液晶电视动态调光技术应用与研究

冠捷显示科技（厦门）有限公司 周江潮

液晶电视动态调光技术应用与研究

冠捷显示科技（厦门）有限公司 周江潮

传统液晶电视工作时处于恒定显示状态，即使显示全黑色图像背光源也处于最亮状态，造成了能源的极大浪费。动态调光技术可以根据液晶电视的显示内容实时地调整背光源亮度，补偿液晶像素亮暗需求，降低整机功耗的同时能够提高显示对比度。本文详细地分析了液晶电视全局动态调光技术和区域动态调光技术的原理及应用现状，为改进动态调光作出参考。

液晶电视；全局动态调光；区域动态调光；背光源

1.引言

液晶是一种介于液体和晶体之间的特殊物态，具有较强的广电特性，可以根据液晶分子所处的电场强度控制液晶分子的折射率，旋转光线传播方向就可以渲染一幅幅图像，同时可以利用三原色过滤色膜，实现一个液晶显示彩色图像的功能[1]。液晶电视主要由两个部分组成，分别是液晶面板（LCD Panel）和LED背光源模块（LED Backlight），LED背光源模块可以为液晶电视提供显示光源，同时可以控制液晶面板的颜色和光强度。LED背光源作为重要的显示模块，可以采用动态调光技术，有效提升电视图像画质、降低功耗[2]。

图1 液晶电视组成结构

液晶电视采用了非线性液晶材料，全黑图像不能完全隔离背光源发射的光线，因此电视图像全黑时产生漏光现象，降低了液晶显示器对比度。利用动态调光技术，可以根据像素亮暗调整背光亮度，补偿像素亮度，减少漏光现象的发生，并且保持液晶屏幕前的亮度不变，明显提升对比度[3]。传统的液晶电视背光源亮度通常设置在恒定不变的状态，无法根据渲染画面的变化自适应改变，因此背光源总是处于一个最大亮度状态，另外，液晶电视已经从传统的23英寸、32英寸向50英寸、65英寸转变，液晶电视的功耗也从60W逐渐提升到350W，大尺寸液晶电视消耗的能源更多，采用动态调光技术可以在提高电视画质的同时降低20%——50%的功耗，能够更好地节约能源，提高人们的经济效益。液晶电视动态调光根据背光源结构进行划分，一种是侧入式背光结构的全局动态调光技术，另外一种是直下式背光结构的区域动态调光技术，经过多年的研究和应用，两种动态调光技术已经得到了较好的改进。

2.液晶电视全局动态调光技术

全局动态调光技术又被称为0D Dimming，其采用全局性的动态调光算法，可以提升液晶电视的对比度，降低20%的整机功耗。全局动态调光技术在执行过程中需要全面地统计输入图像信息，并且可以计算出液晶电视图像整体亮度水平的背光亮度值，针对像素进行补偿时需要充分考虑溢出现象，并且能够保留图像细节。全局调光技术可以控制整体背光源亮度，分析液晶电视视频图像，计算背光亮度值，补偿液晶图像像素，然后将这两个过程叠加在一起，整合效果就是液晶电视显示的图像。

全局动态调光技术已经得到了广泛应用和改进，提出了侧出式发光二极管背光全局动态调整算法、基于图像分类的全局动态调光算法、基于最大值法的全局动态调光算法。图像分类可以采用先进的K均值算法、BP神经网络、支持向量机等机器学习技术自动化地将液晶电视图像进行分类，自适应地计算液晶电视图像亮度，根据实际需求调整背光源亮度。京东方科技集团与中国科技大学、合肥工业大学联合研发了一款65英寸的全局动态调光技术液晶电视机；海信公司也研发和生产了一款ULED液晶电视，能够使电视机的对比度达到800万：1，与普通的4K液晶电视相比，图像质量提高了3个数量级，能够表现更加炫丽的细节内容。夏普公司为了适应现代高清液晶电视娱乐性、沉浸感，与浙江大学联合提出了一种基于图像CDF阈值的液晶电视动态调整算法，并且引入FPGA技术开发了一个产品模型，将软件算法集成到硬件内，形成了一个动态调光固件，并采用了流水线式产品生产方式，提高了产品研发、制造和生产效率。

3.液晶电视区域动态调光技术

液晶电视区域动态调光技术主要包括两个，分别是1D调光和2D调光。1D调光的背光源结构是许多逻辑独立控制的分区，这些分区位于水平方向或垂直方向，每一个区域都关联着一颗LED或最小的控制灯组。背光源可以根据液晶电视水平或垂直方向上的分区图像计算某些区域的背光源亮度，因此1D调光特别适用于水平、垂直方向存在层次差别的液晶电视图像，由于1D调光受限于背光源结构，因此液晶电视对比度提升效果较弱，节能效果也不明显。2D调光技术可以将液晶电视视频图像按照X方向和Y方向划分为若干个区域，每一个区域都关联着一颗或多颗LED等，每一个分区的液晶电视背光亮度取决于其关联区域图像的信息，分区和分区之间的LED等是逻辑独立的，与0D调光和1D调光技术相比，2D调光技术具有更高的节能效果，也可以最大程度上提高液晶电视的对比度。基于区域动态调光技术的液晶电视也得到了广泛研发，东芝公司研发了一款液晶电视，其采用点阵式背光LED，能够将3072个直下式LED背光灯划分为512个逻辑独立和单独控制的区域，促使液晶电视的背光照明更加精准，避免液晶电视背光亮度不均匀和漏光现象，并且能够最大程度上提升液晶电视的对比度。三星公司采用LED智能光源技术研发了一款全高清液晶电视，其可以从电路上将液晶电视屏幕划分为192个逻辑独立区域，根据电视的输入图像信号，单独调节每一个区域的背光亮度，显著提高液晶电视画面对比度和色彩表现力。北京大学与TCL集团联合研发了一种基于复杂背景的动态调光液晶电视，引入了先进的自然光识别、人脸识别、肤色识别等技术，可以将复杂的视频图像进行层次划分，这样就可以更好地满足动态调光需求，提高动态调光在液晶电视中的应用效果。

4.结束语

动态调光利用机器学习、模式识别等技术自适应计算和发现背光亮度信息，根据液晶电视的视频图像内容动态地改变背光源亮度，能够最大程度上节约能源消耗，并且可以提高液晶电视对比度，渲染更加真实、细腻的图像，满足人们对高清晰、大尺寸液晶电视的观感需求。国内外许多液晶电视厂家、科研院所等针对动态调光进行研究和改进，建立了基于机器学习的、模式识别的动态调光算法，能够将复杂的液晶电视图像划分为多个层次和逻辑独立区域，更加精准地实现动态调光。

[1]姚健平,杨梅慧.电流调光模式对LED液晶模组光学性能的影响[J].电视技术,2015,39(13):103-106.

[2]刘芬,张磊,韩东,等.液晶显示全局动态调光算法的高效实现方法研究[J].液晶与显示,2014,29(1):28-33.

[3]杨雷,李纯怀,陈宥烨,等.基于平均值法的LED背光源动态调光二次修正算法[J].液晶与显示,2014,29(1):101-105.