基于平均值法的LED背光源動(dòng)態(tài)調(diào)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(xué) 電子物理與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安710049；2.深圳市華星光電技術(shù)有限公司，廣東 深圳518000）

1 引 言

液晶顯示器（Liquid Crystal Display，LCD）是時(shí)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(duì)于傳統(tǒng)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(shí)現(xiàn)灰度級(jí)，不僅會(huì)導(dǎo)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?zé)o法正常顯示，尤其是黑色，從而導(dǎo)致對(duì)比度降低。動(dòng)態(tài)調(diào)光則是根據(jù)畫面動(dòng)態(tài)地改變背光亮度，可以在降低背光功耗的同時(shí)，提高畫面對(duì)比度。但是，動(dòng)態(tài)調(diào)光也會(huì)帶來一些問題，如灰度截?cái)啵?］和光暈效應(yīng)［6］。灰度截?cái)嗍怯捎诒彻獗唤档椭螅叶戎蹈哂诒彻饣叶戎档南袼責(zé)o法正常顯示，從而產(chǎn)生截?cái)喱F(xiàn)象；光暈效應(yīng)則是因?yàn)橐壕г陲@示低灰度像素時(shí)，由于存在漏光，動(dòng)態(tài)調(diào)光后，不同區(qū)域的背光不同，漏光也不同，從而產(chǎn)生光暈效應(yīng)，如鼠標(biāo)指針在黑色背景上移動(dòng)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生光暈效應(yīng)。

動(dòng)態(tài)調(diào)光的關(guān)鍵算法在于如何確定每個(gè)LED 分區(qū)的背光值，目前，已經(jīng)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(gè)分區(qū)的平均灰度值作為對(duì)應(yīng)分區(qū)背光，均方根法則是以每個(gè)分區(qū)的灰度平均值為基礎(chǔ)，歸一化后取均方根作為對(duì)應(yīng)分區(qū)背光，兩種算法可以實(shí)現(xiàn)較高的對(duì)比度和較低的功耗，但由于背光過低，圖像的灰度截?cái)啾容^嚴(yán)重；最大值法則是以分區(qū)內(nèi)灰度最大值作為對(duì)應(yīng)分區(qū)的背光值，可以解決圖像灰度截?cái)嗟膯栴}，但同時(shí)會(huì)造成背光功耗過大。對(duì)于因背光不均勻和液晶漏光導(dǎo)致的光暈效應(yīng)，上述算法并未解決。

本文提出的LED 背光源動(dòng)態(tài)調(diào)光二次修正算法能夠降低背光功耗，同時(shí)增強(qiáng)畫質(zhì)。該方法在平均值法的基礎(chǔ)上，根據(jù)分區(qū)灰度最大值與平均值的差值進(jìn)行第一次修正，可以顯著改善灰度截?cái)鄦栴}；采用空間濾波法進(jìn)行第二次修正，可以改善光暈效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)表明，采用本算法后，背光功耗降低至73.02%，灰度截?cái)嗦?.49%，平均PSNR 值高達(dá)67.21dB，典型圖像對(duì)比度最大達(dá)到28 600∶1，顯示圖像的光暈效應(yīng)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(jù)輸入圖像求出動(dòng)態(tài)調(diào)光后的背光亮度，動(dòng)態(tài)調(diào)光流程如圖1所示。首先，從輸入圖像中提取出特征參數(shù)，分區(qū)灰度最大值和平均值；第二，利用特征參數(shù)，以平均值法為基礎(chǔ)進(jìn)行第一次修正；第三，采用空間濾波法進(jìn)行第二次修正，得到最終LED 亮度；第四，按照調(diào)光后背光進(jìn)行液晶補(bǔ)償；最后，將LED 亮度發(fā)送至LED 驅(qū)動(dòng)模塊，同時(shí)，將補(bǔ)償后的像素值發(fā)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(chǔ)，利用分區(qū)灰度最大值與平均值對(duì)各分區(qū)背光進(jìn)行第一次修正，如式（1），（2），（3）所示。

