HDR技術在液晶顯示中的研究與實現

摘要：當前HDR是最熱門的先進顯示技術之一，我國是液晶面板制造大國，研究HDR技術在LCD顯示中的應用具有重要的意義。文章介紹了HDR圖像定義，對比全局映射算法、局部映射算法以及混合全局與局部算法三種色調映射算法各自特點分析了HDR顯示相關技術標準，提出了直下式LED背光分區后使用PWM+直流雙驅動精準控光技術提高顯示器亮度范圍。

關鍵詞：HDR；LCD；色調映射；LED背光；Dobly Vision；HDR10 文獻標識碼：A

中圖分類號：TP391 文章編號：1009-2374（2017）07-0086-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.07.040

眾所周知，高動態范圍圖像（High Dynamic Range，HDR）技術可以展現出圖像畫面中高亮和低暗部分更多的圖像細節，拓展了屏幕顯示的亮度范圍。目前，HDR是顯示行業中最熱門的先進技術之一。相對于UHD超高清技術提升顯示畫面的像素數量而言，HDR技術提升了顯示畫面的像素質量，所產生的視覺提升效果更加明顯，已經成為繼UHD超高清之后的發展方向。伴隨著科技水平的進步，先后成功研制出以基于有機物的電致發光顯示（OLED）、量子點發光二極管顯示（QD-LED）等為代表的新一代顯示器件，但尚未成熟和普及，液晶（LCD）目前仍是平板顯示產業的主流技術。我國先后投入上萬億元資金，建設幾十條LCD面板生產線，已經成為全球LCD制造大國。因此，研究HDR技術在LCD顯示中的應用具有重要意義。

1 HDR圖像概述

圖像的動態范圍一般是指圖像的對比度，即畫面景物中最亮部位與最暗部位的亮度比值。如圖1所示，白天在陽光直照下的物體光亮可達105cd/m2，而在極暗的黑夜中亮度則低至10-5cd/m2，自然界中場景范圍大致為1010，具有很廣的亮度范圍。人眼的視覺感知范圍沒有那么寬，當適應了某一環境亮度后，在同一瞳孔開度下可辨別的瞬時亮度范圍約為104。以LCD為代表的常規顯示器對比度范圍不到103，小于人眼視覺的感知。所以，從LCD顯示器上看到的僅僅是一個用屏幕表現的圖像，而非真實世界自然場景。

傳統的圖像信號格式，通常使用RGB彩色模型，每個彩色通道使用8bit整型數據表示不同的圖像信息，具有256個亮度級別。圖像場景，只能表現極其有限的動態范圍。用這種低動態范圍（LDR）技術生成的圖像，亮度比值為255∶1，圖像精度很低，只能描述圖像中有限的細節信息。

HDR圖像（視頻）顯示方式大致分為兩種：一種是通過色調映射技術（Tone Mapping）先對HDR圖像進行壓縮，然后在普通顯示器上顯示；另一種是對HDR圖像不做處理，直接在HDR顯示器上顯示，要求該顯示器顯示圖像的動態范圍必須符合HDR要求。當前，通用型LCD顯示器的亮度可以達到400cd/m2左右，專業型LCD顯示器的亮度可以達到l000cd/m2，而特種型LCD顯示器可實現4000～5000cd/m2的亮度。若單方面提高顯示器件的亮度范圍以滿足HDR圖像顯示要求，其設備成本極其昂貴。而色調映射技術可以通過對圖像信號進行映射處理，將高動態范圍的自然場景變換到普通顯示器的顯示范圍內，使其顯示出HDR圖像。現有的色調映射算法已較成熟，因此研究色調映射技術實現HDR圖像在LCD上顯示具有實用意義。

