CN101369407A - 场序制彩色led背光源技术的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种采用彩色LED光源作为液晶显示器背光源的控制方法。它采用彩色发光二极管LED作为背光源，应用场序制原理分时点亮发光二极管，利用人眼的视觉暂留效应合成彩色图像；在分时点亮的时序中插入全黑帧，以减少在显示动态图像时的扫尾现象；混合正序和逆序点亮背光源LED，以减轻色乱现象的程度；另外还加入了动态区域控制的方法，以进一步提高对比度。应用本发明控制方法，可以进一步改善液晶显示器的工作性能和结构尺寸，延长使用寿命，增加液晶显示器的色彩表现力。

Description

场序制彩色LED背光源技术的控制方法

技术领域

本发明属于计算机多媒体技术领域，具体涉及一种基于场序制彩色LED背光源的控制方法。

背景技术

由于液晶本身不能发光，液晶图像的形成必须依赖外部的光源—通常所称的背光灯组件，通过面板上的薄膜晶体管(TFT)控制液晶“阻断”和“通透”背光灯，发出光线，来实现彩色画面还原。背光灯组件的作用主要是提供均匀的背景光源。传统的薄膜晶体管液晶显示器(thin film transistor crystal display，TFT-LCD)通常采用冷阴极荧光灯(cold cathode fluorescent lamps，CCFL)作为背光源。虽然目前的冷阴极荧光管技术已经非常成熟，但是其使用寿命短、体积大、对比度拉伸不够、功耗大、色域表现只有美国国家电视标准委员会(NTSC)的65％～78％，色彩表现力满足不了日益增长的视频需求。

发明内容

本发明旨在提供一种新型的液晶显示器的背光源的控制方法，以进一步改善液晶显示器的结构，增加液晶显示器背光源的色彩表现力。

本发明的技术方案是：一种采用彩色LED光源作为液晶显示器背光源的控制方法，其步骤如下：

a.采用RGB三色LED管作为液晶显示器的背光源；

b.采用场序制原理，分时复用液晶像素，顺序点亮R、G、B色LED光源，利用人眼的视觉暂留效应合成彩色图像；

c.将整个液晶显示器分成若干等份区域，每个区域分别由背光源控制电路控制相应的背光点亮顺序和亮度，独立点亮，对液晶显示器分区域动态控制，可以减少应用场序制彩色LED对液晶响应时间的限制；

d.在场序制的背光源点亮时序中插入全黑帧，消除动态图像拖尾的现象；

e.混合正序和逆序点亮背光源LED，每隔一定时间周期性地颠倒一下点亮顺序，以减轻色乱现象的程度。

本发明采用彩色LED光源作为液晶显示器背光源的控制方法具有以下优点：

1.发光二极管(LED)是一种固态的半导体器件，可以直接将电能转化为光能。彩色(红、绿、蓝三色)LED，即RGB-LED光源相对于CCFL冷阴极荧光管光源，具有很多的优点：厚度尺寸能做到更小，同时还拥有更高的可靠性和稳定性，RGB-LED光源的寿命很长，色纯度极高，色域范围达到NTSC标准色域的105％以上。

2.所谓场序制技术就是对于每一幅彩色图像帧，根据颜色将其分成红、绿、蓝三帧，按时间顺序先后发出，同时控制每个像素的薄膜晶体管(TFT)，使其按照这个像素在这种颜色所应当具有的强度来开启液晶。只要这三种颜色顺序重复周期小于人眼视觉残留时间，就可在人脑中形成一幅彩色图像。这个视觉残留时间实际上也就是电视场频周期，一般为60帧/秒。这也就要求在六十分之一秒的时间内必须完成红、绿、蓝三帧图像的显示。实际上就是对像素进行分时复用，然后靠人脑来合成彩色图像。相比于CCFL，由于不再需要滤光片来合成彩色图像，场序制技术大大降低了背光源的能耗，还将分辨率提高了三倍。

