劉 芬,呂國強(qiáng),馮奇斌,張喜條

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 特種顯示技術(shù)教育部重點實驗室特種顯示技術(shù)國家工程實驗室現(xiàn)代顯示技術(shù)省部共建國家重點實驗室,安徽合肥230009; 2.合肥工業(yè)大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院,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)

一種高節(jié)能、低溢出率的動態(tài)調(diào)光算法

劉 芬1,2,呂國強(qiáng)1,3,?,馮奇斌1,3,張喜條1,2

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 特種顯示技術(shù)教育部重點實驗室特種顯示技術(shù)國家工程實驗室現(xiàn)代顯示技術(shù)省部共建國家重點實驗室,安徽合肥230009; 2.合肥工業(yè)大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院,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)

為了解決現(xiàn)有調(diào)光算法存在節(jié)能率低和溢出失真率高的問題,本文提出了一種高節(jié)能、低溢出率的動態(tài)調(diào)光算法。在綜合考慮液晶顯示器中背光亮度和像素亮度對最終顯示效果存在非等效影響的實際情況下,將輸入圖像灰階亮度作一定的預(yù)處理后再進(jìn)行圖像背光亮度計算,并且采用帶有權(quán)重的線性調(diào)節(jié)方式來進(jìn)行液晶像素的補(bǔ)償計算。與常見調(diào)光算法的平均節(jié)能11.9%和平均溢出率12.34%相比,本文算法的平均節(jié)能可達(dá)22.15%,而溢出失真率降低至9.95%。在工程樣機(jī)上對50幅圖像進(jìn)行了實際測試,與采用常見調(diào)光算法的顯示器相比,采用本文調(diào)光算法的顯示器在獲得更高節(jié)能率的同時,保持了較好的顯示質(zhì)量,沒有明顯的亮度下降。

調(diào)光技術(shù);背光;節(jié)能率;溢出率

1 引 言

傳統(tǒng)的液晶顯示器LCD(Liquid Crystal Display,LCD)因其背光一直處于全開狀態(tài),使得消耗的電源功率較高且嚴(yán)重漏光造成顯示對比度不高[1]。為解決這個問題,國內(nèi)外研究者提出了可針對顯示畫面內(nèi)容動態(tài)改變背光的動態(tài)調(diào)光技術(shù)[2-3]。動態(tài)調(diào)光技術(shù)由兩部分構(gòu)成:背光確定和像素調(diào)節(jié)。背光確定是根據(jù)顯示畫面內(nèi)容,動態(tài)地提取能表征圖像信息的特征值,常用的方法有最大值法[4]、平均值法[4]、均方根法[5]以及誤差修正法[6]等。像素調(diào)節(jié)是依據(jù)求取后的背光和原始像素值來進(jìn)行計算得到調(diào)光后的像素亮度。常用的調(diào)節(jié)公式為線性,即用背光與像素的線性乘積作為最終顯示的亮度。

現(xiàn)有調(diào)光算法[7-16]的背光確定方法常根據(jù)輸入圖像的灰階亮度來提取特征值,除了最大值法,其他的任何背光確定方法計算的背光都會使一部分像素在線性調(diào)節(jié)后數(shù)值高于255而產(chǎn)生溢出。為控制調(diào)光的溢出失真,必然犧牲了節(jié)能率[16]。實際測試中,調(diào)光圖像在高亮處因像素溢出低于原始圖像,而低亮處因線性調(diào)節(jié)不匹配實際情況使得亮度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于原始圖像。為解決這個問題,本文在考慮背光與像素對實際顯示效果存在不同影響的前提下,將輸入圖像灰階亮度作一定的預(yù)處理后再進(jìn)行圖像背光亮度計算,并且采用帶有權(quán)重的線性像素調(diào)節(jié)方式,獲得高節(jié)能率的同時保持像素溢出率最低。

