在高亮度一定的情况下， 对比度变差， 高清晰图的图像 不能得到充分真实的显示， 即该亮的部分实现了很亮， 该暗的部分却暗不下去， 图像层次

6、（指 标为： 灰度等级）并未预期的要求。 分析产生这种情况的原因：首先是由于在液晶分子在完 全关闭的状态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着， 产生的漏光现 象，所以当图像为黑色的情况下， 人眼看到的图像仍然呈现了一定灰度的图像， 这种问题导 致的后果就是严重降低了图像的对比度。 一个传统液晶模组在白场的亮度是 500 nit 的时候， 在黑场时亮度大约为 1nit ，这就是说整个图像的对比度最高才有500：1；其次是由于当人 眼看液晶电视上的高速运动图像时，由于眼睛的视觉暂留现象,会在视觉上形成一个拖影效 果，这个现象发生的原因大致有 3 种：（ 1）液晶分子的响应时间比

7、较慢（ 2）液晶分子的 scan-and-hold 特性（ 3）人眼的视觉效应。要一直维持 500nit 亮度的背光源在图像发生变化 是其功率也是一直不变的， 电能也一直在按照最高设置而消耗。 所以要进一步提高图像质量 和降低功耗必需要采用更新的技术。 二、 提高视频图像质量的技术 LCD 显示器和电视机的清晰度，随着其液晶面板显示像素的增加，分辨率得以大幅提 高，在高清电视标准 1920X1080 的推广过程中，液晶面板厂家又推出了 3840X2160 的超高 清 LCD 面板，其分辨率是高清电视标准的 4 倍。这是实现高清晰度、高画质显示的关键基 础技术。 本文仅仅是在这一基础技术之上研究

8、其动态背光源技术， 让高画质展现在人们的眼 帘中。 2.1 图像扫描新技术简介 提高视频图像质量的技术目前主要有： 提高帧频、 插黑帧的运动补偿插黑技术、 ME/MC ， 扫描背光技术等。提高帧频的方法是一种复杂、对 LCD 相应速度要求比较高的方法，在此 技术背景下， 120HZ 甚至 240HZ 的 LCD 面板相继出现。 但是即使帧频加倍， 滞留时间也仅 仅是减半， 此外， 所要求的运动预估计和补偿技术并不是微不足道的。 运动补偿插黑技术既 是在图像 2 帧之间插入一个黑帧， 但是黑屏数据的插入会降低图像的亮度和对比度， 除非配 合扫描背光源。 黑屏插入技术是常用的缩短响应时间的技术。

9、通过在每个图像帧之间插入黑 色帧，可以产生与 CRT 相似的快速脉冲调制效应。人脑可以滤除这种闪烁并自动产生中间 图像，这样就可以消除观看快速移动物体而时出现的模糊现象。 ME/MC 技术，这种技术用 在 120Hz 液晶屏上，不但使电影信号的还原更加流畅，没有抖动，同时也更有效的消除了 运动模糊的现象。 不过这个技术也不是尽善尽美， 因为对运动物体的估计不一定 100%准确， 特别是两个物体擦身而过的时候，不知道应该把哪个物体放在前面。 2.2 动态背光源技术 2.2.1 扫描式背光源技术 由于 LED 的响应速度较快， 可以非常容易的满足背光控制的需要。 采用高速响应的 LED 扫描背光源

10、可以明显的降低运动模糊和增大节能效率。 扫描式背光源的原理是： 由于在一帧 图像数据写入面板的时候是采用的类似 CRT 的扫描原理，不同的是液晶显示是逐行扫描而 非隔行扫描，由于液晶分子的响应时（ scan-and-hold）所限，液晶分子从一个旧的灰度转换 到一个新的灰度需要较长的时间，导致图像在人眼中的滞留时间过长，在帧间转换的时候， 人眼响应到的图像数据是一个模糊的数据， 导致前面所讲的运动模糊的现象出现。 而扫描背 光的原理即是使背光在液晶分子的转换期间关闭， 而此时人眼已经对先前的图像做了正确的 响应。 利用扫描背光源还能有效提高显示对比度。在外部环境亮度较低的情形下使用 LCD 电

