現有產品的不足

    序：隨著智慧城市等政府主導的監控類項目的發展，監控顯示產品的使用越來越多。而作為近幾年來發展迅速的液晶拼接產品，以其良好的使用效果及極高的性價比，已經廣泛的應用于國民經濟的各個領域。
家用液晶屏背光已經成功的從CCFL轉為了，而作為專業級別的液晶拼接屏，也正處于向LED的轉變中，而某些固有的問題仍然存在著。

    一、

    作為顯示器件發展的重要產品，液晶屏憑借大尺寸、節能、超薄、無閃爍等優勢，在數年之內，一舉打敗CRT，引領顯示行業步入平板顯示時代。

    但由于其從顯示原理上所固有的弱勢，導致其在功耗和對比度方面有著先天不足。
 
    1、液晶屏的顯示原理：

     液晶屏和CRT和PDP產品的顯示原理不一樣，屬于被動發光的產品。如圖一所示：

圖一、液晶屏的顯示原理     

    液晶屏中的液晶分子在通電的情況下，會發生偏轉。因此，通過控制液晶分子的通斷電的方式，就可以控制光線從背后照射到前面基板上的數量，最終實現圖像的顯示。

    由于基本上3基色子像素點數量基本在3百萬以上，加之工藝技術的限制，無法做到背光燈與子像素之間的一一對應。目前能做到的只能是不管圖像內容如何，只控制液晶分子的偏轉，而背光保持常亮的狀態。

    因此，從上述簡單的論述中可以發現，必須借助于背光源系統，液晶屏才能發光，并且背光源只能處于常亮的狀態，否則屏幕上將全黑。
 
    2、現有液晶屏的不足

    （1）能效利用率低

    常見的液晶拼接單元的能耗主要是液晶屏本身和內置處理器，而液晶屏的能耗又集中在背光源和Tcom板上。因此，以常用的46寸700nit亮度超窄邊拼接單元為例，其各個部分的功率占比如圖二所示：

圖二、CCFL背光液晶拼接單元中主要部件的能耗占比

    由圖二看出，背光源的占比最大。由于不管圖像內容是什么，就算是全黑的圖像，背光源一直處于打開的狀態，因此能源浪費非常嚴重。對于一個處于24小時開機的監控中心大屏而言，這種能源的浪費不可小覷。
 
    （2）對比度低

    由于液晶屏本身存在一定的透光性，即時在圖像為黑色的地方，仍然會存在一定的光線的透過，導致圖像整體由黑色變成灰黑色，因而使得圖像的對比度低，往往圖像靜態對比度只能達到3000:1以下，甚至是低于1000:1以下。而對于像CRT、PDP這類主動發光的顯示器件，由于不存在背光之類，因此黑色純黑，對比對可以達到上萬甚至是上百萬。

    對比度低，勢必造成圖像細節的缺失，給某些特定的監控造成了盲區。

    從圖三我們可以看出背光源常亮所導致的圖像對比度降低的效果。

圖三、液晶屏和等離子屏的圖像效果對比

    綜上兩個原因，液晶屏背光常亮的狀態已經不符合現代社會發展的趨勢。

二、解決方案

    1、LED背光源

    隨著技術的發展，LED背光源的液晶屏以節能、超薄等優點，迅速的取代CCFL背光源的屏。這在電視機行業凸顯得比較明顯。而時至今日，液晶拼接行業的主流尺寸產品仍是以CCFL為主。盡管從前端的液晶屏企業到后端的整體制造企業都開始布局LED的產品，但礙于整個安防顯示行業對液晶屏需求相對于電視機行業對液晶屏的需求，仍屬于相對較小的行業。從而導致液晶屏生產企業對拼接顯示專用屏的生產仍處于跟隨電視用屏的需求。

    對于已經經過充分市場競爭的電視用的液晶屏而言，價格因數非常敏感，并且根據調查平均每臺電視機的使用時間為每天3個小時，能耗并不明顯，因此，在背光從CCFL轉為LED后，基于價格因數，電視機所用液晶屏的發展也就處于暫時無進一步發展方向的現在。

