LCD產(chǎn)業(yè)分析：TCON與Controller的割裂，在割裂中求生存

本文將向各位讀者分析LCD產(chǎn)業(yè)中，因產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的界定，造成的系統(tǒng)方案格局，以及在此格局下，熱點(diǎn)核心算法相應(yīng)的定位策略。

首先，粗略來看，LCD產(chǎn)業(yè)可分為液晶模組（俗稱面板）和系統(tǒng)集成（OEM）兩個上下游關(guān)系的產(chǎn)業(yè)集團(tuán)。液晶模組廠集成panel和TCON等電路組件，生產(chǎn)特定接口規(guī)格（通常是LVDS，小尺寸的用TTL）和功能的液晶模組，提供給OEM；OEM采用各芯片廠商的LCD controller主板方案，通過LVDS等接口與液晶模組相連，構(gòu)成完整的TV、Monitor、Notebook等液晶產(chǎn)品。


正是因這種產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的界定，造就了TCON與LCD controller兩套視頻ASIC細(xì)分產(chǎn)業(yè)。


目前，TCON主要執(zhí)行LVDS轉(zhuǎn)Mini-LVDS/RSDS（以驅(qū)動source driver）、去SSC、gamma校正、dither/frc等功能。具有高附加值的產(chǎn)品還會增加RTC(Overdrive),甚至DBC(dynamic backlight control)等算法功能。RTC對液晶的運(yùn)動模糊(motion blur)有一定的緩解能力，DBC既可大幅提高液晶的動態(tài)對比度，又可節(jié)能20~30%。有代表性的是，LG display為了尋求panel的差異化，其TCON增加了所謂的OPC(Optimal Power Control)功能，本質(zhì)上就是一種DBC算法。除此之外，Samsung也為其TCON增加了MEMC-120Hz功能（后面還會講到），能顯著的改善液晶的運(yùn)動模糊效應(yīng)。


LCD Controller自然是液晶顯示系統(tǒng)的前端核心，目前已經(jīng)廣泛實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模集成。代表性的公司有ST(收購了之前的Genesis)、Trident、NXP、Micronas、Mediatek、Mstar、Realtek、Noveltek等。產(chǎn)品可集成AFE/HDMI/DP/DVI等接口，Video decoder、MPEG2/MPEG4/H.264 decoder等模擬或數(shù)字視頻解碼器，de-interlacer，scaler、3D Noise Reduction、color management、OSD engine、CSC(color space coversion, 3*3 Matrix)、contrast & sharpness enhancer、FRC(frame rate conversion)等功能單元。其中，NXP/trident(2009年4月收購了Macronas的FRC等業(yè)務(wù))等公司還推出了支持MEMC-120Hz的高端芯片，在大尺寸高端液晶電視上得到了普及。


從技術(shù)的角度上來講，近年來為改善LCD保持型顯示方式固有的運(yùn)動模糊和對比度差等問題，熱點(diǎn)技術(shù)有：


1）以MEMC為代表的插幀技術(shù)。


MEMC即運(yùn)動估計(jì)運(yùn)動補(bǔ)償，是一種依靠檢測視頻像素的運(yùn)動向量，實(shí)現(xiàn)插幀顯示的技術(shù)，可顯著改善運(yùn)動模糊。


其本質(zhì)是減小了液晶保持時間。這一技術(shù)首先由Philips(NXP)的技術(shù)專家提出成熟的解決方案，近年才得到普及。由于需要大量的幀緩存和復(fù)雜的算法運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)成本相當(dāng)高昂。當(dāng)然，MEMC技術(shù)并非完美，主要的反駁者是小波理論的重要貢獻(xiàn)者M(jìn)allat博士，目前受聘于Zoran的附屬公司Let it wave，他倡導(dǎo)的Bandlet算法，以小波結(jié)合數(shù)值分析技術(shù)，號稱性能較之MEMC更佳，且更簡單易行?？傊?，利用時空相關(guān)性的創(chuàng)新技術(shù)，已經(jīng)開始逐步取代相對簡單而陳舊的motion adatptive de-interlace、H/V separate scaler、Adaptive 3D Noise Reduction、LTI/CTI等技術(shù)。從研究人員的知識水平角度來看，視頻ASIC算法的開發(fā)人員，已經(jīng)更多了融入了像Mallat博士這樣具有高深信號與圖像處理涵養(yǎng)和應(yīng)用數(shù)學(xué)背景的高級人才,這非常有利于促進(jìn)技術(shù)升級。但問題是，復(fù)雜算法與ASIC實(shí)現(xiàn)勢必存在學(xué)科領(lǐng)域的跨域，且ASIC設(shè)計(jì)對速度、功耗與面積的要求，必然追求算法的簡單易行性。因此，視頻ASIC的設(shè)計(jì)，是在性能、成本與功耗三者間追求權(quán)衡的藝術(shù)，這是算法與架構(gòu)工程師必須始終考量的問題。


