详解LED背光液晶电视区域调光技术的机遇与难题

　　节能及画质提升技术一直是彩电行业不断追求创新的领域，随着液晶电视的普及，区域调光技术成为集节能与画质提升于一身的最佳技术之一。
   　　传统CRT电视因是平面光源，其发光要么整片点亮，要么整片变暗，无法实现按画面分区域调光。液晶电视显示部分主要包括背光源和液晶显示单元，其中背光源主要采用直线光源CCFL和点光源LED，这就为实现区域调光提供了可能。而液晶电视的背光是整机耗能最大的部分，所以通过各种方式调节背光亮度实现节能且提升画质的技术一直是业界不断攻克的难题。
   　　液晶电视推出初期，其背光亮度是固定或用户通过菜单手动调节的，这与CRT的平面光源类似，要么整片变亮，要么整片变暗。而CCFL是直线光源，所以分区调节在技术上是可行的，随着液晶电视逐渐占据市场主流，背光源亮度区域调节技术也得到迅速发展，经0次元（0D） Dimming、1次元（1D）Dimming发展到当前的2次元（2D）Dimming。
   　　背光区域调节技术
   　　液晶电视背光区域调节技术即Local dimming技术，是指液晶电视系统将图像信号分成若干区域，并根据各区域图像亮度进行分析计算，然后自动控制各区域背光源的亮暗。
   　　0D Dimming：指液晶电视系统对整个电视画面统一调节亮度，无论是CCFL背光源还是LED背光源，所有的CCFL灯管或LED在同一场画面下亮度一样，由系统统一控制，当下一场画面亮度变暗或变亮时，系统再自动将背光统一调暗或调亮。一般算法是用软件计算整个画面的平均亮度，根据平均亮度的大小去调节背光亮暗。例如当全黑画面（如图1.1）时CPU自动将背光亮度调至最暗，而当全白画面（如图1.2）时CPU自动将背光亮度调至最亮。0D Dimming的缺点是统一调节不够准确，如当同一画面中出现纯白和纯黑的画面时（如图1.3上下黑中间白画面），系统CPU计算平均亮度后将背光亮度调至中间偏小处，这将导致纯白的地方不够亮，而纯黑的地方则不够黑。因此严格来说，0D Dimming不算区域调光。
   
   　　
   
   　　1D Dimming：英文也叫line dimming，顾名思义就是按线调节。对CCFL背光源而言，它将按每个灯管调节，或将总灯管数按相邻灯管分成若干组按组调节；对于直下式LED而言，则是按每行LED调节，或将相邻行LED分组按组分别调节。如图1.3画面，CPU会按区域计算各区域平均亮度，可以将上、下部分的灯管或LED调暗或关断，而将中间的灯管或LED调至最亮。1D Dimming比0D Dimming在技术上有了很大提升，以此来调节背光亮度可以很大程度地降低液晶电视能耗，提升画面对比度。然而当其遇到如图1.4这种在同一行中有黑白交错的画面时，又会出现同一行画面亮度调节不准确的情况。
   　　2D Dimming：即Local dimming，是指将整个画面按矩阵式分成若干个区域，CPU根据每个区域分布计算平均亮度，对各区域的亮度独立控制，这样就可以完美解决如图1.4画面在1D Dimming下出现的问题。
   　　但是，早期液晶电视主要采用CCFL背光，属于直线光源发光方式。以32英寸TV用LCD面板为例，大部分需使用12根CCFL灯管，若真的要做到Local Dimming，最多也只能划分为12个区块，且CCFL光源最大问题是点灭速度不够快，若强力驱动其开关的速度，则会减损灯管寿命，因此CCLF背光源无法做到矩阵式按区域调节亮度。
   　　2009年，液晶电视市场掀起LED背光潮，即液晶电视的背光采用LED。LED体积小巧，属于点光源，它为实现真正的区域调光技术提供了可能。以主流的侧背光为例，其LED灯分布在液晶屏的四周，而系统对LED灯的控制可以按矩阵式区域控制，如图2所示。
   
   　　
   
   　　2D区域调光的优点
   
   　　2D Dimming能对LCD背光源作不同区域、不同程度明暗变化的调节，可大幅降低耗电量，提高显示画面对比度，增加灰阶数，减少残影，提升LCD显示器画质，是最佳的区域调光技术。
   　　为何2D Dimming区域控制可大幅降低LCD显示器耗电量？这是因为不论平面光源、直线光源CCFL还是EEFL，其背光源一般都处在全亮状态，而当显示暗态画面时则通过降低液晶穿透率来实现，故它们对于降低耗电量没有帮助。与之相对，2D Dimming在显示暗态画面时，LED亮度随之降低，故可减少整体背光源的耗电量。日本电气通信大学针对不同型态背光源测量同一显示画面耗电量，测量结果显示：倘若0D Dimming平均耗电量为100%，2D Dimming型态背光源平均耗电量仅43%。
   　　2D Dimming区域控制除了可降低耗电量，也可改善LCD显示器画质表现。因为2D Dimming可以对区域亮度独立控制，而传统平面背光源只能整片点亮，故2D Dimming可大幅提高画面的动态对比度。
   　　LED光源快速点灭特性对于LCD显示器运动拖尾也大有改善。传统CCFL背光源因持续点亮缘故，以移动中的人眼球看去会有晃动、拖影感觉；当LED背光源模拟CRT显示器脉冲式发光，即背光源也采用间歇性点灭方式，LED背光在极短时间关断时可遮住快速移动物体所产生的拖影画面，故所呈现画质较为清楚。
   　　2D区域调光面临的难题及机遇
   　　上面提到的2D Dimming技术需要CPU同时去分析一个图像多个区域的亮度，然后根据计算结果分别控制各区域亮度，实质是通过控制LED驱动来调节各区域LED灯的亮暗。软件对图像分析的算法对CPU性能是一个考验，LED驱动时序控制在设计上也是难题，倘若时序控制不当，容易造成LED灯烧坏。
   　　目前液晶电视主芯片较少具有2D local dimming功能，这样整机在设计2D local dimming时需要外加DSP，且分区越多LED驱动使用越多，算法和时序控制越复杂，这大大增加了整机的成本，所以当前市场上的液晶电视使用2D local dimming功能还比较少。
   　　随着技术的发展，逐渐有一些60Hz转120Hz的FRC芯片将2D local dimming算法集成进来，并提供相应接口，且一般为SPI接口，因此对于120Hz LED背光液晶电视而言，实现2D local dimming功能只需增加LED驱动器成本，从而使得功能模块成本大大降低，这对该技术在120Hz液晶电视上的普及带来了机遇。然而120Hz屏比60Hz屏贵很多，基于成本原因，目前市场上占主流的液晶电视还是60Hz液晶电视，而60Hz屏又不需要用到FRC芯片，因此2D local dimming功能规模化还比较困难。
   　　所幸的是，3D电视在2011年快速普及，而快门式3D电视必须采用120Hz屏，因此2D local dimming功能搭借快门式3D电视的东风将有望得到快速成长。