如何在不增加功耗的情況下提高移動視頻的LCD亮度?

　　移動手機已迅速地從一個簡單的手機演進為一個能讓用戶分享照片、電郵接入、玩游戲、網(wǎng)上沖浪及尋找他們中意的餐廳這些功能集一身的復(fù)雜設(shè)備。對于硬件設(shè)備的影響則是RF、LCD及應(yīng)用處理器之間的電能用量有更為均等的分割，是來自傳統(tǒng)的單一功能蜂窩電話所使用的RF/處理器主宰的系統(tǒng)的戲劇性轉(zhuǎn)變。

　　對于設(shè)計工程師而言，最新的應(yīng)用挑戰(zhàn)是能播放視頻及電視節(jié)目的新一代電話或便攜式設(shè)備。這些應(yīng)用提出了一個矛盾的挑戰(zhàn)，因為它們不僅實質(zhì)上消耗更多電能，也需要更多亮度達到理想顯示效果，該功能反之也需要更多的功耗。該設(shè)計要求進一步阻礙工程師在控制整個設(shè)備成本的同時有效地平衡性能與功耗的要求。

　　移動視頻顯示需求

　　顯示屏產(chǎn)業(yè)早已認識到：目前的顯示技術(shù)在不妨礙新技術(shù)采用的情況下，不能滿足下一代設(shè)備的功耗要求，并且應(yīng)該更多地著眼于找到通過修改顯示屏就能優(yōu)化性能并控制過多耗電的方法。這一點往往是簡單地通過降低背光功耗來得以實現(xiàn)，犧牲了亮度但對大多數(shù)現(xiàn)有應(yīng)用而言仍會有不錯的性能。然而，隨著移動電視的問世，對更醒目亮度的需求日益凸顯，這對功耗/性能之間的挑戰(zhàn)增添新的因素。

　　除非亮度足夠高，具有視頻功能的設(shè)備仍不會令那些想要清晰地看到屏幕上所有細節(jié)及圖像的消費者感到滿足。目前市場上許多被設(shè)計到蜂窩電話或便攜式設(shè)備之中的小顯示屏所展示的平均亮度為200尼特（nit）。然而，要想很滿意地查看移動電視內(nèi)容的詳盡細節(jié)或觀看視頻，就急需使亮度水平增加2到3倍，達到 400尼特或更高，與一臺家用電視機的亮度接近。

　　圖1：250 尼特顯示屏

　　圖2：500 尼特 顯示屏

　　雖然對亮度的作用早有認識，由于電池壽命不足以支持這樣的高亮度顯示，它并沒有廣泛地應(yīng)用于手持產(chǎn)品中。

　　讓我們試想一下，例如，一個典型的250尼特顯示屏（圖1）上正在顯示的kayaker圖像與一個適于觀看移動電視的具有500或600尼特亮度的顯示屏（圖2）相比較。視頻應(yīng)用要求亮度約為400尼特或更高，造成顯示屏背光亮度增加至少2倍的功耗要求。

　　PenTile RGBW技術(shù)

　　通過該簡單的比較，顯然必須增加亮度標(biāo)準(zhǔn)以適應(yīng)移動視頻應(yīng)用的要求，這也意味著設(shè)備的功耗要相應(yīng)的降低。要在背光亮度轉(zhuǎn)變中達到2X（倍）到3X的改進意即增加2X到3X的功耗。而且因為移動視頻應(yīng)用使背光的使用時間延長，會消耗顯示中的電能達90%，關(guān)閉背光也不可取，它會進一步加劇移動設(shè)備的功耗控制問題。

　　此外，還有其它原因致使移動視頻消耗更多功耗。與靜止的圖像不同，視頻要求有更長時間段的瀏覽，它還需要對MPEG解壓。即使是最有效的微控制器 （MCU），在處理MPEG時也要比處理其它任務(wù)消耗更多的電能。也許功耗需求增加的最主要因素來自于對視頻的顯示屏顯示亮度要求的認識。與文本、日歷甚至網(wǎng)絡(luò)瀏覽器應(yīng)用不同，視頻要求更大范圍的亮度以補充從戶外運動到室內(nèi)甚至在夜間情景下的大量動態(tài)范圍的變化。

