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

現(xiàn)有產(chǎn)品的不足

    序：隨著智慧城市等政府主導(dǎo)的監(jiān)控類項(xiàng)目的發(fā)展，監(jiān)控顯示產(chǎn)品的使用越來越多。而作為近幾年來發(fā)展迅速的液晶拼接產(chǎn)品，以其良好的使用效果及極高的性價(jià)比，已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。
家用液晶屏背光已經(jīng)成功的從CCFL轉(zhuǎn)為了，而作為專業(yè)級(jí)別的液晶拼接屏，也正處于向LED的轉(zhuǎn)變中，而某些固有的問題仍然存在著。

    一、

    作為顯示器件發(fā)展的重要產(chǎn)品，液晶屏憑借大尺寸、節(jié)能、超薄、無閃爍等優(yōu)勢，在數(shù)年之內(nèi)，一舉打敗CRT，引領(lǐng)顯示行業(yè)步入平板顯示時(shí)代。

    但由于其從顯示原理上所固有的弱勢，導(dǎo)致其在功耗和對(duì)比度方面有著先天不足。
 
    1、液晶屏的顯示原理：

     液晶屏和CRT和PDP產(chǎn)品的顯示原理不一樣，屬于被動(dòng)發(fā)光的產(chǎn)品。如圖一所示：

圖一、液晶屏的顯示原理     

    液晶屏中的液晶分子在通電的情況下，會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)。因此，通過控制液晶分子的通斷電的方式，就可以控制光線從背后照射到前面基板上的數(shù)量，最終實(shí)現(xiàn)圖像的顯示。

    由于基本上3基色子像素點(diǎn)數(shù)量基本在3百萬以上，加之工藝技術(shù)的限制，無法做到背光燈與子像素之間的一一對(duì)應(yīng)。目前能做到的只能是不管圖像內(nèi)容如何，只控制液晶分子的偏轉(zhuǎn)，而背光保持常亮的狀態(tài)。

    因此，從上述簡單的論述中可以發(fā)現(xiàn)，必須借助于背光源系統(tǒng)，液晶屏才能發(fā)光，并且背光源只能處于常亮的狀態(tài)，否則屏幕上將全黑。
 
    2、現(xiàn)有液晶屏的不足

    （1）能效利用率低

    常見的液晶拼接單元的能耗主要是液晶屏本身和內(nèi)置處理器，而液晶屏的能耗又集中在背光源和Tcom板上。因此，以常用的46寸700nit亮度超窄邊拼接單元為例，其各個(gè)部分的功率占比如圖二所示：

圖二、CCFL背光液晶拼接單元中主要部件的能耗占比

    由圖二看出，背光源的占比最大。由于不管圖像內(nèi)容是什么，就算是全黑的圖像，背光源一直處于打開的狀態(tài)，因此能源浪費(fèi)非常嚴(yán)重。對(duì)于一個(gè)處于24小時(shí)開機(jī)的監(jiān)控中心大屏而言，這種能源的浪費(fèi)不可小覷。
 
    （2）對(duì)比度低

    由于液晶屏本身存在一定的透光性，即時(shí)在圖像為黑色的地方，仍然會(huì)存在一定的光線的透過，導(dǎo)致圖像整體由黑色變成灰黑色，因而使得圖像的對(duì)比度低，往往圖像靜態(tài)對(duì)比度只能達(dá)到3000:1以下，甚至是低于1000:1以下。而對(duì)于像CRT、PDP這類主動(dòng)發(fā)光的顯示器件，由于不存在背光之類，因此黑色純黑，對(duì)比對(duì)可以達(dá)到上萬甚至是上百萬。

    對(duì)比度低，勢必造成圖像細(xì)節(jié)的缺失，給某些特定的監(jiān)控造成了盲區(qū)。

    從圖三我們可以看出背光源常亮所導(dǎo)致的圖像對(duì)比度降低的效果。

圖三、液晶屏和等離子屏的圖像效果對(duì)比

    綜上兩個(gè)原因，液晶屏背光常亮的狀態(tài)已經(jīng)不符合現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展的趨勢。

二、解決方案

    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(diǎn)，迅速的取代CCFL背光源的屏。這在電視機(jī)行業(yè)凸顯得比較明顯。而時(shí)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(gè)安防顯示行業(yè)對(duì)液晶屏需求相對(duì)于電視機(jī)行業(yè)對(duì)液晶屏的需求，仍屬于相對(duì)較小的行業(yè)。從而導(dǎo)致液晶屏生產(chǎn)企業(yè)對(duì)拼接顯示專用屏的生產(chǎn)仍處于跟隨電視用屏的需求。

