區(qū)域調(diào)光技術(shù)在液晶拼接顯示系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

    1、LED背光源

    隨著技術(shù)的發(fā)展，LED背光源的液晶屏以節(jié)能、超薄等優(yōu)點，迅速的取代CCFL背光源的屏。這在電視機行業(yè)凸顯得比較明顯。而時至今日，液晶拼接行業(yè)的主流尺寸產(chǎn)品仍是以CCFL為主。盡管從前端的液晶屏企業(yè)到后端的整體制造企業(yè)都開始布局LED的產(chǎn)品，但礙于整個安防顯示行業(yè)對液晶屏需求相對于電視機行業(yè)對液晶屏的需求，仍屬于相對較小的行業(yè)。從而導(dǎo)致液晶屏生產(chǎn)企業(yè)對拼接顯示專用屏的生產(chǎn)仍處于跟隨電視用屏的需求。

    對于已經(jīng)經(jīng)過充分市場競爭的電視用的液晶屏而言，價格因數(shù)非常敏感，并且根據(jù)調(diào)查平均每臺電視機的使用時間為每天3個小時，能耗并不明顯，因此，在背光從CCFL轉(zhuǎn)為LED后，基于價格因數(shù)，電視機所用液晶屏的發(fā)展也就處于暫時無進(jìn)一步發(fā)展方向的現(xiàn)在。

    而對于液晶拼接而言，雖然也有LED背光屏的出現(xiàn)，但仍屬于背光常亮的產(chǎn)品，在節(jié)能和對比度低的方面，仍未解決。

    圖四為新上市的46寸LED背光源的液晶拼接單元的功率占比圖。

圖四：LED背光源液晶拼接屏的功率占比圖

    從圖四種我們可以看出，雖然液晶拼接屏的背光從CCFL轉(zhuǎn)為LED后，背光源的功率從312W轉(zhuǎn)為了165W，基本降低了47%，但背光源的能耗仍是其中最大的。

    因此，單純的改變背光源并不能降低背光源功率在拼接屏中的功率占比，只能改變背光源常亮的方式，才能在LED背光源的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步降低功率。
 
    2、區(qū)域調(diào)光

    為改變背光常亮的狀態(tài)，可以通過讓背光的亮度隨著圖像的內(nèi)容的變化而變化，當(dāng)整幅圖像亮?xí)r，背光全亮，當(dāng)整幅圖像全黑時，背光全黑，而當(dāng)圖像有亮有暗時，背光通過自動控制進(jìn)行變換，并且亮的部分不能影響暗的部分。

    顯然，CCFL 背光是不可能實現(xiàn)這種區(qū)域亮度控制的，一方面是因為CCFL 的形狀是長條形，根本無法進(jìn)行區(qū)域劃分，另一方面則是因為它的亮度也不可能按照圖象的內(nèi)容進(jìn)行快速調(diào)整。同時，在采用LED 作為區(qū)域亮度控制時，只能采用直下式背光，而不能采用側(cè)射式。

    雖然該技術(shù)在液晶電視行業(yè)已經(jīng)提出多年，但礙于液晶電視行業(yè)的價格競爭激烈，增加此功能一是會造成成本急劇上升，二是對于家庭用戶而言，此功能基本沒有實際意義，畢竟每天的電視機工作時間有限，短時間的工作是看不出該技術(shù)的優(yōu)勢的。

    而對于監(jiān)控而言，面對常年24小時開機的使用，節(jié)能就比較明顯。后面將會具體計算節(jié)能優(yōu)勢。

    下面將具體論述該方案的實現(xiàn)原理。

    （1）區(qū)域調(diào)光簡介

    在液晶模組中，如果將模組的背光分為幾個區(qū)域，再根據(jù)所顯示的圖像內(nèi)容獨立控制每個區(qū)域的背光亮度變化，就實現(xiàn)了區(qū)域調(diào)光的基本功能，如圖五所示。

圖五：區(qū)域調(diào)光的原理

    （2）背光源的選擇

    從結(jié)構(gòu)上來看，能夠用來實現(xiàn)Local Dimming功能的LED背光類型可以分為兩大類：直下式LED背光和側(cè)入式LED背光。

