CC BY
150Технология и применение
HDR-дисплеев
Александр САМАРИН
Человек видит гораздо больше, чем могут воспроизводить многие дисплейные устройства. В существующих в настоящее время системах регистрации, хранения, передачи и воспроизведения изображения используется компромиссные решения, обеспечивающие умеренное качество при малых расходах. Ограничения связаны с малой пропускной способностью каналов передачи, ограниченными объемами памяти на носителях, а также ограниченными возможностями традиционных дисплейных технологий. По мере развития технологий расширяются возможности для улучшения параметров различных компонентов. Развиваются интерфейсы и каналы связи для передачи качественного видеоконтента. С другой стороны, возросли требования к качеству цифрового изображения. В данной статье речь пойдет о новых перспективных дисплейных технологиях, обеспечивающих широкий динамический диапазон воспроизводимого изображения.
Существующая в настоящее время система кодирования и представления видеоинформации в цифровом виде формировалась 15-20 лет назад и опиралась на доступные технические средства и технологии. 8-разрядное кодирование обеспечивало вполне качественную и адекватную пере-
дачу видеоинформации. Однако проходят годы, развиваются новые технологии, растут потребности и новые сферы применения, в которых объективно требуется лучшее качество. Многие годы улучшение качества дисплейных систем шло в направлении увеличения разрешения и расширения цветовой
палитры. Расширение динамического диапазона дисплейных систем было ограничено двумя основными факторами — использованием в цифровых дисплейных системах 8-разрядного кодирования и ограничением возможностей дисплейных технологий. В 1990-годы стали проводиться работы, свя-
Характеристики зрительной системы человека
Динамический диапазон зрения человека лежит в пределах от 10-6 до 108 кд/м2, то есть составляет 100 000 000 000 000:1, или 14 порядков величины. Правда, глаз не может воспринимать свет из всего этого диапазона одновременно — максимальный диапазон интенсивности света, который соответствует динамическому диапазону зрительной системы человека, составляет что-то около 10 000:1 (около 5 порядков).
Аккомодационный механизм позволяет расширить диапазон яркости изображения, с которой способен работать глаз, до 10 порядков. В темном состоянии после адаптации в полной темноте долгое время глаз способен воспринимать энергию от нескольких фотонов, что соответствует освещенности одна миллионная доля люкса. Без адаптации различаются детали, имеющие освещенность до десятитысячных долей люкса.
Человеческий глаз — удивительное оптическое устройство, которое умеет работать практически при любом освещении. Способность глаза адаптироваться к контрастному свету поразительна: он может различать детали в диапазоне контрастности 800:1, то есть даже при самой сильной контрастности видит их как в ярких, так и в темных местах. Для сравнения: самая чувствительная пленка обеспечивает передачу контрастности в диапазоне чуть более 120:1. Для оценки уровней контраста, с которыми реально имеет дело зрительная система человека, в таблице приведены экспериментальные значения контраста для разных природных объектов. Данные используются при выборе экспозиции киносъемочной аппаратуры.
Можно заметить, что большая часть наблюдаемых в жизни объектов имеет умеренный контраст в диапазоне 1:5-1:100. Остальные случаи скорее экстремальные и приводят к «зашкаливанию» систем регистрации изображений — будь то глаз, пленочная фотокамера или цифровая фото- и видеоаппаратура.
Художник транспонирует яркостные ряды объекта, приспосабливая реальные соотношения к возможностям своей палитры. Это соотношение яркостей составляет примерно 1:40-1:60. Такое же соотношение между черными буквами и белой бумагой и между черным сукном и белым снегом в пасмурный зимний день. Эта особенность зрительного анализатора человека играет огромную роль в изобразительном искусстве
Таблица. Интервал яркостей некоторых объектов съемки
Объект съемки Диапазон яркостей объектов
Пейзаж без переднего плана в тумане 1:2—1:3
Пейзаж без переднего плана в пасмурный день 1:5-1:10
Земная поверхность, видимая с самолета зимой 1:6-1:10
Внутренний вид комнаты без окна 1:8-1:12
Пейзаж без переднего плана при прямом солнечном освещении 1:10-1:30
Пейзаж без переднего плана против света 1:20-1:40
Пейзаж с передним планом при прямом солнечном освещении 1:20-1:60
Общие планы в кинопавильоне 1:20-1:100
Пейзаж в солнечную погоду, передний план в тени 1:100-1:300
Внутренний вид светлой комнаты, снимаемой против окна 1:100-1:500
Затемненные улицы с отдельными зданиями, освещенными солнцем 1:100-1:500
Внутренний вид темной комнаты, снимаемой против ярко освещенного окна 1:100 000
Пейзаж с солнцем в кадре 1:200 000
Диапазон яркостей зрительной системы человека (14 порядков, шкала log cd/m2) -6 -4 -2 0 2 4 6 8 I I I I I I I I
I I I свет свет і і і свет в солнечный
звезд луньу| помещении L свет
Оперативный диапазон
яркостей \
зрительной системы А К Т
Динамический ' 2-3 \
диапазон современных порядка/
дисплеев Л
Технология Впд№в1(1е \
Рисунок. Соотношение диапазонов яркостей, воспринимаемых зрительной системой человека и воспроизводимых различными дисплейными технологиями
занные с формированием, обработкой, хранением и отображением HDRI (High Dynamic Range Image — изображение с широким динамическим диапазоном).
Работа с HDR-видеоконтентом является комплексной проблемой. Основные составляющие данного направления:
• кодирование;
• сжатие;
• передача;
• хранение;
• воспроизведение.
Далее в статье мы будем рассматривать только один из аспектов проблемы HDR — воспроизведение.
