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带有Mini-LED背光的高动态范围液晶显示器
GUANJUN TAN,1,3 YUGE HUANG,1,3 MING-CHUN LI,2 SEOK-LYUL LEE,2 AND SHIN-TSON WU1,*
摘 要
我们使用二维局部调光Mini-LED背光分析高动态范围液晶显示器（LCD）的性能。通过数值模拟和人类视觉感知实验研究了这种HDR显示系统的光环效应。光环效应主要受两个因素控制：固有LCD对比度（CR）和调光区数。根据我们的结果，为了将光环效应抑制到难以区分的水平，具有CR5000：1的LCD需要大约200个局部调光区域，而对于具有CR2000：1的LCD，所需的调光区域数量超过3000。我们的模型为优化Mini-LED背光LCD提供了有用的指导，以实现与OLED显示器相当的动态对比度。
1.简介
高动态范围（HDR）是下一代显示器的重要特征[1,2]。HDR显示器必须具有高对比度（CRgt; 105：1）才能同时显示高亮度区域和低亮度区域中的详细图像。为了实现HDR，需要高峰值亮度和显示系统的优异暗态[3,4]。例如，亮态的亮度应超过1000尼特，而暗态应低于0.01尼特[5]。如今，液晶显示器（LCD）[6]和有机发光二极管（OLED）[7]是两种领先的显示技术[8]。然而，OLED和LCD都需要实质性改进才能实现HDR功能。首先，OLED是一种发光显示器，因此，显示真正的黑色状态相对容易[9,10]。然而，要实现超过1000尼特的亮度将需要相对高的电流，这将损害寿命[8,11]。另一方面，LCD是非发光显示器并且需要背光单元，例如白色发光二极管（LED）[12]或蓝色LED泵浦量子点[13]。 LCD的一个主要优点是它可以通过提高LED亮度来实现高亮度（大于1000尼特）。然而，缺点是其有限的对比度（CR），这取决于液晶排列。例如，主要用于TV的商用多域垂直对准（MVA）LCD可以提供CR5000：1，其仍然比HDR要求低20倍。因此，如何实现HDR正成为LCD的一项重要而紧迫的任务。为了克服这一挑战，在LCD背光单元中采用分段LED，其中局部区域可以独立调暗以匹配显示的图像内容[14-20]。这种所谓的局部调光技术可以有效地抑制暗态光泄漏并大大提高对比度。已经开发出直接照明型[5,14-17] 和侧光式[18-20]局部调光背光系统。直射式本地调光表现出更好的HDR性能，而侧光式背光提供更薄的轮廓[19,20]。无论是直接照明还是边缘照明，局部调光的常见问题是光环效应。由于LCD面板的漏光，光晕伪影通常出现在深色背景上的明亮物体周围。已经进行了关于如何通过背光调光算法改善图像质量的广泛努力[2,21-24]。从器件的角度来看，更高的固有LCD对比度和适当的局部调光区是两种有前景的方法。
最近，Micro-LED和Mini-LED备受关注。芯片尺寸小于100mu;m的微型LED被认为是未来显示器的革命性技术[25-28]。然而，微型LED传质的制造产量仍然是一个巨大的挑战。另一方面，迷你LED具有比微型LED更大的芯片尺寸（100~500mu;m），并且其制造也更容易。因此，迷你LED是实现LCD局部调光的理想背光源。除了高亮度（gt; 1000尼特）外，迷你LED背光还可提供10,000多个局部调光区域，以实现出色的HDR性能。更重要的是，由于迷你LED尺寸小，它可以提供自由形状的轮廓和窄边框，这是智能手机应用非常需要的。到目前为止，还没有详细讨论具有迷你LED背光的LCD的系统建模和性能评估。
在本文中，我们开发了一个数值模型来分析和优化具有迷你LED背光的HDR的LCD系统。所提出的模型能够分析从迷你LED背光，漫射器到LC面板的整个显示系统，并最终产生由系统显示的全色图像。选择CIE 1976 L*a*b*颜色空间中的峰值信噪比（PSNR）作为评估HDR性能的度量，主要是光晕效应。基于该模型，分别研究了局部调光区数和固有LCD CR的影响。然后，设计并执行主观感知实验以确定HDR内容的人类视觉感知极限。我们的结果表明，具有CR5000：1（MVA TV）的LCD将需要gt; 200个调光区域以实现不明显的光晕效应。对于CR2000：1的LCD，所需的调光区域超过3000。
2.设备模型
2.1仿真模型和验证
图1.带有迷你LED背光的LCD显示屏示意图。
