高动态对比度液晶电视的实现

龚国友*

(成都工业学院 通信工程系，成都 611730)

目前液晶电视和显示器使用的背光源已经由CCFL(冷阴极荧光管)升级为LED(半导体发光二极管)，由于LED的电光效率不断提高，LED已经成为LCD背光源的主流［1］。电视图像质量涉及到的主要性能有:图像清晰度、动态对比度、灰度等级、色彩还原性指标灯。采用提高帧频、插黑帧技术、ME/MC、提高背光源亮度等新技术［2］后，图像质量得到提高。但实践表明，单纯提高亮度，对比度指标会变差，图像的高清晰度非但未能得到还原，反而变得模糊，灰度等级指标(表现为图像层次感)不能满足预期要求。

液晶面板厂家推出了3 840×2 160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、高画质显示的关键技术。本文在这一基础技术之上研究其动态背光源技术，让高画质展现在人们的眼帘中。

1 提高视频图像质量的技术

为提高视频图像的质量，在电路上所采用的主要技术有:提高帧频、插黑帧的运动补偿插黑技术、ME/MC(运动估计/运动补偿)等技术，在液晶屏上所采用的技术就是提高响应速度和增加物理显示像素。响应时间已从原来的20 ms提高到了2～5 ms，帧频为120 Hz甚至240 Hz的液晶面板相继出现。液晶面板的物理像素已经从1 920×1 080提高到了3 840×2 160的超高清屏。

1.1 动态背光源技术

1.1.1 扫描式背光源技术

由于LED的电光效率大幅度提高并超过CCFL，同时LED的响应速度很快，且为低电压工作状态，更容易被控制，所以LED作为具有高速响应速度的扫描背光源成为可能。扫描式背光源的基本技术是在一帧图像数据写入面板时，采用电子显像管的扫描原理，从视频信号中取出亮度信号，将此信号按照所设置的LED个数进行数字化处理，达到背光源的亮度随视频图像信号的变化而变化，这样能有效提高显示对比度，特别是图像动态对比度。但该技术控制电路复杂且成本较高，目前已很少采用。

1.1.2 区域亮度控制(LOCAL-DIMMING)技术原理

LED区域亮度控制技术是本文研究的重点。对比度是影响液晶电视和液晶显示器显示图像的重要指标之一，分为静态对比度和动态对比度［3］。要增加对比度除了通过提高液晶屏的开口率和以上描述的技术以外，还可以根据图像信号的亮度来实现背光源的动态亮度调节控制，即提高画质又降低功耗，一举两得。

液晶电视的背光源目前一般采用侧发光式和直下式2种，本研究的区域亮度控制采用直下式［4］，图1为LED直下式背光源液晶模组示意图。

图1 LED直下式背光源液晶模组示意图

图1中液晶面板的像素点的个数:Np=V×H，LED的数量为:NL=M×Q。实际应用中，NL≪Np，即:液晶面板的像素点的个数远大于LED的数量。

区域动态背光控制技术是把所用显示面板设置成N个区域，通过对图像亮度信号进行检测分析，采用FPGA数字技术，计算出所设置的对应区域的亮度值，亮度低的区域，相应降低背光的亮度;亮度高的区域，相应增大背光的亮度。采用该技术能够有效地降低图像暗场时的漏光问题，亮度指标和对比度指标都得以提高，实现对灰度等级的细分。实践证明:液晶屏黑色的亮度能降低到0.05 nits以下，对比度指标可以提高到10 000:1，甚至更高。另外从色域图可以直接看出LED的色域要比CCFL的更宽，所以采用了LED背光源还能实现更加真实的图像色彩还原性。该技术的实现效果如图2所示。

图2 区域动态背光对图像对比度增强的示意图

2 区域亮度控制技术的实现

由于采用贴片式LED作为背光源，所以科学地设置LED排列和驱动方式，是有效提高液晶电视画质的关键。

2.1 LED 分区设计

图3 LED背光源平面示意图

怎样进行分区，分区的大小多少，LED的数量多少，都是影响提高液晶电视画质的重要因素。我们以106.68 cm液晶电视为例，从对比度、显示效果、驱动成本、算法复杂性来考虑，经过多次试验，认为LED背光区域分为45个左右为较佳。