Контраст и динамический диапазон дисплеев
Понятие «динамического диапазона» определяет максимальный диапазон изменения яркости между самым ярким и самым темным элементом изображения для того, чтобы вычислить число приращений уровней яркости. Контраст определяет относительную величину диапазона дисплея. Это отношение максимальной яркости воспроизводимого на экране элемента изображения к минимальной. Или же отношение уровней максимально белого к уровню черного. Обычные ЭЛТ имеют контраст 600:1, качественные современные TFT ЖК-дисплеи имеют контраст до 1000:1. Плазменные телевизоры могут иметь контраст до 4000:1. В рекламных материалах встречается и значение 10 000:1, но это динамический контраст. Венчурное предприятие Canon и Toshiba, названное SED Inc., разработало в 2005 году дисплейную панель на базе технологии SED (Surface-conduction Electron-emitter Display), в которой достигнут рекордный для такого типа дисплея контраст 100 000:1 (при яркости 300 кд/м2). Первые модели SED-панелей имели контраст 8600:1. Расширение динамического диапазона было получено за счет понижения уровня черного более чем в 13 раз. В настоящее время дисплейная технология SED еще не достигла уровня, достаточного для начала промышленного производства.
Если говорить о CRT, то основным ограничивающим его динамический диапазон фактором являются физико-химические свойства люминофоров. Эта пороговая величина носит название величины насыщения и определяет верхнюю границу динамического диапазона яркостей устройства отображения. Порог насыщения монитора гораздо меньше, чем предельная для человеческого глаза яркость. Глаз человека способен замечать гораздо более тонкие изменения яркости малой интенсивности, чем может отображать ЭЛТ-монитор.
На самом деле динамический диапазон монитора в реальных условиях даже несколько меньше, поскольку в реальных рабочих условиях всегда присутствует окружающий
свет, который добавляется к свечению монитора. Это приводит к тому, что уровень «черного» на экране монитора определяется уровнем внешней освещенности.
Контраст и динамический диапазон ЖК-дисплеев
Ключевым параметром, определяющим уровень собственного контраста для ЖК-дисплеев, является коэффициент пропускания в темном состоянии. При использовании обычной нединамической задней подсветки даже при темном состоянии экрана происходит «просачивание» света через закрытые «темные» пиксели. Собственный контраст ЖК-дисплея можно повысить за счет уменьшения коэффициента пропускания в «черном» состоянии, который определяется коэффициентом эффективной поляризации двух поляризационных фильтров (пленок на верхней и нижней подложке), а также поляризационной характеристикой ЖК-ячейки.
Лучшие поляризационные пленки фирмы №йо имеют коэффициент поляризации до 99,95%. ЖК-ячейка имеет значительно худшие поляризационные свойства. Дополнительный вклад в «осветление» уровня «черного» также дает и паразитное рассеяние света во внутреннем слое ЖК-панели.
До настоящего момента с целью понижения уровня «черного» применялось, например, уменьшение апертуры ЖК-ячейки. Уровень «черного» понижался, но одновременно понижалась и яркость экрана. Тем не менее, многие фирмы использовали этот прием. А для компенсации потерь в этом случае приходилось увеличивать яркость задней подсветки. В последнее время за счет применения новых технологий формирования ЖК-ячейки, например 8-РУА (8атзи^), удалось повысить величину собственного контраста до значения 2000:1.
Параметр задней подсветки играет очень важную роль для получения высокого качества изображения ЖК-дисплеев.
Динамический диапазон ЖК-дисплея с задней подсветкой определяется контрастом и уровнем максимальной яркости, который может обеспечить модуль задней подсветки.
Панель типового цветного ТБТ-дисплея пропускает максимум 7% от светового потока, излучаемого задней подсветкой. То есть для увеличения максимальной яркости требуется увеличивать яркость подсветки или увеличивать коэффициент пропускания ЖК-панели. Ресурсов для увеличения пропускания для цветной ТБТ-панели, использующей стандартную технологию с цветными фильтрами, практически нет. Но если отказаться от использования цветных фильтров внутри панели и применить последовательную цветовую модуляцию по времени, то можно значительно увеличить коэффициент пропускания. Цветные фильтры задерживают до 75% световой энергии. При этом можно ав-
томатически увеличить разрешение в три раза, поскольку каждый из бывших RGB-пикселей теперь будет участвовать в модуляции всех RGB-компонентов. Для осуществления данной схемы модуляции требуется использование динамической светодиодной подсветки и ЖК-панели с быстродействием не хуже 4-5 мс. И такие панели в настоящее время уже производятся.
Методы расширения динамического диапазона ЖК-дисплеев
Один из способов расширения динамического диапазона основывается на использовании последовательной двухмодуляторной световой схемы. Световой поток последовательно модулируется одним, затем другим модулятором. При этом динамический диапазон системы расширяется. В качестве первого модулятора может быть использован, например, DMD-проектор, а в качестве второго — стандартная TFT-панель. При этом контраст интегральной дисплейной системы будет определяться произведением контрастов обоих модуляторов. Особенности такой схемы будут рассмотрены ниже.
Digital Micromirror Device (DMD) аббревиатура правильная, DLP — это бренд Texas Instruments.
Динамическая задняя подсветка ЖК-дисплеев
Частным случаем двойной модуляции можно считать применение в ЖК-телевизо-рах многих производителей адаптивной динамической подсветки. Этот прием используется для расширения динамического диапазона дисплейной системы без изменения собственного контраста ЖК-панели. Впервые динамическая подсветка с целью расширения динамического диапазона по яркости начала использоваться лет 7 назад для ЖК-дисплеев с подсветкой CCFL. Это решение до сих пор используется в моделях ЖК-телевизо-ров многих производителей. В зависимости от среднего уровня яркости экрана увеличивается или уменьшается яркость модуля подсветки. Автоматическая регулировка яркости может осуществляться как для люминесцентных ламп с холодным катодом, так и для светодиодных панелей. Таким образом, для сцен с низкой средней яркостью (ночные съемки) яркость подсветки уменьшается. Соответственно, уменьшается и уровень «черного».
В связи с появлением динамической подсветки для оценки динамического диапазона таких дисплеев был введены новые параметры — статический и динамический контраст.