图1描绘了具有直接点亮的迷你LED背光的LCD系统的器件结构，其未按比例绘制。背光单元由方形微型LED阵列组成，芯片尺寸为s，节距长度为p。为简单起见，我们假设所有迷你LED具有相同的角度发射模式I0（theta;）。当然，可以应用不同的发射模式满足不同的应用需求。在不失一般性的情况下，我们的模拟采用朗伯发射。然后应用漫射板以散布光以获得良好的空间均匀性。在我们的模拟中，我们使用点扩散函数（PSF）理论[24,29]来模拟从迷你LED背光到LCD面板的光传播。扩散板用于加宽空间和角度分布。双向散射分布函数（BSDF）可用作扩散板的精确描述。在这里，我们可以进行合理的简化。穿过漫射器的光的角度分布被描述为Id（theta;）。此外，我们假设Id（theta;）遵循朗伯分布，即Id（theta;）cos（theta;），对于强扩散器。此外，该假设也适用于颜色转换膜，例如磷光体或量子点层。扩展的空间分布遵循二维高斯函数：
(1)
其中（，）是入射源点的位置，rho;是空间分布的标准偏差。可
以调整标准偏差rho;以实现良好的空间均匀性。
在我们的模拟中，系统设置基于[30]中报告的设备配置。迷你LED阵列的尺寸为p=1mm，s=0.5mm。通过考虑背光，漫射板和LCD面板之间的基板和粘合剂层，有效光漫射距离设定为H1=0.4mm和H2=0.5mm，以获得良好的空间均匀性。然后我们模拟一个带有迷你LED背光的6.4英寸2880times;1440 LCD系统。等式中的扩散标准偏差rho;。将（1）调整为rho;=0.4mm，以便在整个显示板上产生均匀的亮度。通常，背光的边缘将比中心区域更暗。因此，我们还将背光区域（146 mmtimes;74 mm）设置为略大于LCD面板（144 mmtimes;72 mm），以确保出色的均匀性。
图2.小型LED背光局部调光调制，具有（a）模式I，（b）模式II，（c）模式III和（d）
模式IV。 模拟显示的图像：（e）图案I，（f）图案II，（g）图案III和（h）图案IV。
为了验证我们的模型，我们模拟了具有局部调光效果的上述显示系统，然后将我们的结果与[30]中报告的实验数据进行了比较。根据[30]，背光由24times;12个局部调光区组成，每个区有6times;6个迷你LED,可以独立调制。采用的面内切换（IPS）LCD面板的CR1500：1。我们调查了四种测试模式，如图2（a）-2（d）示出，并计算出相应的动态对比度。 图2（e）-2（h）显示了它们相应的显示模式。表1比较了计算的动态CR。
从表1中，我们的模拟结果与来自[30]的测量数据相当吻合。 应该提到的是，对于这种高CR测量，黑色状态接近所采用的光电二极管检测器的噪声水平。因此，预计测量的CR会有一些变化。
表1.四种测试模式的模拟和测量[30]动态对比度。
2.2显示的图像模拟和评估指标
如上所述，我们的仿真模型可以预测显示系统的动态对比度。虽然完整的模拟模型应该能够模拟显示的图像，然后评估HDR性能。因此，我们的以下工作是进一步开发模型以模拟最终显示的图像。目标是使我们的模型能够将设备结构与最终的HDR显示性能相关联，尤其是光晕效应。
对于显示的图像模拟，首先我们需要分别确定如何调制迷你LED背光和LCD面板。由于我们主要关注光环效应，我们使用Max算法[2] 和LC像素补偿[29]来最小化削波效应。对于使用我们的系统显示的目标图像，我们首先根据背光局部调光区域将图像分成几个区域。在每个区域内，目标图像的最大亮度用于确定相应的迷你LED背光区域的亮度。利用所提出的模拟模型，可以计算入射在LC层上的光的亮度分布。然后我们可以通过LC层上的亮度与目标图像的亮度之间的比率来确定LC面板的透射率。LED背光调制深度合理地设置为10位，而LC面板透射率调制为8位。这里我们给出了深色背景中“蜡烛”图像的一个例子，如图3所示。迷你LED背光调制如图3（a）所示，并且模拟亮度分布入射在LC层上。在图3（b）中。通过分别考虑通过R/G/B通道的LC面板调制，我们可以获得最终显示的全色图像，如图3（c）所示。
图3.显示的图像模拟：（a）微型LED背光调制; （b）入射在LC层上的光的亮度分布，和（c）LCD调制后的显示图像。
虽然不容易观察，但由于LC面板的漏光（CR~1500：1），图3（c）中仍然存在明亮蜡烛区周围的光环。需要评估指标来定量评估光环效应。 在我们的分析中，需要考虑亮度和颜色。 因此，CIE 1976 L*a*b*颜色空间中的峰值信噪比（PSNR）可用于我们的评估。传统的CIE 1931 XYZ坐标可以通过[31,32]轻松转换为L*a*b*颜色空间：
