基于平均值法的LED背光源動態調光二次修正算法

楊 雷，李純懷，陳宥燁，李 浩，何振偉，朱立偉，屠震濤，張小寧＊

（1.西安交通大學 電子物理與器件教育部重點實驗室，陜西 西安710049；2.深圳市華星光電技術有限公司，廣東 深圳518000）

1 引 言

液晶顯示器（Liquid Crystal Display，LCD）是時下最流行的平板顯示器件，LED 背光源因其卓越的性能，逐漸成為LCD 的主流背光源［1－4］。對于傳統顯示方法，LED 背光源的亮度保持不變，通過控制液晶透過率來實現灰度級，不僅會導致背光功耗過大，而且由于液晶存在天生的漏光，低灰度像素無法正常顯示，尤其是黑色，從而導致對比度降低。動態調光則是根據畫面動態地改變背光亮度，可以在降低背光功耗的同時，提高畫面對比度。但是，動態調光也會帶來一些問題，如灰度截斷［5］和光暈效應［6］。灰度截斷是由于背光被降低之后，灰度值高于背光灰度值的像素無法正常顯示，從而產生截斷現象；光暈效應則是因為液晶在顯示低灰度像素時，由于存在漏光，動態調光后，不同區域的背光不同，漏光也不同，從而產生光暈效應，如鼠標指針在黑色背景上移動時，就會產生光暈效應。

動態調光的關鍵算法在于如何確定每個LED 分區的背光值，目前，已經提出的算法有平均值法（Avg）、均方根法（Sqrt）、最大值法（Max）等［7－11］。其中，平均值法是以每個分區的平均灰度值作為對應分區背光，均方根法則是以每個分區的灰度平均值為基礎，歸一化后取均方根作為對應分區背光，兩種算法可以實現較高的對比度和較低的功耗，但由于背光過低，圖像的灰度截斷比較嚴重；最大值法則是以分區內灰度最大值作為對應分區的背光值，可以解決圖像灰度截斷的問題，但同時會造成背光功耗過大。對于因背光不均勻和液晶漏光導致的光暈效應，上述算法并未解決。

本文提出的LED 背光源動態調光二次修正算法能夠降低背光功耗，同時增強畫質。該方法在平均值法的基礎上，根據分區灰度最大值與平均值的差值進行第一次修正，可以顯著改善灰度截斷問題；采用空間濾波法進行第二次修正，可以改善光暈效應。實驗表明，采用本算法后，背光功耗降低至73.02%，灰度截斷率0.49%，平均PSNR 值高達67.21dB，典型圖像對比度最大達到28 600∶1，顯示圖像的光暈效應有了明顯的改善。

2 二次修正算法

本文提出的二次修正算法是根據輸入圖像求出動態調光后的背光亮度，動態調光流程如圖1所示。首先，從輸入圖像中提取出特征參數，分區灰度最大值和平均值；第二，利用特征參數，以平均值法為基礎進行第一次修正；第三，采用空間濾波法進行第二次修正，得到最終LED 亮度；第四，按照調光后背光進行液晶補償；最后，將LED 亮度發送至LED 驅動模塊，同時，將補償后的像素值發送至液晶面板。

圖1 二次修正算法流程圖Fig.1 Process of the twice－correction algorithm

2.1 第一次修正

以平均值法作為基礎，利用分區灰度最大值與平均值對各分區背光進行第一次修正，如式（1），（2），（3）所示。

其中：B1（m，n）表示分區（m，n）的第一次修正灰度值，Avg（m，n）、Max（m，n）表示分區（m，n）的灰度平均值和最大值，K 為待定常數，且0 ≤K≤1，當K ＝1時，B1（m，n）＝Max（m，n），即最大值法。如圖2所示，當K 的值從0變化到1時，算法逐漸趨近最大值法。第一次修正式中包含的參數K 值可根據功耗、截斷點數目和PSNR 的要求確定。