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

    而對(duì)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(duì)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(shí)，背光全黑，而當(dāng)圖像有亮有暗時(shí)，背光通過自動(dòng)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(shí)現(xiàn)這種區(qū)域亮度控制的，一方面是因?yàn)镃CFL 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?yàn)樗�的亮度也不可能按照�(qǐng)D象的內(nèi)容進(jìn)行快速調(diào)整。同時(shí)，在采用LED 作為區(qū)域亮度控制時(shí)，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(jià)格競爭激烈，增加此功能一是會(huì)造成成本急劇上升，二是對(duì)于家庭用戶而言，此功能基本沒有實(shí)際意義，畢竟每天的電視機(jī)工作時(shí)間有限，短時(shí)間的工作是看不出該技術(shù)的優(yōu)勢的。

    而對(duì)于監(jiān)控而言，面對(duì)常年24小時(shí)開機(jī)的使用，節(jié)能就比較明顯。后面將會(huì)具體計(jì)算節(jié)能優(yōu)勢。

    下面將具體論述該方案的實(shí)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(gè)區(qū)域，再根據(jù)所顯示的圖像內(nèi)容獨(dú)立控制每個(gè)區(qū)域的背光亮度變化，就實(shí)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(shí)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(gè)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(duì)應(yīng)圖像位置的畫面明暗程度進(jìn)行亮度調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)比度的提高、畫質(zhì)的改善和動(dòng)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(huì)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�(gè)區(qū)域，通過DSP芯片的處理分別控制每一個(gè)區(qū)域的亮度變化，以實(shí)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(shí)現(xiàn)薄型化等特點(diǎn)，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(diǎn)，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(diǎn)是實(shí)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(duì)圖像中每一列(或每一行)區(qū)域的亮度的變化進(jìn)行對(duì)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(dòng)部分增加對(duì)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(duì)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(duì)應(yīng)區(qū)域的背光亮度變化，實(shí)現(xiàn)比1D更好的畫質(zhì)和更低的動(dòng)態(tài)功耗。驅(qū)動(dòng)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(shí)，還能夠根據(jù)畫面各區(qū)域的色彩分布動(dòng)態(tài)調(diào)整對(duì)應(yīng)背光部分的色度，實(shí)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(diǎn)是硬件成本高于2D方式，同時(shí)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(huì)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(duì)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(shí)際的試驗(yàn)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(shí),LED背光系統(tǒng)中LED燈的點(diǎn)亮比例不會(huì)繼續(xù)減小，即意味著此時(shí)LED背光的動(dòng)態(tài)功耗難以繼續(xù)降低。

圖八：分區(qū)數(shù)量和LED點(diǎn)亮比

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

三、方案實(shí)施

    1、分區(qū)

    以46寸為例，根據(jù)所選的LED類型，確定了LED的數(shù)量為190顆。此時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)Local Dimming功能，將背光按照下圖方式分為38個(gè)區(qū)域進(jìn)行控制。其中，每5顆LED作為一個(gè)最小的亮度控制區(qū)域。對(duì)42寸來講，每一個(gè)區(qū)域的面積約為128cm2，約為一張A4紙面積的1/5。分區(qū)方式如圖九所示。

圖九：分區(qū)方式

    2、驅(qū)動(dòng)方案選擇

    綜合考慮系統(tǒng)復(fù)雜度和方案成本，準(zhǔn)備采用MC34844A作為直下式背光系統(tǒng)中LED的驅(qū)動(dòng)方案。原理框圖如圖十所示下：

圖十：LED背光源的驅(qū)動(dòng)方案

    3、信號(hào)處理部分的選擇

    由于Local Dimming功能的實(shí)現(xiàn)需要高速DSP實(shí)時(shí)對(duì)每一場的視頻信號(hào)進(jìn)行處理，因此是實(shí)現(xiàn)直下式背光系統(tǒng)最復(fù)雜而且最重要的內(nèi)容之一。當(dāng)前該技術(shù)在行業(yè)內(nèi)尚處于起步階段，沒有現(xiàn)成的專用芯片，因此只能采用DSP的方式進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

