LCD产业分析:TCON与Controller的割裂,在割裂中求生存

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本文将向各位读者分析LCD产业中,因产业结构的界定,造成的系统方案格局,以及在此格局下,热点核心算法相应的定位策略。

首先,粗略来看,LCD产业可分为液晶模组(俗称面板)和系统集成(OEM)两个上下游关系的产业集团。液晶模组厂集成panel和TCON等电路组件,生产特定接口规格(通常是LVDS,小尺寸的用TTL)和功能的液晶模组,提供给OEM;OEM采用各芯片厂商的LCD controller主板方案,通过LVDS等接口与液晶模组相连,构成完整的TV、Monitor、Notebook等液晶产品。


正是因这种产业结构的界定,造就了TCON与LCD controller两套视频ASIC细分产业。


目前,TCON主要执行LVDS转Mini-LVDS/RSDS(以驱动source driver)、去SSC、gamma校正、dither/frc等功能。具有高附加值的产品还会增加RTC(Overdrive),甚至DBC(dynamic backlight control)等算法功能。RTC对液晶的运动模糊(motion blur)有一定的缓解能力,DBC既可大幅提高液晶的动态对比度,又可节能20~30%。有代表性的是,LG display为了寻求panel的差异化,其TCON增加了所谓的OPC(Optimal Power Control)功能,本质上就是一种DBC算法。除此之外,Samsung也为其TCON增加了MEMC-120Hz功能(后面还会讲到),能显著的改善液晶的运动模糊效应。


LCD Controller自然是液晶显示系统的前端核心,目前已经广泛实现了大规模集成。代表性的公司有ST(收购了之前的Genesis)、Trident、NXP、Micronas、Mediatek、Mstar、Realtek、Noveltek等。产品可集成AFE/HDMI/DP/DVI等接口,Video decoder、MPEG2/MPEG4/H.264 decoder等模拟或数字视频解码器,de-interlacer,scaler、3D Noise Reduction、color management、OSD engine、CSC(color space coversion, 3*3 Matrix)、contrast & sharpness enhancer、FRC(frame rate conversion)等功能单元。其中,NXP/trident(2009年4月收购了Macronas的FRC等业务)等公司还推出了支持MEMC-120Hz的高端芯片,在大尺寸高端液晶电视上得到了普及。


从技术的角度上来讲,近年来为改善LCD保持型显示方式固有的运动模糊和对比度差等问题,热点技术有:


1)以MEMC为代表的插帧技术。


MEMC即运动估计运动补偿,是一种依靠检测视频像素的运动向量,实现插帧显示的技术,可显著改善运动模糊。


其本质是减小了液晶保持时间。这一技术首先由Philips(NXP)的技术专家提出成熟的解决方案,近年才得到普及。由于需要大量的帧缓存和复杂的算法运算,实现成本相当高昂。当然,MEMC技术并非完美,主要的反驳者是小波理论的重要贡献者Mallat博士,目前受聘于Zoran的附属公司Let it wave,他倡导的Bandlet算法,以小波结合数值分析技术,号称性能较之MEMC更佳,且更简单易行。总之,利用时空相关性的创新技术,已经开始逐步取代相对简单而陈旧的motion adatptive de-interlace、H/V separate scaler、Adaptive 3D Noise Reduction、LTI/CTI等技术。从研究人员的知识水平角度来看,视频ASIC算法的开发人员,已经更多了融入了像Mallat博士这样具有高深信号与图像处理涵养和应用数学背景的高级人才,这非常有利于促进技术升级。但问题是,复杂算法与ASIC实现势必存在学科领域的跨域,且ASIC设计对速度、功耗与面积的要求,必然追求算法的简单易行性。因此,视频ASIC的设计,是在性能、成本与功耗三者间追求权衡的艺术,这是算法与架构工程师必须始终考量的问题。


MEMC-120Hz等插帧技术由于加倍了带宽,因此从节约系统成本,降低EMI等角度考量,适合集成于TCON。同时,这样做可保持原有LCD Controller系统方案,避免再次开发。Samsung的McFi(motion-compensated frame interpolation)技术就是这种方案的典型案例。当然,MEMC集成于TCON也有其弊端。譬如,对于由24Hz的movie转换成的隔行视频,在送入集成MEMC的TCON之前,必然经过了原普通的LCD Controller的3:2下拉去隔行处理,从而无法复现顺畅的movie。而将MEMC置于LCD Controller,则可以利用MEMC实现去隔行,而不需要3:2下拉,从而获得流畅的movie。但综合来看,MEMC集成于TCON更具成本优势。


2)扫描背光技术。


除了以插帧方式减少液晶保持时间来缓解运动模糊之外,还有其它方式改善液晶动态性能。扫描背光的基本思想是将液晶的保持型显示方式,通过背光的开关,变更为类似于CRT的脉冲显示方式。这种技术可以和下面的动态背光技术相结合,同时达到改善运动模糊、提高对比度和节能的目的。


事实上,扫描背光技术面临的主要问题是背光亮度。由于背光在部分时间内关闭,必然造成感知亮度的降低,因此需要具有更高发光强度的背光源支持,这需要材料领域的技术创新。从某种意义上讲,如果解决了背光源强度的问题,扫描背光技术较MEMC等插帧技术更有成本优势。因为MEMC插帧使得带宽加倍,由此引发接口复杂、芯片面积与功耗增大等一系列问题;且扫描类型的显示技术(如等离子)根本不需要MEMC等倍频技术,故MEMC等技术增加了LCD的成本,降低了LCD的优势。


