侧出LED背光动态调光算法研究

向 艳，冯奇斌，吕国强＊

（1.中航华东光电有限公司，安徽 芜湖241002；

2.合肥工业大学 特种显示技术教育部重点实验室，特种显示技术国家工程实验室，现代显示技术省部共建国家重点实验室，安徽 合肥230009；3.合肥工业大学 光电技术研究院，安徽 合肥230009）

1 引 言

液晶显示（Liquid Crystal Display，LCD）经过多年发展，已经成为平板显示的主流技术。液晶本身不发光，需要背光源发出光线照亮显示区域。发光二极管（Light Emitting Diode，LED）具有纳秒级的响应速度［1－2］，保证了动态调光技术在液晶显示中的应用。动态调光技术就是根据显示图像内容动态改变背光亮度，以提高显示对比度，降低能耗［3－11］。目前提出的动态调光算法主要包括平均值法、最大值法、均方根值法、映射曲线反转法等。

动态调光技术分为全局调光和区域调光。区域调光要求背光具有多个能够独立调节亮度的区域，根据图像内容动态决定每个区域的背光亮度。全局调光则是整体改变背光亮度。目前占市场绝大部分份额的液晶电视采用侧出式背光结构，没有进行分区设计，无法采用区域调光技术。故本文针对全局调光，通过引入图像处理技术开发了有助于降低能耗、提高静态对比度的全局调光算法。

2 全局调光算法

动态调光算法主要包括2个步骤：（1）确定背光亮度；（2）对液晶像素亮度进行补偿。

2.1 背光调光亮度确定

为充分表达图像的特征值，本文采用如下算法确定背光亮度［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是背光调整因子，介于0和1之间，当显示全黑图像时，背光关闭，kBLU＝0；显示全白图像时，背光处于最亮状态，kBLU＝1。可以看出，该背光调光亮度确定方法既考虑了图像的平均亮度，也满足了图像最亮部分的亮度要求，以期在保证显示质量的前提下获得尽可能高的节能率。

2.2 液晶像素补偿

背光调光亮度确定后，为补偿背光亮度的降低，需要对LCD 像素进行调整，以避免显示亮度过低。式（2）是目前普遍采用的线性补偿方法。

式中：BL 和BL′分别为调光前后的背光亮度值，I和I′分别为调光前后LCD 像素强度。可以看出，当背光亮度降低较多时（BL′较小），将导致液晶分子补偿过大（I′过大），超过255 而造成溢出失真。

为避免溢出失真并提高静态对比度，本文采用一种S曲线方法对液晶像素进行调节。S曲线方程如式（3）所示：

其中：Lpoint为S曲线拐点坐标。从图1可以看出：亮度小于Lpoint的像素调节因子小于1，变得更暗，亮度大于Lpoint的像素调节因子大于1，变得更亮，以此有效提高静态对比度。

图1 S曲线Fig.1 S curve

Lpoint决定像素调节的范围，由式（4）确定：

式中：L25是包括所有像素25%的对应灰度值；L50是包括所有像素50%的对应灰度值。

S曲线方程中的另一个参数a 决定了曲线的曲率。图2表明其他条件一定时，a 值和S曲线形状的关系。可以看出，随着a 值的增大，S曲线变得越来越弯曲，也就是对像素的调整越来越大，一方面可以获得较大的对比度的提升，另一方面也可能引起图像细节的丢失，故需要结合图像特征、背光的调整因子kBLU综合确定a的取值。

获得S曲线后，就可以得到不同灰度的液晶像素调整系数klcd：

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

图2 a和S曲线的关系Fig.2 S curves with different a

3 软件仿真

选择40幅图片进行了仿真试验（如图3，左上角到右下角图片编号顺序为No.1～No.40），仿真结果见图4和图5。

仿真时图片对比度根据式（7）计算，其中L90是包括所有像素90%的对应灰度值，L10是包括所有像素10%的灰度值。

背光节能率（Power Reduction，PR）根据式（8）计算得到：

图3 仿真／测试图片Fig.3 Simulation／test pictures

图4 调光前后对比度仿真结果Fig.4 CR simulation with and without dimming

图5 调光节能率仿真结果Fig.5 Power reduction simulation

可以看出，40幅调光后的图片对比度相对原图都有一定的提升，对比度平均提高了52.25%，调光后40幅图片的能耗均有所下降，平均下降了21.92%。图4可以看出：对于亮度分布比较平均的图像，像素值增加或减少的空间有限，对比度提高不明显，如No.21～No.30；图像中亮度没有达到最大值且在较亮和较暗区域均有分布的图像，如No.8，对比度提升较为明显。图5可以看出：随着图像整体亮度由高到低，背光节能率呈由低到高的趋势，但对于No.6、No.9、No.34的图像，整体亮度较低，但由于存在太阳或烟花的高亮对象，决定了式（1）中的Ldiff较大，由此kblu不会太低，能耗降低不多。

4 工程化样机

课题组开发了采用本文调光算法的液晶电视工程化样机，对角线尺寸为81.28cm（16∶9），如图6所示，图中左边的一台电视采用传统的背光亮度恒定的工作模式，右边的一台采用本文的全局调光算法。两台液晶电视均接有功率计，可以显示实时功耗。显示图6（a）图像时，液晶电视调光前后的功耗分别为51.5 W 和41.8 W，整 机 节 能 率 为（51.5－41.8）／51.5＝18.83%；显示图6（b）图像时，调光前后的功耗分别为51.3W 和39.6W，整机节能率为（51.3－39.6）／51.3＝22.81%。

图6 动态调光工程化样机Fig.6 Dimming LC TV prototype

从图7可以清晰看出，显示全黑图片时，左边传统的电视存在明显的漏光现象，而采用调光技术的液晶电视将LED 背光完全关闭（右），大大提高了动态对比度。

图7 显示全黑图像Fig.7 Black image displayed on 2LC TVs

将6类常见的电视节目（公益宣传片、电视剧、动画片、体育节目、综艺节目、脱口秀）合成了每段5 min共计30 min的视频，在工程化样机上进行了测试，调光和没调光电视的整机功耗分别为0.021 0度和0.025 3度，调光后整机功耗降低了：

视频显示完成正常，没有抖动、拖尾、人眼可感知的失真。

5 结 论

针对液晶显示对比度和能效不高的问题，针对现有背光市场主流产品，提出了基于S曲线的全局动态调光算法，进行了大量的软件仿真，并开发了工程化样机。仿真和试验结果均表明：基于S曲线的全局动态调光算法能有效降低液晶电视能耗，没有明显的人眼感知的失真，对于某些图像，经过调光后显示质量有显著提升。

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