区域调光技术在液晶拼接显示系统中的应用研究

现有产品的不足

    序：随着智慧城市等政府主导的监控类项目的发展，监控显示产品的使用越来越多。而作为近几年来发展迅速的液晶拼接产品，以其良好的使用效果及极高的性价比，已经广泛的应用于国民经济的各个领域。
家用液晶屏背光已经成功的从CCFL转为了，而作为专业级别的液晶拼接屏，也正处于向LED的转变中，而某些固有的问题仍然存在着。

    一、

    作为显示器件发展的重要产品，液晶屏凭借大尺寸、节能、超薄、无闪烁等优势，在数年之内，一举打败CRT，引领显示行业步入平板显示时代。

    但由于其从显示原理上所固有的弱势，导致其在功耗和对比度方面有着先天不足。
 
    1、液晶屏的显示原理：

     液晶屏和CRT和PDP产品的显示原理不一样，属于被动发光的产品。如图一所示：

图一、液晶屏的显示原理     

    液晶屏中的液晶分子在通电的情况下，会发生偏转。因此，通过控制液晶分子的通断电的方式，就可以控制光线从背后照射到前面基板上的数量，最终实现图像的显示。

    由于基本上3基色子像素点数量基本在3百万以上，加之工艺技术的限制，无法做到背光灯与子像素之间的一一对应。目前能做到的只能是不管图像内容如何，只控制液晶分子的偏转，而背光保持常亮的状态。

    因此，从上述简单的论述中可以发现，必须借助于背光源系统，液晶屏才能发光，并且背光源只能处于常亮的状态，否则屏幕上将全黑。
 
    2、现有液晶屏的不足

    （1）能效利用率低

    常见的液晶拼接单元的能耗主要是液晶屏本身和内置处理器，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亮度超窄边拼接单元为例，其各个部分的功率占比如图二所示：

图二、CCFL背光液晶拼接单元中主要部件的能耗占比

    由图二看出，背光源的占比最大。由于不管图像内容是什么，就算是全黑的图像，背光源一直处于打开的状态，因此能源浪费非常严重。对于一个处于24小时开机的监控中心大屏而言，这种能源的浪费不可小觑。
 
    （2）对比度低

    由于液晶屏本身存在一定的透光性，即时在图像为黑色的地方，仍然会存在一定的光线的透过，导致图像整体由黑色变成灰黑色，因而使得图像的对比度低，往往图像静态对比度只能达到3000:1以下，甚至是低于1000:1以下。而对于像CRT、PDP这类主动发光的显示器件，由于不存在背光之类，因此黑色纯黑，对比对可以达到上万甚至是上百万。

    对比度低，势必造成图像细节的缺失，给某些特定的监控造成了盲区。

    从图三我们可以看出背光源常亮所导致的图像对比度降低的效果。

图三、液晶屏和等离子屏的图像效果对比

    综上两个原因，液晶屏背光常亮的状态已经不符合现代社会发展的趋势。

二、解决方案

    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。
 

三、方案实施

    1、分区

    以46寸为例，根据所选的LED类型，确定了LED的数量为190颗。此时，为了实现Local Dimming功能，将背光按照下图方式分为38个区域进行控制。其中，每5颗LED作为一个最小的亮度控制区域。对42寸来讲，每一个区域的面积约为128cm2，约为一张A4纸面积的1/5。分区方式如图九所示。

图九：分区方式

    2、驱动方案选择

    综合考虑系统复杂度和方案成本，准备采用MC34844A作为直下式背光系统中LED的驱动方案。原理框图如图十所示下：

图十：LED背光源的驱动方案

    3、信号处理部分的选择

    由于Local Dimming功能的实现需要高速DSP实时对每一场的视频信号进行处理，因此是实现直下式背光系统最复杂而且最重要的内容之一。当前该技术在行业内尚处于起步阶段，没有现成的专用芯片，因此只能采用DSP的方式进行实现。

    结合信号处理部分与LED的驱动电路，最终形成的直下式带Local Dimming功能的方案如图十一所示：

图十一：区域调光方案

    4、Local Dimming 驱动板PCB

    为满足不同客户对区域调光功能的需求，在PCB设计时考虑与不需要该功能的需求的兼容.PCB板如图十二所示：

图十二：区域调光PCB板图

   5、为给客户演示该功能的强烈的对比效果，在用户OSD菜单中增加如图十三所示的区域调光功能的开关，方便功能演示。

图十三：OSD菜单中的区域调光开关

四：实施结果

 
    1、背光随着图像内容的变化而变化

    通过下面图十四所显示的一系列连续的图片，我们可以发现背光在随着屏幕内容的变化而变化，并且变化非常明显。

图十四：背光随着图像内容的变化而亮暗变化

    2、功率随着图像内容的变化而变化

    图十五所示的为区域调光功能关闭时的照片，此时不但功率为163.6W，而且图像周围由于背光常亮的原因，导致该黑暗显示的地方仍然有亮度，整个画面立体感不强。

图十五：区域调光关闭时的功率及图像

图十六: 区域调光打开时的图像

    图十六所示的为区域调光打开时的图像，从图中可以看出，不但功率降低到了46.5W，降低了71%，而且整幅图像看着黑色很强，画面的立体感很好。

    如果整幅画面都为黑的情况下，那么背光灯将全灭，功率仅仅为其他电路元器件的功率，约为20W左右，节能效果更佳明显。
 
    五、费用计算

    1、 要达到好的调光效果，那么调光分区及调光方案就要选择相对较好的方案。目前市场上有略微便宜的产品，比如分区仅为12个区域，虽然有一定的节能效果，但功率降低最大仅为50%，并且画面中的黑色仍旧黑的不够彻底，如意出现如图十七所示的光晕现象。

图十七:光晕

    2、按照进行区域调光设计需要使用专门的LED背光灯组和区域调光模块模块，单台液晶屏物料费用需多投入约1000元左右。这对于家庭用户而言，由于每天平均才3个小时的使用时间，这个费用是不可能承担的，因此也使得该产品在家用电视上基本没有使用的可能。

    3、但对于需要常年24小时开机的监控中心而言，这将是有吸引力的。费用计算如下：

    以常见的2x3的46寸LED背光液晶拼接而言：

    需要在购买拼接时一次性投入6000元。

    46寸LED背光液晶拼接的无区域调光功能的单元功耗为200W，拼接后的总功率为12000W。那么每日的用电量为28.8度，每年的用电量为10512度，按照三年的使用期限，用电量为31536度。

     按照电费为0.6元/度计算，三年的用电量费用为18921元。

     如果采用有区域调光功能的液晶拼接，按照节能至少一半计算，那么用电量节约一半，即节约9460元，完全可以抵消购买拼接时的一次性多投入的6000元。并且拼接系统一旦建立，使用期限完全不止三年，使用年限越长，节约越明显。

    而且，电力的节约，也完全符合国家倡导的建设资源节约型社会的需求。