HDR技术在液晶显示中的研究与实现

2017-07-06刘明

中国高新技术企业 2017年7期

关键词：驱动电流背光显示器

刘明

（南京中电熊猫家电有限公司研发中心，江苏南京 210038）

HDR技术在液晶显示中的研究与实现

刘明

（南京中电熊猫家电有限公司研发中心，江苏南京 210038）

当前HDR是最热门的先进显示技术之一，我国是液晶面板制造大国，研究HDR技术在LCD显示中的应用具有重要的意义。文章介绍了HDR图像定义，对比全局映射算法、局部映射算法以及混合全局与局部算法三种色调映射算法各自特点分析了HDR显示相关技术标准，提出了直下式LED背光分区后使用PWM+直流双驱动精准控光技术提高显示器亮度范围。

HDR；LCD；色调映射；LED背光；Dobly Vision；HDR10

众所周知，高动态范围图像（High Dynamic Range，HDR）技术可以展现出图像画面中高亮和低暗部分更多的图像细节，拓展了屏幕显示的亮度范围。目前，HDR是显示行业中最热门的先进技术之一。相对于UHD超高清技术提升显示画面的像素数量而言，HDR技术提升了显示画面的像素质量，所产生的视觉提升效果更加明显，已经成为继UHD超高清之后的发展方向。伴随着科技水平的进步，先后成功研制出以基于有机物的电致发光显示（OLED）、量子点发光二极管显示（QD-LED）等为代表的新一代显示器件，但尚未成熟和普及，液晶（LCD）目前仍是平板显示产业的主流技术。我国先后投入上万亿元资金，建设几十条LCD面板生产线，已经成为全球LCD制造大国。因此，研究HDR技术在LCD显示中的应用具有重要意义。

1 HDR图像概述

图像的动态范围一般是指图像的对比度，即画面景物中最亮部位与最暗部位的亮度比值。如图1所示，白天在阳光直照下的物体光亮可达105cd/m2，而在极暗的黑夜中亮度则低至10-5cd/m2，自然界中场景范围大致为1010，具有很广的亮度范围。人眼的视觉感知范围没有那么宽，当适应了某一环境亮度后，在同一瞳孔开度下可辨别的瞬时亮度范围约为104。以LCD为代表的常规显示器对比度范围不到103，小于人眼视觉的感知。所以，从LCD显示器上看到的仅仅是一个用屏幕表现的图像，而非真实世界自然场景。

图1 自然场景亮度范围

传统的图像信号格式，通常使用RGB彩色模型，每个彩色通道使用8bit整型数据表示不同的图像信息，具有256个亮度级别。图像场景，只能表现极其有限的动态范围。用这种低动态范围（LDR）技术生成的图像，亮度比值为255∶1，图像精度很低，只能描述图像中有限的细节信息。

HDR图像（视频）显示方式大致分为两种：一种是通过色调映射技术（Tone Mapping）先对HDR图像进行压缩，然后在普通显示器上显示；另一种是对HDR图像不做处理，直接在HDR显示器上显示，要求该显示器显示图像的动态范围必须符合HDR要求。当前，通用型LCD显示器的亮度可以达到400cd/m2左右，专业型LCD显示器的亮度可以达到l000cd/m2，而特种型LCD显示器可实现4000～5000cd/m2的亮度。若单方面提高显示器件的亮度范围以满足HDR图像显示要求，其设备成本极其昂贵。而色调映射技术可以通过对图像信号进行映射处理，将高动态范围的自然场景变换到普通显示器的显示范围内，使其显示出HDR图像。现有的色调映射算法已较成熟，因此研究色调映射技术实现HDR图像在LCD上显示具有实用意义。

2 HDR的显示技术

2.1 HDR图像的色调映射

HDR显示技术，实质就是在尽量保留原图的视觉效果和重要信息的前提下，将高动态范围的亮度和颜色压缩到低动态的范围内，并尽可能减少产生图像瑕疵的一种方法。一般将该技术称为色调映射或色阶重建。根据映射的不同方式分为全局映射、局部映射以及全局与局部混合的三种算法。全局映射也被称作全局空间无关算法，是指不考虑图像中各个像素点的位置，对所有像素点直接使用预先设置的固定不变的映射函数进行压缩处理。它的优点是算法简单，在对图像信号进行快速处理后能够充分体现出整体画面明暗效果；它的缺点是处理复杂场景的效果不太理想，容易丢失图像细节。这类算法中具有代表性的有线性压缩、gamma校正和直方图均衡化以及直方图调整算法。其中，直方图调整算法的效果最好。局部映射也被称作局部空间相关算法，是指在考虑像素点位置信息的前提下设置像素的亮度数值，即结合像素之间相互影响因素对图像亮度进行处理。它的优点是保留了具有图像局部特征的大量信息，画面细节部分处理效果较好，缺点是增加了算法难度。这类算法中具有代表性的有摄影色调映射算法、带色彩恢复的多尺度算法以及基于iCAM6模型的HDR压缩算法等。

