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贏得對比度之戰(zhàn)：MiniLED和局部調(diào)光顯示器
發(fā)布時間：2020-08-13
《權(quán)力的游戲》（Game of Thrones ）第8季第3集“臨冬城之戰(zhàn)（Battle of Winterfell）”向數(shù)百萬觀眾解釋了他們屏幕上的對比度究竟多么有限。在播出后的第二天，網(wǎng)絡(luò)上充斥著關(guān)于黑暗視覺效果的抱怨、解釋、笑話和表情包，以及想要看到劇中發(fā)生的事情是多么的困難。盡管像素化等問題在很大程度上可以歸因于壓縮和各種流媒體問題，但許多消費類顯示屏的功能并沒有幫助提升這一集中黑暗攝影的對比度。
來自《權(quán)力的游戲》第8季第3集“臨冬城之戰(zhàn)”的畫面：在一個漆黑的夜晚確定所有維斯特洛人的命運。（圖片：© HBO版權(quán)所有）
雖然高端OLED顯示器設(shè)備現(xiàn)在已經(jīng)上市了一段時間，但大多數(shù)家庭仍然擁有LCD電視機和計算機屏幕。最近10到15年間生產(chǎn)的電視機很可能也是高清（HD）設(shè)備。盡管LCD HDTV提供了非常好的分辨率和圖像清晰度，但由于它們依賴于LED背光，因此它們在呈現(xiàn)深黑色調(diào)和高對比度圖像方面仍然存在功能局限性。
不同于OLED和一些其他類型的發(fā)光顯示器（每個像素都是自己可以單獨驅(qū)動的發(fā)光元素），傳統(tǒng)的背光無法對屏幕上的對比度和黑暗度進行太多的控制。背光燈由一組LED組成，這些LED為其前面LCD顯示屏上的圖像提供照明。缺點在于照明均勻分布在整個屏幕區(qū)域。在LCD層后面不斷發(fā)光的情況下，屏幕上的黑色圖像可能會顯示為深灰色。
為了解決這種視覺限制，業(yè)界已經(jīng)開發(fā)了一種稱為“局部調(diào)光”的技術(shù)。通過將背光分為不同的“區(qū)域”，并單獨控制每個區(qū)域，局部調(diào)光可改進顯示屏的性能，確保圖像的黑暗部分顯得更暗，對比度（用于衡量最暗渲染與最亮渲染之間亮度差異的指標(biāo)）也更高。
局部調(diào)光效果
最基本的LED背光被稱為“直接發(fā)光”。直接發(fā)光顯示器的屏幕后面安裝了數(shù)排LED，它們整體上作為一個LED運作。在沒有任何局部調(diào)光的情況下，直接發(fā)光顯示器通常會產(chǎn)生質(zhì)量較差的圖像，這些圖像呈現(xiàn)許多灰色調(diào)而非純黑色。
另一種背光配置為側(cè)光顯示器，其允許對不同的區(qū)域進行調(diào)光。多年來，側(cè)光式背光裝置一直是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。顧名思義，側(cè)光照明僅將光源沿著顯示器的頂部和底部邊緣（或者沿者任意一側(cè)）放置，指向內(nèi)部。側(cè)光照明使制造商能夠生產(chǎn)出整體上更薄的屏幕。側(cè)光屏幕的一部分可以進行調(diào)光，以改進暗區(qū)的外觀，從而使側(cè)光照明對比度性能優(yōu)于直接發(fā)光設(shè)備。
比較局部調(diào)光方法的背光結(jié)構(gòu)。（圖片來源：monitornerd.com）
在性能頻譜的另一端，全陣列局部調(diào)光被認(rèn)為是LED背光顯示器的黃金標(biāo)準(zhǔn)。全陣列背光燈使用單個LED矩陣（通常為數(shù)百個），它們分布在顯示面板的整個區(qū)域內(nèi)。這些LED被分為許多小的“區(qū)域”，可以單獨對它們進行控制，從而可以使屏幕的不同部分以更高的精度變亮或變暗。然而，全陣列局部調(diào)光需要使用更厚的面板（必須將LED從屏幕稍微向后移動1），并且由于使用了大量的LED，這些顯示器的生產(chǎn)成本較為昂貴。
另一種局部調(diào)光方法稱為“全局調(diào)光”。在某些方面，它類似于將光源均勻分布在整個背光面板上的全陣列方法，但它使用的LED數(shù)量少得多。雖然該方法可能擁有4到12個不同的區(qū)域2，但這些區(qū)域并不會單獨運行。它們都將變暗以產(chǎn)生更暗的場景，舉例來說，黑暗的夜空看起來比直接發(fā)光電視機上的更黑，但與此同時，星星的亮度也會降低。全局調(diào)光可改進黑色畫面質(zhì)量，但不能提高對比度。
