Local dimming效果與分區數的關系研究

謝仁禮，夏大學，陳 林，陳奕鑫

（深圳TCL新技術有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引 言

Local dimming（區域背光調控）技術能夠很好地提高液晶顯示器的對比度等特性，在液晶電視中有著較為廣泛的應用。目前，顯示器設計制作過程中，背光分區大小及分區數的多少還主要通過經驗進行判斷，缺乏較為成熟的分區設計指引，這對背光設計人員的專業經驗有較高的要求，同時很難實現顯示器最佳性價比的分區數設計[1]。

本文通過多分區Local dimming仿真算法，對顯示器對比度[2]/光暈指數隨背光分區數的變化關系進行計算，分析出基于RTINGS測評棋盤格/十字架圖片下，對比度/光暈指數隨背光分區數的變化關系及最大分區價值點，形成背光分區設計指引，不僅能很好地提高背光設計人員的工作效率，而且能有效地降低成本。

1 多分區Local dimming仿真算法

本文通過多分區Local dimming仿真算法實現背光Local dimming效果與分區數的關系研究，算法流程如圖1所示。采用相機獲取背光單分區（最小分區）光型數據；依據目標分區大小，對單分區光型進行調整和修正，以滿足目標分區的單分區光型需求；根據棋盤格圖片和目標分區計算出該分區下背光棋盤格系數；結合目標單分區光型計算出背光棋盤格光型分布圖；最后完成該分區下對比度的計算。采用相同的流程計算出該分區下的光暈指數。

圖1 多分區Local dimming算法計算流程圖

2 實驗結果與分析

采用7 200分區樣品（以下以QD_7200代稱）進行實驗，亮度測量采用Konica CA410和RADIANT相機。本實驗主要分為4個部分：第1部分為多分區Local dimming算法準確性驗證，將實際測量值和算法計算值進行對比，以驗證算法計算的可靠性；第2部分為QD_7200樣品的狀態測量分析；第3部分為對比度與分區的關系研究；第4部分為光暈指數與分區的關系研究。

2.1 仿真算法準確性驗證

采用相機對實際樣品進行拍照，樣品的背光有7 200分區（90行80列），使用樣品播放RTINGS棋盤格圖片，如圖2（a）所示，將拍照結果與仿真算法計算結果進行對比。對比結果如圖2（b）所示。采用相機對棋盤格圖片進行拍照，在拍到的照片數據中選取與圖2（a）中紅色框區的一行（行600，紅色實線）相對應的亮度數據進行亮度提取，得到RGB亮度測量值，同時采用仿真算法計算出該位置的亮度計算值，將亮度測量值和亮度計算值相除，得到仿真算法亮度計算與測量對比曲線（b）。從圖2（b）可以看出中間區域亮度比接近1，算法計算與實際測量比較接近，平均準確率達到93%，說明算法計算較為可靠。

圖2 RTINGS棋盤格圖片及數據對比

同時對其他樣品進行RTINGS棋盤格對比度仿真計算和測量，亮度測量采用CA410實現，測量結果如表1所示。從表1可以看出，對比度仿真計算與測量最大誤差為13%，最小誤差為5%，平均準確率為91.7%，可見對比度仿真計算的準確性與上述亮度仿真計算的準確性相當，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與攝像機測量等誤差的影響，仿真算法的計算準確性在合理區間[2]。

表1 3種TCL機型電視對比度測量與仿真算法計算結果對比

以上的準確性實驗對比了仿真算法計算與相機測量和CA410測量之間的誤差，誤差相對較小，說明仿真算法計算結果可靠，尤其是對于相機拍照測量。對于目標樣品狀態不佳的情況，可以采用仿真算法計算代替實際測量來對樣品Local dimming分區進行分析。

2.2 QD_7200樣品狀態測量

采用相機對7 200分區樣品的全白場進行拍照，獲取樣品白場亮度分布，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（即在背光系數全為0的時候，拍照測量異常燈的光型分布，得到背景光型，用白場亮度減去背景）得到摳除異常點后的樣品白場亮度分布圖[3]，如圖3（b）所示。從圖3（b）可以看出QD_7200樣品均勻性相對較差，會影響到對比度測量。圖3（c）為計算出的QD_7200背光光型分布，計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行的亮度數據進行對比，結果如圖3（d）所示。從圖3（d）可以看出，QD_7200樣品背光亮度仿真計算結果與測量值較為接近，說明仿真算法計算出的QD_7200樣品的亮度相對準確。

圖3 QD_7200樣品狀態測量與計算圖

以QD_7200樣品和RTINGS棋盤格為基礎，選取一種分區方式（360分區，15*24）進行仿真算法計算亮度和測量亮度的一致性研究。依據RTINGS背光棋盤格pattern計算出360分區的背光系數，將系數寫入樣品，相機拍照得到的背光光型如圖4（a）所示，仿真算法計算得到的光型如圖4（b）所示；選取背光測量和計算光型的1 920列進行亮度對比，如圖4（c）所示。從圖4（c）可以看出，計算和測量曲線較為接近，對于1 080行對比結果圖4（d）也具有很好的一致性，說明不同背光分區下，仿真計算亮度和測量亮度具有很好的一致性。

圖4 背光360分區相機測量與計算對比

綜合以上分析可以看出，同一設備下，在白場和背光分區下仿真算法計算值和亮度實測值都具有很好的一致性，因而可以采用仿真計算代替實際測量進行分區研究；同時還可以看出QD_7200樣品均勻性相對較差，而對比度的計算需要采集不同區域的亮度，采集區域相對較小，這對對比度和光暈指數的測量有著明顯的影響，因此接下來的對比度及光暈指數研究將采用仿真算法計算的方式進行。