全局与局部混合算法结合了以上两种算法各自的优点，不仅对图像整体画面明暗效果把握得当，还能够体现出图像细节部分的信息，但是需要付出增加算法复杂程度的代价。

2.2 HDR液晶显示

如前文所述，普通显示器的亮度范围较低，因此开发出具有高动态范围的显示器实现HDR图像显示是值得研究的课题。目前，基于LCD面板的HDR显示器一般采用了双屏系统设计方案，主要包括两种：一种方案是采用DLP+LCD双屏显示，其图像显示的动态范围可高达到54000∶1，但这种设备不仅造价高而且体积大，缺乏实用价值，难以推广应用；另一种方案采用LED+LCD的双屏显示，以LED作为背光源，采用直下式出光方式，将两屏显示效果叠加后提高显示器的动态范围。第二种是目前常见的方案，它对现有的LCD显示设备改造工作量少，技术复杂程度低，容易实现。

还有一种简单的实施方案，不需要构建很复杂的硬件系统，仅在普通LCD显示屏上通过结合帧率倍频技术等措施，优化对图像处理的软件算法后，即可提升用户对图像显示画面的主观视觉感受。该方案使用插帧的软件算法，将插入帧分成若干子区域，各个子区域的亮度不同，与该子区域显示的图像画面内容相关，以“低暗压缩、高亮提升、中间保持”的特性函数分别对插入帧各个子区域进行映射处理，再利用人眼的视觉暂留特性，将插入帧与原图帧以倍频方式播放，显示图像暗处更暗、亮处更亮，从而获得更高的主观感受视觉效果。

2.3 HDR技术标准

HDR显示技术中，电光转换函数（EOTF）和光电转换函数（OETF）的定义非常重要。它们是一种电与光两种信号之间实现相互转换的规则。在电视系统中，OETF函数规定了在图像采集端摄像后对图像信号采用非线性数字编码的匹配特性，而EOTF函数规定了在图像显示端对图像信号采用（逆）非线性数字编码后显示图像的匹配特性。这两种非线性匹配特性最初是以早期CRT的显示特性为基础制定的光电转换标准，目的是让显示屏幕在不同亮度等级上获得一致噪声效果。当年，CRT所能提供的最高亮度约为100cd/m2。因此，该标准限制了新型显示器表现真实景物亮度范围的能力。

当前，已有一些国际知名公司（例如杜比、BBC、NHK和Philip等）分别提出了各自的HDR显示技术标准。这些HDR技术标准是根据实际需求制定出新型的EOTF或OETF转换函数，有的标准甚至可以实现10000cd／m2的亮度，从而有效地拓展图像显示的动态范围。这些新的转换函数取代了CRT时代使用的伽马曲线，比较著名的技术标准包括：美国杜比公司的Dobly Vision，它提出了感知量化编码（perceptual quantizer，PQ）；由英国BBC和日本NHK联合研发的对数伽马分布（Hybrid Log Gamma，HLG）等。

Dobly Vision最高采用12bit色深，亮度范围覆盖10-3～104cd/m2，实现高达107动态范围。该标准根据人眼对显示屏幕亮度分辨的阈值设定编码量化位数，满足人眼在视觉上的生理和心理两方面的需求。杜比的PQ是一种显示端具有非线性变换特性的EOTF转换函数，它与图像采集端摄像时采用的OETF转换函数没有关联，仅考虑了对图像信号编码量化和人眼对亮度分辨率的关系。

BBC与NHK联合提出的HLG方案，包括了图像采集端的OETF函数和图像显示端的EOTF函数。它分别对HDR图像信号中包含的高亮和低亮部分采用了两种不同的函数关系进行处理。其中，对图像中低亮的部分沿用了CRT时代的标准伽马曲线（Rec.709），对于图像中亮度超过100cd／m2的高亮部分使用了一种对数曲线，这样可以兼容普通动态范围（SDR）超高清电视。这种转换特性比杜比PQ的更简单，但需要考虑到电视信号从产生到显示的整条信号链。目前，日本在扩展图像动态范围电视（EIDRTV）系统中已将HLG方案作为日本无线工业及商贸联合会（ARIB）的标准。

杜比公司拥有整套Dobly Vision方案专利，其内容、播放源、显示设备都必须符合杜比Vision标准。每个显示设备都带有一块专用芯片来检测确认此设备的图像输出性能（包括亮度、色彩空间等），并将这些数据回传给信号源设备。信号源设备根据这些数据进行逐帧输出优化，兼顾显示设备能力的同时尽量保持原始信号的完整度。为了节约支付Dolby专利费用，提升对于自身产品的控制权，Samsung、SONY、LG等家电大厂希望拥有开放的技术标准平台，他们自己开发出对于HDR图像的处理方案，即HDR10标准。HDR10是建立在与Dolby Vision相同的PQ核心技术上，在亮度和颜色等方面选用与Dolby Vision标准相近的参数。两项技术最主要的差别在于显示终端对于HDR内容的处理。HDR10并没有专属芯片来监测和反馈显示设备状态，所以信源设备无法根据显示设备的性能差异实施调整。HDR10最高支持10bit色深。HDR10的播放图像时还原准确性比Dobly Vision要略差一些。

