视频终端降低功耗技术的研究

　　0 引言

　　AIoT、物联网、5G、8K等新技术发展较快，终端显示承担了信息呈现的重要作用，“屏”是和“芯”并驾齐驱的器件。显示技术是技术创新链条上的重要一环。人们对终端显示设备的要求也越来越高。

　　视频终端功耗分为面板功耗、背光功耗、外围电路功耗等几部分。整机制造商通常采用以下思路进行降低功耗。

　　1）智能控制，利用智能感应系统控制电源管理系统，实时选择不同的电源管理模式，从而达到节能的目的。智能控制技术可以使电视在无信号、无操作情况下使整机进入待机状态，实现了电源系统的节能，最高可达50%以上。同时有些电视通过配置光感器，根据环境的明暗自动调节图像亮度，从而减少不必要的能源消耗。

　　2）从电源管理和电路设计下手，采用新型的电源系统结构，优化驱动电路与电源电路，提高线路转换效率，从而提高整机的电能转换效率，最终减少电能浪费，实现电视整机节能。

　　3）采用动态背光控制技术和低能耗模块设计，以及合理利用CPU的I/O及继电器控制，实现待机时对主供电电路电压的彻底切断，可以有效降低电视机产品整机的待机功耗。

　　1 HDR功率控制技术

　　HDR指图像的高动态范围。在明视觉时人眼所能感受的亮度范围，从千分之几cd/m 2 到几百万cd/m 2 ，所能感受的瞬时对比度范围可达10000∶1，而目前市场上显示终端显示、手机等的亮度一般在200~500cd/m 2左右，其对比度范围一般为1500∶1。因此，人眼的亮度、对比度分辨能力远高于当前的终端显示设备。而HDR显示技术就是要提升显示的亮度、对比度范围，让我们看到的图像色彩更加接近现实世界（如图1、图2）。相比普通的图像，HDR可以提供更多的动态范围和图像细节 [1] ，能够更好地反映出真实环境中的视觉亮度变化效果。HDR技术带来的画质提升即使是普通观众也能用肉眼辨别，因此众多电视机、手机等厂商纷纷在终端显示产品上搭载了HDR技术。

　　HDR技术的运用不是单一的某个环节，而是关系到画面显示的整个生态系统。在目前超高清显示终端和视频传输的技术参数，HDR是其中关键的技术指标，它提供了更多的图像细节和层次，能够表现出画面从最暗到最亮的亮度变化范围，提供更好的图像“沉浸感”，可在不同亮度上提供更高的画面对比度，提升边缘锐度，提供宽广的色彩数量和更明亮的颜色 [1] 。

　　目前HDR共有4种标准：Dolby Vision、HDR10、HLG和SL-HDR1，无论是哪种标准，对功率的控制都是必须要考虑的。例如电视的亮度是400cd/m 2 ，在电视直接播放时，会导致显示画面中超过400cd/m 2 的部分都显示为400cd/m 2 ，这样画面会过曝，并使得屏幕功耗高，整机功耗就会升高。各家电视厂商虽然会自己做一些映射，具体的功耗情况会各异，但画面过曝导致功率升高是非常明显的。在HDR做降低功耗适配，可以使总体的画面亮度避免出现过曝，对比度分布更符合原始HDR的对比度分布，从而比直接播放节省能耗。

　　2 背光控制技术

　　2.1 局部调光

　　目前绝大多数显示设备都采用LED背光，在液晶面板后面有很多颗LED灯分布。以前都是Global Dimming(整体亮度调整)控光。所以有些显示画面在暗区只是通过开关液晶转向实现亮暗变化，这部分画面背光依然打开，这些背光的存在明显带来功耗上升，同时也会降低显示图像的对比度。

　　局部调光（Local Dimming）动态背光技术是将整个画面分割成若干个小区域分别进行背光亮度控制，整个画面分割成若干个小区域，每个小区域均有1个LED灯板(如图3)，在暗画面位置对应背光关闭。这样相对于整体画面均点亮背光的方式，能耗大大降低。

　　在LED电视背光方案中，有侧入背光和直下式背光两种不同的LED背光技术。其中直下背光方式可以更好地实现背光分区控制，既可以提高画面的色彩表现和图像的对比度，同时也大幅降低了功耗。

　　终端显示芯片对每帧视频信号进行计算，处理后得到每帧画面的灰度信息，并输出给相应的背光区域。图4是图像内容分析的算法实现流程框图，首先把分割后的图像进行直方图统计，根据其特性调整背光亮度；同时，用直方图统计的图像特性来调整图像处理参数，获得更好的图像对比度效果，并通过边界补偿防止图像的清晰度降低。

　　图5所示是一套完整的LED动态背光电视系统。在机芯板完成图像计算功能后，把数据给到动态背光控制板，由控制芯片分析视频数据，得到最佳的LED背光控制方案，并分别生成LCD面板的显示信号和LED背光的数据信号，其中，LCD面板显示信号送给T-con，LED背光数据信号送到LED背光，实现根据图像信息动态调整LED背光，从而降低整机功率。

　　在播放动态视频时，背光随着图像内容的变化而变化，在画面黑色部分或者相对暗的区域，则把该区域的背光进行关闭或者把这部分的背光亮度降低。通过功率计测试，同一幅画面，打开Local Dimming功率会降低35%，显示画面对比度提升10%。在降低功耗的同时提升了显示画质。

　　2.2 背光电路降低功耗

　　功耗产生还有电子电路的部分，不同的电路设计虽然功能可以相同，但电路功耗却往往相距甚大 [2] 。随着微处理器性能的提高，功耗问题分为静态功耗和动态功耗，静态功耗占比越来越大。电路设计和元件选取考虑的因素很多，比如动态调整芯片的时钟频率和供电电压。其中动态电压调整技术（DVS）是利用CMOS工艺芯片的峰值频率和供电电压正比，如果降低芯片的核心供电电压并降低芯片的clock（时钟）频率，这样芯片的功耗也会大幅度降低。目前一些SoC的核心电压已经降低到1.5V。

　　3 结语

　　通过Local Dimming、新型HDR架构可以达到显著的降低功耗的效果。适用于终端视频设备中。

　　当然除了本文论述的上述方法外，还有中断、外部扩、软件架构优化等多种方法实现功耗的控制。而且随着技术的进步，也会对降低功耗提出新的要求。

　　参考文献：

　　[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] 杨素行.模拟电子基础简明教程[M].北京:高等教育出版社,2006.