MEMC-120Hz等插幀技術(shù)由于加倍了帶寬，因此從節(jié)約系統(tǒng)成本，降低EMI等角度考量，適合集成于TCON。同時，這樣做可保持原有LCD Controller系統(tǒng)方案，避免再次開發(fā)。Samsung的McFi(motion-compensated frame interpolation)技術(shù)就是這種方案的典型案例。當(dāng)然，MEMC集成于TCON也有其弊端。譬如，對于由24Hz的movie轉(zhuǎn)換成的隔行視頻，在送入集成MEMC的TCON之前，必然經(jīng)過了原普通的LCD Controller的3:2下拉去隔行處理,從而無法復(fù)現(xiàn)順暢的movie。而將MEMC置于LCD Controller，則可以利用MEMC實(shí)現(xiàn)去隔行，而不需要3:2下拉，從而獲得流暢的movie。但綜合來看，MEMC集成于TCON更具成本優(yōu)勢。


2）掃描背光技術(shù)。


除了以插幀方式減少液晶保持時間來緩解運(yùn)動模糊之外，還有其它方式改善液晶動態(tài)性能。掃描背光的基本思想是將液晶的保持型顯示方式，通過背光的開關(guān)，變更為類似于CRT的脈沖顯示方式。這種技術(shù)可以和下面的動態(tài)背光技術(shù)相結(jié)合，同時達(dá)到改善運(yùn)動模糊、提高對比度和節(jié)能的目的。


事實(shí)上，掃描背光技術(shù)面臨的主要問題是背光亮度。由于背光在部分時間內(nèi)關(guān)閉，必然造成感知亮度的降低，因此需要具有更高發(fā)光強(qiáng)度的背光源支持，這需要材料領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新。從某種意義上講，如果解決了背光源強(qiáng)度的問題，掃描背光技術(shù)較MEMC等插幀技術(shù)更有成本優(yōu)勢。因?yàn)镸EMC插幀使得帶寬加倍，由此引發(fā)接口復(fù)雜、芯片面積與功耗增大等一系列問題；且掃描類型的顯示技術(shù)（如等離子）根本不需要MEMC等倍頻技術(shù)，故MEMC等技術(shù)增加了LCD的成本，降低了LCD的優(yōu)勢。


掃描背光技術(shù)的具體實(shí)現(xiàn)與panel關(guān)系密切，因此，最佳的方案是將其控制算法集成于TCON內(nèi)，組裝在液晶模組中。


3）動態(tài)對比度與動態(tài)背光技術(shù)。


傳統(tǒng)的液晶顯示，背光恒定，即使顯示的是全黑的畫面，背光依然開啟，不僅浪費(fèi)了能源，也降低了對比度（黑的不黑），暗圖像有一種蒙紗的感覺。為提高對比度并節(jié)能，業(yè)界開發(fā)出了各種DBC算法。其基本原理是，通過直方圖histogram統(tǒng)計(jì)，一方面調(diào)控背光亮度，另一方面同時調(diào)整圖像的對比度。對背光調(diào)整（dimming）而言，大體分為0D,1D,2D三種類型。0D即背光系統(tǒng)僅由一個控制信號統(tǒng)一調(diào)控，成本低廉，是中低端顯示產(chǎn)品的主要方案。1D即背光燈分成若干個水平分組，每組由各自的控制信號調(diào)控，相對0D復(fù)雜些，可獲得更高的對比度增強(qiáng)效果和節(jié)能比例。2D調(diào)光多用于LED背光系統(tǒng)，LED背光將panel分成MxN個區(qū)域，相對獨(dú)立的根據(jù)局部圖像數(shù)據(jù)調(diào)整每個局部區(qū)域的背光亮度，因此能獲得比1D調(diào)光更佳的對比度和節(jié)能效果，但付出的成本也越高，主要用于大尺寸高端產(chǎn)品。


背光的亮度調(diào)整通常有兩種方法：一種是以直流電平控制背光電壓，這種方式背光始終開啟，缺點(diǎn)是對于1D和2D調(diào)光由于燈管或LED的性能一致性難以保證，容易造成亮度不均；另一種是以PWM方式，使背光交替開關(guān)，PWM的頻率通常是幀頻的數(shù)倍，超過了人眼的辨識范圍，故感受不到背光的閃爍，同時人眼對不同的占空比感知到不同的亮度。這種亮度調(diào)整方式，可克服電平調(diào)壓方式的弊端。目前各廠商的panel多同時支持兩種調(diào)光方式。