2 HDR的顯示技術

2.1 HDR圖像的色調映射

HDR顯示技術，實質就是在盡量保留原圖的視覺效果和重要信息的前提下，將高動態范圍的亮度和顏色壓縮到低動態的范圍內，并盡可能減少產生圖像瑕疵的一種方法。一般將該技術稱為色調映射或色階重建。根據映射的不同方式分為全局映射、局部映射以及全局與局部混合的三種算法。全局映射也被稱作全局空間無關算法，是指不考慮圖像中各個像素點的位置，對所有像素點直接使用預先設置的固定不變的映射函數進行壓縮處理。它的優點是算法簡單，在對圖像信號進行快速處理后能夠充分體現出整體畫面明暗效果；它的缺點是處理復雜場景的效果不太理想，容易丟失圖像細節。這類算法中具有代表性的有線性壓縮、gamma校正和直方圖均衡化以及直方圖調整算法。其中，直方圖調整算法的效果最好。局部映射也被稱作局部空間相關算法，是指在考慮像素點位置信息的前提下設置像素的亮度數值，即結合像素之間相互影響因素對圖像亮度進行處理。它的優點是保留了具有圖像局部特征的大量信息，畫面細節部分處理效果較好，缺點是增加了算法難度。這類算法中具有代表性的有攝影色調映射算法、帶色彩恢復的多尺度算法以及基于iCAM6模型的HDR壓縮算法等。

全局與局部混合算法結合了以上兩種算法各自的優點，不僅對圖像整體畫面明暗效果把握得當，還能夠體現出圖像細節部分的信息，但是需要付出增加算法復雜程度的代價。

2.2 HDR液晶顯示

如前文所述，普通顯示器的亮度范圍較低，因此開發出具有高動態范圍的顯示器實現HDR圖像顯示是值得研究的課題。目前，基于LCD面板的HDR顯示器一般采用了雙屏系統設計方案，主要包括兩種：一種方案是采用DLP+LCD雙屏顯示，其圖像顯示的動態范圍可高達到54000∶1，但這種設備不僅造價高而且體積大，缺乏實用價值，難以推廣應用；另一種方案采用LED+LCD的雙屏顯示，以LED作為背光源，采用直下式出光方式，將兩屏顯示效果疊加后提高顯示器的動態范圍。第二種是目前常見的方案，它對現有的LCD顯示設備改造工作量少，技術復雜程度低，容易實現。

還有一種簡單的實施方案，不需要構建很復雜的硬件系統，僅在普通LCD顯示屏上通過結合幀率倍頻技術等措施，優化對圖像處理的軟件算法后，即可提升用戶對圖像顯示畫面的主觀視覺感受。該方案使用插幀的軟件算法，將插入幀分成若干子區域，各個子區域的亮度不同，與該子區域顯示的圖像畫面內容相關，以“低暗壓縮、高亮提升、中間保持”的特性函數分別對插入幀各個子區域進行映射處理，再利用人眼的視覺暫留特性，將插入幀與原圖幀以倍頻方式播放，顯示圖像暗處更暗、亮處更亮，從而獲得更高的主觀感受視覺效果。

2.3 HDR技術標準

HDR顯示技術中，電光轉換函數（EOTF）和光電轉換函數（OETF）的定義非常重要。它們是一種電與光兩種信號之間實現相互轉換的規則。在電視系統中，OETF函數規定了在圖像采集端攝像后對圖像信號采用非線性數字編碼的匹配特性，而EOTF函數規定了在圖像顯示端對圖像信號采用（逆）非線性數字編碼后顯示圖像的匹配特性。這兩種非線性匹配特性最初是以早期CRT的顯示特性為基礎制定的光電轉換標準，目的是讓顯示屏幕在不同亮度等級上獲得一致噪聲效果。當年，CRT所能提供的最高亮度約為100cd/m2。因此，該標準限制了新型顯示器表現真實景物亮度范圍的能力。

當前，已有一些國際知名公司（例如杜比、BBC、NHK和Philip等）分別提出了各自的HDR顯示技術標準。這些HDR技術標準是根據實際需求制定出新型的EOTF或OETF轉換函數，有的標準甚至可以實現10000cd/m2的亮度，從而有效地拓展圖像顯示的動態范圍。這些新的轉換函數取代了CRT時代使用的伽馬曲線，比較著名的技術標準包括：美國杜比公司的Dobly Vision，它提出了感知量化編碼（perceptual quantizer，PQ）；由英國BBC和日本NHK聯合研發的對數伽馬分布（Hybrid Log Gamma，HLG）等。

