謝仁禮，夏大學(xué)，陳 林，陳奕鑫

（深圳TCL新技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引 言

Local dimming（區(qū)域背光調(diào)控）技術(shù)能夠很好地提高液晶顯示器的對(duì)比度等特性，在液晶電視中有著較為廣泛的應(yīng)用。目前，顯示器設(shè)計(jì)制作過(guò)程中，背光分區(qū)大小及分區(qū)數(shù)的多少還主要通過(guò)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷，缺乏較為成熟的分區(qū)設(shè)計(jì)指引，這對(duì)背光設(shè)計(jì)人員的專(zhuān)業(yè)經(jīng)驗(yàn)有較高的要求，同時(shí)很難實(shí)現(xiàn)顯示器最佳性價(jià)比的分區(qū)數(shù)設(shè)計(jì)[1]。

本文通過(guò)多分區(qū)Local dimming仿真算法，對(duì)顯示器對(duì)比度[2]/光暈指數(shù)隨背光分區(qū)數(shù)的變化關(guān)系進(jìn)行計(jì)算，分析出基于RTINGS測(cè)評(píng)棋盤(pán)格/十字架圖片下，對(duì)比度/光暈指數(shù)隨背光分區(qū)數(shù)的變化關(guān)系及最大分區(qū)價(jià)值點(diǎn)，形成背光分區(qū)設(shè)計(jì)指引，不僅能很好地提高背光設(shè)計(jì)人員的工作效率，而且能有效地降低成本。

1 多分區(qū)Local dimming仿真算法

本文通過(guò)多分區(qū)Local dimming仿真算法實(shí)現(xiàn)背光Local dimming效果與分區(qū)數(shù)的關(guān)系研究，算法流程如圖1所示。采用相機(jī)獲取背光單分區(qū)（最小分區(qū)）光型數(shù)據(jù)；依據(jù)目標(biāo)分區(qū)大小，對(duì)單分區(qū)光型進(jìn)行調(diào)整和修正，以滿足目標(biāo)分區(qū)的單分區(qū)光型需求；根據(jù)棋盤(pán)格圖片和目標(biāo)分區(qū)計(jì)算出該分區(qū)下背光棋盤(pán)格系數(shù)；結(jié)合目標(biāo)單分區(qū)光型計(jì)算出背光棋盤(pán)格光型分布圖；最后完成該分區(qū)下對(duì)比度的計(jì)算。采用相同的流程計(jì)算出該分區(qū)下的光暈指數(shù)。

圖1 多分區(qū)Local dimming算法計(jì)算流程圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

采用7 200分區(qū)樣品（以下以QD_7200代稱）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，亮度測(cè)量采用Konica CA410和RADIANT相機(jī)。本實(shí)驗(yàn)主要分為4個(gè)部分：第1部分為多分區(qū)Local dimming算法準(zhǔn)確性驗(yàn)證，將實(shí)際測(cè)量值和算法計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證算法計(jì)算的可靠性；第2部分為QD_7200樣品的狀態(tài)測(cè)量分析；第3部分為對(duì)比度與分區(qū)的關(guān)系研究；第4部分為光暈指數(shù)與分區(qū)的關(guān)系研究。

2.1 仿真算法準(zhǔn)確性驗(yàn)證

采用相機(jī)對(duì)實(shí)際樣品進(jìn)行拍照，樣品的背光有7 200分區(qū)（90行80列），使用樣品播放RTINGS棋盤(pán)格圖片，如圖2（a）所示，將拍照結(jié)果與仿真算法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。對(duì)比結(jié)果如圖2（b）所示。采用相機(jī)對(duì)棋盤(pán)格圖片進(jìn)行拍照，在拍到的照片數(shù)據(jù)中選取與圖2（a）中紅色框區(qū)的一行（行600，紅色實(shí)線）相對(duì)應(yīng)的亮度數(shù)據(jù)進(jìn)行亮度提取，得到RGB亮度測(cè)量值，同時(shí)采用仿真算法計(jì)算出該位置的亮度計(jì)算值，將亮度測(cè)量值和亮度計(jì)算值相除，得到仿真算法亮度計(jì)算與測(cè)量對(duì)比曲線（b）。從圖2（b）可以看出中間區(qū)域亮度比接近1，算法計(jì)算與實(shí)際測(cè)量比較接近，平均準(zhǔn)確率達(dá)到93%，說(shuō)明算法計(jì)算較為可靠。

