淺談如何為移動(dòng)設(shè)備提供電視品質(zhì)的視覺享受

近年來(lái)，3G網(wǎng)絡(luò)的部署、移動(dòng)帶寬的提高和更多的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用服務(wù)的涌現(xiàn)，都在促進(jìn)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的蓬勃發(fā)展。在中國(guó)市場(chǎng)，隨著中國(guó)PC互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)民和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)民兩個(gè)群體的逐步融合，中國(guó)消費(fèi)者對(duì)在移動(dòng)終端上獲得真正的互聯(lián)網(wǎng)體驗(yàn)的需求也越發(fā)強(qiáng)烈?；ヂ?lián)網(wǎng)應(yīng)用/服務(wù)的發(fā)展和產(chǎn)業(yè)鏈成熟的驅(qū)動(dòng)下，MID產(chǎn)業(yè)未來(lái)幾年將迎來(lái)迅猛發(fā)展。

推動(dòng)向可視媒體內(nèi)容演變的另一個(gè)原因是即將到來(lái)的移動(dòng)電視，移動(dòng)電視一般主要是指在公共汽車等可移動(dòng)物體內(nèi)通過電視終端以接受無(wú)線信號(hào)的形式收看電視節(jié)目的一種技術(shù)或應(yīng)用。但是廣義上只要以一切可以以移動(dòng)方式收看電視節(jié)目的技術(shù)或應(yīng)用，這就包括了狹義的移動(dòng)電視、手機(jī)電視等其他。實(shí)地測(cè)試已經(jīng)證明了消費(fèi)者對(duì)在移動(dòng)設(shè)備上接收所需的視頻、新聞、體育等節(jié)目很感興趣。承載移動(dòng)電視的各種網(wǎng)絡(luò)正在不斷被開發(fā)出來(lái)，開發(fā)商期待到2011年在電視節(jié)目訂制和廣告上的收入達(dá)到140億美元。

可視媒體的發(fā)展對(duì)移動(dòng)設(shè)備設(shè)計(jì)者提出了若干挑戰(zhàn)。追求更大顯示屏、更高分辨率趨勢(shì)的發(fā)展相對(duì)于延長(zhǎng)電池壽命的技術(shù)要快得多，由此帶來(lái)了能耗預(yù)算和電池壽命的限制。在強(qiáng)環(huán)境光照下，移動(dòng)設(shè)備要運(yùn)行必然會(huì)降低傳統(tǒng)LCD屏的成像亮度，并耗費(fèi)能量。

顯示屏限制圖像可視性

一個(gè)最關(guān)鍵的挑戰(zhàn)來(lái)自LCD技術(shù)的有限動(dòng)態(tài)范圍。LCD液晶投影機(jī)是液晶顯示技術(shù)和投影技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它利用了液晶的電光效應(yīng)，通過電路控制液晶單元的透射率及反射率，從而產(chǎn)生不同灰度層次及多達(dá)1670萬(wàn)種色彩的靚麗圖像。LCD投影機(jī)的主要成像器件是液晶板。LCD投影機(jī)的體積取決于液晶板的大小，液晶板越小，投影機(jī)的體積也就越小。根據(jù)電光效應(yīng)，液晶材料可分為活性液晶和非活性液晶兩類，其中活性液晶具有較高的透光性和可控制性。液晶板使用的是活性液晶，人們可通過相關(guān)控制系統(tǒng)來(lái)控制液晶板的亮度和顏色。人類視覺要求高對(duì)比度才能察覺精密細(xì)節(jié)。LCD的動(dòng)態(tài)范圍限制制約了顯示屏能提供的圖像對(duì)比度，從而限制了圖像細(xì)節(jié)的可視性，結(jié)果就導(dǎo)致圖像對(duì)于那些熟悉電視屏幕、電腦屏幕的消費(fèi)者來(lái)說，缺乏清晰度和色彩深度。

移動(dòng)可視多媒體設(shè)備及其服務(wù)要想滿足消費(fèi)者的期望并成功立足于市場(chǎng)，圖像和視頻在LCD顯示屏上的可視性限制必須解決。歐洲區(qū)調(diào)查顯示，近24%的試用者因?yàn)椴粷M意圖像質(zhì)量而放棄移動(dòng)電視業(yè)務(wù)。

可視性問題的根源在于LCD顯示器的工作原理。本質(zhì)上，每個(gè)LCD顯示器都有一個(gè)位于可控制濾光器后的光源。在數(shù)據(jù)范圍一端，濾光器完全開啟，最大限度傳送光源燈光（實(shí)際光束傳輸取決于濾光器的設(shè)計(jì)和分辨率）。