全部與區(qū)域有關(guān)
隨著全陣列局部調(diào)光方法優(yōu)勢地位的確立，顯示器設(shè)計師和制造商現(xiàn)在正在努力優(yōu)化背光顯示屏的局部調(diào)光技術(shù)，以嘗試與OLED顯示器的視覺性能相匹配。背光源中的區(qū)域越多，則可以越精確地控制照明，以提高性能。
最近，miniLED的開發(fā)顯示出有望將LCD屏幕的性能提高到可與OLED相競爭的水平。顧名思義，MiniLED就是微型發(fā)光二極管。雖然并無嚴(yán)格的定義，但miniLED通常比LED小至少一個數(shù)量級：LED的直徑通常為1 mm，允許存在小誤差，而miniLED的直徑通常為100微米（μm）左右，或者 大約1/10毫米。3
由于miniLED可以使用與傳統(tǒng)LED相同的制造工藝來制造，因此相比OLED或microLED，它們的生產(chǎn)成本更低。此外，它們也比OLED更節(jié)能4，并允許精確調(diào)光，且不會產(chǎn)生LED背光問題，比如“光暈”（亦稱為“光暈效應(yīng)”）5。光暈是局部調(diào)光技術(shù)的一個缺點，其中，來自較亮區(qū)域的光線可能會溢出，影響相鄰暗區(qū)的圖像。 解決方法是擁有更多的調(diào)光區(qū)域。
為了優(yōu)化局部調(diào)光，美國佛羅里達州和臺灣的研究人員研究了采用miniLED背光的HDR顯示器系統(tǒng)的光暈效果。他們的測試確定，要將光暈抑制到無法人類感知無法區(qū)分的程度，LCD顯示器需要擁有200個局部調(diào)光區(qū)域才能達到約5000：1的對比度，LCD顯示器需要擁有超過3000個調(diào)光區(qū)域才能達到約2000：1的對比度6。
另一種局部調(diào)光方法稱為“全局調(diào)光”。在某些方面，它類似于將光源均勻分布在整個背光面板上的全陣列方法，但它使用的LED數(shù)量少得多。雖然該方法可能擁有4到12個不同的區(qū)域2，但這些區(qū)域并不會單獨運行。它們都將變暗以產(chǎn)生更暗的場景，舉例來說，黑暗的夜空看起來比直接發(fā)光電視機上的更黑，但與此同時，星星的亮度也會降低。全局調(diào)光可改進黑色畫面質(zhì)量，但不能提高對比度。
全部與區(qū)域有關(guān)
隨著全陣列局部調(diào)光方法優(yōu)勢地位的確立，顯示器設(shè)計師和制造商現(xiàn)在正在努力優(yōu)化背光顯示屏的局部調(diào)光技術(shù)，以嘗試與OLED顯示器的視覺性能相匹配。背光源中的區(qū)域越多，則可以越精確地控制照明，以提高性能。
最近，miniLED的開發(fā)顯示出有望將LCD屏幕的性能提高到可與OLED相競爭的水平。顧名思義，MiniLED就是微型發(fā)光二極管。雖然并無嚴(yán)格的定義，但miniLED通常比LED小至少一個數(shù)量級：LED的直徑通常為1 mm，允許存在小誤差，而miniLED的直徑通常為100微米（μm）左右，或者 大約1/10毫米。3
由于miniLED可以使用與傳統(tǒng)LED相同的制造工藝來制造，因此相比OLED或microLED，它們的生產(chǎn)成本更低。此外，它們也比OLED更節(jié)能4，并允許精確調(diào)光，且不會產(chǎn)生LED背光問題，比如“光暈”（亦稱為“光暈效應(yīng)”）5。光暈是局部調(diào)光技術(shù)的一個缺點，其中，來自較亮區(qū)域的光線可能會溢出，影響相鄰暗區(qū)的圖像。 解決方法是擁有更多的調(diào)光區(qū)域。
為了優(yōu)化局部調(diào)光，美國佛羅里達州和臺灣的研究人員研究了采用miniLED背光的HDR顯示器系統(tǒng)的光暈效果。他們的測試確定，要將光暈抑制到無法人類感知無法區(qū)分的程度，LCD顯示器需要擁有200個局部調(diào)光區(qū)域才能達到約5000：1的對比度，LCD顯示器需要擁有超過3000個調(diào)光區(qū)域才能達到約2000：1的對比度6。
由Lextar生產(chǎn)的miniLED背光燈的放大圖像 （圖片 來源）。
