側(cè)出LED背光動(dòng)態(tài)調(diào)光算法研究

向 艷，馮奇斌，呂國(guó)強(qiáng)＊

（1.中航華東光電有限公司，安徽 蕪湖241002；

2.合肥工業(yè)大學(xué) 特種顯示技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，特種顯示技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，現(xiàn)代顯示技術(shù)省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥230009；3.合肥工業(yè)大學(xué) 光電技術(shù)研究院，安徽 合肥230009）

1 引 言

液晶顯示（Liquid Crystal Display，LCD）經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，已經(jīng)成為平板顯示的主流技術(shù)。液晶本身不發(fā)光，需要背光源發(fā)出光線照亮顯示區(qū)域。發(fā)光二極管（Light Emitting Diode，LED）具有納秒級(jí)的響應(yīng)速度［1－2］，保證了動(dòng)態(tài)調(diào)光技術(shù)在液晶顯示中的應(yīng)用。動(dòng)態(tài)調(diào)光技術(shù)就是根據(jù)顯示圖像內(nèi)容動(dòng)態(tài)改變背光亮度，以提高顯示對(duì)比度，降低能耗［3－11］。目前提出的動(dòng)態(tài)調(diào)光算法主要包括平均值法、最大值法、均方根值法、映射曲線反轉(zhuǎn)法等。

動(dòng)態(tài)調(diào)光技術(shù)分為全局調(diào)光和區(qū)域調(diào)光。區(qū)域調(diào)光要求背光具有多個(gè)能夠獨(dú)立調(diào)節(jié)亮度的區(qū)域，根據(jù)圖像內(nèi)容動(dòng)態(tài)決定每個(gè)區(qū)域的背光亮度。全局調(diào)光則是整體改變背光亮度。目前占市場(chǎng)絕大部分份額的液晶電視采用側(cè)出式背光結(jié)構(gòu)，沒(méi)有進(jìn)行分區(qū)設(shè)計(jì)，無(wú)法采用區(qū)域調(diào)光技術(shù)。故本文針對(duì)全局調(diào)光，通過(guò)引入圖像處理技術(shù)開(kāi)發(fā)了有助于降低能耗、提高靜態(tài)對(duì)比度的全局調(diào)光算法。

2 全局調(diào)光算法

動(dòng)態(tài)調(diào)光算法主要包括2個(gè)步驟：（1）確定背光亮度；（2）對(duì)液晶像素亮度進(jìn)行補(bǔ)償。

2.1 背光調(diào)光亮度確定

為充分表達(dá)圖像的特征值，本文采用如下算法確定背光亮度［3］：

式中：Lavg是所有像素的平均灰度，Lmax是所有像素的最大灰度。kBLU是背光調(diào)整因子，介于0和1之間，當(dāng)顯示全黑圖像時(shí)，背光關(guān)閉，kBLU＝0；顯示全白圖像時(shí)，背光處于最亮狀態(tài)，kBLU＝1?？梢钥闯觯摫彻庹{(diào)光亮度確定方法既考慮了圖像的平均亮度，也滿足了圖像最亮部分的亮度要求，以期在保證顯示質(zhì)量的前提下獲得盡可能高的節(jié)能率。

2.2 液晶像素補(bǔ)償

背光調(diào)光亮度確定后，為補(bǔ)償背光亮度的降低，需要對(duì)LCD 像素進(jìn)行調(diào)整，以避免顯示亮度過(guò)低。式（2）是目前普遍采用的線性補(bǔ)償方法。

式中：BL 和BL′分別為調(diào)光前后的背光亮度值，I和I′分別為調(diào)光前后LCD 像素強(qiáng)度?？梢钥闯?，當(dāng)背光亮度降低較多時(shí)（BL′較小），將導(dǎo)致液晶分子補(bǔ)償過(guò)大（I′過(guò)大），超過(guò)255 而造成溢出失真。

為避免溢出失真并提高靜態(tài)對(duì)比度，本文采用一種S曲線方法對(duì)液晶像素進(jìn)行調(diào)節(jié)。S曲線方程如式（3）所示：

其中：Lpoint為S曲線拐點(diǎn)坐標(biāo)。從圖1可以看出：亮度小于Lpoint的像素調(diào)節(jié)因子小于1，變得更暗，亮度大于Lpoint的像素調(diào)節(jié)因子大于1，變得更亮，以此有效提高靜態(tài)對(duì)比度。

圖1 S曲線Fig.1 S curve

Lpoint決定像素調(diào)節(jié)的范圍，由式（4）確定：

式中：L25是包括所有像素25%的對(duì)應(yīng)灰度值；L50是包括所有像素50%的對(duì)應(yīng)灰度值。

S曲線方程中的另一個(gè)參數(shù)a 決定了曲線的曲率。圖2表明其他條件一定時(shí)，a 值和S曲線形狀的關(guān)系?？梢钥闯?，隨著a 值的增大，S曲線變得越來(lái)越彎曲，也就是對(duì)像素的調(diào)整越來(lái)越大，一方面可以獲得較大的對(duì)比度的提升，另一方面也可能引起圖像細(xì)節(jié)的丟失，故需要結(jié)合圖像特征、背光的調(diào)整因子kBLU綜合確定a的取值。

