区域调光技术在液晶拼接显示系统中的应用研究

    1、LED背光源

    随着技术的发展，LED背光源的液晶屏以节能、超薄等优点，迅速的取代CCFL背光源的屏。这在电视机行业凸显得比较明显。而时至今日，液晶拼接行业的主流尺寸产品仍是以CCFL为主。尽管从前端的液晶屏企业到后端的整体制造企业都开始布局LED的产品，但碍于整个安防显示行业对液晶屏需求相对于电视机行业对液晶屏的需求，仍属于相对较小的行业。从而导致液晶屏生产企业对拼接显示专用屏的生产仍处于跟随电视用屏的需求。

    对于已经经过充分市场竞争的电视用的液晶屏而言，价格因数非常敏感，并且根据调查平均每台电视机的使用时间为每天3个小时，能耗并不明显，因此，在背光从CCFL转为LED后，基于价格因数，电视机所用液晶屏的发展也就处于暂时无进一步发展方向的现在。

    而对于液晶拼接而言，虽然也有LED背光屏的出现，但仍属于背光常亮的产品，在节能和对比度低的方面，仍未解决。

    图四为新上市的46寸LED背光源的液晶拼接单元的功率占比图。

图四：LED背光源液晶拼接屏的功率占比图

    从图四种我们可以看出，虽然液晶拼接屏的背光从CCFL转为LED后，背光源的功率从312W转为了165W，基本降低了47%，但背光源的能耗仍是其中最大的。

    因此，单纯的改变背光源并不能降低背光源功率在拼接屏中的功率占比，只能改变背光源常亮的方式，才能在LED背光源的基础上，进一步降低功率。
 
    2、区域调光

    为改变背光常亮的状态，可以通过让背光的亮度随着图像的内容的变化而变化，当整幅图像亮时，背光全亮，当整幅图像全黑时，背光全黑，而当图像有亮有暗时，背光通过自动控制进行变换，并且亮的部分不能影响暗的部分。

    显然，CCFL 背光是不可能实现这种区域亮度控制的，一方面是因为CCFL 的形状是长条形，根本无法进行区域划分，另一方面则是因为它的亮度也不可能按照图象的内容进行快速调整。同时，在采用LED 作为区域亮度控制时，只能采用直下式背光，而不能采用侧射式。

    虽然该技术在液晶电视行业已经提出多年，但碍于液晶电视行业的价格竞争激烈，增加此功能一是会造成成本急剧上升，二是对于家庭用户而言，此功能基本没有实际意义，毕竟每天的电视机工作时间有限，短时间的工作是看不出该技术的优势的。

    而对于监控而言，面对常年24小时开机的使用，节能就比较明显。后面将会具体计算节能优势。

    下面将具体论述该方案的实现原理。

    （1）区域调光简介

    在液晶模组中，如果将模组的背光分为几个区域，再根据所显示的图像内容独立控制每个区域的背光亮度变化，就实现了区域调光的基本功能，如图五所示。

图五：区域调光的原理

    （2）背光源的选择

    从结构上来看，能够用来实现Local Dimming功能的LED背光类型可以分为两大类：直下式LED背光和侧入式LED背光。

    早期，人们多关注的是直下式LED背光。这种应用中，在水平和垂直方向上将屏幕的背光源划分为若干区块，每个LED的分区一般为正方形等规则形状，分区内的所有LED连接在一起，且可以随着液晶面板上对应图像位置的画面明暗程度进行亮度调节，以实现对比度的提高、画质的改善和动态功耗的降低，如图六所示：

图六：直下式背光的区域调光

    然在这种应用中，同样尺寸的LED的数量会比侧入式LED背光多出数倍，导致LED的成本方面不具有优势，但要做到图像背光亮度的精细调整，这是最佳的方案。

    侧入式背光模组的原理也并不复杂。沿着LED灯条排布的方向将屏幕分为几个区域，通过DSP芯片的处理分别控制每一个区域的亮度变化，以实现Local Dimming功能，如图七所示。                  

图七：侧入式背光区域调光

    由于使用的LED数量少、成本低，易于实现薄型化等特点，这种侧入式LED背光的LocalDimming技术在近期成为各终端厂商关注的重点，但尚不能做到与直下式背光Local Dimming完全相同的画质和节能效果。

    因此，根据安防监控领域对图像质量的高标准要求，我们采用直下式LED方式进行。
 
    （3）控制方式选择

    从Local Dimming的控制方式来说，可以分为0D、1D、2D和3D等几种方式。

    0D：背光系统只进行整体亮度的调节，节能和画质改善的能力有限。优点是实现简单，成本低。

    1D：侧入式Local Dimming。主要应用在侧入式LED背光系统中，能够针对图像中每一列(或每一行)区域的亮度的变化进行对应背光亮度的调节。节能和画质改善效果优于0D方式，需要在系统或LED驱动部分增加对图像内容的分析和控制功能，成本略有增加。

    2D：直下式Local Dimming。主要针对直下式LED背光应用，根据LED的分区数量和大小能够分别调节对应区域的背光亮度变化，实现比1D更好的画质和更低的动态功耗。驱动部分的成本与1D相当，但总体成本由于LED灯数量的增多而有所增加。

    3D：在2D基础上的改进，用RGB三色LED来取代白光LED。由于使用了R、G、B三色的LED，使得背光系统在进行亮度调节的同时，还能够根据画面各区域的色彩分布动态调整对应背光部分的色度，实现了色域更广的画质，比2D方式有更好的色彩表现。缺点是硬件成本高于2D方式，同时由于需要处理RGB背光整体白平衡的问题，因此开发成本会有较大的增加。

    综合成本等方面的考虑，采用2D方式是在充分保证图像质量的前提下的区域调光的最佳方案。
 
    （4）分区选择

    对于LED背光而言，分区的数量是和画质、功耗以及成本等因素紧密相关的。根据图八的实际的试验数据，我们可以看到，无论是侧入式LED背光还是直下式LED背光，当分区数量增加到一定程度时,LED背光系统中LED灯的点亮比例不会继续减小，即意味着此时LED背光的动态功耗难以继续降低。

图八：分区数量和LED点亮比

    同时也要看出，分区数量少的话，功率的降低效果并不会太明显。