11、 视时， LCD 屏幕上暗场景的对比度明显不足。因为即便是暗态背光源也会有些漏光，这时 候从某一角度看屏特别明显。 在暗场景状态， 可通过减小背光亮度同时增强屏的透射来提高 显示图像的对比度。 减小光照占空比可以降低亮度。 用扫描背光减低亮度有另外的好处。 在 没有扫描背光的条件下， 帧与帧之间的照明没有明确界限， 于是此帧的减暗行为可能会覆盖 到下一帧。 在有扫描减暗背光的情形下， 因为存在与屏上寻址相关的精确照明时序， 完全可 以寻址一整帧而与前一帧或后一帧无关。 与非扫描减暗背光相比， 有扫描减暗背光更容易采 用快速响应的方法来改变亮度， 非常有利于从暗景到亮景的跳变， 大大提高了动态对

12、比度指 标，达到提高图像质量的效果。 2.2.2 区域亮度控制 ( LOCAL-DIMMING )技术原理 LED 区域亮度控制技术这是本文要重点研究的。液晶电视除亮度指标外的另一个重要 指标是对比度， 对比度从两个方面来理解：一是静态对比度， 二是动态对比度。静态对比度 定义为在一副图像内像素的最大亮度和最小亮度之比。 动态对比度一般指在不同图像的时候 像素的最大亮度和最小亮度之比。 导致低对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， 特别是在暗场时这个现象尤为明显。 这个问题的一个很好的解决办法， 就是根据图像信号的 亮度需要对背光源进行动态亮度调节控制。 不仅可

13、以提高画质而且可以降低功耗。 图 1 就是 以 LED 作为直下式背光源的液晶模组示意图。 图 1 直下式分区 LED 背光液晶模组示意图 液晶面板的像素点的个数： Np=V H，而 LED 的总数为： NL=MQ，实际上， NLNp。 区域动态背光通过调节把整个显示区分成 N 个区域，通过对 R/G/B 信号进行分析，应 用 FPGA 技术，计算出每个区域的辉度值，在辉度小的区域，适当降低相应背光的亮度， 在辉度大的区域， 则增加相应背光的亮度。 这样就有效地降低了暗场时液晶漏光的问题， 得 到更加黑的黑色，亮度和对比度都得到了提高，而且亮度的范围也更广了。通过 LED 背光 技术黑色的光通

14、量能降低到 0.05nits 以下，对比度高达 10000:1。 LED 在单独控制每个区域 的发光量的同时使用 12 50V 的低压电源。 还由于 LED 色域比 CCFL 的更高， LED 背光系 统可以实现真实的图像还原，无论色彩还是亮度都超过以 CCFL 为背光的液晶电视。 如图 2 所示，区域动态背光技术实现了背光源组成的简单图像和原图像的叠加， 这样可 以大大增强图像的对比度和降低背光的能耗， 而且可以通过根据对背光源的调整对原图像进 行亮度和色度补偿。 原图像 动态背光源 输出的图像 图 2 区域动态背光带来的图像对比度增强和节能示意图 通过采用区域亮度控制不但能够解决亮度均匀的

15、问题，而且还可进一步降低背光功耗。 这是因为实际的图像在每个具体部位的亮度是不一样的， 可能有的区域较亮、 有的区域较暗， 所以完全没有必要在整个屏幕采用均匀亮度的背光， 可以采用根据图象内容决定的区域亮度 控制。实现方法是：将整个屏幕分隔为 N 等份（例如 42 英寸 45 个等份），检测图象内容的 最高亮度，确决该区域所需的背光亮度，然后对该区域的背光 LED 亮度利用 PWM 技术进 行实时控制， 从而实现节能的目的。 在采用背光的区域亮度控制以后， 该区域的图象信号也 应加以相应的补偿，大大降低了产生亮度失真的可能性。 三、区域亮度控制 （ LOCAL-DIMMING ）技术的实现 3