2 常用動態(tài)調(diào)光算法介紹及調(diào)光效果

動態(tài)調(diào)光算法主要包括兩個步驟:圖像背光確定算法和像素補(bǔ)償算法,算法框圖如圖1所示。

圖1 動態(tài)調(diào)光算法框圖Fig.1 Block diagram of dynamic dimming algorithm

文獻(xiàn)[6]介紹了基于誤差修正的背光調(diào)光亮度確定方法,如公式(1)所示:

式中:Lmax為圖像中所有像素亮度值LLC的最大亮度,Lavg為圖像中所有像素亮度值的平均亮度, Ldif為最大亮度和平均亮度的差值,K為求得的圖像背光亮度。

像素調(diào)節(jié)通常采用線性方法,如公式(2)所示:式中:LLC和LLC′分別為原始圖像和調(diào)光后圖像的像素亮度,K為顯示區(qū)域的背光亮度。

圖2為使用上述調(diào)光算法進(jìn)行調(diào)光處理的顯示效果。圖2(a)為原始輸入圖像,根據(jù)公式(1)計算得到背光K值為224,背光效果如圖2(b),圖2(c)為使用公式(2)進(jìn)行像素調(diào)節(jié)后并綜合背光K的調(diào)光圖像。從圖2(a)和圖2(c)的紅色方框區(qū)域可以明顯看出,調(diào)光后的圖像在該區(qū)域亮度低于原始圖像,存在一定程度的顏色失真,這是由于該區(qū)域的原始像素亮度較高,經(jīng)過公式(2)的計算使得部分像素亮度高于255產(chǎn)生溢出?？纱藭r的背光值K為224,僅能獲得12.1%的節(jié)能率。相對于圖2(a)這種整體亮度偏暗的圖像, 12.1%的節(jié)能率絲毫體現(xiàn)不了調(diào)光技術(shù)的優(yōu)勢。

圖2 動態(tài)調(diào)光效果圖Fig.2 Dimming effect of dynamic algorithm

3 高節(jié)能、低溢出率的調(diào)光算法

由上述分析可以看出:該背光確定方法對整體偏暗的畫面計算得到的背光卻很高,完全體現(xiàn)不了調(diào)光技術(shù)在節(jié)能率上應(yīng)該具有的優(yōu)勢;線性像素調(diào)節(jié)方式會使調(diào)整后的像素存在溢出,造成調(diào)光圖像的亮度和顏色失真,且在調(diào)光樣機(jī)上進(jìn)行測試,調(diào)光后的圖像亮度卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于原始不調(diào)光圖像的亮度。

3.1 權(quán)重線性像素調(diào)節(jié)算法

為解決線性調(diào)節(jié)后的圖像亮度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于原始圖像的問題,在考慮實際LCD的背光和像素亮度對最終顯示效果存在非等權(quán)重的影響下,使用公式(3)進(jìn)行像素調(diào)節(jié):

通過測試,背光亮度和像素亮度與最終顯示亮度的關(guān)系如圖3所示。由圖3可以看出,當(dāng)像素亮度保持不變時,背光亮度對最終顯示亮度成線性正比關(guān)系;而當(dāng)背光不變,最終顯示亮度與像素亮度成非線性關(guān)系。將測試的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理后,得到最終顯示亮度與背光和像素的亮度關(guān)系如式(4)所示:

其中:K與LLC的范圍都是0～255,k、b、l是從像素與顯示亮度關(guān)系數(shù)據(jù)中擬合計算的系數(shù),l的取值與使用的液晶屏有關(guān),主要是漏光產(chǎn)生的亮度。

圖3 背光及像素亮度與顯示亮度關(guān)系Fig.3 Display luminance related to backlight and pixels

在不改變背光確定方法的情況下,在工程樣機(jī)上對線性像素調(diào)節(jié)方式和改進(jìn)的帶權(quán)重線性調(diào)節(jié)方式分別進(jìn)行了實際測試,表1給出了測試圖片中心點的實測亮度。

