王得喜，陳俊杰（康佳集團?多媒體研發(fā)中心，廣東?深圳?518053）

　　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。

　　關鍵詞：終端；功耗；HDR

　　0 引言

　　AIoT、物聯(lián)網、5G、8K等新技術發(fā)展較快，終端顯示承擔了信息呈現(xiàn)的重要作用，“屏”是和“芯”并駕齊驅的器件。顯示技術是技術創(chuàng)新鏈條上的重要一環(huán)。人們對終端顯示設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。整機制造商通常采用以下思路進行降低功耗。

　　1）智能控制，利用智能感應系統(tǒng)控制電源管理系統(tǒng)，實時選擇不同的電源管理模式，從而達到節(jié)能的目的。智能控制技術可以使電視在無信號、無操作情況下使整機進入待機狀態(tài)，實現(xiàn)了電源系統(tǒng)的節(jié)能，最高可達50%以上。同時有些電視通過配置光感器，根據環(huán)境的明暗自動調節(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計下手，采用新型的電源系統(tǒng)結構，優(yōu)化驅動電路與電源電路，提高線路轉換效率，從而提高整機的電能轉換效率，最終減少電能浪費，實現(xiàn)電視整機節(jié)能。

　　3）采用動態(tài)背光控制技術和低能耗模塊設計，以及合理利用CPU的I/O及繼電器控制，實現(xiàn)待機時對主供電電路電壓的徹底切斷，可以有效降低電視機產品整機的待機功耗。

　　1 HDR功率控制技術

　　HDR指圖像的高動態(tài)范圍。在明視覺時人眼所能感受的亮度范圍，從千分之幾cd/m 2 到幾百萬cd/m 2 ，所能感受的瞬時對比度范圍可達10000∶1，而目前市場上顯示終端顯示、手機等的亮度一般在200~500cd/m 2左右，其對比度范圍一般為1500∶1。因此，人眼的亮度、對比度分辨能力遠高于當前的終端顯示設備。而HDR顯示技術就是要提升顯示的亮度、對比度范圍，讓我們看到的圖像色彩更加接近現(xiàn)實世界（如圖1、圖2）。相比普通的圖像，HDR可以提供更多的動態(tài)范圍和圖像細節(jié) ^[1] ，能夠更好地反映出真實環(huán)境中的視覺亮度變化效果。HDR技術帶來的畫質提升即使是普通觀眾也能用肉眼辨別，因此眾多電視機、手機等廠商紛紛在終端顯示產品上搭載了HDR技術。

　　HDR技術的運用不是單一的某個環(huán)節(jié)，而是關系到畫面顯示的整個生態(tài)系統(tǒng)。在目前超高清顯示終端和視頻傳輸的技術參數，HDR是其中關鍵的技術指標，它提供了更多的圖像細節(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比度，提升邊緣銳度，提供寬廣的色彩數量和更明亮的顏色 ^[1] 。

　　目前HDR共有4種標準：Dolby Vision、HDR10、HLG和SL-HDR1，無論是哪種標準，對功率的控制都是必須要考慮的。例如電視的亮度是400cd/m 2 ，在電視直接播放時，會導致顯示畫面中超過400cd/m 2 的部分都顯示為400cd/m 2 ，這樣畫面會過曝，并使得屏幕功耗高，整機功耗就會升高。各家電視廠商雖然會自己做一些映射，具體的功耗情況會各異，但畫面過曝導致功率升高是非常明顯的。在HDR做降低功耗適配，可以使總體的畫面亮度避免出現(xiàn)過曝，對比度分布更符合原始HDR的對比度分布，從而比直接播放節(jié)省能耗。

　　2 背光控制技術

　　2.1 局部調光

　　目前絕大多數顯示設備都采用LED背光，在液晶面板后面有很多顆LED燈分布。以前都是Global Dimming(整體亮度調整)控光。所以有些顯示畫面在暗區(qū)只是通過開關液晶轉向實現(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，同時也會降低顯示圖像的對比度。

　　局部調光（Local Dimming）動態(tài)背光技術是將整個畫面分割成若干個小區(qū)域分別進行背光亮度控制，整個畫面分割成若干個小區(qū)域，每個小區(qū)域均有1個LED燈板(如圖3)，在暗畫面位置對應背光關閉。這樣相對于整體畫面均點亮背光的方式，能耗大大降低。

　　在LED電視背光方案中，有側入背光和直下式背光兩種不同的LED背光技術。其中直下背光方式可以更好地實現(xiàn)背光分區(qū)控制，既可以提高畫面的色彩表現(xiàn)和圖像的對比度，同時也大幅降低了功耗。

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

　　圖5所示是一套完整的LED動態(tài)背光電視系統(tǒng)。在機芯板完成圖像計算功能后，把數據給到動態(tài)背光控制板，由控制芯片分析視頻數據，得到最佳的LED背光控制方案，并分別生成LCD面板的顯示信號和LED背光的數據信號，其中，LCD面板顯示信號送給T-con，LED背光數據信號送到LED背光，實現(xiàn)根據圖像信息動態(tài)調整LED背光，從而降低整機功率。

　　在播放動態(tài)視頻時，背光隨著圖像內容的變化而變化，在畫面黑色部分或者相對暗的區(qū)域，則把該區(qū)域的背光進行關閉或者把這部分的背光亮度降低。通過功率計測試，同一幅畫面，打開Local Dimming功率會降低35%，顯示畫面對比度提升10%。在降低功耗的同時提升了顯示畫質。

　　2.2 背光電路降低功耗

　　功耗產生還有電子電路的部分，不同的電路設計雖然功能可以相同，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)功耗和動態(tài)功耗，靜態(tài)功耗占比越來越大。電路設計和元件選取考慮的因素很多，比如動態(tài)調整芯片的時鐘頻率和供電電壓。其中動態(tài)電壓調整技術（DVS）是利用CMOS工藝芯片的峰值頻率和供電電壓正比，如果降低芯片的核心供電電壓并降低芯片的clock（時鐘）頻率，這樣芯片的功耗也會大幅度降低。目前一些SoC的核心電壓已經降低到1.5V。

　　3 結語

　　通過Local Dimming、新型HDR架構可以達到顯著的降低功耗的效果。適用于終端視頻設備中。

　　當然除了本文論述的上述方法外，還有中斷、外部擴、軟件架構優(yōu)化等多種方法實現(xiàn)功耗的控制。而且隨著技術的進步，也會對降低功耗提出新的要求。

　　參考文獻：

　　[1] ITU-R BT.2100-0:Image parameter values for high dynamic range television for use in production and international programme exchange[S].2016.

　　[2] 楊素行.模擬電子基礎簡明教程[M].北京:高等教育出版社,2006.

　?。ㄗⅲ罕疚膩碓从诳萍计诳峨娮赢a品世界》2020年第05期第83頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。）