Dobly Vision最高采用12bit色深，亮度范圍覆蓋10-3～104cd/m2，實現高達107動態范圍。該標準根據人眼對顯示屏幕亮度分辨的閾值設定編碼量化位數，滿足人眼在視覺上的生理和心理兩方面的需求。杜比的PQ是一種顯示端具有非線性變換特性的EOTF轉換函數，它與圖像采集端攝像時采用的OETF轉換函數沒有關聯，僅考慮了對圖像信號編碼量化和人眼對亮度分辨率的關系。

BBC與NHK聯合提出的HLG方案，包括了圖像采集端的OETF函數和圖像顯示端的EOTF函數。它分別對HDR圖像信號中包含的高亮和低亮部分采用了兩種不同的函數關系進行處理。其中，對圖像中低亮的部分沿用了CRT時代的標準伽馬曲線（Rec.709），對于圖像中亮度超過100cd/m2的高亮部分使用了一種對數曲線，這樣可以兼容普通動態范圍（SDR）超高清電視。這種轉換特性比杜比PQ的更簡單，但需要考慮到電視信號從產生到顯示的整條信號鏈。目前，日本在擴展圖像動態范圍電視（EIDRTV）系統中已將HLG方案作為日本無線工業及商貿聯合會（ARIB）的標準。

杜比公司擁有整套Dobly Vision方案專利，其內容、播放源、顯示設備都必須符合杜比Vision標準。每個顯示設備都帶有一塊專用芯片來檢測確認此設備的圖像輸出性能（包括亮度、色彩空間等），并將這些數據回傳給信號源設備。信號源設備根據這些數據進行逐幀輸出優化，兼顧顯示設備能力的同時盡量保持原始信號的完整度。為了節約支付Dolby專利費用，提升對于自身產品的控制權，Samsung、SONY、LG等家電大廠希望擁有開放的技術標準平臺，他們自己開發出對于HDR圖像的處理方案，即HDR10標準。HDR10是建立在與Dolby Vision相同的PQ核心技術上，在亮度和顏色等方面選用與Dolby Vision標準相近的參數。兩項技術最主要的差別在于顯示終端對于HDR內容的處理。HDR10并沒有專屬芯片來監測和反饋顯示設備狀態，所以信源設備無法根據顯示設備的性能差異實施調整。HDR10最高支持10bit色深。HDR10的播放圖像時還原準確性比Dobly Vision要略差一些。

3 HDR圖像在液晶顯示中的實現

和OLED主動發光的工作機理不同，LCD屬于被動發光顯示器件，LCD屏幕顯示亮度范圍往往取決于背光亮度范圍。因此，要大幅度提升LCD顯示器亮度的主要手段是通過提高背光亮度實現的。在直下式液晶顯示器中，采用全新的高性能LED組成背光源，使用動態背光+精準局域控光方案可以在LCD顯示中實現HDR圖像效果。

背光源是一個相對獨立的單元，直下式LED背光源位于LCD面板背部，通常向LCD顯示屏提供亮度均勻的恒定光源。因為液晶的工作機理造成LCD面板存在漏光現象，使用這種亮度均勻的背光在LCD顯示器顯示圖像較暗區域時亮度無法達到零值，因此會降低LCD顯示器圖像對比度。對直下式LED背光劃分若干區域，依據每個區域對應顯示圖像內容的亮度控制該區域背光大小，這種對LED背光實施局部控光（Local Dimming）的技術可以提高LCD顯示亮度范圍。

圖2是一種典型的背光源局部控光方案的系統架構示意圖。為了確保來自外部輸入的視頻信號能夠同時到達LED背光板和LCD面板，使用視頻分配器將該信號一分為二：一路視頻信號經由原系統中LCD面板驅動單元正常顯示圖像；另一路由液晶驅動板把接收到的視頻信號進行數字化處理后送入邏輯板解析出圖像像素的行/列地址、RGB數據以及其他控制信號，再送至背光驅動模塊映射為背光的行、列地址和亮度信息后再驅動背光源中各個區域的LED發光，完成每個背光區域LED亮度與顯示圖像動態匹配，實現控制對應區域的LED背光的亮度。