3.因为实际图像在每个具体部位的亮度不全都一样，均匀亮度的背光既耗费能量，又不利于对比度的拉伸。为了能够进一步降低能耗，提高对比度，本发明采用了一种分区域动态点亮的控制方法。将屏幕分成等大的小区域，每一个小区域都由背光源驱动控制板通过控制线分别控制。图像灰度采集模块将图像的灰度值传送给背光源驱动控制板，后者根据图像内容的灰度值对背光源的亮度进行调节，如果图像内容的平均灰度比较低，也就是画面比较暗，就通过控制线通知相应区域的背光灯，降低电压，使暗的地方更暗，亮的地方更亮，对比度较之于传统的均匀背光源大大提高。

4.运动图像拖尾现象主要是两个原因造成的。其一，液晶分子自身具有粘滞性，相位变化无法瞬间完成，总是需要一定的延迟，而连续的动态影像都是由大量的静态画面切换而成，如果切换动作延迟，势必影响到最终画面显示；其二，人眼具有所谓的“视觉暂留”特性，一般来说，如果切换过程小于16毫秒，人眼便会认为是连续的动态影像而无法感知延迟，但如果高于这个数值，人眼就会感觉到画面出现了延迟。为了克服这个障碍，本发明所述的控制方法通过FPGA时序控制模块将原始图像依照R、G、B三个分量分成三帧，依序使背光源驱动控制板的相应颜色的控制线有效，并在这个序列中插入黑色帧，也就是使控制三个颜色的背光源驱动控制线全部无效，关闭背光源，形成黑色帧，借此减少前一帧影像在人眼视网膜上暂留的时间，在视觉上就相当于切掉了部分模糊的影像，通过连续不断、周期性的插入黑色帧就可以彻底消除动态影像的拖尾现象。

5.虽然场序制RGB-LED背光源比传统的冷阴极荧光管背光源技术有更好的显色特性，它却存在一个潜在的缺陷—色乱(Color Break Up，CBU)，除了会降低显示影像的品质外，长时间的观看也有可能造成眼睛的疲劳，是一个不可忽视的现象。CBU可能发生于影像与人眼相对运动时。当人眼自左而右移动视线观看此图像时，人眼移动速度如大于显示器的响应速度，将会使影像各原色在视网膜上造成错位。此原色分离通常容易在移动方向的物体边缘上发生。因此将屏幕划分成独立的小区域显示都能减轻CBU的程度，提高显示图像质量。不仅如此，本发明还采用了周期性的颠倒RGBK(K表示黑帧)的点亮顺序，比如R，G，B，K，K，R，G，B......，也就是更改背光源驱动控制板三种颜色控制线的有效顺序。虽然CBU现象仍存在，但是人眼在同一时刻看到的是不同的单色发生色乱，一定程度上也减轻了CBU对原图像的毁损。

附图说明

图1是本发明控制方法的方框原理图；

图2是本发明控制方法的动态区域划分图；

图3是本发明控制方法的场序制RGB-LED图像帧序列时间轴顺序图；

图4是本发明控制方法的场序制RGB-LED背光源点亮和LCD面板的薄膜晶体管扫描时间逻辑图；

图5是本发明控制方法插入黑帧后的场序制RGB-LED图像帧序列图；

图6是本发明控制方法两种序列混合的场序制RGB-LED图像帧序列图。

图中标号：

1、液晶(LCD)面板；2、RGB-LED背光源；3、薄膜晶体管(TFT)源极驱动控制模块(Source driver controller)；4、薄膜晶体管(TFT)栅极驱动控制模块(Gate driver controller)；5、背光驱动控制模块(Backlight controller)；6、图像数据采集模块；7、FPGA时序控制模块；8～10、场序制RGB-LED背光源的顺序图像帧序列，按时间顺序分时点亮，假设图像帧顺序为RGB，那么对应着图2的顺序即为：8是R分量点亮，9是G分量点亮，10是B分量点亮。

