視頻終端降低功耗技術(shù)的研究

王得喜　陳俊杰

摘要：介紹了視頻終端功耗的組成部分、并降低功耗的解決方法。

關(guān)鍵詞：終端;功耗;HDR

0引言

AIoT、物聯(lián)網(wǎng)、SG、8K等新技術(shù)發(fā)展較快，終端顯示承擔(dān)了信息呈現(xiàn)的重要作用， “屏”是和“芯”并駕齊驅(qū)的器件。顯示技術(shù)是技術(shù)創(chuàng)新鏈條上的重要一環(huán)。人們對(duì)終端顯示設(shè)備的要求也越來越高。

視頻終端功耗分為面板功耗、背光功耗、外圍電路功耗等幾部分。整機(jī)制造商通常采用以下思路進(jìn)行降低功耗。

1）智能控制，利用智能感應(yīng)系統(tǒng)控制電源管理系統(tǒng)，實(shí)時(shí)選擇不同的電源管理模式，從而達(dá)到節(jié)能的目的。智能控制技術(shù)可以使電視在無信號(hào)、無操作情況下使整機(jī)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了電源系統(tǒng)的節(jié)能，最高可達(dá)50%以上。同時(shí)有些電視通過配置光感器，根據(jù)環(huán)境的明暗自動(dòng)調(diào)節(jié)圖像亮度，從而減少不必要的能源消耗。

2）從電源管理和電路設(shè)計(jì)下手，采用新型的電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，優(yōu)化驅(qū)動(dòng)電路與電源電路，提高線路轉(zhuǎn)換效率，從而提高整機(jī)的電能轉(zhuǎn)換效率，最終減少電能浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)電視整機(jī)節(jié)能。

3）采用動(dòng)態(tài)背光控制技術(shù)和低能耗模塊設(shè)計(jì)，以及合理利用CPU的I/O及繼電器控制，實(shí)現(xiàn)待機(jī)時(shí)對(duì)主供電電路電壓的徹底切斷，可以有效降低電視機(jī)產(chǎn)品整機(jī)的待機(jī)功耗。

1 HDR功率控制技術(shù)

HDR指圖像的高動(dòng)態(tài)范圍。在明視覺時(shí)人眼所能感受的亮度范圍，從干分之幾cd/m2到幾百萬cd/m2，所能感受的瞬時(shí)對(duì)比度范圍可達(dá)10 000.1，而目前市場(chǎng)上顯示終端顯示、手機(jī)等的亮度一般在200-500 cd/m2左右，其對(duì)比度范圍一般為1500：1。因此，人眼的亮度、對(duì)比度分辨能力遠(yuǎn)高于當(dāng)前的終端顯示設(shè)備。而HDR顯示技術(shù)就是要提升顯示的亮度、對(duì)比度范圍，讓我們看到的圖像色彩更加接近現(xiàn)實(shí)世界（如圖1、圖2）。相比普通的圖像，HDR可以提供更多的動(dòng)態(tài)范圍和圖像細(xì)節(jié)[1]，能夠更好地反映出真實(shí)環(huán)境中的視覺亮度變化效果。HDR技術(shù)帶來的畫質(zhì)提升即使是普通觀眾也能用肉眼辨別，因此眾多電視機(jī)、手機(jī)等廠商紛紛在終端顯示產(chǎn)品上搭載了HDR技術(shù)。

HDR技術(shù)的運(yùn)用不是單一的某個(gè)環(huán)節(jié)，而是關(guān)系到畫面顯示的整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)。在目前超高清顯示終端和視頻傳輸?shù)募夹g(shù)參數(shù)，HDR是其中關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)，它提供了更多的圖像細(xì)節(jié)和層次，能夠表現(xiàn)出畫面從最暗到最亮的亮度變化范圍，提供更好的圖像“沉浸感”，可在不同亮度上提供更高的畫面對(duì)比度，提升邊緣銳度，提供寬廣的色彩數(shù)量和更明亮的顏色[1]

目前HDR共有4種標(biāo)準(zhǔn)：Dolby Vision、HDRIO、HLG和SL-HDRI，無論是哪種標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)功率的控制都是必須要考慮的。例如電視的亮度是400 cd/m2，在電視直接播放時(shí)，會(huì)導(dǎo)致顯示畫面中超過400 cd/m2的部分都顯示為400 cd/m2，這樣畫面會(huì)過曝，并使得屏幕功耗高，整機(jī)功耗就會(huì)升高。各家電視雖然會(huì)自己做一些映射，具體的功耗情況會(huì)各異，但畫面過曝導(dǎo)致功率升高是非常明顯的。在HDR做降低功耗適配，可以是總體的畫面亮度避免出現(xiàn)過曝，對(duì)比度分布更符合原始HDR的對(duì)比度分布，從而比直接用直接播放節(jié)省能耗。

2 背光控制技術(shù)