　　同樣，具有視頻功能的移動電話的趨勢正向著能提供視頻圖形陣列（VGA）方案、262K到16M種顏色，色域100%接近全國電視系統(tǒng)委員會制式 （NTSC）這樣色彩豐富的顯示屏方向發(fā)展。此外，由于寬頻減少了為在屏幕上觀看整個圖像水平滾動的次數(shù)，寬屏格式也漸被采用來觀看視頻和以原有的格式玩游戲或瀏覽網(wǎng)頁。所有這些需求增加了功耗，尤其是背光的功耗，能使功耗預(yù)算增加達250mW之多。

　　組件制造商們正對一些潛在的方案著手研究，這些方案包括：開發(fā)新的顯示器工藝；在LCD或背光中采用增亮片；或與透反式LCD、OLED或其它能提供更大光亮度的新型設(shè)計相結(jié)合。此外，改進電池技術(shù)的很多工作也在進行之中。然而這些革命性的措施并不能滿足觀看移動視頻所要求的亮度、分辨率及低功耗等要求；而且在某些情況下，由于涉及到額外的制造成本，卻是成本制約因素。

　　PenTile RGBW顯示屏技術(shù)

　　由人類視覺先驅(qū)Clairvoyante所開發(fā)，PenTile RGBW技術(shù)能夠在不降低分辨率或增加數(shù)據(jù)中心設(shè)備功耗使用的情況下，獲得更高亮度水平。

　　PenTile技術(shù)把一種白色子象素填加到由紅、黃、藍三色組成的傳統(tǒng)RGB條紋排列中，然后再應(yīng)用相應(yīng)的子象素成像技術(shù)，以人類看見圖像的方式對那些子象素進行更好的排列。這樣就確保生成那些不能被人眼所看見的圖像時，不會損耗顯示屏功率及亮度源。

　　圖3：子象素成像能使顯示屏獲得接近雙倍的白色亮度或降低功耗達50%。

　　要用人類視覺獲得更好的排列，PenTile子象素成像技術(shù)為每一個子象素單獨編址。它減少了子象素的總體數(shù)量但增加了個體的尺寸，并且把一種白色（清晰）子象素填加到排列模式中，形成一種RGBW象素設(shè)計，該設(shè)計比傳統(tǒng)RGB條紋顯示屏更明亮、分辨率更高。因為更多的背光能通過更大及半透的子象素發(fā)光，而不是被RGB條紋采用的更小的紅、綠、藍子象素構(gòu)成的緊密排列的所阻止，透射率及亮度均得到了增加。由于子象素越大，開口率越大，加之利用白色子象素，在功耗沒有增加的情況下實現(xiàn)了白色亮度近兩倍的增加。PenTile技術(shù)集成能有選擇地把功率效能增加一倍，并能通過削減資源驅(qū)動器的數(shù)量及減少特定亮度輸出水平所要求的背光LED數(shù)量而節(jié)約材料的成本。

　　采用PenTile RGBW技術(shù)進行處理

　　由于大量功耗因背光及仍少于5%的LCD透射率所消耗，幾乎沒有幾種方法能使手持設(shè)備顯示屏的功效獲得顯著改進。或許在效率上的最大收益是向著具有更高開口率顯示屏的方向邁進，這可能與非晶硅（aSi）薄膜晶體管（TFTs）甚或低溫多晶硅（LTPS）技術(shù)的進步有關(guān)，通過采用 Clairvoyante＇s PenTile RGBW技術(shù)，它們的優(yōu)越性就可被進一步轉(zhuǎn)化為資本得到體現(xiàn)。

　　如下所示，與傳統(tǒng)的RGB LCD不同，PenTile技術(shù)利用多種顏色濾光器的不同排列。如下所示，人們可把一個白點寫入到一個PenTile RGBW顯示屏中與常規(guī)的RGB條紋顯示屏進行對比。

　　當(dāng)編寫由黑線和白線構(gòu)成的最細微模式時，一個黑色線與一個白色線的完整周期就會出現(xiàn)與RGB條紋形成比照（參見圖4）。請留意對于PenTile RGBW顯示屏，需要四個欄來寫入一個線對，而對于RGB條紋，則需要6個數(shù)據(jù)欄。這使得PenTile顯示屏中的欄寬出1/3，從而增加了開口率并允許穿過更多的光。