16、.1 电路原理 图 3 是动态 LED 背光源的液晶电视的原理示意图，在信号处理后端增加了一个动态调 光控制模块（采用 FPGA 模块），为液晶电视 LED 背光控制技术的硬件部分。 LED 背光控 制技术的应用发展， 可大大提高液晶电视对比度、 改善运动画面拖尾。 因为 LED 背光在 LED 排列、驱动方式上，灵活性很高，所以适当的 LED 排列、驱动方式，应用 LED 背光动态控 制算法，可有效的消除或改善液晶电视在显示方面的问题。 图 3LED 背光液晶电视原理示意图 3.2 LED 分区设计 对于一个 LCD 的背光源，如何进行分区，分区的大小、个数，是提高 LCD 显示画质的 一个

17、重要问题。本文 42寸 LCD 的 LED 背光分区个数在 45 个左右，整个 LCD 的对比度、 显示效果、驱动成本、算法复杂性是最佳的。考虑到 LED 驱动芯片的驱动路数、驱动能力 等因素，本文算法的验证硬件平台是采用95（5行9列）个 LED 分区。 LED 背光采用均 匀分区的好处，是可应用背光扫描算法。 LED 分区的形状一般为矩形或正方形，分区内 4 个 LED 串联在一起。由于分区内流过 每个 LED 的电流是相同的，因此分区内各个 LED 的光学性能基本一致。 LED背光源可以分为 0D/1D/2D/3D 设计，限于篇幅，这里仅仅描述 OD和 2D 的设计方案。 LED 背光源

18、的 0D/1D/2D/3D 是指在背光源的平面上， LED 的分区、排列、驱动所形成 的维数 （ D 为 dimension 的缩写）。LED 背光源的维数设计对 LED 分区排列和驱动方式等硬 件设计和本文 LED 背光控制算法设计都有着直接的影响。 （1）0D LED 背光源： LED 背光源的所有 LED 同时驱动， 在背光源平面上显示为同时点亮、 同等亮度。其在平面上没有行列的亮度灰阶差异，因此这样的 LED 背光源称为 0D LED 背 光源。 （2）2D LED 背光源：几个 LED 作为一个分区排列驱动，在行、列方向上，有多个分区组 成，每个分区可独立调整亮度灰阶变换，这样的 L

19、ED 背光源称为 2D LED 背光源。图 4 为 2D LED 背光源平面示意图， 图中有 72个分区，每个分区有 4颗LED 组成，分区内 4颗 LED 串联驱动，可独立调整亮度灰阶。 图 4 2D LED 背光源平面示意图 3.3 白光 LED背光源的一种分区动态控制原理 LED 背光源的液晶电视中，要实现分区动态背光控制，提出了一种新的 LED 背光分区 控制算法，在工程中得以实践并逐步改善。 LED 背光分区动态控制算法的硬件平台以 42 寸 液晶电视，背光源为 5*9（5行9列）分区白光 LED 背光源。本文的控制算法在 FPGA LFXP2-8E 经过验证。 FPGA 的位置在图

20、 5 中的动态调光控制模块中，无存储器，采用SPI（ Serial Peripheral Interface ）访问控制背光驱动模块，接收从主板输出的图像数据（LVDS 格式的数 据， Low Voltage Differential Signal ），处理后的图像数据（ LVDS 格式的数据）输出给 Tcon （PANEL 驱动电路）板去驱动 PANEL 。LED 背光分区动态控制算法的软件平台主要有两个， 一是用于算法模块的输入、 综合、适配、时序分析及硬件配置等功能的 Quartus 2 vertion 7.2 ； 另一个是用于模块的功能、时序仿真的modelsim SE 6.1f 。图