Статический контраст оценивается отношением максимальной и минимальной яркости полей изображения, измеренных в одно и то же время в поле кадра одного изображения, а динамический — в разные моменты времени и относящиеся к разным изображениям. Динамический контраст всегда выше или равен статическому.
Применение светодиодной подсветки в ЖК-мониторах и телевизорах позволяет не только расширить цветовую палитру, но и обеспечить дополнительные возможности как для расширения динамического диапазона, так и для уменьшения артефактов, связанных с отображением движущегося изображения. Кроме того, активная динамическая светодиодная подсветка позволяет добиться уменьшения потребляемой мощности дисплея. Динамическая подсветка теоретически позволяет достигать нулевого уровня яркости для уровня «черного». Таким образом, при расчете по принятой ранее формуле контраста ЖК-дисплеев получим бесконечное значение. В связи с этим пришлось пересмотреть подход в расчетах контраста. В качестве минимального уровня яркости для таких дисплеев принимается минимальное приращение уровня яркости, соответствующее младшему разряду динамического диапазона системы «светодиодный модулятор + ЖК-панель».
Дисплейная технология BrightSide
BrightSide Technologies — частная канадская компания, которая разработала комплекс передовых технологий в области HDR-изображений с большим динамическим диапазоном. BrightSide разработала компоненты для всей цепочки технологии HDR: фиксация изображения, кодирование, сжатие, хранение и отображение. Наряду с разработкой дисплейной технологии BrightSide разработала и технологию фиксации HDR-изображений для цифровых фотокамер, позволяющую получить высокий динамический диапазон при низких накладных расходах. Фирмой были разработаны также высокоэффективные методы сжатия и кодирования как статических, так и динамических изображений в форматах JPEG-HDR и MPEG-HDR, обеспечивающих значительное сокращение требуемых объемов памяти с сохранением высокого динамического диапазона и разрешения.
Дисплей BrightSide имеет динамический диапазон 200 000:1 и яркость в 10 больше, чем у любого из имеющихся коммерческих дисплеев. В то же время уровень «черного» в данном дисплее также меньше в 10 раз, чем у любого обычного дисплея. Дисплеи BrightSide (рис. 1) используют технологию индивидуальной светодиодной модуляции задней подсветки, обеспечивающую яркость и контраст гораздо выше уровня, достижимого в настоящее время для CRT, плазменных, DLP- или ЖК-дисплеев.
Изображение, наблюдаемое на экране дисплеев BrightSide, непривычно живое и энергичное.
Плоскопанельные ЖК-панели компьютерных дисплеев модулируют свет, который падает из источника подсветки, обеспечива-
ющего однородную и постоянную яркость. Источник подсветки обычно состоит из одной или нескольких люминесцентных ламп, установленных сзади ЖК-панели. В НОИ-дисплее BrightSide этот источник подсветки заменен на управляемый массив ультраяр-ких светодиодов белого свечения или же трехцветных ярких светодиодов.
Светодиоды расположены в массиве, где яркость каждого светодиода может управляться независимо и с большей частотой, чем частота развертки дисплея. По сути, этот массив светодиодов является эффективным дисплеем низкого разрешения, но с очень высокой яркостью. Управляемые источниками тока светодиоды способны обеспечивать яркость свыше 75 000 кд/м2 при максимальном токе и совсем не испускают света в выключенном состоянии при нулевом токе. Это черно-белое изображение низкого разрешения, синтезируемое матрицей светодиодов, затем проецируется через стандартную цветную ЖК-панель, которая отображает то же изображение, но более высокого разрешения. Таким образом, светодиодная матрица обеспечивает локальную низкочастотную модуляцию светового потока, а матричная панель производит высокочастотный пространственный «тюнинг» с коррекцией искажений от светодиодного модулятора.
Каждый индивидуально управляемый светодиод подсвечивает маленькую площадь ЖК-панели. Получаем эффект умножения двух последовательных модуляторов света, каждый из которых дает свой вклад в динамический диапазон. Благодаря алгоритмам программной коррекции и эффекту натурального рассеяния света в человеческом глазу, эффект пятен яркости от изображения, синтезированного матрицей светодиодной подсветки низкого разрешения, становится незначительным. В результате получаем изображение высокого разрешения с высоким динамическим диапазоном.
Стоит заметить, что 100-кратное расширение динамического диапазона в НБИ-дисплее получено за счет оптических свойств обычных компонентов (рис. 2). При этом сложность обработки видеосигнала в дисплее сравнима с уровнем обработки видеосигналов в обычных видеокартах.
В 37-дюймовом экране дисплея BrightSide 2 млн пикселей ЖК-панели подсвечиваются 1380 светодиодами белого спектра. Каждый светодиод из матрицы подсвечивает свой массив пикселей ЖК-модулятора.
В процессе обработки видеосигнала производится расчет средних значений уровня яркости для каждого такого массива.
В итоге получается матрица средних значений яркости для т-х-п-зон. По сути, это матричное черно-белое изображение, соответствующее низкочастотной пространственной компоненте исходного изображения. Поскольку соседние светодиоды в матрице оптически не изолированы, то происходит неизбежная подсветка соседних зон. Можно было бы попытаться сделать оптическую изоляцию, но, во-первых, это не просто и довольно дорого, а во-вторых, полной ликвидации паразитной подсветки избежать все равно не удастся. Поэтому был выбран другой метод — путем математического расчета доля паразитной подсветки учитывалась и далее
Светодиоды
Светодиоды
ЖК-панель Поперечное сечение экрана BrightSide Вид экрана спереди
Рис. 1. Структура двухмодуляторного дисплея (ЖК-панель + массив светодиодов)
Дисплейная технология — обработка изображений
■
Изображение с выским Профиль изображения Изображение динамическим на матрице на ЖК-панели
диапазоном светодиодов с учетом коррекции
Выходное
изображение
Рис. 2. Принцип формирования изображения двухмодуляторной схемой ЬЮР-дисплея: а) исходное изображение; б) изображение на массиве светодиодов; в) скорректированное изображение на ЖК-панели; г) ЬЮР-изображение
Рис. 3. Оптическая схема прототипа HDR-дисплея на базе DLP-проектора и ЖК-панели
участвовала при вычислениях матрицы сигналов управления пикселями ЖК-панели.
