液晶顯示LED背光源動態調光算法研究

馬祿永 殷明星 齊立超/南京中電熊貓平板顯示科技有限公司

液晶顯示LED背光源動態調光算法研究

馬祿永 殷明星 齊立超/南京中電熊貓平板顯示科技有限公司

LED技術發展至今，不論從LED器件的結構還是性能上都有了很大的改進，同時價格也在不斷下降，這些都為LED背光技術的快速發展提供了強有力的支持，以及市場對高畫質、低能耗的液晶顯示設備的需求也促進了LED動態背光技術的研究和發展。為了更好推動LED技術行業發展，本文分析一下液晶顯示LED背光源動態調光算法相關內容。

液晶顯示；LED；背光源；調光算法

一、導言

經過幾年的研究和發展，一些科研人員和液晶顯示公司已經提出了許多用于LED背光動態調光的算法，并且已經有基于LED背光動態調光算法的液晶顯示產品上市，但是主要技術掌握在三星、索尼、飛利浦等幾家跨國液晶顯示公司手中，產品的價格也是相當的昂貴。現本作者將會結合自身工作經驗，針對液晶顯示LED背光源動態調光算法進行相關分析。

二、LED背光源

LED的制成材料是很多層且很薄的攙雜有半導體的材料。其中的一層有無數電子，另一層因電子不足，形成了帶正電的“空穴”，在進行工作時，電子與空穴在通過的電流作用下，互相結合，通過光輻射的方式釋放出了剩余的能量。

LED顯示器，是一種通過控制半導體發光二極管的顯示方式，用來顯示文字、圖形、圖像、動畫、行情、視頻、錄像信號等各種信息的顯示屏幕。LED可以使整個屏幕的區域被分為若干塊，通過影像顯示的信號，使各區域的顏色、亮度都能得到獨立的控制，因而可以使暗的部分更暗，亮的部分更亮，其動態的對比度極高，它是一種點陣式的平面光源，其所用的輔助組件比較簡單，屏幕亮度的分布更均勻，而且與常用的背光源相比，LED背光源可以節省約48%的電量。其使用的期限可以超越10 0000h。LED背光源的色域非常好，且使用的是三基色的混合白，能夠與太陽光非常接近，其顏色也是自然色，在物體上照射出的顏色非常的鮮艷。而且與CCFL相比，可以使殘影、環保問題得到很好的處理。當前，在手機彩屏LCD的背光源中，LED已經得到了廣泛而成熟的應用。對于尺寸比較大的LCD的背光源而言，LED才剛露頭腳，一般情況下，室內顯示器如果大于20cm，則其亮度要接近300cd/m2，戶外顯示器在25～35cm時，其亮度要達到1500～2000cd/m2。

要作為LCD的背光源，LED中還面臨一些問題有待解決：成本價太高；LED的的發光率及亮度都還要進一步增強。CCFL輸出的光通量在5000～7000lm左右，事實上屏幕所輸出的光通量要比300lm高，而LED基本上與這一規范相差較遠；對于LED發出的光，其混光、混色都需在特定的空間內才能完成，而且導光板也要從點光源轉為面光源，這就要在光學特性有保障的基礎上，對背光源的最小厚度進行明確。因而，與CCFL相比，LED作背光源的白光一致性是一個比較大的問題。

三、現有主要調光算法

（一）最大值法

其基本調光原理是將對應圖像中所有RGB子像素中的最大值或者對應圖像的灰度最大值作為該區域的背光亮度值，同時對圖像進行補償。此算法可以得到較強的背光亮度值并且不會產生圖像像素的溢出失真，但是其節能效果較差，不能有效地提高對比度等。

（二）平均值法

其基本調光原理是通過計算每個背光區域對應的圖像區域所有像素灰度平均值來確定本區域背光亮度值，同時對圖像像素進行相應的補償。本算法所確定的背光強度相對較暗，相鄰區域背光亮度相差可能較大，由于光線的串擾，雖然可以擁有比較高的對比度和較低的功耗，但是液晶分子經過補償之后顯示圖像的失真較為嚴重，顯示圖像會有明顯的“塊”區域。

（三）映射函數反轉法

其基本原理是：對于每一幀圖像都有一幅對應的亮度累積曲線，將圖像映射曲線對y=x進行鏡像，獲得背光調制的映射函數反轉曲線，如圖1所示。將IMF所得到的曲線與由每個分區的最大值或者其它參數獲得的背光信號重新對應，可得到一組具有更高對比度的背光信號及較為合理的功耗，因此，IMF動態背光調光算法是當前比較實用的背光信號確定方法。

（四）平方根法

其基本原理是：通過計算每個背光區域的灰度平均值，將其歸一化后求其平方根，依此來確定每個區域的背光強度值，同時對圖像像素進行相應補償。由本算法所確定的背光強度更暗，在液晶分子經過補償之后顯示圖像的溢出失真更加嚴重，且圖像整體變暗。

相對于國外來說，國內對于LED動態調光技術的研究起步較晚，但是近兩年國內的研究人員也提出了一些動態調光算法，并且有一些國內液晶顯示廠商利用現有的調光技術研制出了LED背光動態調光的顯示樣機，下面簡單介紹國內動態調光算法的發展：

其基本調光原理：分析統計顯示圖像像素的RGB3個分量，獲得每個像素RGB最大值構成的整體亮度圖像，該步驟是為了準確反映每個像素的最大強度以免在像素補償過程中出現削幅；根據上步所得的亮度圖像計算灰度圖像的概率密度分布曲線，再由低灰階到高灰階累加得到圖像的CDF曲線；通過預先設定的CDF閾值K對應獲得灰度值即為背光信號值，原理如圖2所示。

四、總結

上文中，我們對液晶顯示LED背光源動態調光算法作出了初步地分析。鑒于自身能力、工作經驗的限制，本文可能對液晶顯示LED背光源動態調光算法論述的還不夠徹底、全面。整個論述過程中，甚至可能出現某些不恰當的觀點或問題。而要避免這些，必然需要各個同行們的批評和建議。希望廣大的相關從業者們，能夠立足于自身實踐，從思想、行動上對液晶顯示LED背光源動態調光算法做出創新，從而推動我國LED行業的健康發展。

[1]張喜條.液晶電視LED背光直下區域調光算法研究[D].合肥工業大學,2015.（4）：112-168

[2]韓東.LED液晶電視動態調光技術及應用[D].合肥工業大學 ,2015.（7）：225-304