Fladskærms-TV har I løbet af få år overtaget TV-markedet. I dag dominerer LCD (Liquid Crystal Display) skærme markedet, ofte under betegnelsen LED (Light Emitting Diode) skærme på grund af brugen af LED lyskilder i skærmens bagbelysning.
Billedpunkterne i TV billedet dannes ved at LC (Liquid Crystal) elementerne styrer den lysmængde fra LED bagbelysningen der transmitteres. Dette gøres ved brug af farvefiltre i hvert billedpunkt for farverne rød, grøn og blå, således at det resulterende udsendte lys afstemmes i forhold til det billede, der skal vises.
I de mere avancerede LED skærme opereres med et antal LED segmenter som for hvert billede kan reguleres individuelt (På engelsk kaldes teknikken 'local backlight dimming').
I to samarbejdsprojekter mellem Bang & Olufsen og DTU Fotonik er der forsket i at kontrollere og udnytte denne teknik bedst muligt til at forbedre billedkvaliteten, specielt kontrasten i billedet, og samtidig reducere energiforbruget.
Et videosignal er en sekvens af billeder
'Local backlight dimming' giver en ny repræsentation af billedsignalet bestående af to synkroniserede signaler: Et signal til styring af LC elementerne for hvert billedpunkt og et til lokal styring af LED backlight segmenterne, se figur 1.
Et videosignal består af en sekvens af billeder. Ved TV broadcast med en billedrate på 25 Hz, sendes der 50 enkeltstående halvbilleder per sekund (interlacing). Disse halvbilleder bliver konverteret til 50 fulde billeder per sekund i TV'ets de-interlacer. Kilder som set-top bokse afleverer som regel 50 billeder per sekund via TV'ets HDMI snitflade.
For at opnå de bedste resultater analyseres hvert billede i videostrømmen og ud fra analysen bestemmes de to signaler. For et fuldt HD signal er der 1920x1080 billedelementer (pixels), hver bestående af en rød, grøn og blå sub-pixel, altså i alt over 300 million billedværdier per sekund.
En udfordring i forskningsprojektet har været at processere alle billedelementer kosteffektivt samtidig med, at der opnås de potentielle fordele i form af høj billedkvalitet og lavt energiforbrug. Teknikken kan også anvendes til gengivelse af HDR (High Dynamic Range) billeder med større effektiv kontrast og lysstyrke end almindelige skærme i dag kan gengive.
Dette kan være interessant i en række professionelle anvendelser. HDR teknologien vil sandsynligvis også blive introduceret i konsumentprodukter inden for de kommende år.
Styring af LED lokal bagbelysning
Den nyudviklede metode til billedafhængig styring af bagbelysningen, baseres på en matematisk model af de gengivne billeder på TV skærmen, kombineret med en beskrivelse af, hvordan det menneskelige syn opfatter billederne. Metoden kan anvendes på forskellige arkitekturer af bagbelysning, se figur 2.
De tynde LED skærme, der dominerer markedet i dag, er konstrueret med LED lyskilder på kanten af skærmen, hvis lys spredes i en 'Light Guide Plate (LGP)' kombineret med flere 'diffuser' lag bag skærmen.
I projekterne har vi arbejdet intenst med et TV med i alt 16 regulerbare LED segmenter, der danner bagbelysningen, otte i hver side af skærmen. Den type skærm betegnes som en edge-lit skærm og ved brug af lokal dæmpning betegnes denne for '1.5D dimming'.
Vi har også arbejdet med en egentlig to-dimensionel struktur i LED bagbelysningen hvor LED-erne er placeret bag ved skærmen (direct-lit) og her er der tale om '2D dimming'. Den initiale matematiske model kan beskrive begge TV modeller, dvs. både 1.5D og 2D dimming. For simpelheds skyld vil vi nu beskrive 1.5D dimming med 2x8 LED segmenter nærmere.
LC elementer indstilles så det ønskede lysudbytte opnås
Grundlaget i den fysiske model for skærmen er en punktspredningsfunktion for hvert af de otte segmenter i hver side, dvs. hvor meget lys bidrager hvert segment med i hvert billedpunkt ved en given udstyring, se figur 3.