    而對于液晶拼接而言，雖然也有LED背光屏的出現，但仍屬于背光常亮的產品，在節能和對比度低的方面，仍未解決。

    圖四為新上市的46寸LED背光源的液晶拼接單元的功率占比圖。

圖四：LED背光源液晶拼接屏的功率占比圖

    從圖四種我們可以看出，雖然液晶拼接屏的背光從CCFL轉為LED后，背光源的功率從312W轉為了165W，基本降低了47%，但背光源的能耗仍是其中最大的。

    因此，單純的改變背光源并不能降低背光源功率在拼接屏中的功率占比，只能改變背光源常亮的方式，才能在LED背光源的基礎上，進一步降低功率。
 
    2、區域調光

    為改變背光常亮的狀態，可以通過讓背光的亮度隨著圖像的內容的變化而變化，當整幅圖像亮時，背光全亮，當整幅圖像全黑時，背光全黑，而當圖像有亮有暗時，背光通過自動控制進行變換，并且亮的部分不能影響暗的部分。

    顯然，CCFL 背光是不可能實現這種區域亮度控制的，一方面是因為CCFL 的形狀是長條形，根本無法進行區域劃分，另一方面則是因為它的亮度也不可能按照圖象的內容進行快速調整。同時，在采用LED 作為區域亮度控制時，只能采用直下式背光，而不能采用側射式。

    雖然該技術在液晶電視行業已經提出多年，但礙于液晶電視行業的價格競爭激烈，增加此功能一是會造成成本急劇上升，二是對于家庭用戶而言，此功能基本沒有實際意義，畢竟每天的電視機工作時間有限，短時間的工作是看不出該技術的優勢的。

    而對于監控而言，面對常年24小時開機的使用，節能就比較明顯。后面將會具體計算節能優勢。

    下面將具體論述該方案的實現原理。

    （1）區域調光簡介

    在液晶模組中，如果將模組的背光分為幾個區域，再根據所顯示的圖像內容獨立控制每個區域的背光亮度變化，就實現了區域調光的基本功能，如圖五所示。

圖五：區域調光的原理

    （2）背光源的選擇

    從結構上來看，能夠用來實現Local Dimming功能的LED背光類型可以分為兩大類：直下式LED背光和側入式LED背光。

    早期，人們多關注的是直下式LED背光。這種應用中，在水平和垂直方向上將屏幕的背光源劃分為若干區塊，每個LED的分區一般為正方形等規則形狀，分區內的所有LED連接在一起，且可以隨著液晶面板上對應圖像位置的畫面明暗程度進行亮度調節，以實現對比度的提高、畫質的改善和動態功耗的降低，如圖六所示：

圖六：直下式背光的區域調光

    然在這種應用中，同樣尺寸的LED的數量會比側入式LED背光多出數倍，導致LED的成本方面不具有優勢，但要做到圖像背光亮度的精細調整，這是最佳的方案。

    側入式背光模組的原理也并不復雜。沿著LED燈條排布的方向將屏幕分為幾個區域，通過DSP芯片的處理分別控制每一個區域的亮度變化，以實現Local Dimming功能，如圖七所示。                  

圖七：側入式背光區域調光

    由于使用的LED數量少、成本低，易于實現薄型化等特點，這種側入式LED背光的LocalDimming技術在近期成為各終端廠商關注的重點，但尚不能做到與直下式背光Local Dimming完全相同的畫質和節能效果。

    因此，根據安防監控領域對圖像質量的高標準要求，我們采用直下式LED方式進行。
 
    （3）控制方式選擇

    從Local Dimming的控制方式來說，可以分為0D、1D、2D和3D等幾種方式。

    0D：背光系統只進行整體亮度的調節，節能和畫質改善的能力有限。優點是實現簡單，成本低。

    1D：側入式Local Dimming。主要應用在側入式LED背光系統中，能夠針對圖像中每一列(或每一行)區域的亮度的變化進行對應背光亮度的調節。節能和畫質改善效果優于0D方式，需要在系統或LED驅動部分增加對圖像內容的分析和控制功能，成本略有增加。

    2D：直下式Local Dimming。主要針對直下式LED背光應用，根據LED的分區數量和大小能夠分別調節對應區域的背光亮度變化，實現比1D更好的畫質和更低的動態功耗。驅動部分的成本與1D相當，但總體成本由于LED燈數量的增多而有所增加。

    3D：在2D基礎上的改進，用RGB三色LED來取代白光LED。由于使用了R、G、B三色的LED，使得背光系統在進行亮度調節的同時，還能夠根據畫面各區域的色彩分布動態調整對應背光部分的色度，實現了色域更廣的畫質，比2D方式有更好的色彩表現。缺點是硬件成本高于2D方式，同時由于需要處理RGB背光整體白平衡的問題，因此開發成本會有較大的增加。

