赢得对比度之战：MiniLED和局部调光显示器

《权力的游戏》（Game of Thrones ）第8季第3集“临冬城之战（Battle of Winterfell）”向数百万观众解释了他们屏幕上的对比度究竟多么有限。在播出后的第二天，网络上充斥着关于黑暗视觉效果的抱怨、解释、笑话和表情包，以及想要看到剧中发生的事情是多么的困难。尽管像素化等问题在很大程度上可以归因于压缩和各种流媒体问题，但许多消费类显示屏的功能并没有帮助提升这一集中黑暗摄影的对比度。

 

来自《权力的游戏》第8季第3集“临冬城之战”的画面：在一个漆黑的夜晚确定所有维斯特洛人的命运。（图片：© HBO版权所有）

虽然高端OLED显示器设备现在已经上市了一段时间，但大多数家庭仍然拥有LCD电视机和计算机屏幕。最近10到15年间生产的电视机很可能也是高清（HD）设备。尽管LCD HDTV提供了非常好的分辨率和图像清晰度，但由于它们依赖于LED背光，因此它们在呈现深黑色调和高对比度图像方面仍然存在功能局限性。

不同于OLED和一些其他类型的发光显示器（每个像素都是自己可以单独驱动的发光元素），传统的背光无法对屏幕上的对比度和黑暗度进行太多的控制。背光灯由一组LED组成，这些LED为其前面LCD显示屏上的图像提供照明。缺点在于照明均匀分布在整个屏幕区域。在LCD层后面不断发光的情况下，屏幕上的黑色图像可能会显示为深灰色。

为了解决这种视觉限制，业界已经开发了一种称为“局部调光”的技术。通过将背光分为不同的“区域”，并单独控制每个区域，局部调光可改进显示屏的性能，确保图像的黑暗部分显得更暗，对比度（用于衡量最暗渲染与最亮渲染之间亮度差异的指标）也更高。

局部调光效果

最基本的LED背光被称为“直接发光”。直接发光显示器的屏幕后面安装了数排LED，它们整体上作为一个LED运作。在没有任何局部调光的情况下，直接发光显示器通常会产生质量较差的图像，这些图像呈现许多灰色调而非纯黑色。

另一种背光配置为侧光显示器，其允许对不同的区域进行调光。多年来，侧光式背光装置一直是行业标准。顾名思义，侧光照明仅将光源沿着显示器的顶部和底部边缘（或者沿者任意一侧）放置，指向内部。侧光照明使制造商能够生产出整体上更薄的屏幕。侧光屏幕的一部分可以进行调光，以改进暗区的外观，从而使侧光照明对比度性能优于直接发光设备。

 

比较局部调光方法的背光结构。（图片来源：monitornerd.com）

在性能频谱的另一端，全阵列局部调光被认为是LED背光显示器的黄金标准。全阵列背光灯使用单个LED矩阵（通常为数百个），它们分布在显示面板的整个区域内。这些LED被分为许多小的“区域”，可以单独对它们进行控制，从而可以使屏幕的不同部分以更高的精度变亮或变暗。然而，全阵列局部调光需要使用更厚的面板（必须将LED从屏幕稍微向后移动¹），并且由于使用了大量的LED，这些显示器的生产成本较为昂贵。

来自LG Display的这段视频演示了侧光显示器如何在整个屏幕上留下可见的灰色条纹，并降低了黑色天空和明亮月亮之间的对比度，而全阵列背光显示器则可以进行控制，因此只有月亮在深黑色的天空背景下被明亮地照亮。

另一种局部调光方法称为“全局调光”。在某些方面，它类似于将光源均匀分布在整个背光面板上的全阵列方法，但它使用的LED数量少得多。虽然该方法可能拥有4到12个不同的区域²，但这些区域并不会单独运行。它们都将变暗以产生更暗的场景，举例来说，黑暗的夜空看起来比直接发光电视机上的更黑，但与此同时，星星的亮度也会降低。全局调光可改进黑色画面质量，但不能提高对比度。

全部与区域有关

随着全阵列局部调光方法优势地位的确立，显示器设计师和制造商现在正在努力优化背光显示屏的局部调光技术，以尝试与OLED显示器的视觉性能相匹配。背光源中的区域越多，则可以越精确地控制照明，以提高性能。

最近，miniLED的开发显示出有望将LCD屏幕的性能提高到可与OLED相竞争的水平。顾名思义，MiniLED就是微型发光二极管。虽然并无严格的定义，但miniLED通常比LED小至少一个数量级：LED的直径通常为1 mm，允许存在小误差，而miniLED的直径通常为100微米（µm）左右，或者 大约1/10毫米。³

由于miniLED可以使用与传统LED相同的制造工艺来制造，因此相比OLED或microLED，它们的生产成本更低。此外，它们也比OLED更节能⁴，并允许精确调光，且不会产生LED背光问题，比如“光晕”（亦称为“光晕效应”）⁵。光晕是局部调光技术的一个缺点，其中，来自较亮区域的光线可能会溢出，影响相邻暗区的图像。 解决方法是拥有更多的调光区域。

为了优化局部调光，美国佛罗里达州和台湾的研究人员研究了采用miniLED背光的HDR显示器系统的光晕效果。他们的测试确定，要将光晕抑制到无法人类感知无法区分的程度，LCD显示器需要拥有200个局部调光区域才能达到约5000：1的对比度，LCD显示器需要拥有超过3000个调光区域才能达到约2000：1的对比度⁶。

 

由Lextar生产的miniLED背光灯的放大图像 （图片 来源）。

由于尺寸较小，制造商可以将数量比LED更多的miniLED内置到给定区域的背光灯中，从而提供更多的局部调光区域。举例来说，TCL的新型miniLED背光8系列电视机（现已在Best Buy平台上出售）采用了超过25,000个单独的miniLED，分为大约1,000个调光区域，用于为75英寸的显示器提供照明。到目前为止，这是一款领先于市场上所有其他miniLED局部调光电视机型号的产品。举例来说，75英寸的Vizio Quantum X 仅拥有485个调光区域。

 

观看者在LCD显示器的前面板上看到的月亮图像，基于不同的背光技术。具有局部调光功能的MiniLED可产生最佳的对比度。（图片：© TCL 2019年版权所有。已取得使用许可。）

具有局部调光功能MiniLED显示器的质量测试

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Radiant ProMetric成像色度计图片，正在对局部调光显示器的独特区域进行色度平衡和伽马校正。

引用文献

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报道， 2018年10月。
4. Wu, T.等人，“Mini-LED and Micro-LED: Promising Candidates for the Next Generation Display Technology”，《应用科学期刊》（应用科学） 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。
6. 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