將圖像數(shù)據(jù)值映射成視覺構(gòu)圖并不簡(jiǎn)單。影響成像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為圖像的有三個(gè)因素。首先是顯示屏的輸入范圍。全色成像采用8位色彩，即紅、綠、藍(lán)各8位，而顯示屏可能無(wú)法接受全部24位色彩。輸出不同光源值可能會(huì)因?yàn)樯崛胝`差而導(dǎo)致圖像細(xì)節(jié)的可視性缺失。

影響可視性的第二個(gè)因素是背景燈強(qiáng)度。顯示光最大只能與背景光強(qiáng)度一樣。

第三個(gè)因素是環(huán)境燈強(qiáng)度，它決定了圖像可視動(dòng)態(tài)范圍的下限。顯示屏的任意區(qū)域，其亮度至少要與顯示屏上反射的環(huán)境光一樣多，否則都無(wú)法為人所見。在強(qiáng)環(huán)境光條件下，反射光通常為白色，沖淡了顯示光，反射環(huán)境光的凈效應(yīng)就是"沖淡"顯示屏上的暗區(qū)域并降低亮域的色彩飽和度。

圖1 LCD的圖像可視性依賴于光，背景燈強(qiáng)度決定最大亮度而環(huán)境光控制最小亮度

由此，成像數(shù)據(jù)向可視光的映射就被限制在一定范圍內(nèi)。如圖1所示，背景燈強(qiáng)度決定上限，而環(huán)境光決定下限，這造成顯示的動(dòng)態(tài)范圍被限制在一個(gè)"盒子"中，極大地影響了眼睛觀察圖像細(xì)節(jié)的能力，使消費(fèi)者無(wú)法得到滿意的視覺體驗(yàn)。這一問題在視頻顯示上更為突出，因?yàn)檠劬υ诳匆曨l的時(shí)候更加無(wú)法將光集中以成像。

沖破可視限制

傳統(tǒng)顯示技術(shù)只允許開發(fā)商通過兩種方法來(lái)克服可視問題。其一是加強(qiáng)背景光，特別是在環(huán)境光強(qiáng)的條件下。移動(dòng)顯示器的背景光消耗30%~60%的設(shè)備能耗。在強(qiáng)背景光條件下運(yùn)行顯然會(huì)縮短電池使用壽命。

其二是應(yīng)用全局成像處理算法，如Gamma、矩陣矯正，提高圖像對(duì)比度從而增加可視性。全局方法的問題在于人的視覺會(huì)隨光線強(qiáng)度變化。在中等強(qiáng)度光下可視的差別在明亮或灰暗的圖像部分可能就不那么明顯，而Gamma矯正和其他全局解決方法是對(duì)所有圖像都做同等水平的增強(qiáng)。

值得慶幸的是，移動(dòng)設(shè)備設(shè)計(jì)者還可以選擇其他方法，如基于QuickLogic視覺增強(qiáng)引擎（VEE）的動(dòng)態(tài)范圍壓縮技術(shù)。VEE基于Apical 公司研發(fā)的iridix算法，通過一個(gè)人類視覺對(duì)光強(qiáng)度、空間差異的不同反應(yīng)模型，改善視覺體驗(yàn)。

圖像強(qiáng)化是通過對(duì)顯示器可視范圍內(nèi)的成像數(shù)據(jù)再映射來(lái)完成的。這些基于圖像的再映射通過兩種方式解決顯示限制問題。首先，通過顯示器的有限輸入范圍保留圖像細(xì)節(jié)不被忽略。其次，根據(jù)圖像的內(nèi)容和位置，為每個(gè)像素計(jì)算并應(yīng)用不同的色調(diào)曲線。增強(qiáng)的程度隨眼睛透視這些區(qū)域差別的能力而變化，從而同時(shí)保留亮區(qū)和暗區(qū)中的細(xì)節(jié)，如圖2所示。QuickLogic 的CSSP平臺(tái)已被優(yōu)化，使其可通過高數(shù)率提供VEE 技術(shù)，以支持移動(dòng)設(shè)備上的高質(zhì)量視頻內(nèi)容。

圖2 動(dòng)態(tài)范圍壓縮以強(qiáng)化可視性

這些動(dòng)態(tài)范圍壓縮算法還會(huì)考慮顯示器映射的數(shù)據(jù)值到顯示輸出中的各種變量，適用于不同的LCD顯示特性。另外，如果強(qiáng)環(huán)境光，或低背景光降低了某一特定顯示屏"范圍",該算法可以在可行范圍內(nèi)協(xié)調(diào)增強(qiáng)以實(shí)現(xiàn)圖像的最大可視性。