獲得S曲線后，就可以得到不同灰度的液晶像素調(diào)整系數(shù)klcd：

式中：Lin是像素原始灰度值，Lout是調(diào)光后像素灰度值。調(diào)光后子像素亮度值（R′，G′，B′）由式（6）得到：

圖2 a和S曲線的關(guān)系Fig.2 S curves with different a

3 軟件仿真

選擇40幅圖片進(jìn)行了仿真試驗(yàn)（如圖3，左上角到右下角圖片編號(hào)順序?yàn)镹o.1～No.40），仿真結(jié)果見(jiàn)圖4和圖5。

仿真時(shí)圖片對(duì)比度根據(jù)式（7）計(jì)算，其中L90是包括所有像素90%的對(duì)應(yīng)灰度值，L10是包括所有像素10%的灰度值。

背光節(jié)能率（Power Reduction，PR）根據(jù)式（8）計(jì)算得到：

圖3 仿真／測(cè)試圖片F(xiàn)ig.3 Simulation／test pictures

圖4 調(diào)光前后對(duì)比度仿真結(jié)果Fig.4 CR simulation with and without dimming

圖5 調(diào)光節(jié)能率仿真結(jié)果Fig.5 Power reduction simulation

可以看出，40幅調(diào)光后的圖片對(duì)比度相對(duì)原圖都有一定的提升，對(duì)比度平均提高了52.25%，調(diào)光后40幅圖片的能耗均有所下降，平均下降了21.92%。圖4可以看出：對(duì)于亮度分布比較平均的圖像，像素值增加或減少的空間有限，對(duì)比度提高不明顯，如No.21～No.30；圖像中亮度沒(méi)有達(dá)到最大值且在較亮和較暗區(qū)域均有分布的圖像，如No.8，對(duì)比度提升較為明顯。圖5可以看出：隨著圖像整體亮度由高到低，背光節(jié)能率呈由低到高的趨勢(shì)，但對(duì)于No.6、No.9、No.34的圖像，整體亮度較低，但由于存在太陽(yáng)或煙花的高亮對(duì)象，決定了式（1）中的Ldiff較大，由此kblu不會(huì)太低，能耗降低不多。

4 工程化樣機(jī)

課題組開(kāi)發(fā)了采用本文調(diào)光算法的液晶電視工程化樣機(jī)，對(duì)角線尺寸為81.28cm（16∶9），如圖6所示，圖中左邊的一臺(tái)電視采用傳統(tǒng)的背光亮度恒定的工作模式，右邊的一臺(tái)采用本文的全局調(diào)光算法。兩臺(tái)液晶電視均接有功率計(jì)，可以顯示實(shí)時(shí)功耗。顯示圖6（a）圖像時(shí)，液晶電視調(diào)光前后的功耗分別為51.5 W 和41.8 W，整 機(jī) 節(jié) 能 率 為（51.5－41.8）／51.5＝18.83%；顯示圖6（b）圖像時(shí)，調(diào)光前后的功耗分別為51.3W 和39.6W，整機(jī)節(jié)能率為（51.3－39.6）／51.3＝22.81%。

圖6 動(dòng)態(tài)調(diào)光工程化樣機(jī)Fig.6 Dimming LC TV prototype

從圖7可以清晰看出，顯示全黑圖片時(shí)，左邊傳統(tǒng)的電視存在明顯的漏光現(xiàn)象，而采用調(diào)光技術(shù)的液晶電視將LED 背光完全關(guān)閉（右），大大提高了動(dòng)態(tài)對(duì)比度。

圖7 顯示全黑圖像Fig.7 Black image displayed on 2LC TVs

將6類常見(jiàn)的電視節(jié)目（公益宣傳片、電視劇、動(dòng)畫(huà)片、體育節(jié)目、綜藝節(jié)目、脫口秀）合成了每段5 min共計(jì)30 min的視頻，在工程化樣機(jī)上進(jìn)行了測(cè)試，調(diào)光和沒(méi)調(diào)光電視的整機(jī)功耗分別為0.021 0度和0.025 3度，調(diào)光后整機(jī)功耗降低了：

視頻顯示完成正常，沒(méi)有抖動(dòng)、拖尾、人眼可感知的失真。

5 結(jié) 論

針對(duì)液晶顯示對(duì)比度和能效不高的問(wèn)題，針對(duì)現(xiàn)有背光市場(chǎng)主流產(chǎn)品，提出了基于S曲線的全局動(dòng)態(tài)調(diào)光算法，進(jìn)行了大量的軟件仿真，并開(kāi)發(fā)了工程化樣機(jī)。仿真和試驗(yàn)結(jié)果均表明：基于S曲線的全局動(dòng)態(tài)調(diào)光算法能有效降低液晶電視能耗，沒(méi)有明顯的人眼感知的失真，對(duì)于某些圖像，經(jīng)過(guò)調(diào)光后顯示質(zhì)量有顯著提升。

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