    早期，人們多關(guān)注的是直下式LED背光。這種應(yīng)用中，在水平和垂直方向上將屏幕的背光源劃分為若干區(qū)塊，每個LED的分區(qū)一般為正方形等規(guī)則形狀，分區(qū)內(nèi)的所有LED連接在一起，且可以隨著液晶面板上對應(yīng)圖像位置的畫面明暗程度進(jìn)行亮度調(diào)節(jié)，以實現(xiàn)對比度的提高、畫質(zhì)的改善和動態(tài)功耗的降低，如圖六所示：

圖六：直下式背光的區(qū)域調(diào)光

    然在這種應(yīng)用中，同樣尺寸的LED的數(shù)量會比側(cè)入式LED背光多出數(shù)倍，導(dǎo)致LED的成本方面不具有優(yōu)勢，但要做到圖像背光亮度的精細(xì)調(diào)整，這是最佳的方案。

    側(cè)入式背光模組的原理也并不復(fù)雜。沿著LED燈條排布的方向?qū)⑵聊环譃閹讉�區(qū)域，通過DSP芯片的處理分別控制每一個區(qū)域的亮度變化，以實現(xiàn)Local Dimming功能，如圖七所示。                  

圖七：側(cè)入式背光區(qū)域調(diào)光

    由于使用的LED數(shù)量少、成本低，易于實現(xiàn)薄型化等特點，這種側(cè)入式LED背光的LocalDimming技術(shù)在近期成為各終端廠商關(guān)注的重點，但尚不能做到與直下式背光Local Dimming完全相同的畫質(zhì)和節(jié)能效果。

    因此，根據(jù)安防監(jiān)控領(lǐng)域?qū)�圖像質(zhì)量的高標(biāo)準(zhǔn)要求，我們采用直下式LED方式進(jìn)行。
 
    （3）控制方式選擇

    從Local Dimming的控制方式來說，可以分為0D、1D、2D和3D等幾種方式。

    0D：背光系統(tǒng)只進(jìn)行整體亮度的調(diào)節(jié)，節(jié)能和畫質(zhì)改善的能力有限。優(yōu)點是實現(xiàn)簡單，成本低。

    1D：側(cè)入式Local Dimming。主要應(yīng)用在側(cè)入式LED背光系統(tǒng)中，能夠針對圖像中每一列(或每一行)區(qū)域的亮度的變化進(jìn)行對應(yīng)背光亮度的調(diào)節(jié)。節(jié)能和畫質(zhì)改善效果優(yōu)于0D方式，需要在系統(tǒng)或LED驅(qū)動部分增加對圖像內(nèi)容的分析和控制功能，成本略有增加。

    2D：直下式Local Dimming。主要針對直下式LED背光應(yīng)用，根據(jù)LED的分區(qū)數(shù)量和大小能夠分別調(diào)節(jié)對應(yīng)區(qū)域的背光亮度變化，實現(xiàn)比1D更好的畫質(zhì)和更低的動態(tài)功耗。驅(qū)動部分的成本與1D相當(dāng)，但總體成本由于LED燈數(shù)量的增多而有所增加。

    3D：在2D基礎(chǔ)上的改進(jìn)，用RGB三色LED來取代白光LED。由于使用了R、G、B三色的LED，使得背光系統(tǒng)在進(jìn)行亮度調(diào)節(jié)的同時，還能夠根據(jù)畫面各區(qū)域的色彩分布動態(tài)調(diào)整對應(yīng)背光部分的色度，實現(xiàn)了色域更廣的畫質(zhì)，比2D方式有更好的色彩表現(xiàn)。缺點是硬件成本高于2D方式，同時由于需要處理RGB背光整體白平衡的問題，因此開發(fā)成本會有較大的增加。

    綜合成本等方面的考慮，采用2D方式是在充分保證圖像質(zhì)量的前提下的區(qū)域調(diào)光的最佳方案。
 
    （4）分區(qū)選擇

    對于LED背光而言，分區(qū)的數(shù)量是和畫質(zhì)、功耗以及成本等因素緊密相關(guān)的。根據(jù)圖八的實際的試驗數(shù)據(jù)，我們可以看到，無論是側(cè)入式LED背光還是直下式LED背光，當(dāng)分區(qū)數(shù)量增加到一定程度時,LED背光系統(tǒng)中LED燈的點亮比例不會繼續(xù)減小，即意味著此時LED背光的動態(tài)功耗難以繼續(xù)降低。

圖八：分區(qū)數(shù)量和LED點亮比

    同時也要看出，分區(qū)數(shù)量少的話，功率的降低效果并不會太明顯。