由于尺寸較小，制造商可以將數(shù)量比LED更多的miniLED內(nèi)置到給定區(qū)域的背光燈中，從而提供更多的局部調(diào)光區(qū)域。舉例來說，TCL的新型miniLED背光8系列電視機（現(xiàn)已在Best Buy平臺上出售）采用了超過25,000個單獨的miniLED，分為大約1,000個調(diào)光區(qū)域，用于為75英寸的顯示器提供照明。到目前為止，這是一款領(lǐng)先于市場上所有其他miniLED局部調(diào)光電視機型號的產(chǎn)品。舉例來說，75英寸的Vizio Quantum X 僅擁有485個調(diào)光區(qū)域。
觀看者在LCD顯示器的前面板上看到的月亮圖像，基于不同的背光技術(shù)。具有局部調(diào)光功能的MiniLED可產(chǎn)生最佳的對比度。（圖片：© TCL 2019年版權(quán)所有。已取得使用許可。）
具有局部調(diào)光功能MiniLED顯示器的質(zhì)量測試
如果您正在探索miniLED顯示器在您產(chǎn)品中的使用，Radiant提供多種視覺質(zhì)量測試解決方案，可以測量所有類型的局部調(diào)光顯示器，包括全陣列顯示器。Radiant系統(tǒng)采用高分辨率ProMetric®成像色度計或成像亮度計和TrueTest?軟件以及先進的算法，可用于分析小型和大型顯示器的顯示性能。
Radiant的解決方案使您能夠評估每個區(qū)域的亮度、色度和均勻性。對于每個區(qū)域，您可以運行迭代測試以計算啟用色度平衡和 伽馬校正所需的輸出變更。
Radiant ProMetric成像色度計圖片，正在對局部調(diào)光顯示器的獨特區(qū)域進行色度平衡和伽馬校正。
引用文獻：
1.Morrison, G.，“Mini-LED is here: How smaller lights could lead to big TV improvements”，CNET，2019年9月28日
2.“What is local dimming?”，Cool Blue， 2019年8月13日。
3.“MiniLED in the display field: LCD and digital signage”，由 Yole Développement報道， 2018年10月。
4.Wu, T.等人，“Mini-LED and Micro-LED: Promising Candidates for the Next Generation Display Technology”，《應(yīng)用科學(xué)期刊》（應(yīng)用科學(xué)） 8，1557；2019年9月。 https://doi:10.3390/app8091557,
5.Morrison, G.，“LED local dimming explained”，CNET， 2017年3月26日。
Tan, G.等人，“High dynamic range liquid crystal displays with mini-LED backlight”， Optics Express，第26卷，第 13期，pp. 16572-16584，2018年。https://doi.org/10.1364/OE.26.016572
1.Morrison, G.，“Mini-LED is here: How smaller lights could lead to big TV improvements”，CNET，2019年9月28日
2.“What is local dimming?”，Cool Blue， 2019年8月13日。
3.“MiniLED in the display field: LCD and digital signage”，由 Yole Développement報道， 2018年10月。
4.Wu, T.等人，“Mini-LED and Micro-LED: Promising Candidates for the Next Generation Display Technology”，《應(yīng)用科學(xué)期刊》（應(yīng)用科學(xué)） 8，1557；2019年9月。 https://doi:10.3390/app8091557,
5.Morrison, G.，“LED local dimming explained”，CNET， 2017年3月26日。
Tan, G.等人，“High dynamic range liquid crystal displays with mini-LED backlight”， Optics Express，第26卷，第 13期，pp. 16572-16584，2018年。https://doi.org/10.1364/OE.26.016572