表1 原圖與兩種調(diào)節(jié)方式的亮度對比Tab.1 Luminance of original and two dimming methods

從表1中的數(shù)據(jù)可以看出,線性調(diào)節(jié)后的圖像亮度普遍高于原始亮度,而使用修正的帶權(quán)重線性像素調(diào)節(jié)方式,可使調(diào)光后的圖像亮度與不調(diào)光時候保持較好的一致性。這是由于采用公式(4)計算后的像素亮度低于公式(2)計算的值,這樣也大大降低了線性調(diào)節(jié)方式會導(dǎo)致的像素溢出問題。

3.2 高效節(jié)能的背光確定算法

上述的像素調(diào)節(jié)方式解決了像素溢出和調(diào)光前后亮度的匹配問題,可并沒有解決節(jié)能較低的通病。如表1中的最后一幅圖像,整體亮度很低,但根據(jù)公式(1)計算得到的K值為223,與不進(jìn)行調(diào)光技術(shù)的255背光值相差不多,僅節(jié)能12.55%。并且運用修正的帶權(quán)重線性像素調(diào)節(jié)公式得到的調(diào)光后像素亮度與最大可達(dá)到的255相差甚遠(yuǎn),充分說明運用公式(1)計算得到的背光可以進(jìn)一步降低。

調(diào)光技術(shù)在保證圖像畫質(zhì)與原始不調(diào)光圖像一致的情況下,可以獲得的最大節(jié)能是使圖像的最大像素值調(diào)至255。為最大程度地提高節(jié)能率,由亮度關(guān)系公式(4)進(jìn)行反向推導(dǎo),可以得到能獲得最高節(jié)能的背光為式(5)所示:

式中:B為求得的每個像素點的背光亮度,對于整幅圖像的背光亮度,仍然采用公式(1)來計算,但此時公式(1)中的圖像最大亮度Lmax、平均亮度Lavg、和兩者的差值Ldif均是根據(jù)B來計算得到,而非原始圖像的像素亮度值LLC。

4 軟件仿真

對圖4的50幅圖像進(jìn)行仿真測試,并統(tǒng)計了使用本文算法與常用調(diào)光算法的節(jié)能率和溢出失真率,如圖5。

圖4 測試用圖像Fig.4 Tested images

使用本文方法可平均獲得22.15%的節(jié)能率,僅存在9.95%的平均溢出率,調(diào)光效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于常見算法的平均11.9%的節(jié)能率和12.34%的溢出率。從圖中可以看出,本文算法對測試圖像進(jìn)行仿真得到的節(jié)能率全部高于常用的調(diào)光算法,且對于大部分圖像的調(diào)光后溢出失真率都低于常用算法,僅存在第30、32、34和36這4幅圖像,本文算法的溢出失真率偏高于原算法,這是由于第30、32、34幅圖像的亮度較低,使用本文的背光確定方法使計算背光值過低造成;而第36幅圖像由于存在較大范圍的全白場,使用本文算法也會適當(dāng)降低背光計算值。雖然這4幅圖像的溢出失真率高于原算法,但差距較小,且節(jié)能率的提升遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過溢出率的降低。

圖5 兩種調(diào)光方式的節(jié)能和溢出失真對比Fig.5 Power-saving and overflow distortion of two dimming method

5 實際效果測試

在81.3 cm(32in)的全局調(diào)光工程樣機(jī)上,對圖4中的50幅圖像進(jìn)行原始不調(diào)光和兩種調(diào)光方法的效果測試,圖6是用ELDIM公司的面成像亮度計UMaster測試的實際顯示效果圖,并用SR-UL1R色度亮度計測量調(diào)光前后的亮度,圖7分別給出了這50幅圖像的原始不調(diào)光圖像中心點亮度、常用方法的調(diào)光圖像中心亮度和本文方法的調(diào)光圖像中心亮度對比曲線。