為了提高局部控光的精準水平，可以增加背光分區的數量。但分區數量增加過多，會提高了背光驅動和控制電路系統的復雜程度。通過優化區域調光的算法也能提高局部控光精準水平。

目前，常用的區域調光的算法是基于LED的驅動電流大小保持恒定不變，依據圖像畫面內容的亮度信息通過改變PWM占比實現對LED驅動電流的控制。由于實際顯示的圖像內容不太可能是全白信號（測試信號除外），采用這種做法，在絕大多數時間內LED驅動電流PWM占比小于100%，背光亮度達不到最大值。因此，區域調光提升圖像顯示的動態范圍仍有潛在空間，可以通過進一步優化算法實現。在保留改變背光驅動電流PWM占比的同時，還可以利用LED電流驅動的發光特性，根據圖像畫面內容動態調整LED驅動電流的大小，使得LED背光在顯示圖像黑暗場景時更黑，在顯示圖像高亮場景時瞬間更亮。這種PWM+直流雙驅動精準控光技術可以進一步提高顯示畫面的動態范圍，不僅能增強圖像顯示效果，還能進繼續降低功耗。

LED的發光特性如圖3中左圖所示，在線性區內，LED的發光亮度隨驅動電流的增加而增加，當LED狀態進入飽和區后，其發光亮度基本保持穩定。在給LED加載的驅動電流沒有超出其最大限值的條件下，一旦驅動電流超出額定值后，LED會瞬間爆亮，發光強度超過其額定狀態，然后再回落，直至下降到其飽和狀態的額定亮度（見圖3中左圖亮度變化曲線的虛線部分）。利用LED這種發光的沖擊爆亮效應，可以進一步優化區域調光算法，在保留PWM占空比調整的基礎上，增加動態驅動電流調整機制。這種新型區域調光算法利用LED短期瞬態過流驅動，可以獲得更高的峰值亮度，實現更廣的圖像動態范圍。這種新的動態背光調整機制的示意圖如圖3的右圖所示，具體的調整機制如下：（1）在圖像的灰度部分，利用PWM占空比可以線性且精細調整背光亮度，產生與圖像內容相匹配的背光；（2）在圖像內容有瞬態高亮部分，利用LED瞬態過流驅動產生的沖擊爆亮效應使得圖像產生更高的峰值亮度；（3）在圖像的黑暗部分，降低LED電流甚至關閉LED背光，使得圖像產生更加黑暗的效果。

為了實現這種新的算法，需要對現有的背光驅動電路進行升級改造。熊貓電子集團公司曾在2014年提出過一種新型的背光驅動電流的調整電路。圖4是這種新型LED背光驅動控制電路示意圖，它是以圖像處理芯片內部軟件調整方式，改變背光驅動集成電路端口ISET上控制信號的PWM占空比，完成對LED背光驅動電流大小的調整；改變背光驅動集成電路端口PWM上控制信號的PWM占比，完成對LED背光驅動電流的PWM占比調整。該電路為以軟件算法實現PWM+直流雙驅動調整背光電流大小提供了一種具體的思路和技術方案。

4 結語

在消費電子、醫療、軍事等諸多領域中，HDR技術可以實現顯示高動態細節圖像，具有很高的技術研究價值和應用前景，是未來發展的必然趨勢。

顯示出的HDR圖像，動態范圍更廣，畫面細節更多，臨場觀賞感更強。HDR技術在液晶顯示領域已成為研究熱點。提高背光亮度可以提高LCD顯示的亮度，但會增加功耗。本文提出的新型PWM+直流雙驅動機制的LED動態背光控制方案可以很好地解決亮度與功耗之間的矛盾。

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作者簡介：劉明（1974-），男，南京中電熊貓家電有限公司研發中心高級工程師，碩士，研究方向：新一代平板顯示智能影音系統。

（責任編輯：蔣建華）