側出LED背光動態調光算法研究

向 艷，馮奇斌，呂國強＊

（1.中航華東光電有限公司，安徽 蕪湖241002；

2.合肥工業大學 特種顯示技術教育部重點實驗室，特種顯示技術國家工程實驗室，現代顯示技術省部共建國家重點實驗室，安徽 合肥230009；3.合肥工業大學 光電技術研究院，安徽 合肥230009）

1 引 言

液晶顯示（Liquid Crystal Display，LCD）經過多年發展，已經成為平板顯示的主流技術。液晶本身不發光，需要背光源發出光線照亮顯示區域。發光二極管（Light Emitting Diode，LED）具有納秒級的響應速度［1－2］，保證了動態調光技術在液晶顯示中的應用。動態調光技術就是根據顯示圖像內容動態改變背光亮度，以提高顯示對比度，降低能耗［3－11］。目前提出的動態調光算法主要包括平均值法、最大值法、均方根值法、映射曲線反轉法等。

動態調光技術分為全局調光和區域調光。區域調光要求背光具有多個能夠獨立調節亮度的區域，根據圖像內容動態決定每個區域的背光亮度。全局調光則是整體改變背光亮度。目前占市場絕大部分份額的液晶電視采用側出式背光結構，沒有進行分區設計，無法采用區域調光技術。故本文針對全局調光，通過引入圖像處理技術開發了有助于降低能耗、提高靜態對比度的全局調光算法。

2 全局調光算法

動態調光算法主要包括2個步驟：（1）確定背光亮度；（2）對液晶像素亮度進行補償。

2.1 背光調光亮度確定

為充分表達圖像的特征值，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是背光調整因子，介于0和1之間，當顯示全黑圖像時，背光關閉，kBLU＝0；顯示全白圖像時，背光處于最亮狀態，kBLU＝1。可以看出，該背光調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，以期在保證顯示質量的前提下獲得盡可能高的節能率。

2.2 液晶像素補償

背光調光亮度確定后，為補償背光亮度的降低，需要對LCD 像素進行調整，以避免顯示亮度過低。式（2）是目前普遍采用的線性補償方法。

式中：BL 和BL′分別為調光前后的背光亮度值，I和I′分別為調光前后LCD 像素強度。可以看出，當背光亮度降低較多時（BL′較小），將導致液晶分子補償過大（I′過大），超過255 而造成溢出失真。

為避免溢出失真并提高靜態對比度，本文采用一種S曲線方法對液晶像素進行調節。S曲線方程如式（3）所示：

其中：Lpoint為S曲線拐點坐標。從圖1可以看出：亮度小于Lpoint的像素調節因子小于1，變得更暗，亮度大于Lpoint的像素調節因子大于1，變得更亮，以此有效提高靜態對比度。

圖1 S曲線Fig.1 S curve

Lpoint決定像素調節的范圍，由式（4）確定：

式中：L25是包括所有像素25%的對應灰度值；L50是包括所有像素50%的對應灰度值。

S曲線方程中的另一個參數a 決定了曲線的曲率。圖2表明其他條件一定時，a 值和S曲線形狀的關系。可以看出，隨著a 值的增大，S曲線變得越來越彎曲，也就是對像素的調整越來越大，一方面可以獲得較大的對比度的提升，另一方面也可能引起圖像細節的丟失，故需要結合圖像特征、背光的調整因子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整系數klcd：

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

圖2 a和S曲線的關系Fig.2 S curves with different a

3 軟件仿真

選擇40幅圖片進行了仿真試驗（如圖3，左上角到右下角圖片編號順序為No.1～No.40），仿真結果見圖4和圖5。

仿真時圖片對比度根據式（7）計算，其中L90是包括所有像素90%的對應灰度值，L10是包括所有像素10%的灰度值。

背光節能率（Power Reduction，PR）根據式（8）計算得到：

圖3 仿真／測試圖片Fig.3 Simulation／test pictures

圖4 調光前后對比度仿真結果Fig.4 CR simulation with and without dimming

圖5 調光節能率仿真結果Fig.5 Power reduction simulation

可以看出，40幅調光后的圖片對比度相對原圖都有一定的提升，對比度平均提高了52.25%，調光后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，對比度提高不明顯，如No.21～No.30；圖像中亮度沒有達到最大值且在較亮和較暗區域均有分布的圖像，如No.8，對比度提升較為明顯。圖5可以看出：隨著圖像整體亮度由高到低，背光節能率呈由低到高的趨勢，但對于No.6、No.9、No.34的圖像，整體亮度較低，但由于存在太陽或煙花的高亮對象，決定了式（1）中的Ldiff較大，由此kblu不會太低，能耗降低不多。

4 工程化樣機

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

圖6 動態調光工程化樣機Fig.6 Dimming LC TV prototype

從圖7可以清晰看出，顯示全黑圖片時，左邊傳統的電視存在明顯的漏光現象，而采用調光技術的液晶電視將LED 背光完全關閉（右），大大提高了動態對比度。

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

將6類常見的電視節目（公益宣傳片、電視劇、動畫片、體育節目、綜藝節目、脫口秀）合成了每段5 min共計30 min的視頻，在工程化樣機上進行了測試，調光和沒調光電視的整機功耗分別為0.021 0度和0.025 3度，調光后整機功耗降低了：

視頻顯示完成正常，沒有抖動、拖尾、人眼可感知的失真。

5 結 論

針對液晶顯示對比度和能效不高的問題，針對現有背光市場主流產品，提出了基于S曲線的全局動態調光算法，進行了大量的軟件仿真，并開發了工程化樣機。仿真和試驗結果均表明：基于S曲線的全局動態調光算法能有效降低液晶電視能耗，沒有明顯的人眼感知的失真，對于某些圖像，經過調光后顯示質量有顯著提升。

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