LED分区形状按照矩形或正方形来设计，本例中小区内的4个LED串联，小区内每个LED的电流相同、亮度变化保持一致。图3为本例LED背光源平面示意图。

2.2 LED分区动态控制原理

为实现分区动态背光控制，我们采用 FPGA LFXP2-8E控制算法，并在实际应用中经过多次试验和改善。实验硬件平台仍以106.68 cm液晶电视为例，背光源LED按照5×9分区，按照控制算法经过反复调试和实际验证。分区动态控制系统框图如图4所示，FPGA采用SPI(Serial Peripheral Interface)方式访问控制背光驱动模块［5］，接收从主板输出的LVDS(Low Voltage Differential Signal，低压差信号)格式的图像视频数据信号，经处理后，一路图像数据信号(LVDS)输出给Tcon(液晶驱动电路)板，另一路信号(LVDS)去控制背光源。背光分区动态控制算法的软件平台主要有: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软件;用于模块的功能、时序仿真的modelsim SE 6.1f软件。

图4 LED分区动态控制系统框图

图5 LED背光源结构及其装配示意图

图6 LED分区示意图

3 分区控制背光源应用及测试

3.1 LED选择及分区

目前原始LED的最大散射角为120°，不能满足5×9的分区排列方式，会出现光栅不均匀的情况;如果增加LED的数量又会提高调试的复杂度并大幅度增大功耗。因此，本实验选用带角度放大镜的LED组合件(如图5所示)，角度放大镜是无源器件，其目的是将原始LED小于120°的散射角增大到170°，试验表明:采用带角度放大镜的LED组合件既提高了背光源的亮度均匀性，又降低背光源光室的厚度。带角度放大镜的LED组合件的主要参数如表1所示，其分区图如图6所示。

表1 带角度放大镜的LED的主要参数

3.2 测试结果

主要参数测试情况如表2所示。

表2 主要参数测试情况

本实验中，用动态LED背光源的液晶电视机对高清(1 920×1 080 P)动态图像、数字信息、静态高清图片等节目进行了播放。从主观评价来看，静态和动态图像清晰度很高、层次感明显加强，动态图像和静态图片的景深很深、层次清晰。动态对比度测试指标最高达到1 000 000∶1。与CCFL背光源的电视进行比对，表现出图像的色彩还原性即真实又鲜艳。用电度计量表对LED背光源的功率进行了动态监测，统计计算的平均节能效果达到50%以上。

4 结语

针对液晶电视的直下式LED背光源技术，按照分区动态控制算法，大幅度提高了液晶显示的对比度，特别是动态对比度，将电视机的灰度等级进一步提高，从而提高了图像和图片的显示质量。按此设计并经实验证明节约电能的效果非常明显，106.68 cm的电视机可以做到仅耗电45 W左右。由此可见，动态背光源控制技术是液晶电视进一步提高画质和节能的发展方向。

以上所述仅为一项硬件和软件的实验，要真正实现产品化，还有许多工作要进行，如:随着LED电光效率的进一步提高，在LED的选取上应更注重其实用性和低功耗;在背光源的布局上和算法上应更简单实用。

［1］黄国鹏.大尺寸LED背光液晶电视动态控制系统的硬件实现与算法研究［D］.青岛:中国海洋大学，2009.

［2］汪敏，夏咸军.新型LED背光源技术及应用［J］.光电子技术，2005，25(4):267 －270.

［3］龚国友.液晶电视动态LED背光源技术及其应用［J］.价值工程，2011(28):135－136.

［4］梁萌，王国宏，范曼宁，等.LCD－TV用直下式LED背光源的光学设计［J］.液晶与显示，2007，22(1):42 －46.

［5］陈兴锋.液晶电视分区动态控制LED背光源的研究与实现［D］.青岛:中国海洋大学，2009.