Сигналы управления светодиодной матрицей еще нужно рассчитать, пользуясь с одной стороны вычисленными ранее значениями матрицы средней яркости, а с другой — передаточной спектральной характеристикой белого светодиода. Яркость светодиода определяется значением протекающего тока. Следует дополнительно учесть, что спектральная характеристика белого светодиода нелинейно зависит от уровня тока. То есть нужно использовать калибровочные поправочные коэффициенты при расчетах. Предполагается, что все светодиоды имеют идентичные характеристики. Но если это не совсем так, то требуется проводить индивидуальную калибровку всех светодиодов матрицы и хранить в памяти коэффициенты для каждого из светодиодов. В настоящий момент светодиоды, скорее всего, просто подбирают по идентичности параметров. Поскольку для управления светодиодами используется ШИМ, то нужно получить соответствующие коды управления в 8-, 10- или 16-разрядном формате.
Данные управления яркостью светодиодной матрицей образуют загрузочный файл, готовый для загрузки в микросхемы светодиодных драйверов.
Для точной «подстройки» количества света для каждого пикселя, входящего в сегмент каждого светодиода, вычисляются сигналы управления. При расчетах учитывается влияние световых потоков от соседних светодиодов. Алгоритмы, разработанные BrightSide, позволяют выполнять данную обработку в реальном масштабе времени для каждого пикселя при кадровой развертке до 60 Гц.
Таким образом, за счет использования двухмодуляторной схемы получаем шкалу управления яркостью с разрядностью 16-18 (светодиодный ШИМ 8 разрядов, плюс 8-10 разрядов для управления ЖК-панелью).
Энергетические характеристики модуля подсвета
Модуль подсветки монитора BrightSide содержит 1380 одноваттных светодиодов белого свечения Luxeon. Управление каждым светодиодом производится через драйверы мощных светодиодов. Одна микросхема драйвера управляет 16 светодиодами. Максимальный ток каждого светодиода — 60 мА. Перемножив на 1380, получим суммарный ток потребления только массивом светодиодов 82,8 А (!). Прямое падение напряжения на белом светодиоде при токе 60 мА — 3,5 В. Итого суммарная выделяемая мощность на светодиодном массиве составляет около 290 Вт. К этой мощности следует добавить мощность, рассеиваемую на микросхемах драйверов, которых на плате модуля подсветки 87 штук (1380/16) и которые работают на частоте 10 МГц (загрузка + синтез ШИМ-сигналов). Загрузка драйверов осуществляется по последовательно-параллельной схеме с использованием эс-
тафетного механизма. На драйверах рассеивается еще 40-50 Вт. Блок видеопроцессора потребляет еще 10-15 Вт. С учетом КПД источников питания (токи весьма внушительные — около 100 А) получим 500-600 Вт. Очевидно, что такой модуль подсветки требует принудительного воздушного охлаждения с помощью нескольких вентиляторов. Максимальная яркость светодиодного массива сравнима с яркостью автомобильной фары (световой поток 1300 люмен), бьющей прямо в глаза с расстояния полуметра.
История разработки HDR-дисплеев
Первые разработки HDR-дисплеев начали проводиться еще в 1993 году. Тогда еще не было мощных светодиодов, тем более, белого свечения, поэтому для реализации двухмодуляторной схемы были выбраны DLP-проектор и стандартная 15" XGA цветная TFT-панель Sharp LQ150X1DG0. На рис. 3 показана оптическая схема макета HDR-дисплея, изготовленного в стенах лаборатории университета University of British Columbia.
В качестве проектора использовалась модель Optoma DLP EzPro737 с динамическим диапазоном 800:1.
Оптическая структура дисплея с двумя модуляторами очень проста в управлении. В качестве источника сигналов для проектора и ЖК-панели просто использовались две платы VGA-контроллеров персонального компьютера, работающих параллельно. Никакой специальной обработки сигналов не предусматривалось — два модулятора должны были работать последовательно в связке, расширяя динамический диапазон системы. Самым узким местом этой системы стало оптическое совмещение двух модуляторов. Ведь изображение, проецируемое DLP-проектором, должно было точно попадать на «свои» пиксели экрана ЖК-панели. В противном случае получалось размытое изображение. Экспериментаторы так и не смогли преодолеть эту проблему. На этом работа с данной схемой была закончена.
Теоретически суммарный диапазон системы должен быть 240 000:1 (800:1 — доля DLP-проектора и 300:1 — доля ЖК-панели). Однако измеренный диапазон оказался значительно меньше — «всего» 54 000:1. Снижение диапазона обусловлено неидеальностью
оптической схемы и отсутствием возможности точной юстировки двух модуляторов.
Максимальная яркость дисплея определилась мощностью светового потока DLP-проектора (2400 лм) и коэффициентом пропускания ЖК-модулятора. Теоретически максимальный коэффициент пропускания для ЖК-панели — 16% (33% — цветные фильтры, 50% — поляризаторы), однако, если учесть доли потерь на других оптических компонентах, то получим 7,6%. В итоге был получен световой поток 182 люмена. В расчете на реальный рабочий угол с учетом всех потерь был получен диапазон яркостей для дисплейной системы от 0,05 до 2,7 кд/м2.
После данной НИР последовала разработка прототипа НЭИ-дисплея со светодиодной динамической подсветкой.