動(dòng)態(tài)范圍壓縮具有靈活性

這一適應(yīng)不同顯示環(huán)境的調(diào)節(jié)能力為設(shè)計(jì)者在移動(dòng)圖像顯示設(shè)計(jì)中提供了更強(qiáng)的靈活性。設(shè)備不用通過保持高強(qiáng)度背景光來(lái)實(shí)現(xiàn)明亮、直射燈光下的可視性，它能夠在背景光處于一般水平的情況下通過調(diào)節(jié)動(dòng)態(tài)范圍壓縮來(lái)完成圖像補(bǔ)償。設(shè)備可以降低背景光水平，在一個(gè)更合理的光照條件下補(bǔ)償缺失。

盡管動(dòng)態(tài)范圍壓縮算法最適用于原始成像數(shù)據(jù)，對(duì)于一些采用缺失圖像壓縮方法還原的移動(dòng)內(nèi)容的成像數(shù)據(jù)也同樣有效，圖像壓縮方法，其特征在于：對(duì)于具有單一或多個(gè)彩色信道的位圖、數(shù)字圖像數(shù)據(jù)的橫方向的各列，用各像素的橫方向的位置和亮度對(duì)該圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行2維矢量化，而且以連結(jié)上述各列的起點(diǎn)與終點(diǎn)的線的部分為基準(zhǔn)，利用亮度變化的大小進(jìn)行量化，對(duì)于上述圖像數(shù)據(jù)的縱方向的各行，用縱方向的位置和亮度對(duì)在橫方向上進(jìn)行了矢量化和量化的上述圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行2維矢量化，而且以連結(jié)上述各行的起點(diǎn)與終點(diǎn)的線的部分為基準(zhǔn)，利用亮度變化的大小進(jìn)行量化，由此，變換為基于各像素具有的亮度信息的有效位數(shù)的矩陣結(jié)構(gòu)的壓縮圖像數(shù)據(jù)。這使得在現(xiàn)有移動(dòng)設(shè)備設(shè)計(jì)的圖像處理過后就能夠?qū)崿F(xiàn)提升。這樣看來(lái)，動(dòng)態(tài)范圍壓縮一般發(fā)生在圖像處理引擎向顯示設(shè)備進(jìn)行輸出的過程中，使得它可以簡(jiǎn)單地插入到一個(gè)現(xiàn)有的構(gòu)架中。圖3展示了VEE如何被整合到一個(gè)移動(dòng)系統(tǒng)并實(shí)現(xiàn)最佳視覺質(zhì)量。

圖3 整合VEE的移動(dòng)系統(tǒng)

當(dāng)前移動(dòng)成像市場(chǎng)的有效增強(qiáng)不僅需要?jiǎng)討B(tài)范圍壓縮算法。發(fā)展商還需要滿足全球市場(chǎng)對(duì)不同顯示界面、顯示格式、分辨率的需求。另外，設(shè)計(jì)者還需要提供檢測(cè)環(huán)境光、背景光的能力，以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)范圍壓縮的最大效益。

VEE采用硬件來(lái)保證提升圖像質(zhì)量卻不加重移動(dòng)設(shè)備的處理負(fù)擔(dān)。軟件可配置的寄存器可以控制算法的運(yùn)作，設(shè)計(jì)者可以根據(jù)不同顯示器類型調(diào)節(jié)算法以適應(yīng)階段性環(huán)境光和背景光的變化。VEE 1.0版本現(xiàn)已用于QuickLogic 的 PolarPro平臺(tái)，2.0版本將整合到新ArcticLink II-VX解決方案平臺(tái)中。QuickLogic? 公司推出新一代CSSP平臺(tái)--PolarPro II.這款PolarPro家族的最新產(chǎn)品具有更優(yōu)化的I/O結(jié)構(gòu)、更先進(jìn)的超低功耗（VLP）模式、更佳的嵌入式SRAM可配置性，以及其他一些可縮小PCB空間、降低系統(tǒng)原材料（BOM）成本的特性。

如VEE技術(shù)的動(dòng)態(tài)范圍壓縮使設(shè)計(jì)者可以應(yīng)付來(lái)自移動(dòng)成像和視頻的激烈挑戰(zhàn)。如果消費(fèi)者可以在移動(dòng)設(shè)備上獲得更高質(zhì)量的可視內(nèi)容，LCD 顯示屏的限制將會(huì)凸顯出來(lái)，人們將希望獲得更好的視覺體驗(yàn)。