　　增加的開口率與清晰的子象素所提供的更大的透射率相結(jié)合，對所采用的底板技術(shù)不予考慮的話，通常會讓穿過一個2.4到 .8英寸斜對角VGA顯示屏的透光率增加一倍。

　　圖4：PenTile RGBW模式（a）比RGB Stripe模式（b）的每個像素需要較少的欄，卻在經(jīng)濟上及性能上均具有優(yōu)越性。

　　如下圖所示的固件，PenTile RGBW處理方式分為幾個步驟。第一步是通過調(diào)整輸入查找表（LUT）中特定顯示屏的每個顯示傳輸曲線（伽馬）的數(shù)據(jù)，采用Clairvoyante相應(yīng)的色域互配算法（GMA），把RGB輸入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成RGBW。Clairvoyante以此作為輸入色域加以參考。把GMA應(yīng)用到白色象素處理塊后，就有必要應(yīng)用子象素渲染算法，這些算法利用多個矩陣的數(shù)學(xué)形式。這時，矩陣代數(shù)學(xué)顯得尤為重要，并要將之應(yīng)用到3x3矩陣的象素中去。 Clairvoyante的IC利用針對兩條數(shù)據(jù)線的內(nèi)存緩沖器，從而使第3條數(shù)據(jù)線在進入芯片時即可被操作，使得對3x3矩陣的象素可進行連續(xù)的處理。在子象素成像后，伽馬調(diào)節(jié)被撤消以確保顯示屏的轉(zhuǎn)換曲線準(zhǔn)確地應(yīng)用到由RGBW數(shù)據(jù)產(chǎn)生的新的子象素。

　　圖5：為寄存器編程

　　視頻處理與靜止圖像及文體處理幾乎沒有什么不同之處，這是因為硬件矩陣處理十分有效，在處理視頻時只有一條線出現(xiàn)延遲，這個延遲幾乎是瀏覽者覺察不到的。

　　下一個：2.8英寸LTPS顯示屏的對比

　　一些顯示屏生產(chǎn)廠家已對PenTile子象素成像技術(shù)展開研究，并發(fā)現(xiàn)它能顯著改進顯示屏在亮度、分辨率及功耗方面的性能，而不失為一個實際可行的方案。此外，生產(chǎn)廠家還認識到這些性能的增強不僅是非晶硅還包括LTPS及OLED顯示屏。

　　例如，通過采用具有LTPS的子象素成像處理技術(shù)，驅(qū)動器的數(shù)量就會在不影響視覺分辨率的情況下使RGB stripe減少1/3。該改進在不降低亮度的情況下減少了背光LED的數(shù)量，并為類似LCD電源供應(yīng)的組件集成到玻璃上提供更多空間。僅這些因素就能使 LTPS的功耗節(jié)約一半。在LTPS VGA顯示屏中采用該技術(shù)能節(jié)約功耗達250mW或使QVGA顯示屏的功耗節(jié)約100mW。

　　圖6：基于友達光電規(guī)格的對比研究：兩個2.8英寸的LTPS VGA顯示屏，一個采用PenTile技術(shù)，一個沒有采用該術(shù)。

　　未來具有視頻功能的手機會更悅目

　　包括iSuppli在內(nèi)的幾家調(diào)查公司預(yù)言，具有視頻功能的移動電話市場將從2005年的7億美元增加到2010年的22億美元，同期由視頻帶來的收益將從5億5千萬美元增加到140億美元。較早采用的人已經(jīng)越過了由新型互聯(lián)網(wǎng)傳輸模式帶動的移動電視的流行，并獲得了巨大的成功，OEM廠家正全力以赴應(yīng)對視頻手機的預(yù)期需要。

　　通過特殊優(yōu)化的顯示屏改進了移動電視的體驗，工程師能利用諸如PenTile RGBW設(shè)計這樣的顯示技術(shù)所提供的更大設(shè)計靈活性，性能的折衷考慮此時也已無足輕重，并能賦予手機以競爭力的價格。結(jié)果，這些設(shè)備就能以更高的視覺表現(xiàn)及更長的電池壽命很容易地滿足客戶的要求，創(chuàng)造需求并推動銷售。