21、 6是算法在 FPGA 上实现的总 的系统框图。 框图有 LVDS 图像数据接收和发送单元、并行数据与 R/G/B 数据间转换单元、系统初始 化单元、分区背光值的提取单元、分区背光值的处理单元、背光驱动控制单元、图像校正单 元、温度传感器接口、光学传感器接口、I2C 主板通信接口、 RS232 调试接口等功能单元组 成。其处理流程大体是： 首先 LVDS 图像数据接收和发送单元将主板输出的 LVDS 图像数据 转换为并行的数据，然后并行数据与 R/G/B 数据间转换单元将并行数据按照一定的对应关 系提取 R/G/B 及同步信号 DE（ data_en），R/G/B 及同步信号 DE 分别提供给

22、系统初始化单元、 分区背光值的提取单元和图像校正单元。 其中，系统初始化单元仅在上电或强制复位时工作， 给系统的各个单元初始化；分区背光值的提取单元首先转换 R/G/B 色彩空间的 I（亮度）分 量，然后统计亮度分量的分区的最大值和平均值， 最终将最大值和平均值加权平均， 从而得 到分区的背光值； 图像校正单元是根据处理后的背光值， 同时结合 I2C 主板通信接口或 RS232 调试接口输出的命令，对图像进行全屏的 gamma 校正，校正后的 R/G/B 图像数据会送入并 行数据与 R/G/B 数据间转换单元，并行数据与 R/G/B 数据间转换模块会将 R/G/B 图像数据 按照一定的对应关系

23、转换成 LVDS 图像数据接收和发送模块所能识别的并行数据， 由 LVDS 图像数据接收和发送模块将送回的并行数据编写成 LVDS 图像数据输出。 分区背光值的处理 模块会接收统计出的分区背光值，根据温度传感器传回的温度值和光学传感器传回的光亮 值，同时结合 I2C 主板通信接口或 RS232 调试接口输出的命令，对分区背光值进行重新的 处理， 而后，将分区背光值邻域平均，输出给背光驱动控制单元。背光驱动控制单元会依次 将分区的背光值编写成背光驱动电路所能识别的数据输出。 图 5 白光 LED 分区动态控制系统框图 四、分区控制背光源应用及测试 4.1 LED 选择 选用的 LED 为带角度放

24、大镜的 LED，图 6 为其结构和装配图， 增加了放大镜将原来 LED仅 120 度的散射角曾达到了近 170 度，大大提高了亮度均匀性，并减小了 LED 背光源的光 室厚度。 图 6 LED 结构及其装配示意图 LED 主要参数如下： 表 1 LED 主要参数 序号 名称 单位 参数 1 封装形式 2in1（2 合 1） 2 光通量 lm 36 3 直流电流 mA 75 4 正向电压 V 7.35 5 功率 mW 551.25 6 光通亮 /W Lm/W 65.3 7 色坐标 X 0.268 色坐标 Y 0.238 4.2 LED 分区及其控制 分区图见图 7. 图 7 LED 分区图 具有

25、分区 LED 控制背光源的 LCD 电路组成见图 8 。 图9 动态 LED 背光源实例系统图 4.3 测试使用结果 4.3.1 主要参数测试情况 表 2 主要参数测试情况 序号 项目名称 单位 参数 备注 1 平均亮度 nits 500 2 暗场亮度 nits 0.05 3 对比度 10000:1 4 动态对比度 1000000：1 54 最大功率 W 95 亮场测试 65 最小功率 W 3 暗场测试 76 平均功率 W 4555 播放动态图像 4.3.2 图像主观评价及节能 具有动态 LED 背光源的 LCDTV ，播放了高清( 1920 1080P)动态图像、数字信息、 静态高清图片等节目。 动态图像清晰度很高、 动态对比度展示明显、 图像和图片景深还原性 高、层次清晰，数字信息边缘清楚，特别是高亮度展示时，具有较强的视觉震撼力，加之 LED 本 身的色域比 CCFL 更宽，图像色还原性感觉即真实又鲜艳。通过对