2.1 局部調(diào)光

目前絕大多數(shù)顯示設(shè)備，都采用LED背光，在液晶面板后面有很多顆LED燈分布。以前都是GlobalDimming（整體亮度調(diào)整）控光。所以有些顯示畫面在暗區(qū)只是通過開關(guān)液晶轉(zhuǎn)向?qū)崿F(xiàn)亮暗變化，這部分畫面背光依然打開，這些背光的存在明顯帶來功耗上升，同時(shí)也會(huì)降低顯示圖像的對(duì)比度。

局部調(diào)光（ Local Dimming）動(dòng)態(tài)背光技術(shù)是將整個(gè)畫面分割成若干個(gè)小區(qū)域分別進(jìn)行背光亮度控制，整個(gè)畫面分割成若干個(gè)小區(qū)域，每個(gè)小區(qū)域均有1個(gè)LED燈板（如圖3），在暗畫面位置對(duì)應(yīng)背光關(guān)閉。這樣相對(duì)于整體畫面均點(diǎn)亮背光的方式，能耗大大降低。

在LED電視背光方案中，有側(cè)入背光和直下式背光2種不同的LED背光技術(shù)。其中直下背光方式可以更好地實(shí)現(xiàn)背光分區(qū)控制，既可以提高畫面的色彩表現(xiàn)和圖像的對(duì)比度，同時(shí)也大幅降低了功耗。

終端顯示芯片對(duì)每幀視頻信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，處理后得到每幀畫面的灰度信息，并輸出給相應(yīng)的背光區(qū)域。圖4是圖像內(nèi)容分析的算法實(shí)現(xiàn)流程框圖，首先把分割后的圖像進(jìn)行直方圖統(tǒng)計(jì)，根據(jù)其特性調(diào)整背光亮度;同時(shí)，用直方圖統(tǒng)計(jì)的圖像特性來調(diào)整圖像處理參數(shù)，獲得更好的圖像對(duì)比度效果，并通過邊界補(bǔ)償防止圖像的清晰度降低。

圖5所示是一套完整的LED動(dòng)態(tài)背光電視系統(tǒng)。在機(jī)芯板完成圖像計(jì)算功能后，把數(shù)據(jù)給到動(dòng)態(tài)背光控制板，由控制芯片分析視頻數(shù)據(jù)，得到最佳的LED背光控制方案，并分別生成LCD面板的顯示信號(hào)和LED背光的數(shù)據(jù)信號(hào)，其中，LCD面板顯示信號(hào)送給T-con，LED背光數(shù)據(jù)信號(hào)送到LED背光，實(shí)現(xiàn)根據(jù)圖像信息動(dòng)態(tài)調(diào)整LED背光，從而降低整機(jī)功率。

在播放動(dòng)態(tài)視頻時(shí)，背光隨著圖像內(nèi)容的變化而變化，在畫面黑色部分或者相對(duì)暗的區(qū)域，則在該區(qū)域的背光進(jìn)行關(guān)閉或者把這部分的背光亮度降低。通過功率計(jì)測(cè)試，同一幅畫面，打開Local Dimming功率會(huì)降低35%，顯示畫面對(duì)比度提升10%。在降低功耗的同時(shí)提升了顯示畫質(zhì)。

2.2 背光電路降低功耗

功耗產(chǎn)生還有電子電路的部分，不同的電路設(shè)計(jì)雖然功能可以相同，但電路功耗卻往往相距甚大[2]。隨著微處理器性能的提高，功耗問題分為靜態(tài)功耗和動(dòng)態(tài)功耗，靜態(tài)功耗占比越來越大。電路設(shè)計(jì)和元件選取考慮的因素很多，比如動(dòng)態(tài)調(diào)整芯片的時(shí)鐘頻率和供電電壓。其中動(dòng)態(tài)電壓調(diào)整技術(shù)（ DVS）是利用CMOS工藝芯片的峰值頻率和供電電壓正比，我們降低芯片的核心供電電壓并降低芯片的clock（時(shí)鐘）頻率，這樣芯片的功耗也會(huì)大幅度降低。目前一些SoC的核心電壓已經(jīng)降低到1.5 V。

3 結(jié)語論

通過Local Dimming、新型HDR架構(gòu)可以達(dá)到顯著的降低功耗的效果。適用于終端視頻設(shè)備中。

當(dāng)然除了本文論述的上述方法外，還有中斷、外部擴(kuò)、軟件架構(gòu)優(yōu)化等多種方法實(shí)現(xiàn)功耗的控制。而且隨著技術(shù)的進(jìn)步，也會(huì)對(duì)功率提出新的要求。

參考文獻(xiàn)：

[1] ITU-R BT.2100-O：lmage parameter values for highdynamic range television for use in production andinternational programme exchange[S].2016.

[2]楊素行，模擬電子基礎(chǔ)簡(jiǎn)明教程：高等教育出版社[Jl.2006.

作者簡(jiǎn)介：

王得喜（1982-），男，首席設(shè)計(jì)師，研究方向：投影技術(shù)研究及應(yīng)用。

陳俊杰（1990-），男，硬件工程師，研究方向：整機(jī)設(shè)計(jì)、無線通信。