Ved superposition af disse værdier bestemmes det samlede baggrunds lys pr. billedelement. Herefter indstilles LC elementerne i alle billedpunkterne (3 x 1920 x 1080), således at det ønskede lysudbytte opnås.
Ved at beregne det resulterende lys i hvert billedpunkt (3 x 1920 x 1080) på skærmen for hvert billede kan den bedste lysstyrke for hvert LED segment beregnes.
Gengivelse af sort er en udfordring med LCD
Billeder med høj kontrast er specielt udfordrende i denne forbindelse, hvor udfordringen er at få den bedste balance mellem en god sort i de mørke områder og tilstrækkelig lys i de lyse områder.
Grunden til at gengivelse af sort eller mørke områder er en udfordring i LCD skyldes at LC elementerne ikke lukkes helt. Dette ses fx ved at betragte en slukket skærm i sammenligning med en med mørke områder. Effekten betegnes lækage (leakage) og den er specielt udtalt når skærmen ikke betragtes lige forfra, men ved en vinkel.
Figur 4 illustrerer forskellen i lækage i sorte billedpartier mellem anvendelse af global dimming, hvor alle LED-erne udstyres til samme værdi, og 2D lokal dimming.
Billedet er sammensat således at venstre side af billedet viser lys-lækage på en skærm med global dimming og højre side af billedet viser lys lækagen på en skærm med 2D lokal dimming. Lækagen er størst til venstre i billedet. Det kan bemærkes at den øges mod kanten grundet en øget synsvinkel i forhold til kameraet, der er centreret i forhold til skærmen.
Lækage kan forbedres ved at reduvere bagbelysningen
Lysstyrken på grund af lækage i de mørke områder kan udtrykkes ved den brøkdel af lys, e, der slipper igennem et lukket LC element. Ved en given bagbelysning b bliver det resulterende lys be. Selv om lækagen, e, er meget lille er det væsentligt at tage højde for at følsomheden af vores syn er stærkt ulineært og meget højere i mørke end i lyse områder og omgivelser.
Den resulterende lækage kan forbedres ved at reducere bagbelysningen, b, men det kan betyde, at der så er for lidt lys til de lyse områder i billedet, hvilket betegnes klipning (clipping).
Den bedste løsning på balancen er løst matematisk (se figur 5) samtidig med at der opnås en effektiv reduktion af energiforbruget i bagbelysningen.
Beregning af den matematisk optimale løsning med præcis beregning af bagbelysning og tilhørende LC værdier i 6 millioner farve pixels 50 gange i sekundet er meget beregningskrævende. Derfor er der udviklet hurtige løsninger, der tilnærmer sig det matematisk optimale og i praksis leverer en optimal løsning.
Lysmålingerne muliggøres med sensorer i TV'et
TV betragtes almindeligvis i rum med en belysning, der bl.a. varierer med tidspunktet på dagen. B&O har i mange år målt på det omgivende lys og været pioner inden for området med at regulere diverse billedbehandlings algoritmer som funktion af det omgivende lys, både dets intensitet og dets farve.
Lysmålingerne muliggøres ved at indbygge en eller flere lysfølsomme sensorer i TV’et.
I et EUDP projektsamarbejde blev effekten af den omgivende belysning inddraget mhp. at udbygge kontrol af LED bagbelysningen og få en bedre forståelse af samspil mellem omgivende lys og TV ved almindeligt brug. Til dette formål er modellen udvidet til at omfatte den givne kigge situation, og styringen af bagbelysningen kan inddrage dette.
Udvalgte algoritmer til kontrol af bagbelysning blev simuleret ved DTU Fotonik og testet hos B&O både ved test med ensartet omgivende belysning og test med forskellig lysstyrke i den omgivende belysning. Det blev demonstreret og analyseret, hvordan det omgivende lys påvirker opfattelsen af de mørke områder. Testene er blevet udført som subjektive præference forsøg med et stort antal testpersoner.
Resultatet af projektsamarbejdet og teknikkerne lokal dimming og brug af ambient light er en samtidig reduktion af energiforbrug og en signifikant forbedring af den oplevede billedkvalitet ved typisk TV kigning fx. i en dagligstue.