3 HDR图像在液晶显示中的实现

和OLED主动发光的工作机理不同，LCD属于被动发光显示器件，LCD屏幕显示亮度范围往往取决于背光亮度范围。因此，要大幅度提升LCD显示器亮度的主要手段是通过提高背光亮度实现的。在直下式液晶显示器中，采用全新的高性能LED组成背光源，使用动态背光＋精准局域控光方案可以在LCD显示中实现HDR图像效果。

背光源是一个相对独立的单元，直下式LED背光源位于LCD面板背部，通常向LCD显示屏提供亮度均匀的恒定光源。因为液晶的工作机理造成LCD面板存在漏光现象，使用这种亮度均匀的背光在LCD显示器显示图像较暗区域时亮度无法达到零值，因此会降低LCD显示器图像对比度。对直下式LED背光划分若干区域，依据每个区域对应显示图像内容的亮度控制该区域背光大小，这种对LED背光实施局部控光（Local Dimming）的技术可以提高LCD显示亮度范围。

图2是一种典型的背光源局部控光方案的系统架构示意图。为了确保来自外部输入的视频信号能够同时到达LED背光板和LCD面板，使用视频分配器将该信号一分为二：一路视频信号经由原系统中LCD面板驱动单元正常显示图像；另一路由液晶驱动板把接收到的视频信号进行数字化处理后送入逻辑板解析出图像像素的行/列地址、RGB数据以及其他控制信号，再送至背光驱动模块映射为背光的行、列地址和亮度信息后再驱动背光源中各个区域的LED发光，完成每个背光区域LED亮度与显示图像动态匹配，实现控制对应区域的LED背光的亮度。

图2 背光局部控光方案系统架构示意图

为了提高局部控光的精准水平，可以增加背光分区的数量。但分区数量增加过多，会提高了背光驱动和控制电路系统的复杂程度。通过优化区域调光的算法也能提高局部控光精准水平。

目前，常用的区域调光的算法是基于LED的驱动电流大小保持恒定不变，依据图像画面内容的亮度信息通过改变PWM占比实现对LED驱动电流的控制。由于实际显示的图像内容不太可能是全白信号（测试信号除外），采用这种做法，在绝大多数时间内LED驱动电流PWM占比小于100%，背光亮度达不到最大值。因此，区域调光提升图像显示的动态范围仍有潜在空间，可以通过进一步优化算法实现。在保留改变背光驱动电流PWM占比的同时，还可以利用LED电流驱动的发光特性，根据图像画面内容动态调整LED驱动电流的大小，使得LED背光在显示图像黑暗场景时更黑，在显示图像高亮场景时瞬间更亮。这种PWM＋直流双驱动精准控光技术可以进一步提高显示画面的动态范围，不仅能增强图像显示效果，还能进继续降低功耗。

LED的发光特性如图3中左图所示，在线性区内，LED的发光亮度随驱动电流的增加而增加，当LED状态进入饱和区后，其发光亮度基本保持稳定。在给LED加载的驱动电流没有超出其最大限值的条件下，一旦驱动电流超出额定值后，LED会瞬间爆亮，发光强度超过其额定状态，然后再回落，直至下降到其饱和状态的额定亮度（见图3中左图亮度变化曲线的虚线部分）。利用LED这种发光的冲击爆亮效应，可以进一步优化区域调光算法，在保留PWM占空比调整的基础上，增加动态驱动电流调整机制。这种新型区域调光算法利用LED短期瞬态过流驱动，可以获得更高的峰值亮度，实现更广的图像动态范围。这种新的动态背光调整机制的示意图如图3的右图所示，具体的调整机制如下：（1）在图像的灰度部分，利用PWM占空比可以线性且精细调整背光亮度，产生与图像内容相匹配的背光；（2）在图像内容有瞬态高亮部分，利用LED瞬态过流驱动产生的冲击爆亮效应使得图像产生更高的峰值亮度；（3）在图像的黑暗部分，降低LED电流甚至关闭LED背光，使得图像产生更加黑暗的效果。

图3 PWM+直流LED背光双驱动示意图

为了实现这种新的算法，需要对现有的背光驱动电路进行升级改造。熊猫电子集团公司曾在2014年提出过一种新型的背光驱动电流的调整电路。图4是这种新型LED背光驱动控制电路示意图，它是以图像处理芯片内部软件调整方式，改变背光驱动集成电路端口ISET上控制信号的PWM占空比，完成对LED背光驱动电流大小的调整；改变背光驱动集成电路端口PWM上控制信号的PWM占比，完成对LED背光驱动电流的PWM占比调整。该电路为以软件算法实现PWM＋直流双驱动调整背光电流大小提供了一种具体的思路和技术方案。