圖2 RTINGS棋盤(pán)格圖片及數(shù)據(jù)對(duì)比

同時(shí)對(duì)其他樣品進(jìn)行RTINGS棋盤(pán)格對(duì)比度仿真計(jì)算和測(cè)量，亮度測(cè)量采用CA410實(shí)現(xiàn)，測(cè)量結(jié)果如表1所示。從表1可以看出，對(duì)比度仿真計(jì)算與測(cè)量最大誤差為13%，最小誤差為5%，平均準(zhǔn)確率為91.7%，可見(jiàn)對(duì)比度仿真計(jì)算的準(zhǔn)確性與上述亮度仿真計(jì)算的準(zhǔn)確性相當(dāng)，考慮到可能是BL薄膜不均勻/變形、BL裝配誤差、面板不均勻性以及CA410與攝像機(jī)測(cè)量等誤差的影響，仿真算法的計(jì)算準(zhǔn)確性在合理區(qū)間[2]。

表1 3種TCL機(jī)型電視對(duì)比度測(cè)量與仿真算法計(jì)算結(jié)果對(duì)比

以上的準(zhǔn)確性實(shí)驗(yàn)對(duì)比了仿真算法計(jì)算與相機(jī)測(cè)量和CA410測(cè)量之間的誤差，誤差相對(duì)較小，說(shuō)明仿真算法計(jì)算結(jié)果可靠，尤其是對(duì)于相機(jī)拍照測(cè)量。對(duì)于目標(biāo)樣品狀態(tài)不佳的情況，可以采用仿真算法計(jì)算代替實(shí)際測(cè)量來(lái)對(duì)樣品Local dimming分區(qū)進(jìn)行分析。

2.2 QD_7200樣品狀態(tài)測(cè)量

采用相機(jī)對(duì)7 200分區(qū)樣品的全白場(chǎng)進(jìn)行拍照，獲取樣品白場(chǎng)亮度分布，如圖3（a）所示。從圖3（a）可以看出，樣品表面上有幾顆異常燈，采用摳除背景的方式（即在背光系數(shù)全為0的時(shí)候，拍照測(cè)量異常燈的光型分布，得到背景光型，用白場(chǎng)亮度減去背景）得到摳除異常點(diǎn)后的樣品白場(chǎng)亮度分布圖[3]，如圖3（b）所示。從圖3（b）可以看出QD_7200樣品均勻性相對(duì)較差，會(huì)影響到對(duì)比度測(cè)量。圖3（c）為計(jì)算出的QD_7200背光光型分布，計(jì)算出的背光光型分布較為均勻。選取圖3（b）和圖3（c）的1 080行的亮度數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖3（d）所示。從圖3（d）可以看出，QD_7200樣品背光亮度仿真計(jì)算結(jié)果與測(cè)量值較為接近，說(shuō)明仿真算法計(jì)算出的QD_7200樣品的亮度相對(duì)準(zhǔn)確。

圖3 QD_7200樣品狀態(tài)測(cè)量與計(jì)算圖

以QD_7200樣品和RTINGS棋盤(pán)格為基礎(chǔ)，選取一種分區(qū)方式（360分區(qū)，15*24）進(jìn)行仿真算法計(jì)算亮度和測(cè)量亮度的一致性研究。依據(jù)RTINGS背光棋盤(pán)格pattern計(jì)算出360分區(qū)的背光系數(shù)，將系數(shù)寫(xiě)入樣品，相機(jī)拍照得到的背光光型如圖4（a）所示，仿真算法計(jì)算得到的光型如圖4（b）所示；選取背光測(cè)量和計(jì)算光型的1 920列進(jìn)行亮度對(duì)比，如圖4（c）所示。從圖4（c）可以看出，計(jì)算和測(cè)量曲線較為接近，對(duì)于1 080行對(duì)比結(jié)果圖4（d）也具有很好的一致性，說(shuō)明不同背光分區(qū)下，仿真計(jì)算亮度和測(cè)量亮度具有很好的一致性。

圖4 背光360分區(qū)相機(jī)測(cè)量與計(jì)算對(duì)比

綜合以上分析可以看出，同一設(shè)備下，在白場(chǎng)和背光分區(qū)下仿真算法計(jì)算值和亮度實(shí)測(cè)值都具有很好的一致性，因而可以采用仿真計(jì)算代替實(shí)際測(cè)量進(jìn)行分區(qū)研究；同時(shí)還可以看出QD_7200樣品均勻性相對(duì)較差，而對(duì)比度的計(jì)算需要采集不同區(qū)域的亮度，采集區(qū)域相對(duì)較小，這對(duì)對(duì)比度和光暈指數(shù)的測(cè)量有著明顯的影響，因此接下來(lái)的對(duì)比度及光暈指數(shù)研究將采用仿真算法計(jì)算的方式進(jìn)行。