圖2 第一次修正曲線Fig.2 The first correction curves

2.2 第二次修正

經過第一次修正的分區背光，并未考慮到周圍分區的背光，容易導致相鄰分區背光變化過大，以致產生光暈效應。采用空間濾波的方法，可以讓背光更加平緩，解決動態調光所致的光暈效應。本算法原理圖如圖3所述，要求將高亮度背光分區周圍的分區背光升高，同時，升高后的背光不能小于原先背光。濾波后的背光亮度如式（4），（5）所示。

其中：B2（m，n）表示分區（m，n）的第二次修正灰度值，Bf為濾波背光，BS1（m，n）為（m，n）分區周圍分區的第一次修正灰度值，濾波后的背光要在原背光B1（m，n）和濾波背光Bf之間取最大值，T 和th為待定參數。

圖3 空間濾波原理圖Fig.3 Schematic diagram of spatial filtration

3 實驗結果與討論

本文提出的算法通過Matlab進行了仿真驗證，并在采用LED背光源的116.8cm（46in）FHD分辨率的液晶電視上進行了實驗驗證。使用側入式白光LED背光源，左右各8組LED，液晶面板被劃分成8×16個分區。算法中提到的各參數值如表1所示。

表1 參數值列表Tab.1 List of parameter values

將一次修正、二次修正后的結果與Avg法、Sqrt法和Max法進行比較。采用圖4 所示的4幅典型圖片，實驗結果為原圖與處理后的圖片的差值，并放大10倍，若結果越小，說明灰度截斷越小，圖像質量越高。可以看出，Max 法和本文提出的一次修正、二次修正算法效果較好。

圖4 Avg、Sqrt、及Max方法與本文算法的誤差圖像Fig.4 Error pictures processed by Avg，Sqrt，Max method and the proposed method

表2為采用圖4所示的4幅典型圖片，經過Avg法、Sqrt法、Max法及本文提出的一次修正和二次修正處理后的功耗、灰度截斷和峰值信噪比（Peak Signal to Noise Ratio，PSNR）的平均結果。可以看出，Avg法和Sqrt法的功耗小，但截斷比大，PSNR 小；Max法的截斷比為0，但功耗達到86.21%；經過本文提出的一次修正算法處理之 后，功 耗 為72.66%，同 時，截 斷 比 為0.495%，PSNR 達到66.03dB；經過二次修正之后，功耗只增加0.36%，同時，截斷比降低0.006%，PSNR 升高1.18dB。

表2 功耗、截斷比和PSNR 實驗結果Tab.2 Experiment results of power consumption，grayscale clipping，and PSNR

本文提出的二次修正的目的是抑制光暈效應，如圖5所示，黑色背景上一個鼠標指針，經過一次修正后，背光變化不夠平緩，導致比較嚴重的光暈效應，經過二次修正后，背光變化平緩，光暈效應得到抑制。采用如圖6所示的4種典型對比度測試圖案，測試結果見表3，經過本算法處理后，對比度有了明顯提升，最大達到了28 600∶1。

圖5 空間濾波抑制光暈效應前后比較Fig.5 Halo effect before and after spatial filtration

圖6 對比度測試圖Fig.6 Testing patterns for contrast ratio

表3 對比度測試結果Tab.3 Experiment results of contrast ratio

4 結 論

本文提出的LED背光源動態調光二次修正算法可以在降低背光功耗的基礎上，有效增強畫質。以平均值法作為基礎，根據分區最大值和平均值的差值進行第一次修正，采用空間濾波法進行第二次修正，可以分別改善灰度截斷問題和光暈效應。實驗結果表明，采用本文提出的算法處理之后，LED背光源平均功耗可降低至73.02%，灰度截斷率僅占顯示像素總數的0.489%，PSNR為67.21dB，典型圖像的對比度最大達到28 600∶1，同時，可以很好地改善調光帶來的光暈效應。

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