Описание прототипа дисплея BrightSide
В прототипе устройства НЭИ-дисплея использовались 12-миллиметровые одноваттные светодиоды Lumiled Luxeon белого свечения типа LXHL-PWO1. Матрица светодиодов имела гексагональную топологию. Управление каждым светодиодом — посредством 10-разрядной ШИМ. 760 светодиодов были смонтированы за 18,1-дюймовой ЖК-панелью LG-Philips с контрастом 500:1 и форматом 1280x1024 пикселей. Светодиодная матрица обеспечивала максимальную яркость 8,5 кд/м2 и минимальную яркость, равную нулю, когда все светодиоды были полностью погашены. Минимальное приращение яркости — 0,03 кд/м2 (измерено на тесте шахматного поля с клеткой 20 мм).
Основные характеристики монитора BrightSide модель (DR37-P)
Первым коммерческим продуктом фирмы BrightSide стал монитор с высоким динамическим диапазоном для профессиональных приложений ЭИ37-Р (рис. 4). Цена монитора— $49 000.
Области применения ИйР-дисплеев
Мониторы для монтажа кино- и видеоматериала
Просмотр киноматериала с помощью современных мониторов не обеспечивает
Рис. 4. HDR-монитор BrightSide, модель DR37-P
Таблица 1. Основные характеристики HDR-монитора DR37-P BrightSide
Параметр Значение
Разрешение 1920x1080 (HDTV-I format)
Размер экрана 37” (94 см)
Aspect Ratio 16:9
Площадь экрана 820x463 мм
Быстродействие, мс 8 (gray-to-gray при 25 °C)
Шаг пикселей, мм 0,427
Угол наблюдения 170°
Яркость 3000 кд/м2
Контрастное отношение 200 000:1
Тип экрана TFT активно матричный ЖКИ
Палитра цветов Более 16,7 млн цветовых оттенков
Матрица светодиодов 1380 белых 1-ваттных светодиодов Lumileds
Питание 100-240 В AC, 50-60 Гц мощность 1680 Вт пиковая (14 A при 120 В, 60 Гц)
Управление светодиодами Яркость каждого светодиода контролируется индивидуально передачей 8-разрядного линейного кода. Управление током ШИМ-модуляцией. 87 микросхем 16-канальных драйверов LED
Макс. ток каждого светодиода 60 мА
Габариты дисплея, мм 1181,1x850,9x139,7
Вес, кг 72
Охлаждение светодиодного экрана Принудительное воздушное (вентиляторы+радиаторы)
История компании BrightSide Technologies, Inc.
Небольшая частная канадская фирма BrightSide Technologies, Inc., специализируется на коммерческом освоении новой дисплейной технологии, разработанной в Университете Британской Колумбии.
За 6 лет работы в лаборатории Structured Surface Physics этого университета были созда-ни и исследованы несколько поколений дисплейных прототипов HDR. BrightSide является проектом для коммерческой реализации наработанного в НИР материала. Сначала фирма называлась Sunnybrook Technologies. Впервые HDR-дисплей был продемонстрирован BrightSide в 2004 году на выставке Siggraph в Сан-Диего.
В апреле 2007 фирма BrightSide Technologies, Inc., была куплена известной компанией Dolby Laboratories, Inc., которая занимает передовые позиции в сфере разработки и производства высококачественных аудио- и видеосистем для кинематографии, домашних кинотеатров, автомобильных, игровых систем, а также в области телевидения и персональных компьютеров. Сайт www.brightsidetech.com больше не существует. Информацию по продукции BrightSide можно теперь найти на сайте www.dolby.com. В настоящее время подразделение BrightSide в составе Dolby Labs продолжает свои разработки в области HDR-технологии, сохраняя мировое лидерство.
адекватного отображения — слишком сильно различаются динамические диапазоны кинопленки и просмотрового монитора. Типовым примером сцен, имеющих широкий диапазон яркостей, являются сцены при наружных съемках в солнечный день. В них ярко освещенные участки изображения чередуются с областями глубоких теней. При ночных съемках высококонтрастные изображения возникают при попадании в кадр источников света, таких как автомобильные фары или уличные светильники. Особенности нашего зрения, тем не менее, позволяют видеть эти высококонтрастные сцены с мельчайшими подробностями. Используемая при съемках качественная кинопленка обеспечивает адекватную передачу контрастных сцен. Но обычные ЭЛТ- и ЖК-дисплеи не в состоянии адекватно передавать динамический диапазон качественной кинопленки. Использование HDR-мониторов в оборудовании киностудий позволяет упростить процесс монтажа киноматериалов и уменьшить число дорогостоящих итераций и сюжетных пересъемок.
Компьютерные игры
Пока что в большинстве компьютерных игр используется довольно грубое и плоское изображение, весьма далее от реального. Причины этого понятны — с одной стороны, для хранения более качественного изображения требуются большие объемы памяти, а с другой — нужны новые дисплеи, имеющие больший динамический диапазон. С появлением более дешевых и емких DVD-дисков первая проблема была отчасти решена.
В электронных играх нового поколения изображение имеет не только высокое разрешение, но и расширенный динамический диапазон. Синтезируемые изображения становятся более реалистичными и требуют адекватных дисплейных ресурсов. В ближайшее время для повышения качества изображений в компьютерных играх будут внедряться новые стандарты кодирования, в которых вместо 8 разрядов на каждый цветной пиксель будет использоваться 16 разрядов. Соответственно, новая система кодирования изображений рассчитана на использование HDR-дисплеев с расширенным динамическим диапазоном.
Визуализация
в системах проектирования и научных исследованиях
Традиционно более качественные дисплеи наиболее востребованы в системах компьютерного проектирования и моделирования. Адекватная визуализация объектов очень важна для конструкторов, ученых, исследователей и инженеров, поскольку позволяет получать более качественные результаты и сокращать количество итераций.
Медицинское оборудование
В современном диагностическом медицинском оборудовании для отображения результатов сканирования также требуются высококонтрастные дисплейные системы. Современное рентгеновское оборудование обеспечивает получение профилей изображений с высоким динамическим диапазоном, поэтому для визуализации требует дисплеев с адекватными параметрами. Кроме того, в некоторых медицинских приложениях востребованы и дисплеи с высокой яркостью.