2.3 對(duì)比度與分區(qū)的關(guān)系研究

采用仿真算法對(duì)RTINGS背光棋盤(pán)格在不同背光分區(qū)下的對(duì)比度進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖5所示。其中，紅色曲線為擬合曲線，藍(lán)色虛線為45°拐點(diǎn)（最大價(jià)值點(diǎn)，投入產(chǎn)出比最高的點(diǎn)）。從圖5可以看出，對(duì)比度隨著背光分區(qū)數(shù)的增加而增加，對(duì)比度在低分區(qū)增加速度較快，在高分區(qū)逐漸趨于平緩，最大價(jià)值點(diǎn)為300分區(qū)。以飽和對(duì)比度值的90%為近飽和點(diǎn)，則對(duì)應(yīng)的大致分區(qū)數(shù)為1 900。

圖5 對(duì)比度隨分區(qū)數(shù)變化關(guān)系圖

對(duì)計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，背光分區(qū)數(shù)量為8的倍數(shù)時(shí)，對(duì)比度計(jì)算值相對(duì)較高，如表2所示。從表2可以看出在行數(shù)相同的時(shí)候，列數(shù)為8的倍數(shù)時(shí)的對(duì)比度要高于列數(shù)非8的倍數(shù)的對(duì)比度?；诖?，對(duì)RTINGS棋盤(pán)格進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)棋盤(pán)格大小為8*8，當(dāng)背光行列分區(qū)為8的倍數(shù)時(shí)能夠很好地與RTINGS棋盤(pán)格圖片對(duì)應(yīng)上?；诖说贸鲆粋€(gè)結(jié)論：在RTINGS測(cè)評(píng)下，背光分區(qū)的行列最好是為8的倍數(shù)或者接近8的倍數(shù)，這樣能得到更高的對(duì)比度即測(cè)評(píng)得分。這也反映出背光棋盤(pán)格的大小對(duì)對(duì)比度的計(jì)算有著一定的影響。

表2 列數(shù)為8的倍數(shù)和非8的倍數(shù)時(shí)的對(duì)比度

為了進(jìn)一步研究對(duì)比度和分區(qū)數(shù)的關(guān)系，對(duì)不同棋盤(pán)格在不同分區(qū)的對(duì)比度進(jìn)行計(jì)算，以分析對(duì)比度隨棋盤(pán)格大小的變化關(guān)系。計(jì)算結(jié)果如圖6所示。（a）、（b）、（c）分別對(duì)應(yīng)不同的棋盤(pán)格，棋盤(pán)格方格大小逐漸增加，紅色曲線為棋盤(pán)格（c）的對(duì)比度擬合曲線。從圖6可以看出：對(duì)于同一棋盤(pán)格，對(duì)比度隨著背光分區(qū)數(shù)的增加而增加，這與RTINGS棋盤(pán)格計(jì)算趨勢(shì)一致；對(duì)于不同棋盤(pán)格，對(duì)比度隨著棋盤(pán)格行列數(shù)的增加而減小，說(shuō)明棋盤(pán)格行列數(shù)增加的情況下，背光分區(qū)也需要增加，這樣才能滿足對(duì)比度不變的需求，同時(shí)最大價(jià)值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的分區(qū)數(shù)也會(huì)相應(yīng)地增加。

圖6 不同棋盤(pán)格下的對(duì)比度隨分區(qū)數(shù)變化關(guān)系

2.4 光暈指數(shù)與分區(qū)數(shù)的關(guān)系研究

對(duì)于Local dimming顯示器，在顯示某些畫(huà)面時(shí)會(huì)或多或少出現(xiàn)光暈現(xiàn)象，這會(huì)在一定程度上影響顯示器的觀看體驗(yàn)。光暈指數(shù)可以采用客觀方式評(píng)價(jià)帶有Local dimming背光的顯示器對(duì)應(yīng)的光暈表現(xiàn)。對(duì)于同一顯示器，光暈指數(shù)越大，顯示器性能越好。光暈指數(shù)計(jì)算公式為：

式中：halo_index為光暈指數(shù)；cross為RTINGS十字架圖片；calculate_cross為仿真算法計(jì)算出來(lái)的十字架圖片。