扫描背光技术的具体实现与panel关系密切,因此,最佳的方案是将其控制算法集成于TCON内,组装在液晶模组中。


3)动态对比度与动态背光技术。


传统的液晶显示,背光恒定,即使显示的是全黑的画面,背光依然开启,不仅浪费了能源,也降低了对比度(黑的不黑),暗图像有一种蒙纱的感觉。为提高对比度并节能,业界开发出了各种DBC算法。其基本原理是,通过直方图histogram统计,一方面调控背光亮度,另一方面同时调整图像的对比度。对背光调整(dimming)而言,大体分为0D,1D,2D三种类型。0D即背光系统仅由一个控制信号统一调控,成本低廉,是中低端显示产品的主要方案。1D即背光灯分成若干个水平分组,每组由各自的控制信号调控,相对0D复杂些,可获得更高的对比度增强效果和节能比例。2D调光多用于LED背光系统,LED背光将panel分成MxN个区域,相对独立的根据局部图像数据调整每个局部区域的背光亮度,因此能获得比1D调光更佳的对比度和节能效果,但付出的成本也越高,主要用于大尺寸高端产品。


背光的亮度调整通常有两种方法:一种是以直流电平控制背光电压,这种方式背光始终开启,缺点是对于1D和2D调光由于灯管或LED的性能一致性难以保证,容易造成亮度不均;另一种是以PWM方式,使背光交替开关,PWM的频率通常是帧频的数倍,超过了人眼的辨识范围,故感受不到背光的闪烁,同时人眼对不同的占空比感知到不同的亮度。这种亮度调整方式,可克服电平调压方式的弊端。目前各厂商的panel多同时支持两种调光方式。


由于动态背光的具体实现与panel关系密切,因此,最佳的方案是将DBC做在TCON内,组装在液晶模组中。LGD正式采用了这种结构,推出了独具特色的OPC方案。


综上可见,上述热点技术,大都适合于TCON集成。


LCD显示系统结构和产业结构的未来展望:


a)一方面,由于产业结构的发展惯性,LCD Controller和TCON作为两个独立的子系统将继续存在并发展。


从产业结构和竞争态势角度来讲,ST(Genesis)、Trident、NXP、Micronas等公司在LCD controller高端领域的领先地位,以及MTK、Mstar等公司在中低端领域的强势,都是初创公司短期内无法撼动的。值得欣慰的是,由于上述特定的产业结构,TCON作为相对独立的系统尚存一定的发展空间,TCON的算法集成度有待进一步提升。另一个值得庆幸的是DissplayPort作为VESA标准,已经明确成为LVDS和DVI等内外接口的替代者。DP作为新鲜血液也将给TCON注入新的活力。


未来TCON的发展必然具有如下方向:


1)以DP_Rx取代管脚繁多的LVDS;

2)融合ODC/DBC/MEMC/Scan backlight等复杂算法功能,提升液晶动态性能。

3)在大尺寸应用中,以point to point接口取代目前的RSDS/Mini-LVDS等source driver接口,增加带宽,降低成本。


b)另一方面,超薄(Slim)机型的时尚追求促使“机顶盒”式系统结构和产业结构的发展。


近年来,超薄LCD显示系统层出不穷,已经成为LCD时尚的最新代表。


超薄对芯片集成度和功耗提出了更高要求。为解决此问题,除了追求更大规模的集成(如将Controller和TCON集成的imodule方案)外,还有另一种思路。这就是机顶盒+Monitor方案。


这里所谓的“机顶盒”并非DTV领域的含义,而是将前端的AFE/HDMI/VGA/CVBS/S-Video等接口、OSD、以及Video decoder、DTV decoder等解码部件集成在一起的盒子,它以DP输出解码或采样到的视频,送给Monitor。


这里所谓的Monitor,也并非传统意义上的PC显示器。而是一个集成了Scaler、de-interlacer、ODC/DBC/MEMC/Scan backlight,以及TCON、source/gate dirver,和panel的完整显示系统。由于DP可以承载隔行/逐行各种格式和分辨率的视频(及音频),Monitor中又具有de-interlacer和Scaler,因此,这样的Monitor可以接收任何格式和分辨率的视频,并正确显示。成为通用的显示终端。


也就是说,将视频的采集(ADC)和解码(模拟的或数字的)子系统与视频显示系统完全分离,并通过高速且可远距离传输的单一DP线缆连接。从而构成灵活的液晶系统。Monitor可超薄壁挂,“机顶盒”则可“隐藏”于室内的任意角落。该显示系统的控制,可通过射频遥控“机顶盒”或Monitor实现,“机顶盒”与Monitor之间可以通过DP的aux通道互传控制信息。用户可选配不同型号的“机顶盒”(价格相对Monitor便宜的多)与Monitor搭配,即使发生DTV制式的升级或更改(如MPEG2改成H.264),也不用更换价值相对巨大的Monitor(显示终端)。进而,这样的"机顶盒"可具有多路分配功能,可以一拖多个Monior,实现家庭内的多显示终端同时观看。


如果,这样一种显示系统可以推广普及,相应的视频ASIC的产业结构也必然发生调整。TCON与Controller将集成,AFE和HDMI等接口以及Video decoder、DTV decoder等解码部件将呈现独立产品状态。
 

 

 

 

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