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作者；鄭曉敏

  液晶顯示器( LCD)為被動(dòng)發(fā)光性顯示裝置，需要借助背光源才能實(shí)現(xiàn)顯示功能。背光源在傳統(tǒng)恒定亮度模式下，消耗較多的電能；加之液晶自身的非理想特性引起的漏光現(xiàn)象嚴(yán)重降低了顯示圖像的對(duì)比度。為提高顯示器能效和對(duì)比度，國內(nèi)外學(xué)者開始研究動(dòng)態(tài)調(diào)光技術(shù)，即根據(jù)顯示圖像的內(nèi)容動(dòng)態(tài)地改變背光亮度及像素補(bǔ)償，以降低功耗并減少暗圖像的漏光來提高對(duì)比度。

  根據(jù)背光模塊中光源是否區(qū)域可控，動(dòng)態(tài)調(diào)光技術(shù)可分為全局調(diào)光技術(shù)和區(qū)域調(diào)光技術(shù)。區(qū)域調(diào)光技術(shù)是將背光分為若干個(gè)獨(dú)立控制的區(qū)域，每個(gè)區(qū)域的背光亮度根據(jù)相應(yīng)區(qū)域圖像的內(nèi)容而變化。全局調(diào)光技術(shù)則是整體調(diào)節(jié)背光亮度。區(qū)域調(diào)光算法與全局調(diào)光算法相比節(jié)能效果更好，但存在光線串?dāng)_、算法復(fù)雜、成本高、硬件控制復(fù)雜等問題。

  現(xiàn)有的全局調(diào)光算法中，雖然可以取得一些節(jié)能效果，但是其中大多數(shù)存在像素溢出失真現(xiàn)象且無法有效提高對(duì)比度。采用S曲線補(bǔ)償液晶像素的調(diào)光算法能夠降低顯示器功耗，提升靜態(tài)對(duì)比度且無像素溢出失真。但是，其背光亮度是根據(jù)像素的最大亮度決定的，對(duì)像素最大亮度小于255的圖像，有望進(jìn)一步提高節(jié)能率。本文就是在原有S曲線全局調(diào)光算法的基礎(chǔ)上，提出了改進(jìn)的兩級(jí)動(dòng)態(tài)調(diào)光算法，以期進(jìn)一步降低能耗。

1 S曲線全局調(diào)光算法介紹

1.1  背光亮度的確定

根據(jù)式(1)確定背光調(diào)節(jié)亮度，即

2  兩級(jí)動(dòng)態(tài)調(diào)光算法

  為了進(jìn)一步降低LED背光液晶電視的能耗，本文對(duì)j：述調(diào)光算法進(jìn)行了改進(jìn)，提出兩級(jí)動(dòng)態(tài)調(diào)光算法。

  1)計(jì)算線性放大系數(shù)K與背光下降系數(shù)Kbl。

式中：K為線性放大系數(shù)；M。，．為整幅輸入圖像中所有紅分量、綠分量和藍(lán)分量的最大值；K．，，處于0~1之間，當(dāng)所有子像素中的最大值等于255時(shí)，K，．=1，當(dāng)顯示全黑場(chǎng)圖片時(shí)，K，l=0，背光關(guān)閉。

2)利用式(6)對(duì)輸入圖像的所有像素進(jìn)行線性放大。

式中，（R。，G。，Bin）為像素輸入值。將輸入圖像所有像素分量同乘以線性放大系數(shù)K，則圖像灰度級(jí)整體提升且不會(huì)出現(xiàn)溢出失真，得到線性放大后的圖像像素（R’，G’，B’）。

  3)利用式(3)求取圖像（R7，G’，B 7）的拐點(diǎn)/i:oin。，以L‰為拐點(diǎn)對(duì)線性放大后的圖像（R7，G’，B’）進(jìn)行像素補(bǔ)償。

通過式(6)推導(dǎo)，有式(7)成立，即

拐點(diǎn)L`point確定了S曲線調(diào)節(jié)中像素調(diào)節(jié)的范圍，由式(7)可以看出：兩級(jí)動(dòng)態(tài)調(diào)光算法與S曲線全局調(diào)光算法相比，像素補(bǔ)償因子大于1和小于1分別對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)的數(shù)量不變。

4)通過式(8)求得兩級(jí)動(dòng)態(tài)調(diào)光算法的背光輸出亮度B。。。

針對(duì)具體圖例對(duì)比分析兩種調(diào)節(jié)算法。圖2為S曲線全局調(diào)光算法的效果對(duì)比，圖2a為原圖，圖2b為算法仿真效果圖。如圖中所示，原圖的背光亮度B。=255，算法仿真后B，下降為165。

圖3為兩級(jí)動(dòng)態(tài)調(diào)光算法的效果對(duì)比。圖3a為原圖，圖3b為算法仿真效果圖。如圖中所示，原圖的背光亮度B。為255，算法仿真后B。下降為97，其中KhJ=1.7。

圖4為兩種算法的S曲線，橫坐標(biāo)是輸入曲線的灰度值，縱坐標(biāo)對(duì)應(yīng)經(jīng)過S曲線調(diào)整后輸出圖像的灰度值。圖4a中像素補(bǔ)償曲線僅為S曲線的一段，其中L。。，．= 65，而圖4b中像素補(bǔ)償曲線利用了S曲線的全部，L`point= 110。

  由式(8)可以看出：雖然像素補(bǔ)償因子大于1和小于1分別對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)的數(shù)量不變，但是經(jīng)過線性放大后，像素補(bǔ)償因子所乘的像素值（R’，G’，B’）變大，即調(diào)節(jié)后的補(bǔ)償量變大，所以兩級(jí)動(dòng)態(tài)調(diào)光算法調(diào)節(jié)后的對(duì)比度較S曲線全局調(diào)光算法略有提升。