2.3 對比度與分區的關系研究

采用仿真算法對RTINGS背光棋盤格在不同背光分區下的對比度進行計算，計算結果如圖5所示。其中，紅色曲線為擬合曲線，藍色虛線為45°拐點（最大價值點，投入產出比最高的點）。從圖5可以看出，對比度隨著背光分區數的增加而增加，對比度在低分區增加速度較快，在高分區逐漸趨于平緩，最大價值點為300分區。以飽和對比度值的90%為近飽和點，則對應的大致分區數為1 900。

圖5 對比度隨分區數變化關系圖

對計算數據進行分析發現，背光分區數量為8的倍數時，對比度計算值相對較高，如表2所示。從表2可以看出在行數相同的時候，列數為8的倍數時的對比度要高于列數非8的倍數的對比度。基于此，對RTINGS棋盤格進行分析，發現棋盤格大小為8*8，當背光行列分區為8的倍數時能夠很好地與RTINGS棋盤格圖片對應上。基于此得出一個結論：在RTINGS測評下，背光分區的行列最好是為8的倍數或者接近8的倍數，這樣能得到更高的對比度即測評得分。這也反映出背光棋盤格的大小對對比度的計算有著一定的影響。

表2 列數為8的倍數和非8的倍數時的對比度

為了進一步研究對比度和分區數的關系，對不同棋盤格在不同分區的對比度進行計算，以分析對比度隨棋盤格大小的變化關系。計算結果如圖6所示。（a）、（b）、（c）分別對應不同的棋盤格，棋盤格方格大小逐漸增加，紅色曲線為棋盤格（c）的對比度擬合曲線。從圖6可以看出：對于同一棋盤格，對比度隨著背光分區數的增加而增加，這與RTINGS棋盤格計算趨勢一致；對于不同棋盤格，對比度隨著棋盤格行列數的增加而減小，說明棋盤格行列數增加的情況下，背光分區也需要增加，這樣才能滿足對比度不變的需求，同時最大價值點對應的分區數也會相應地增加。

圖6 不同棋盤格下的對比度隨分區數變化關系

2.4 光暈指數與分區數的關系研究

對于Local dimming顯示器，在顯示某些畫面時會或多或少出現光暈現象，這會在一定程度上影響顯示器的觀看體驗。光暈指數可以采用客觀方式評價帶有Local dimming背光的顯示器對應的光暈表現。對于同一顯示器，光暈指數越大，顯示器性能越好。光暈指數計算公式為：

式中：halo_index為光暈指數；cross為RTINGS十字架圖片；calculate_cross為仿真算法計算出來的十字架圖片。

根據背光的光型和RTINGS十字架圖片，對不同分區下的光暈指數進行計算，同時將十字架圖片移動至背光分區奇數行和奇數列，驗證光暈指數與分區奇偶的關系。不同分區下光暈指數隨分區數變化曲線如圖7所示，其中，紅色虛線和實線分別為十字架圖片移動前后光暈指數隨分區數變化計算值的擬合曲線。從圖7可以看出：光暈指數隨著分區數的增加而增加，增加速度由快變慢；十字架圖片移動到背光奇數行列后光暈指數會增加；光暈指數移動前最大價值點約為500分區，移動后最大價值點約為510分區；移動前后的兩個位置可看做兩種極端情況，對于移動后的最大價值點，移動前的分區需要達到1 400分區，才能達到移動后的效果，說明光暈指數與背光分區圖案強相關。

圖7 光暈指數隨分區數變化關系

值得注意的是，光暈指數隨分區數增加不斷增加，但增長幅度逐漸變緩。以增長率衰減到10%作為參考點，對應的分區數大約為4 000。因此，如果評價圖案細節較多，要保證足夠的Local dimming效果，需要的分區數也越多。

2.5 實驗結果總結

基于以上實驗過程，總結出以下實驗結果。

（1）對于RTINGS對比度測評模式，投入產出比最大的分區為300分區，同時能夠得到不錯的評分。背光分區行列數為8的倍數時會有更好的得分效果。要獲得足夠接近理想的對比度效果，分區數則要增加至1 900分區左右。

（2）對于光暈指數（針對RTINGS黑場均勻性pattern），500分區可以獲得良好的結果；如果考慮pattern內十字架位置的變化，1 400分區可以獲取更好的效果，確保在不同位置都能夠達到理想位置處的最佳價值分區數的光暈指數大小。

（3）以上結果取決于RTINGS測評模式，一旦測評模式發生變化（如棋盤格大小改變），結果也可能會改變。對于不同畫面，達到同樣顯示效果的分區數會有所不同；畫面細節越豐富，所需要的分區數就越多。

（4）本文的所有實驗工作基于QD_7200樣品完成，樣品參數不同，結果可能會不一樣（如背光單分區尺寸及光型大小等）。

3 結 語

基于以上論證，仿真算法對于RTINGS的不同評測圖案下，不同Local dimming分區數能得到的對比度評分和光暈效果的結果具有較高的準確性和可信度；評測圖案及目標樣品參數的改變對計算結果影響比較大，難以得到簡單的“最佳分區數”這樣較籠統的結論，建議將相關算法作為評測工具輸出，來為新產品背光分區方案設計提供前瞻性的評估和指引。

應當注意的是，前述分析都是基于客觀指標（光暈、對比度等）來衡量Local dimming的效果，受到人眼的分辨能力、生理和心理視覺特征等方面的影響，可能與主觀體驗有一定差距。下一步將設計一些主觀實驗來充分驗證、比較及分析這些客觀結果。