    綜合成本等方面的考慮，采用2D方式是在充分保證圖像質量的前提下的區域調光的最佳方案。
 
    （4）分區選擇

    對于LED背光而言，分區的數量是和畫質、功耗以及成本等因素緊密相關的。根據圖八的實際的試驗數據，我們可以看到，無論是側入式LED背光還是直下式LED背光，當分區數量增加到一定程度時,LED背光系統中LED燈的點亮比例不會繼續減小，即意味著此時LED背光的動態功耗難以繼續降低。

圖八：分區數量和LED點亮比

    同時也要看出，分區數量少的話，功率的降低效果并不會太明顯。
 

三、方案實施

    1、分區

    以46寸為例，根據所選的LED類型，確定了LED的數量為190顆。此時，為了實現Local Dimming功能，將背光按照下圖方式分為38個區域進行控制。其中，每5顆LED作為一個最小的亮度控制區域。對42寸來講，每一個區域的面積約為128cm2，約為一張A4紙面積的1/5。分區方式如圖九所示。

圖九：分區方式

    2、驅動方案選擇

    綜合考慮系統復雜度和方案成本，準備采用MC34844A作為直下式背光系統中LED的驅動方案。原理框圖如圖十所示下：

圖十：LED背光源的驅動方案

    3、信號處理部分的選擇

    由于Local Dimming功能的實現需要高速DSP實時對每一場的視頻信號進行處理，因此是實現直下式背光系統最復雜而且最重要的內容之一。當前該技術在行業內尚處于起步階段，沒有現成的專用芯片，因此只能采用DSP的方式進行實現。

    結合信號處理部分與LED的驅動電路，最終形成的直下式帶Local Dimming功能的方案如圖十一所示：

圖十一：區域調光方案

    4、Local Dimming 驅動板PCB

    為滿足不同客戶對區域調光功能的需求，在PCB設計時考慮與不需要該功能的需求的兼容.PCB板如圖十二所示：

圖十二：區域調光PCB板圖

   5、為給客戶演示該功能的強烈的對比效果，在用戶OSD菜單中增加如圖十三所示的區域調光功能的開關，方便功能演示。

圖十三：OSD菜單中的區域調光開關

四：實施結果

 
    1、背光隨著圖像內容的變化而變化

    通過下面圖十四所顯示的一系列連續的圖片，我們可以發現背光在隨著屏幕內容的變化而變化，并且變化非常明顯。

圖十四：背光隨著圖像內容的變化而亮暗變化

    2、功率隨著圖像內容的變化而變化

    圖十五所示的為區域調光功能關閉時的照片，此時不但功率為163.6W，而且圖像周圍由于背光常亮的原因，導致該黑暗顯示的地方仍然有亮度，整個畫面立體感不強。

圖十五：區域調光關閉時的功率及圖像

圖十六: 區域調光打開時的圖像

    圖十六所示的為區域調光打開時的圖像，從圖中可以看出，不但功率降低到了46.5W，降低了71%，而且整幅圖像看著黑色很強，畫面的立體感很好。

    如果整幅畫面都為黑的情況下，那么背光燈將全滅，功率僅僅為其他電路元器件的功率，約為20W左右，節能效果更佳明顯。
 
    五、費用計算

    1、 要達到好的調光效果，那么調光分區及調光方案就要選擇相對較好的方案。目前市場上有略微便宜的產品，比如分區僅為12個區域，雖然有一定的節能效果，但功率降低最大僅為50%，并且畫面中的黑色仍舊黑的不夠徹底，如意出現如圖十七所示的光暈現象。

圖十七:光暈

    2、按照進行區域調光設計需要使用專門的LED背光燈組和區域調光模塊模塊，單臺液晶屏物料費用需多投入約1000元左右。這對于家庭用戶而言，由于每天平均才3個小時的使用時間，這個費用是不可能承擔的，因此也使得該產品在家用電視上基本沒有使用的可能。

    3、但對于需要常年24小時開機的監控中心而言，這將是有吸引力的。費用計算如下：

    以常見的2x3的46寸LED背光液晶拼接而言：

    需要在購買拼接時一次性投入6000元。

    46寸LED背光液晶拼接的無區域調光功能的單元功耗為200W，拼接后的總功率為12000W。那么每日的用電量為28.8度，每年的用電量為10512度，按照三年的使用期限，用電量為31536度。

     按照電費為0.6元/度計算，三年的用電量費用為18921元。

     如果采用有區域調光功能的液晶拼接，按照節能至少一半計算，那么用電量節約一半，即節約9460元，完全可以抵消購買拼接時的一次性多投入的6000元。并且拼接系統一旦建立，使用期限完全不止三年，使用年限越長，節約越明顯。

    而且，電力的節約，也完全符合國家倡導的建設資源節約型社會的需求。