根據(jù)背光的光型和RTINGS十字架圖片，對(duì)不同分區(qū)下的光暈指數(shù)進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)將十字架圖片移動(dòng)至背光分區(qū)奇數(shù)行和奇數(shù)列，驗(yàn)證光暈指數(shù)與分區(qū)奇偶的關(guān)系。不同分區(qū)下光暈指數(shù)隨分區(qū)數(shù)變化曲線如圖7所示，其中，紅色虛線和實(shí)線分別為十字架圖片移動(dòng)前后光暈指數(shù)隨分區(qū)數(shù)變化計(jì)算值的擬合曲線。從圖7可以看出：光暈指數(shù)隨著分區(qū)數(shù)的增加而增加，增加速度由快變慢；十字架圖片移動(dòng)到背光奇數(shù)行列后光暈指數(shù)會(huì)增加；光暈指數(shù)移動(dòng)前最大價(jià)值點(diǎn)約為500分區(qū)，移動(dòng)后最大價(jià)值點(diǎn)約為510分區(qū)；移動(dòng)前后的兩個(gè)位置可看做兩種極端情況，對(duì)于移動(dòng)后的最大價(jià)值點(diǎn)，移動(dòng)前的分區(qū)需要達(dá)到1 400分區(qū)，才能達(dá)到移動(dòng)后的效果，說(shuō)明光暈指數(shù)與背光分區(qū)圖案強(qiáng)相關(guān)。

圖7 光暈指數(shù)隨分區(qū)數(shù)變化關(guān)系

值得注意的是，光暈指數(shù)隨分區(qū)數(shù)增加不斷增加，但增長(zhǎng)幅度逐漸變緩。以增長(zhǎng)率衰減到10%作為參考點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的分區(qū)數(shù)大約為4 000。因此，如果評(píng)價(jià)圖案細(xì)節(jié)較多，要保證足夠的Local dimming效果，需要的分區(qū)數(shù)也越多。

2.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果總結(jié)

基于以上實(shí)驗(yàn)過(guò)程，總結(jié)出以下實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

（1）對(duì)于RTINGS對(duì)比度測(cè)評(píng)模式，投入產(chǎn)出比最大的分區(qū)為300分區(qū)，同時(shí)能夠得到不錯(cuò)的評(píng)分。背光分區(qū)行列數(shù)為8的倍數(shù)時(shí)會(huì)有更好的得分效果。要獲得足夠接近理想的對(duì)比度效果，分區(qū)數(shù)則要增加至1 900分區(qū)左右。

（2）對(duì)于光暈指數(shù)（針對(duì)RTINGS黑場(chǎng)均勻性pattern），500分區(qū)可以獲得良好的結(jié)果；如果考慮pattern內(nèi)十字架位置的變化，1 400分區(qū)可以獲取更好的效果，確保在不同位置都能夠達(dá)到理想位置處的最佳價(jià)值分區(qū)數(shù)的光暈指數(shù)大小。

（3）以上結(jié)果取決于RTINGS測(cè)評(píng)模式，一旦測(cè)評(píng)模式發(fā)生變化（如棋盤(pán)格大小改變），結(jié)果也可能會(huì)改變。對(duì)于不同畫(huà)面，達(dá)到同樣顯示效果的分區(qū)數(shù)會(huì)有所不同；畫(huà)面細(xì)節(jié)越豐富，所需要的分區(qū)數(shù)就越多。

（4）本文的所有實(shí)驗(yàn)工作基于QD_7200樣品完成，樣品參數(shù)不同，結(jié)果可能會(huì)不一樣（如背光單分區(qū)尺寸及光型大小等）。

3 結(jié) 語(yǔ)

基于以上論證，仿真算法對(duì)于RTINGS的不同評(píng)測(cè)圖案下，不同Local dimming分區(qū)數(shù)能得到的對(duì)比度評(píng)分和光暈效果的結(jié)果具有較高的準(zhǔn)確性和可信度；評(píng)測(cè)圖案及目標(biāo)樣品參數(shù)的改變對(duì)計(jì)算結(jié)果影響比較大，難以得到簡(jiǎn)單的“最佳分區(qū)數(shù)”這樣較籠統(tǒng)的結(jié)論，建議將相關(guān)算法作為評(píng)測(cè)工具輸出，來(lái)為新產(chǎn)品背光分區(qū)方案設(shè)計(jì)提供前瞻性的評(píng)估和指引。

應(yīng)當(dāng)注意的是，前述分析都是基于客觀指標(biāo)（光暈、對(duì)比度等）來(lái)衡量Local dimming的效果，受到人眼的分辨能力、生理和心理視覺(jué)特征等方面的影響，可能與主觀體驗(yàn)有一定差距。下一步將設(shè)計(jì)一些主觀實(shí)驗(yàn)來(lái)充分驗(yàn)證、比較及分析這些客觀結(jié)果。