由于動態(tài)背光的具體實(shí)現(xiàn)與panel關(guān)系密切，因此，最佳的方案是將DBC做在TCON內(nèi)，組裝在液晶模組中。LGD正式采用了這種結(jié)構(gòu)，推出了獨(dú)具特色的OPC方案。


綜上可見，上述熱點(diǎn)技術(shù)，大都適合于TCON集成。


LCD顯示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的未來展望：


a)一方面，由于產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的發(fā)展慣性，LCD Controller和TCON作為兩個獨(dú)立的子系統(tǒng)將繼續(xù)存在并發(fā)展。


從產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和競爭態(tài)勢角度來講，ST(Genesis)、Trident、NXP、Micronas等公司在LCD controller高端領(lǐng)域的領(lǐng)先地位，以及MTK、Mstar等公司在中低端領(lǐng)域的強(qiáng)勢，都是初創(chuàng)公司短期內(nèi)無法撼動的。值得欣慰的是，由于上述特定的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，TCON作為相對獨(dú)立的系統(tǒng)尚存一定的發(fā)展空間，TCON的算法集成度有待進(jìn)一步提升。另一個值得慶幸的是DissplayPort作為VESA標(biāo)準(zhǔn)，已經(jīng)明確成為LVDS和DVI等內(nèi)外接口的替代者。DP作為新鮮血液也將給TCON注入新的活力。


未來TCON的發(fā)展必然具有如下方向：


1）以DP_Rx取代管腳繁多的LVDS；

2）融合ODC/DBC/MEMC/Scan backlight等復(fù)雜算法功能，提升液晶動態(tài)性能。

3）在大尺寸應(yīng)用中，以point to point接口取代目前的RSDS/Mini-LVDS等source driver接口，增加帶寬，降低成本。


b)另一方面，超?。⊿lim）機(jī)型的時尚追求促使“機(jī)頂盒”式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的發(fā)展。


近年來，超薄LCD顯示系統(tǒng)層出不窮，已經(jīng)成為LCD時尚的最新代表。


超薄對芯片集成度和功耗提出了更高要求。為解決此問題，除了追求更大規(guī)模的集成（如將Controller和TCON集成的imodule方案）外，還有另一種思路。這就是機(jī)頂盒+Monitor方案。


這里所謂的“機(jī)頂盒”并非DTV領(lǐng)域的含義，而是將前端的AFE/HDMI/VGA/CVBS/S-Video等接口、OSD、以及Video decoder、DTV decoder等解碼部件集成在一起的盒子，它以DP輸出解碼或采樣到的視頻，送給Monitor。


這里所謂的Monitor，也并非傳統(tǒng)意義上的PC顯示器。而是一個集成了Scaler、de-interlacer、ODC/DBC/MEMC/Scan backlight,以及TCON、source/gate dirver，和panel的完整顯示系統(tǒng)。由于DP可以承載隔行/逐行各種格式和分辨率的視頻（及音頻），Monitor中又具有de-interlacer和Scaler，因此，這樣的Monitor可以接收任何格式和分辨率的視頻，并正確顯示。成為通用的顯示終端。


也就是說，將視頻的采集（ADC）和解碼（模擬的或數(shù)字的）子系統(tǒng)與視頻顯示系統(tǒng)完全分離，并通過高速且可遠(yuǎn)距離傳輸?shù)膯我籇P線纜連接。從而構(gòu)成靈活的液晶系統(tǒng)。Monitor可超薄壁掛，“機(jī)頂盒”則可“隱藏”于室內(nèi)的任意角落。該顯示系統(tǒng)的控制，可通過射頻遙控“機(jī)頂盒”或Monitor實(shí)現(xiàn)，“機(jī)頂盒”與Monitor之間可以通過DP的aux通道互傳控制信息。用戶可選配不同型號的“機(jī)頂盒”（價(jià)格相對Monitor便宜的多）與Monitor搭配，即使發(fā)生DTV制式的升級或更改（如MPEG2改成H.264），也不用更換價(jià)值相對巨大的Monitor（顯示終端）。進(jìn)而，這樣的"機(jī)頂盒"可具有多路分配功能，可以一拖多個Monior，實(shí)現(xiàn)家庭內(nèi)的多顯示終端同時觀看。


如果，這樣一種顯示系統(tǒng)可以推廣普及，相應(yīng)的視頻ASIC的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)也必然發(fā)生調(diào)整。TCON與Controller將集成，AFE和HDMI等接口以及Video decoder、DTV decoder等解碼部件將呈現(xiàn)獨(dú)立產(chǎn)品狀態(tài)。
 

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