Визуализация геофизических данных
Нефтяные и газовые компании активно разрабатывают новые геофизические методы разведки месторождений. В данных системах для визуализации и анализа рельефов, карт и диаграмм нужны дисплеи с широким динамическим диапазоном. Высокая цена дисплея для данного приложения не имеет большого значения. Для продвижения своей технологии в данном секторе фирма BrightSide уже заключила альянс с известным производителем дисплейных систем высокого разрешения — фирмой Panoram Technologies (www.panoramtech.com). Компания Panoram Technologies является провайдером и интегратором, специализирующимся на поставке высококачественных систем визуализации, например таких, как дисплейный стол DIT-2 (рис. 5).
Рис. 5. Дисплейный стол высокого разрешения и контраста фирмы Panoram Technologies
Для отображения картографической информации используются дисплейные системы «4К» с форматом изображения 4096x2160 (8,5 млн пикселей). Основные клиенты интегратора — военные организации, нефтяные и газовые компании.
Спутниковая картография и системы безопасности
Не секрет, что основные функции современных космических аппаратов (спутников) связаны в основном с навигацией, метеорологией, связью и разведкой. Точность, своевременность и адекватность информации, получаемой космической разведкой, являются основными критериями ее эффективности. В США космической фотосъемкой заведует Национальное агентство космической фотосъемки и картографии (ММА).
Рис. 7. Алгоритм работы динамической активной светодиодной подсветки
Data
Буферное ОЗУ для видеокадра
RGB
CLK.HS,
VS, DE
Процессор
обработки
видеосигнала
RGB
Контроллер модуля задней подсветки (BackLight)
I PWM
Модуль драйверов массива светодиодов
CLK.HS,
VS, DE
OJ X О. X
“ ОТ c Q >
Data
Один и тот же фотоснимок, сделанный из космоса, может быть использован как для поиска нефтяного или газового месторождения, так и для планирования террористического акта. Качественная визуализация результатов космической фотосъемки невозможна без использования высоконтрастных дисплеев. От дисплея требуется не только высокое разрешение, но и широкий динамический диапазон. Для хранения картографической информации используется 16-разрядное кодирование в специальных форматах, например GeoTIFF или МТБ.
Использование технологии HDR для улучшения качества ЖК-телевизоров
Несмотря на высокую стоимость реализации, технология НОИ в настоящее время стала проникать и в сектор ЖК-телевизоров. В отличие от профессиональных НБИ-мони-торов, большие уровни яркости здесь не требуются.
Применение технологии НОИ позволяет получить следующие преимущества:
• уменьшение уровня черного и получение более высокого контраста;
• уменьшение потребления за счет использования динамической локальной светодиодной подсветки;
• возможность упрощения и удешевления ЖК-панелей (увеличение апертуры ЖК-ячеек, увеличение коэффициента пропускания).
После демонстрации фирмой BrightSide своих прототипов на выставках и симпозиумах по дисплейным технологиям некоторые производители ЖК-телевизоров, в том числе и Samsung, начали использовать данную технологию для расширения динамического диапазона ЖК-мониторов и ЖК-телевизо-ров и улучшения других параметров изображения (рис. 6).
Для данной технологии используется несколько альтернативных названий, но суть
Рис. 8. Структура процессора для обработки видеосигнала
остается одной — использование активной или локальной динамической светодиодной подсветки (рис. 7). Фирма Samsung для своей технологии запатентовала название PCBD — Pixel Compensated Backlight Dimming.
Сам модуль подсветки называют BLD — BackLight Local Dimming.
Алгоритм работы локальной динамической светодиодной подсветки:
• буферизация в памяти видеоизображения;
• определение средних уровней яркости по макроячейкам LED;
• формирование файла сигналов управления матрицей светодиодной подсветки;
• коррекция исходного видеосигнала и формирование сигналов управления матрицей ЖК-панели с учетом поля яркости, формируемого светодиодной матрицей;
• загрузка файла светодиодной матрицы;
• формирование развертки стандартной TFT-панелью.
Процессор реального времени для обработки видеоизображения и формирования сигналов управления матрицей светодиодной подсветки и ЖК-панелью реализован на ПЛИС (рис. 8).
В качестве драйверов светодиодов применялись стандартные 16-канальные драйверы мощных светодиодов (максимальный ток 60-100 мА, ШИМ — 8 разрядов). Интерфейс — последовательный с эстафетной загрузкой цепочки драйверов.
Драйвер MBI5030
для управления массивами
мощных светодиодов
На рис. 9 показана структура 16-канального драйвера для управления мощными светодиодами MBI5030, выпускаемого тайваньской фирмой Macroblock, Inc. (mblock.com.tw).
Кроме того, 16-канальный драйвер MBI5030 имеет встроенный ЦАП для изменения диапазона регулировки тока. Максимальное значение тока по каждому каналу управления — не более 60 мА. Корпус микросхемы обеспечивает рассеивание тепловой мощности более 2 Вт. В микросхеме предусмотрен мониторинг перегрева корпуса. Управляющий контроллер может считывать состояние аварийного флага «перегрев», чтобы вовремя сбросить ток в каналах и предотвратить выход из строя микросхемы и управляемых светодиодов.
Для уменьшения фликера при 16-разрядном кодировании в микросхеме драйвера применяется технология ШИМ со скрембли-рованием — Scrambled-PWM (S-PWMTM).
Драйвер обеспечивает от 12 до 16 градаций управления по току для каждого из 16 каналов. Максимальная частота сигнала тактирования данных при загрузке — 20 МГц.