BeoVision Avants algoritme er kombet sammen med lysmålere
I hvert TV fra Bang & Olufsen er billedkvalitet og energiforbrug vigtige elementer for kundens samlede oplevelse. Derfor er der i den seneste Ultra HD (UHD) TV familie fra Bang & Olufsen, BeoVision Avant, anvendt to forskellige backlight dimming teknologier (se figur 2).
For de store 85 og 75 tommer skærme er der anvendt 2D dimming teknologi. Disse direct-lit skærme har henholdsvis 960 og 720 LED-er fordelt over 20x12 og 18x10 segmenter med hver 4 LED-er. I BeoVision Avant 55 tommers edge-lit skærm er der tale om 160 LED-er fordelt over venstre og højre kant af skærmen, 2x8 segmenter med hver 10 LED-er.
Med en UHD skærmopløsning på 3840x2160 pixels, 4 gange flere pixels end i et Full HD TV, har det været en udfordring at implementere de avancerede dimming algoritmer.
Bang & Olufsens dimming algoritme er implementeret i en Xilinx xc7a200t Field Programmable Gate Array (FPGA), som også rummer diverse andre Bang & Olufsen billedforbedringsalgoritmer såsom digital støjreduktion, skarphedsforbedring og diverse realtids billedanalyse målere til adaptive billedbehandling.
FPGA-en består af to SW kerner, hvoraf den ene kerne er dedikeret til dimming algoritmen, samt et stort logik areal til matematiske beregninger som er konfigureret ved hjælp af VHDL programmering.
BeoVision Avants backlight dimming algoritme er koblet sammen med TV’ets to lysmålere for at sikre optimal adaptivitet i forhold til omgivelseslyset.
Energimærkning og –forbrug
Det årlige energiforbrug af TV apparater i EU blev estimeret til 60 TWh (200 PJ) i 2007. Med en stigning i årlig salg af TV fra 35 mill. Stk i 2006 til 61 mill. Stk. i 2011 i EU og en generel forøgelse af skærmstørrelsen er energibesparelse i TV et vigtigt område.
LED bagbelyste LCD TV er den dominerende teknologi på markedet og bagbelysningen står for det meste af energiforbruget. Derfor har energieffektive løsninger til kontrol af LED bagbelysning et stort potentiale for energibesparelse verden over.
De senere år er der både lovgivet om energiforbrug i TV apparater og indført energimærkning, som det kendes fra køleskabe. Kravene bliver skærpet med jævne mellemrum, i takt med at teknologierne skrider frem.
Den udviklede kontrol af bagbelysningen inkluderer en omkostningsfunktion på energiforbruget, således at der kan foretages en vægtning af energiforbrug og billedkvalitet på en måde, så der for et givent energiforbrug fås den bedste billedkvalitet.
Der er en fin sammenhæng mellem energiforbrug og at den bedste detalje gengivelse opnås ved lavt omgivende lys, som det også kendes fra biografen. Ved et lavt omgivende lys kan skærmens lystyrke med fordel reduceres, således at der spares energi både i stuebelysningen og TV’et.
OLED skærme vil eliminere bagbelysningen helt
Dimming teknologien har været meget interessant at arbejde med, idet det ved anvendelse af samme teknologi har været muligt både at øge billedkvaliteten og forbedre energiforbruget på samme tid.
Andre skærmteknologier som OLED og Quantum Dot står på spring. Ægte OLED skærme vil eliminere bagbelysningen helt med potentielt et meget lavere energiforbrug fordi kun de aktive pixels skal lyse op.
Quantum Dot derimod kan gøre LED bagbelysningen i LCD skærme mere effektiv, på grund af en mere energieffektiv konvertering til rødt og grønt lys af det blå lys LED-erne i bagbelysningen genererer.
I alle tilfælde er effektiv kontrol og nøjagtig karakterisering nødvendige for at opnå høj kvalitet som muliggøres ved nye TV formater som fx UHD når det udvides med et større farverum (høj farve gamut), som blandt andet bedre kan gengive mættede farver.
En anden interessant applikation af LED bagbelysning er HDR (High Dynamic Range) billeder og video, hvor lysstyrken og kontrasten øges væsentligt.