  通過具體圖例分析，兩級(jí)動(dòng)態(tài)調(diào)光算法相比S曲線全局調(diào)光算法，能夠在保證顯示效果的基礎(chǔ)上進(jìn)一步降低背光亮度。

3軟件仿真

本文選取40張圖像進(jìn)行仿真試驗(yàn)（如圖5所示，共40幅圖像），仿真結(jié)果如圖6和圖7所示。圖像對(duì)比度為

式中：L90為灰度直方圖累加到像素點(diǎn)總數(shù)90%處對(duì)應(yīng)的灰度值；L90為灰度直方圖累加到像素點(diǎn)總數(shù)10%處對(duì)應(yīng)的灰度值。

背光節(jié)能率( P-R)為

式中，B。．(0～255)為仿真中得到的背光亮度值。

  從圖6可知，兩級(jí)動(dòng)態(tài)調(diào)光算法與S曲線全局調(diào)光算法相比，調(diào)節(jié)后圖像的對(duì)比度基本保持不變。從圖7中看出，在處理1，4，1 1，12，14等低亮度圖像時(shí)，兩級(jí)動(dòng)態(tài)調(diào)光算法相對(duì)于S曲線全局調(diào)光算法節(jié)能率明顯提高，而對(duì)高亮度圖像節(jié)能率略有提高或基本保持不變。

  統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：經(jīng)過兩級(jí)動(dòng)態(tài)調(diào)光算法處理后的40幅圖像背光節(jié)能率平均值為30 010，靜態(tài)對(duì)比度提升33%。而S曲線全局調(diào)光算法對(duì)相同40幅圖像的背光節(jié)能率平均值為19%。

4工程化樣機(jī)

采用本文調(diào)光算法的液晶電視工程樣機(jī)，對(duì)角線尺寸為127 cm(16：9)，正常使用時(shí)功耗為86～89 W。如圖8所示，左邊一臺(tái)采用本文的兩級(jí)動(dòng)態(tài)調(diào)光算法，右邊一臺(tái)采用的是S曲線全局調(diào)光算法。兩臺(tái)液晶電視均接有功率計(jì)，可顯示實(shí)時(shí)功耗。

節(jié)能率R。為

式中：P為不采用調(diào)光的電視機(jī)功耗；P ’為采用調(diào)光的電視機(jī)功耗。

利用式(11)求得圖8a、圖8b兩張測(cè)試圖像的樣機(jī)節(jié)能率，如表1所示。

  表1中：Pf是采用兩級(jí)動(dòng)態(tài)調(diào)光算法的樣機(jī)功率；P：是采用S曲線全局調(diào)光算法的樣機(jī)功率；P為不采用調(diào)光的樣機(jī)功率；R。，R，。則分別為對(duì)應(yīng)算法的樣機(jī)節(jié)能率。

  將6類常見的電視節(jié)目（公益宣傳片、電視劇、動(dòng)畫片、體育節(jié)目、綜藝節(jié)目、脫口秀）每段5 min，合成為一個(gè)30 min的視頻在工程樣機(jī)上進(jìn)行了測(cè)試。采用兩級(jí)動(dòng)態(tài)調(diào)光算法的樣機(jī)能耗為0. 031 80 kW．h、采用S曲線全局調(diào)光算法的樣機(jī)能耗為0. 036 12 kW．h、不調(diào)光的樣機(jī)能耗為0. 042 50 kW-h。兩種調(diào)光算法的樣機(jī)能耗分別降低了25.2 010和15.0 010。視頻顯示正常，沒有抖動(dòng)、拖尾等人眼可感知的問題。

5結(jié)束語

針對(duì)液晶顯示對(duì)比度和能效不高的問題，提出了在現(xiàn)有S曲線全局調(diào)光算法中增加線性放大的兩級(jí)動(dòng)態(tài)調(diào)光算法。進(jìn)行了軟件仿真并開發(fā)了工程樣機(jī)，仿真和工程樣機(jī)測(cè)試結(jié)果表明：采用兩級(jí)動(dòng)態(tài)調(diào)光算法的電視平均整機(jī)能耗降低了25.2%，平均靜態(tài)對(duì)比度提高了30%。與基于S曲線全局調(diào)光算法相比，節(jié)能率提高了10%，靜態(tài)對(duì)比度基本保持不變。兩級(jí)動(dòng)態(tài)調(diào)光算法在保證S曲線全局調(diào)光算法顯示質(zhì)量的同時(shí)達(dá)到了進(jìn)一步節(jié)能的效果。

6摘要：S曲線全局調(diào)光算法能夠降低LED液晶顯示器的功耗并提高顯示圖像靜態(tài)對(duì)比度，為了進(jìn)一步提高節(jié)能率，提出了基于S曲線的兩級(jí)動(dòng)態(tài)調(diào)光算法。首先對(duì)輸入圖像的所有像素分量進(jìn)行線性放大，將輸入圖像的像素灰度級(jí)整體提升；然后利用S曲線對(duì)線性放大后的圖像進(jìn)行像素補(bǔ)償，同時(shí)輸出調(diào)整后的背光亮度信號(hào)。對(duì)40幅典型圖像進(jìn)行了仿真，結(jié)果表明：平均背光節(jié)能30%，靜態(tài)對(duì)比度提高33%。開發(fā)了工程樣機(jī)，對(duì)6類常見的電視節(jié)目進(jìn)行測(cè)試，整機(jī)平均節(jié)能25.1%，靜態(tài)對(duì)比度提高了30%。與S曲線全局調(diào)光算法相比，所提算法在顯示性能保持不變的同時(shí)，能進(jìn)一步將節(jié)能率提高10%。