Например, для управления массивом из 1152 светодиодов потребуется 72 микросхемы MBI5030. Длина загрузочного файла для светодиодов — 18 432 бита. Время загрузки
Рис. 6. Система локальной светодиодной подсветки в ЖК-телевизорах: а) исходное изображение; б) светодиодная матрица локальной подсветки ЖК-панели; в) стандартная ЖК-панель; г) результирующее изображение на экране с локальной подсветкой
R-EXTo-
LE o-
GND
SDI o-
DCLK o-
l0 Regulator and DAC
VDD -г-
g
GCLK о-------і—
SYNC
Control
Thermal
Sensor
OUTO
■<{-
0UT1
16
OUT14 0UT15
L4
ю ю
о О
г г
8 8
є є
и и
16
16-bit Shift Register (FIFO)
16
í>
-43 SDO
Рис. 9. Структура микросхемы MBI5030 драйвера светодиодов
файла на максимальной частоте составит 0,9216 мс. Время интегрирования для ШИМ определяется максимальной частотой 8 МГц. Для реализации 16-разрядной ШИМ модуляции требуется 8,192 мс. Загрузка файла данных управления массивом светодиодов в реальном масштабе времени может производиться как через независимый интерфейс, так и через видеосигнал ЖК-панели. В последнем случае информация передается в межка-дровом интервале.
Во втором варианте ЖК-панель и светодиодная матрица имеют отдельные интерфейсы. Сигналы для них формируются разными логическими блоками. Оба варианта имеют свои достоинства и недостатки. Вариант с реализацией передачи сигналов управления для ЖК-панели и светодиодного экрана по одному интерфейсу достаточно красив, но накладывает временные ограничения на формат сигналов управления светодиодным экраном.
Если же для управления светодиодной матрицей использовать независимый интерфейс и понизить разрядность до 15, то быстродействия светодиодного экрана будет достаточно для того, чтобы обеспечить последовательную цветовую развертку по кадрам с частотой 180 Гц. В этом случае можно использовать ЖК-панель меньшего разрешения без цветных фильтров. Это позволит значительно снизить потребление и упростить конструкцию дисплея. Однако нужно использовать ЖК-панель со временем отклика не хуже 6 мс. Такие панели сейчас уже выпускаются несколькими производителями.
Китайский ЖК-дисплей с динамической светодиодной подсветкой
В Гонконгском технологическом исследовательском центре также проводились разработки дисплея с широким динамическим
диапазоном на базе ЖК-панели и активной динамической светодиодной подсветки. В созданном прототипе получен максимальный контраст 125 000:1 и максимальная яркость 500 кд/м2. Особенностью модуля подсветки является его топология и применение разноцветных светодиодов вместо светодиодов белого свечения (рис. 10).
Светодиодная матрица модуля подсветки имеет формат 26x14 групп цветных светодиодов. В каждой группе 5 светодиодов: 2 красных, 2 зеленых и один синий. Всего модуль подсветки содержит 1820 светодиодов. Каждый блок (группа) из 5 светодиодов обеспечивает подсветку поля 28x28 мм.
Для упрощения конструкции не применялась оптическая изоляция между макроячейками подсветки. При расчете сигналов управления как для светодиодной матрицы, так и для ЖК-панели принимались в расчет распределение яркостей отдельных светодиодов в группах, а также взаимное влияние соседних светодиодных макроячеек.
Мощность используемых светодиодов достаточно мала, чтобы не применять в конструкции тепловых радиаторов или же вентиляторов для их охлаждения, как это делается в аналогичных ИОИ-дисплеях (табл. 2). Мощность потребления динамической подсветки
В таблице 3 приведены сравнительные данные для 3 типов эквивалентных по яркости ЖК-дисплеев, в которых используются:
• типовая подсветка на люминесцентных лампах с холодным катодом;
• статическая светодиодная подсветка;
• активная динамическая светодиодная подсветка.
Можно заметить, что пока еще световая эффективность люминесцентных ламп, используемых для подсвета ЖК-панелей, несколько выше (на 14,5%), чем у современных мощных светодиодов. Однако при использовании активной динамической схемы можно снизить от 25 до 74% потребляемую мощность подсветки. В конечном итоге динами-
700
t ' 1 345,5 *-9 345,5
* X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X
1 :: с' X X X X X X X X X X X X х° X X X X X X X X X X X "х
;; с х X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X
2 íc X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X
І X X X X X X X X X X X X х° X X X X X X X X X X X °х
t X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X
J €с X X X X X X X X X X X X >: X X X X X X X X X X X X
і J t X X X X X X X X X X X X х° X X X X X X X X X X X X
J í X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X
Є X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X
J і X X X X X X X X X X X X х° X X X X X X X X X X X °х
;; t X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X
J е X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X
;; І X X X X X X X X X X X X х° X X X X X X X X X X X °х
Рис. 10. Топология светодиодного экрана
Таблица 2. Спецификация 32-дюймового ЖК-дисплея с активной динамической светодиодной подсветкой
Параметр Значение
Размер ЖК-панели, диагональ 32” (формат 16:9)
Цветовая палитра, % Красный (х = 0,678, у = 0,313) Зеленый (х = 0,168, у = 0,709) Синий (х = 0,136,у = 0,06) 108% NTSC
Число светодиодов в матрице подсветки 1820 (RGB)
Яркость 500 нит (6500 К)
Разрядность шкалы градаций серого ЖК-панели 8 бит
Шкала яркости светодиодной матрицы 8 бит
Контраст 125 000:1
Формат ЖК-панели 1366x768 (RGB)
Шаг светодиодной матрицы, мм 28
Толщина модуля подсветки, мм 32
Материал подложки светодиодной матрицы Стеклотекстолит с металлическим внутренним слоем
Охлаждение Без дополнительных радиаторов и вентилятора, естественная конвекция
Таблица 3. Мощность потребления для трех типов задней подсветки ЖК-дисплеев
Потребляемая мощность, Вт
изображения, % Люминесцентные Статическая Активная динамическая светодиодная подсветка
катодом подсветка Абсолютное значение, Вт Нормализованное значение, %
8 33 26
11 43 34
33 110 126 65 51
60 85 67
81 94 75
Примечание: APL — Average Pixal Level — средний по экрану уровень светящихся пикселей.