圖6 實際測試效果圖Fig.6 Actual display effect

圖6(a)、(b)、(c)分別為原始不調(diào)光圖像、常見調(diào)光算法的圖像和本文算法的調(diào)光圖像,可以明顯看出,圖6(b)較原始圖像(a)亮度高出很多并存在顏色失真,且中心的太陽由于溢出失真模糊成一片,調(diào)光效果很差。圖6(c)是本文算法得到的調(diào)光圖像,因為背光較不調(diào)光的較低,使中心太陽處存在一點溢出,但整體效果明顯優(yōu)于(b)中的顯示效果。

圖7 原圖與兩種調(diào)光圖亮度對比Fig.7 Luminance contrast of original and two dimmed images

從圖7中可以看出,本文的背光確定方法和像素調(diào)節(jié)方法能使調(diào)光后圖像亮度基本保持與原始不調(diào)光圖像一樣,吻合程度較高。

6 結(jié) 論

針對現(xiàn)有調(diào)光算法存在節(jié)能率低和溢出失真率高的問題,在綜合考慮LCD中背光亮度和像素亮度對最終顯示效果存在非等效影響的實際情況下,將輸入圖像灰階亮度做一定的預(yù)處理后再進(jìn)行圖像背光亮度計算,并且采用帶有權(quán)重的線性像素調(diào)節(jié)方式,與常見調(diào)光算法的平均節(jié)能11.9%和平均溢出率12.34%相比,本文算法的平均節(jié)能可達(dá)22.15%,而溢出失真率降低至9.95%。在工程樣機(jī)上對50幅圖像進(jìn)行了實際測試,和采用常見調(diào)光算法的顯示器相比,采用本文調(diào)光算法的顯示器在獲得更高節(jié)能率的同時,保持了較好的顯示質(zhì)量,沒有明顯的亮度下降。

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Dynamic dimming algorithm with high power-saving and low overflow rate

LIU Fen1,2,LV Guo-qiang1,3,?,FENG Qi-bin1,3,ZHANG Xi-tiao1,2

(1.Key Laboratory of Special Display Technology of the Ministry of Education,National Engineering Laboratory of Special Display Technology,National Key Laboratory of Advanced Display Technology,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China; 2.School of Instrument Science and Opto-electronics Engineering,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China; 3.Academy of Photoelectric Technology,Hefei University of Technology, Hefei 230009,China)

To solve the problem of low power-saving and high overflow distortion rate of exist dimming algorithms,this paper proposes a dynamic dimming algorithm of high power-saving and low overflow rate.Considering that the backlight and pixels luminance have different influence on display effect in LCDs,input images are preprocessed to calculate the image luminance.The compensated pixel luminance is calculated by a weighted linear adjustment method.The simulation results of the proposed algorithm indicate that the average power-saving could reach 22.15%with overflow distortion of 9.95%,while the common algorithm only has 11.9%and 12.34%,respectively.The actual test is implemented on the prototype.Compared to common dimming algorithms,it can present good display quality without sensitive luminance decrease as well as higher power-saving rate.

dimming technology;backlight;power-saving;overflow rate

TN141.9;TN312.8

A

10.3788/YJYXS20142906.1083

1007-2780(2014)06-1083-07

2014-06-20;

2014-07-14.

安徽省2012科技計劃資助項目(No.1206c0805007)

?通信聯(lián)系人,E-mail:guoqianglv＠hfut.edu.cn

劉芬(1989—),女,安徽懷寧人,碩士研究生,主要從事LED背光動態(tài)調(diào)光算法、圖像處理方面研究。E-mail: liufen1121＠126.com呂國強(qiáng)(1962—),男,浙江新昌人,碩士,教授,博士生導(dǎo)師,主要從事立體顯示、液晶顯示等方向的研究。E-mail:guoqianglv＠hfut.edu.cn