    結(jié)合信號(hào)處理部分與LED的驅(qū)動(dòng)電路，最終形成的直下式帶Local Dimming功能的方案如圖十一所示：

圖十一：區(qū)域調(diào)光方案

    4、Local Dimming 驅(qū)動(dòng)板PCB

    為滿足不同客戶對(duì)區(qū)域調(diào)光功能的需求，在PCB設(shè)計(jì)時(shí)考慮與不需要該功能的需求的兼容.PCB板如圖十二所示：

圖十二：區(qū)域調(diào)光PCB板圖

   5、為給客戶演示該功能的強(qiáng)烈的對(duì)比效果，在用戶OSD菜單中增加如圖十三所示的區(qū)域調(diào)光功能的開關(guān)，方便功能演示。

圖十三：OSD菜單中的區(qū)域調(diào)光開關(guān)

四：實(shí)施結(jié)果

 
    1、背光隨著圖像內(nèi)容的變化而變化

    通過下面圖十四所顯示的一系列連續(xù)的圖片，我們可以發(fā)現(xiàn)背光在隨著屏幕內(nèi)容的變化而變化，并且變化非常明顯。

圖十四：背光隨著圖像內(nèi)容的變化而亮暗變化

    2、功率隨著圖像內(nèi)容的變化而變化

    圖十五所示的為區(qū)域調(diào)光功能關(guān)閉時(shí)的照片，此時(shí)不但功率為163.6W，而且圖像周圍由于背光常亮的原因，導(dǎo)致該黑暗顯示的地方仍然有亮度，整個(gè)畫面立體感不強(qiáng)。

圖十五：區(qū)域調(diào)光關(guān)閉時(shí)的功率及圖像

圖十六: 區(qū)域調(diào)光打開時(shí)的圖像

    圖十六所示的為區(qū)域調(diào)光打開時(shí)的圖像，從圖中可以看出，不但功率降低到了46.5W，降低了71%，而且整幅圖像看著黑色很強(qiáng)，畫面的立體感很好。

    如果整幅畫面都為黑的情況下，那么背光燈將全滅，功率僅僅為其他電路元器件的功率，約為20W左右，節(jié)能效果更佳明顯。
 
    五、費(fèi)用計(jì)算

    1、 要達(dá)到好的調(diào)光效果，那么調(diào)光分區(qū)及調(diào)光方案就要選擇相對(duì)較好的方案。目前市場上有略微便宜的產(chǎn)品，比如分區(qū)僅為12個(gè)區(qū)域，雖然有一定的節(jié)能效果，但功率降低最大僅為50%，并且畫面中的黑色仍舊黑的不夠徹底，如意出現(xiàn)如圖十七所示的光暈現(xiàn)象。

圖十七:光暈

    2、按照進(jìn)行區(qū)域調(diào)光設(shè)計(jì)需要使用專門的LED背光燈組和區(qū)域調(diào)光模塊模塊，單臺(tái)液晶屏物料費(fèi)用需多投入約1000元左右。這對(duì)于家庭用戶而言，由于每天平均才3個(gè)小時(shí)的使用時(shí)間，這個(gè)費(fèi)用是不可能承擔(dān)的，因此也使得該產(chǎn)品在家用電視上基本沒有使用的可能。

    3、但對(duì)于需要常年24小時(shí)開機(jī)的監(jiān)控中心而言，這將是有吸引力的。費(fèi)用計(jì)算如下：

    以常見的2x3的46寸LED背光液晶拼接而言：

    需要在購買拼接時(shí)一次性投入6000元。

    46寸LED背光液晶拼接的無區(qū)域調(diào)光功能的單元功耗為200W，拼接后的總功率為12000W。那么每日的用電量為28.8度，每年的用電量為10512度，按照三年的使用期限，用電量為31536度。

     按照電費(fèi)為0.6元/度計(jì)算，三年的用電量費(fèi)用為18921元。

     如果采用有區(qū)域調(diào)光功能的液晶拼接，按照節(jié)能至少一半計(jì)算，那么用電量節(jié)約一半，即節(jié)約9460元，完全可以抵消購買拼接時(shí)的一次性多投入的6000元。并且拼接系統(tǒng)一旦建立，使用期限完全不止三年，使用年限越長，節(jié)約越明顯。

    而且，電力的節(jié)約，也完全符合國家倡導(dǎo)的建設(shè)資源節(jié)約型社會(huì)的需求。