具体实施方式

如图1所示，按照本发明采用彩色LED光源作为液晶显示器背光源的控制方法所构建的背光源控制系统由背光驱动控制模块5，图像数据采集模块6，FPGA时序控制模块7组成。液晶面板1的薄膜晶体管的源极和栅极分别由源极驱动控制模块3和栅极驱动控制模块4控制。图像数据采集模块6将原始图像数据分别传送给源极驱动控制模块3和栅极驱动控制模块4以及背光源驱动控制模块5。源极驱动3和栅极驱动控制模块4控制液晶面板的薄膜晶体管的通断，以通过或阻断背光源2的光线。背光源驱动控制模块5接收到图像数据后，配合着FPGA时序控制模块7输出的时序依序使相应颜色的控制线有效，从而控制背光源2各个颜色的灯管。具体控制过程如下：

首先，为了能够做到动态分区域控制背光源，需要将背光源2分成等大的小区域，每个区域都由背光源驱动控制模块5独立控制。综合液晶面板1的尺寸、分辨率和成本等几个要素，将背光LED分成等分区域。具体的区域数目计算方法可由以下得到：假设屏幕的分辨率是A×B，分成M×N块，图像信号帧频为60Hz，场序制RGB-LED三种颜色背光转换频率则为60*3＝180Hz，相应每个插入单色图像帧的最大可操作时间为5.56ms，已知液晶分子的响应时间是4ms，所以区域的扫描时间必须小于5.56ms-4ms＝1.56ms。假设数字图像信号处理器的时钟频率16.6MHz，扫描一个像素(确定此像素上单色的通透程度)需时一个时钟周期，那么扫描一个小区域的时间需要((A÷M)×(B÷N)/16.6MHz)ms，那么M、N参数的选取必须使扫描单个小区域的时间控制在1.56ms之内。如图4所示给出一个实例，2.4寸液晶屏，分辨率为320×240，分成4×4＝16等份，假设数字图像信号处理器的时钟周期16.6MHz，扫描每一块小区域的时间则为0.289ms，液晶响应时间4ms，每种颜色的点亮时间1.2ms，这三个时间之和小于人眼的视觉暂留时间，故符合场序制原理，可以由人眼自动生成彩色图像。

其次，背光驱动控制模块5要根据接收到的图像数据信息确定背光源的亮度，根据(1)式计算图像内容的平均亮度：

$V_N=\frac{\underset{a=1}{\overset{\frac{B}{N}}{\mathrm{\Σ}}}\frac{\underset{a=1}{\overset{\frac{A}{M}}{\mathrm{\Σ}}}G}{\frac{A}{M}}}{\frac{B}{N}}---\left(1\right)$

其中G表示像素的灰度值

得到了小区域的图像平均灰度之后，就可以确定此小区域的背光源亮度。

然后，FPGA时序控制模块7要能够按照场序制原理产生背光源三种颜色发光二极管的控制时序，如图3所示，每种颜色的重复周期为1/180秒。为了能够消除动态图像拖尾现象在FPGA时序控制模块中添加黑色帧时序，也就是添加三种颜色都无效的间隙，时序图如图5所示，图中：竖轴为灰度值，横轴为时间轴，由于加入了黑帧，相当于需要在1/60秒的时间内顺序点亮4种颜色，也就是每隔4.16ms点亮一个单色LED，RGBK四种颜色顺序点亮。为了消除色乱现象，在添加黑色帧时序的同时，颠倒四种间隙的顺序，时序图如图6所示，图中：竖轴为灰度值，横轴为时间轴，为了减轻色乱现象的程度，在顺序点亮RGBK之后，可以颠倒次序，例如RGBK，KRGB，......。

Claims (1)

1.一种采用彩色LED光源作为液晶显示器背光源的控制方法，其特征在于：

a.采用RGB三色LED管作为液晶显示器的背光源；

b.采用场序制原理，分时复用液晶像素，顺序点亮R、G、B色LED光源，利用人眼的视觉暂留效应合成彩色图像；

c.将整个液晶显示器分成若干等份区域，每个区域分别由背光源控制电路控制相应的背光点亮顺序和亮度，独立点亮，对液晶显示器分区域动态控制，可以减少应用场序制彩色LED对液晶响应时间的限制；

d.在场序制的背光源点亮时序中插入全黑帧，消除动态图像拖尾的现象；

e.混合正序和逆序点亮背光源LED，每隔一定时间周期性地颠倒一下点亮顺序，以减轻色乱现象的程度。

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