Таблица 4. Основные параметры 70-дюймового дисплея Samsung
Параметр Значение
Диагональ экрана 70 дюймов
Формат экрана 1920x1080 пикселей
Собственный контраст ЖК-панели 2000:1
Динамический контраст свыше 100 000:1
Яркость 600 нит
Палитра 1 млрд цветов (105% NTSC)
Быстродействие, мс 8
Кодирование цветов интерфейса ЖК-панели 10 разрядов
ческая светодиодная подсветка обеспечивает выигрыш в энергопотреблении по сравнению с подсветкой на люминесцентных лампах с холодным катодом.
ЖК-телевизоры Samsung с широким динамическим диапазоном
Компания Samsung Electronics представила на ежегодной выставке Society for Display (SID) 2007, проходившей с 22 по 24 мая, 40-дюймовый ЖК-телевизор со светодиодной динамической подсветкой (рис. 11). Это устройство было удостоено в этом году золотой награды — SID Gold Award for Display of the Year. Модель имеет коэффициент контраста 10 000:1. Цветовой охват составляет 105% от стандарта NTSC.
Фирма Samsung в своих макетных образцах ЖК-дисплеев с активной динамической светодиодной подсветкой использовала матрицу цветных светодиодов в количестве 4608 штук. ЖК-панель имеет формат 1920x1080 пикселей. Достигнутый уровень динамического контраста — 20 000:1.
В другой модели ЖК-телевизора Samsung с 70-дюймовым экраном (рис. 12) также используется динамическая активная светодиодная подсветка (табл. 4).
Светодиодная матрица блока подсветки разбита на 192 сегмента или макропикселя. В отличие от других фирм Samsung использует в блоке динамической подсветки не светодиоды белого свечения, а отдельные светодиоды RGB. Каждый сегмент содержит по 16 красных, 16 зеленых и 16 синих светодиодов.
Рис. 11. 40-дюймовый ЖК-телевизор Samsung, призер SID'07
Рис. 12. 70-дюймовый ЖК-телевизор Samsung с широким динамическим диапазоном
Сегмент (пиксель светодиодной матрицы) формирует однородный световой поток белого спектра. Средний уровень яркости белого формируется массивом сегмента из 48 RGB-светодиодов. Общее число светодиодов в матрице 192x48 = 9216. Конструктивно блок подсветки состоит из 20 одинаковых модулей (рис. 13а). Модуль block unit представляет собой печатную плату с микросхемами драйверов и массивом светодиодов, соответствующим 8 сегментам. На плате модуля находится 48x8 = 384 светодиода и 24 микросхемы драйверов типа MBI5030.
Применяемая в ЖК-панели S-PVA технология уже сама по себе обеспечивает низкий коэффициент пропускания в черном состоянии. В сочетании с динамической системой подсветки для дисплея может быть получен практически бесконечный контраст.
Динамическая или локальная светодиодная подсветка будет использоваться во всей линейке крупноформатных ЖК-телевизоров,
которые будет выпускать Samsung (40", 46", 52", 57", 70").
Выводы
Успехи в разработке мощных светодиодов, особенного белого свечения, открыли новые возможности улучшения качества цветных ЖК-мониторов и ЖК-телевизоров.
Широкое применение динамической светодиодной подсветки в дисплейной технологии открыло новые возможности для улучшения дисплейных параметров, таких как динамический диапазон, динамика воспроизведения движущегося изображения, цветопередача, а также для снижения потребляемой мощности ЖК-дисплеев.
В перспективе применение метода последовательной модуляция по цветам в цветных ЖК-дисплеях позволит увеличить яркость, уменьшить потребление, увеличить разрешение. Продвижение дисплейной технологии HDR будет стимулировать развитие новых секторов для применений продукции с новыми качествами. Можно выделить два сектора для применения HDR-технологии — телевидение и специальное профессиональное дисплейное оборудование.
Для хранения видеоконтента с высоким динамическим диапазоном потребуются носители более высокой плотности. И такие разработки в настоящее время проводятся. Японская компания Matsushita Electric Industrial (Panasonic) официально сообщила о разработке оптического привода нового поколения, поддерживающего работу с дисками формата Blu-Ray. Эти приводы смогут записывать оптические носители емкостью до 25 Гбайт за 23 минуты, а 50-гигабайтные диски — за 43 минуты. ■
Литература
1. Ward G. High Dynamic Range Image Encodings. Anyhere Software
2. Seetzen H., Whitehead L. A., Ward G. A High Dynamic Range Display Using Low and High Resolution Modulators. SID'03 Digest.
3. BrightSide DR37-P Detailed Preliminary Specifications V2.0.
4. ST2226A PWM-Controlled Constant Current Driver for LED Displays. Silicon Touch Technology, Inc.
5. Seetzen H., Heidrich W., Stuerzlinger W., Ward G., Whitehead L., Trentacoste M., Ghosh A., Vorozcovs A. High Dynamic Range Display Systems.
6. Ward G. (BrightSide Technologies by Dolby). The Hopeful Future of High Dynamic Range Imaging. Digest SID'07.
7. Chen H., Sung J., Ha T., Park Y. (Visual Display Division, Digital Media Business, Samsung Electronics Co. Ltd., Suwon, Korea). Locally Pixel-Compensated Backlight Dimming for Improving Static Contrast on LED Backlit LCDs. Digest SID'07.
8. Peng H. J., Zhang W., Hung C.-K., Tsai C.-J., Ng K.-W., Chen C.-L., Huang D., Chueng Y.-L., Liu Y. (Material & Packaging Program, Applied Science and Technology Research). High Contrast LCD TV Using Active Dynamic LED Backlight. Digest SID'07.
9. Linl F.-C., Liao C.-Y., Liao L.-Y., Huang Y.-P., and Shieh H.-P. D., Tsai P.-J., Wang T.-M., and Hsieh Y.-J. Inverse of Mapping Function (IMF) Method for Image Quality Enhancement of High Dynamic Range LCD TVs. Digest SID'07.