,
,
得出
在LAB颜色空间中，L*表示亮度值，a*表示绿-红分量，b*表示蓝-黄分量，以及方程式中的Xn，Yn和Zn。（2）分别是参考白色的XYZ值，基于Eq。（2），我们可以在L*a*b*颜色空间中定义颜色差异，这是两种颜色之间的感知差异，同时考虑亮度和色度差异[31,32]：
,
其中Delta;L*，Delta;a*和Delta;b*是显示图像和目标图像之间的差异。 有了它，我们可以通过以下等式[24]定义LabPSNR：
LabPSNR=10
其中m和n是图像分辨率（在我们的例子中是2880times;1440），Delta;
Emax是黑色和白色之间的差异。在我们的模拟中，归一化的Delta;Emax设置为100.然后，使用LabPSNR作为评估度量，我们能够量化显示的图像和目标图像之间的差异。
在图3中，背光仅具有288个局部调光区域，并且LCD对比度为1500：1。在下面的模拟中，我们将讨论局部调光区域编号和LCD对比度如何影响最终显示性能。蜡烛图像再次用作示例。具有不同局部调光区域的显示图像的L*a*b*色差Delta;E如图4所示。图4中的对比度均保持在1500：1。在图4（a）至4（d）中，局部调光区的数量分别为18,288,1152和10368。每个区域中相应的迷你LED数量为24times;24,6times;6,3times;3和1times;1。如图4（a）-4（d）所示，我们可以找到一个明显的趋势：显示的图像失真随着局部调光区数的增加而减小。特别是，明亮蜡烛周围的光环区域急剧减少计算出的LabPSNR从39.9 dB提高到48.8 dB。
图4.具有不同局部调光区域编号的目标和显示图像之间的L * a * b *色差Delta;E：a）18; b）288; c）1152和d）10368。
除了局部调光区数外，LCD对比度是影响最终HDR性能的另一个重要因素。因此，我们还分析了固有LCD对比度的影响。图5显示了显示图像的模拟Delta;E，其中CR从1500：1增加到4500：1。在图5所示的模拟中，局部调光区号设定为1152。 如图5（a）-5（d）所示，随着LC对比度增加，颜色失真Delta;E值减小，晕区不变。 此外，LabPSNR从46.9 dB增加[图 5（a）]至51.6 dB [图5（d）]。从图4和图5可以区分局部调光区数和LCD对比度的影响。调光区域数主要影响光晕区域，而LCD对比度影响局部图像失真。
图5.具有LCD对比度的目标和显示图像之间的L * a * b *色差Delta;E：a）1500：1; b）2500：1; c）3500：1和d）4500：1。
3.主观实验
如上所述，更多局部调光区和更高的LC对比度可以减少光晕效应并改善显示性能。然而，调光区的最小数量和LC对比度尚未明确量化。在本节中，设计并实施了一个主观实验来测量人类对光环效应的视觉感知极限。在获得视觉感知极限的情况下，可以估计具有难以区分的光晕效果的理想HDR显示器所需的局部调光区域编号。在我们的实验中使用了十张图像。如图6所示，所有图片都具有符合HDR内容要求的高亮点和暗区。与此同时，还考虑了图像内容的多样性。一些图片通常是明亮的图。如图6（a），6（c）和6（g）所示，一些区域具有大部分暗区，如[图6（a），6（c）和6（g）]，[ 6（d），6（f）和6（j）]。而且，如图6（b），6（d）和6（f）所示，高亮度像素在暗背景中精细地散布。而在图6（c）和6（h）-6（j）中，存在相对集中的明暗块。
图6.主观实验中使用的HDR目标图片：a）海滩，b）城市之光，c）圣诞节，d）烟花，e）塔，f）星星，g）日落，h）华夫饼屋，i）灯 ，和j）蜡烛。
3.1图像渲染
基于前一节中描述的模型，我们通过具有迷你LED背光的LCD系统模拟显示的图像。十个不同的局部调光区域编号（1,2,8,18,72,288,648,1152,2 2592和10368）和七个LC对比度（1000：1,1500：1，2000：1,3000：1,4000：1,4500：1和5000：1）应用于每张图片，总共产生七十种不同的渲染条件。在以下实验中，选择了70个模拟图像，覆盖所有渲染条件。多种图像内容均匀分布在不同数量的局部调光区域和不同的LC对比度中。lt;
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