其中：B1（m，n）表示分區(qū)（m，n）的第一次修正灰度值，Avg（m，n）、Max（m，n）表示分區(qū)（m，n）的灰度平均值和最大值，K 為待定常數(shù)，且0 ≤K≤1，當(dāng)K ＝1時(shí)，B1（m，n）＝Max（m，n），即最大值法。如圖2所示，當(dāng)K 的值從0變化到1時(shí)，算法逐漸趨近最大值法。第一次修正式中包含的參數(shù)K 值可根據(jù)功耗、截?cái)帱c(diǎn)數(shù)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(jīng)過第一次修正的分區(qū)背光，并未考慮到周圍分區(qū)的背光，容易導(dǎo)致相鄰分區(qū)背光變化過大，以致產(chǎn)生光暈效應(yīng)。采用空間濾波的方法，可以讓背光更加平緩，解決動(dòng)態(tài)調(diào)光所致的光暈效應(yīng)。本算法原理圖如圖3所述，要求將高亮度背光分區(qū)周圍的分區(qū)背光升高，同時(shí)，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(qū)（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(qū)周圍分區(qū)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(shù)。

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

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

本文提出的算法通過Matlab進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，并在采用LED背光源的116.8cm（46in）FHD分辨率的液晶電視上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。使用側(cè)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(gè)分區(qū)。算法中提到的各參數(shù)值如表1所示。

表1 參數(shù)值列表Tab.1 List of parameter values

將一次修正、二次修正后的結(jié)果與Avg法、Sqrt法和Max法進(jìn)行比較。采用圖4 所示的4幅典型圖片，實(shí)驗(yàn)結(jié)果為原圖與處理后的圖片的差值，并放大10倍，若結(jié)果越小，說明灰度截?cái)嘣叫。瑘D像質(zhì)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(jīng)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?cái)嗪头逯敌旁氡龋≒eak Signal to Noise Ratio，PSNR）的平均結(jié)果。可以看出，Avg法和Sqrt法的功耗小，但截?cái)啾却螅琍SNR 小；Max法的截?cái)啾葹?，但功耗達(dá)到86.21%；經(jīng)過本文提出的一次修正算法處理之 后，功 耗 為72.66%，同 時(shí)，截 斷 比 為0.495%，PSNR 達(dá)到66.03dB；經(jīng)過二次修正之后，功耗只增加0.36%，同時(shí)，截?cái)啾冉档?.006%，PSNR 升高1.18dB。

表2 功耗、截?cái)啾群蚉SNR 實(shí)驗(yàn)結(jié)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(yīng)，如圖5所示，黑色背景上一個(gè)鼠標(biāo)指針，經(jīng)過一次修正后，背光變化不夠平緩，導(dǎo)致比較嚴(yán)重的光暈效應(yīng)，經(jīng)過二次修正后，背光變化平緩，光暈效應(yīng)得到抑制。采用如圖6所示的4種典型對(duì)比度測試圖案，測試結(jié)果見表3，經(jīng)過本算法處理后，對(duì)比度有了明顯提升，最大達(dá)到了28 600∶1。

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

圖6 對(duì)比度測試圖Fig.6 Testing patterns for contrast ratio

表3 對(duì)比度測試結(jié)果Tab.3 Experiment results of contrast ratio

4 結(jié) 論

本文提出的LED背光源動(dòng)態(tài)調(diào)光二次修正算法可以在降低背光功耗的基礎(chǔ)上，有效增強(qiáng)畫質(zhì)。以平均值法作為基礎(chǔ)，根據(jù)分區(qū)最大值和平均值的差值進(jìn)行第一次修正，采用空間濾波法進(jìn)行第二次修正，可以分別改善灰度截?cái)鄦栴}和光暈效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)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?cái)嗦蕛H占顯示像素總數(shù)的0.489%，PSNR為67.21dB，典型圖像的對(duì)比度最大達(dá)到28 600∶1，同時(shí)，可以很好地改善調(diào)光帶來的光暈效應(yīng)。

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