視頻終端降低功耗技術(shù)的研究

　　王得喜，陳俊杰（康佳集團(tuán)?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(guān)鍵詞：終端；功耗；HDR

　　0 引言

　　AIoT、物聯(lián)網(wǎng)、5G、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(lái)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(wú)信號(hào)、無(wú)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(guò)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(jué)時(shí)人眼所能感受的亮度范圍，從千分之幾cd/m 2 到幾百萬(wàn)cd/m 2 ，所能感受的瞬時(shí)對(duì)比度范圍可達(dá)10000∶1，而目前市場(chǎng)上顯示終端顯示、手機(jī)等的亮度一般在200~500cd/m 2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(jué)亮度變化效果。HDR技術(shù)帶來(lái)的畫(huà)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(huà)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(huà)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(huà)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、HDR10、HLG和SL-HDR1，無(wú)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400cd/m 2 ，在電視直接播放時(shí)，會(huì)導(dǎo)致顯示畫(huà)面中超過(guò)400cd/m 2 的部分都顯示為400cd/m 2 ，這樣畫(huà)面會(huì)過(guò)曝，并使得屏幕功耗高，整機(jī)功耗就會(huì)升高。各家電視廠商雖然會(huì)自己做一些映射，具體的功耗情況會(huì)各異，但畫(huà)面過(guò)曝導(dǎo)致功率升高是非常明顯的。在HDR做降低功耗適配，可以使總體的畫(huà)面亮度避免出現(xiàn)過(guò)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Global Dimming(整體亮度調(diào)整)控光。所以有些顯示畫(huà)面在暗區(qū)只是通過(guò)開(kāi)關(guān)液晶轉(zhuǎn)向?qū)崿F(xiàn)亮暗變化，這部分畫(huà)面背光依然打開(kāi)，這些背光的存在明顯帶來(lái)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(huà)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(huà)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(huà)面位置對(duì)應(yīng)背光關(guān)閉。這樣相對(duì)于整體畫(huà)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兩種不同的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(huà)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(huà)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(lái)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(guò)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(huà)面黑色部分或者相對(duì)暗的區(qū)域，則把該區(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(guò)功率計(jì)測(cè)試，同一幅畫(huà)面，打開(kāi)Local Dimming功率會(huì)降低35%，顯示畫(huà)面對(duì)比度提升10%。在降低功耗的同時(shí)提升了顯示畫(huà)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(wèn)題分為靜態(tài)功耗和動(dòng)態(tài)功耗，靜態(tài)功耗占比越來(lái)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，如果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1.5V。

　　3 結(jié)語(yǔ)

　　通過(guò)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)降低功耗提出新的要求。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[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(chǔ)簡(jiǎn)明教程[M].北京:高等教育出版社,2006.

　?。ㄗⅲ罕疚膩?lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2020年第05期第83頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。）