一种高节能、低溢出率的动态调光算法

2014-07-31吕国强冯奇斌张喜条

液晶与显示 2014年6期

刘芬,吕国强,冯奇斌,张喜条

(1.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; 2.合肥工业大学仪器科学与光电工程学院,安徽合肥230009; 3.合肥工业大学光电技术研究院,安徽合肥230009)

一种高节能、低溢出率的动态调光算法

刘芬1,2,吕国强1,3,∗,冯奇斌1,3,张喜条1,2

为了解决现有调光算法存在节能率低和溢出失真率高的问题,本文提出了一种高节能、低溢出率的动态调光算法。在综合考虑液晶显示器中背光亮度和像素亮度对最终显示效果存在非等效影响的实际情况下,将输入图像灰阶亮度作一定的预处理后再进行图像背光亮度计算,并且采用带有权重的线性调节方式来进行液晶像素的补偿计算。与常见调光算法的平均节能11.9%和平均溢出率12.34%相比,本文算法的平均节能可达22.15%,而溢出失真率降低至9.95%。在工程样机上对50幅图像进行了实际测试,与采用常见调光算法的显示器相比,采用本文调光算法的显示器在获得更高节能率的同时,保持了较好的显示质量,没有明显的亮度下降。

调光技术;背光;节能率;溢出率

1 引言

传统的液晶显示器LCD(Liquid Crystal Display,LCD)因其背光一直处于全开状态,使得消耗的电源功率较高且严重漏光造成显示对比度不高[1]。为解决这个问题,国内外研究者提出了可针对显示画面内容动态改变背光的动态调光技术[2-3]。动态调光技术由两部分构成:背光确定和像素调节。背光确定是根据显示画面内容,动态地提取能表征图像信息的特征值,常用的方法有最大值法[4]、平均值法[4]、均方根法[5]以及误差修正法[6]等。像素调节是依据求取后的背光和原始像素值来进行计算得到调光后的像素亮度。常用的调节公式为线性,即用背光与像素的线性乘积作为最终显示的亮度。

现有调光算法[7-16]的背光确定方法常根据输入图像的灰阶亮度来提取特征值,除了最大值法,其他的任何背光确定方法计算的背光都会使一部分像素在线性调节后数值高于255而产生溢出。为控制调光的溢出失真,必然牺牲了节能率[16]。实际测试中,调光图像在高亮处因像素溢出低于原始图像,而低亮处因线性调节不匹配实际情况使得亮度远远高于原始图像。为解决这个问题,本文在考虑背光与像素对实际显示效果存在不同影响的前提下,将输入图像灰阶亮度作一定的预处理后再进行图像背光亮度计算,并且采用带有权重的线性像素调节方式,获得高节能率的同时保持像素溢出率最低。

2 常用动态调光算法介绍及调光效果

动态调光算法主要包括两个步骤:图像背光确定算法和像素补偿算法,算法框图如图1所示。

图1 动态调光算法框图Fig.1 Block diagram of dynamic dimming algorithm

文献[6]介绍了基于误差修正的背光调光亮度确定方法,如公式(1)所示:

式中:Lmax为图像中所有像素亮度值LLC的最大亮度,Lavg为图像中所有像素亮度值的平均亮度, Ldif为最大亮度和平均亮度的差值,K为求得的图像背光亮度。

像素调节通常采用线性方法,如公式(2)所示:式中:LLC和LLC′分别为原始图像和调光后图像的像素亮度,K为显示区域的背光亮度。

图2为使用上述调光算法进行调光处理的显示效果。图2(a)为原始输入图像,根据公式(1)计算得到背光K值为224,背光效果如图2(b),图2(c)为使用公式(2)进行像素调节后并综合背光K的调光图像。从图2(a)和图2(c)的红色方框区域可以明显看出,调光后的图像在该区域亮度低于原始图像,存在一定程度的颜色失真,这是由于该区域的原始像素亮度较高,经过公式(2)的计算使得部分像素亮度高于255产生溢出。可此时的背光值K为224,仅能获得12.1%的节能率。相对于图2(a)这种整体亮度偏暗的图像, 12.1%的节能率丝毫体现不了调光技术的优势。

图2 动态调光效果图Fig.2 Dimming effect of dynamic algorithm

3 高节能、低溢出率的调光算法

由上述分析可以看出:该背光确定方法对整体偏暗的画面计算得到的背光却很高,完全体现不了调光技术在节能率上应该具有的优势;线性像素调节方式会使调整后的像素存在溢出,造成调光图像的亮度和颜色失真,且在调光样机上进行测试,调光后的图像亮度却远远高于原始不调光图像的亮度。

3.1 权重线性像素调节算法

为解决线性调节后的图像亮度远远高于原始图像的问题,在考虑实际LCD的背光和像素亮度对最终显示效果存在非等权重的影响下,使用公式(3)进行像素调节:

通过测试,背光亮度和像素亮度与最终显示亮度的关系如图3所示。由图3可以看出,当像素亮度保持不变时,背光亮度对最终显示亮度成线性正比关系;而当背光不变,最终显示亮度与像素亮度成非线性关系。将测试的数据进行拟合处理后,得到最终显示亮度与背光和像素的亮度关系如式(4)所示:

其中:K与LLC的范围都是0～255,k、b、l是从像素与显示亮度关系数据中拟合计算的系数,l的取值与使用的液晶屏有关,主要是漏光产生的亮度。

图3 背光及像素亮度与显示亮度关系Fig.3 Display luminance related to backlight and pixels

在不改变背光确定方法的情况下,在工程样机上对线性像素调节方式和改进的带权重线性调节方式分别进行了实际测试,表1给出了测试图片中心点的实测亮度。

表1 原图与两种调节方式的亮度对比Tab.1 Luminance of original and two dimming methods

从表1中的数据可以看出,线性调节后的图像亮度普遍高于原始亮度,而使用修正的带权重线性像素调节方式,可使调光后的图像亮度与不调光时候保持较好的一致性。这是由于采用公式(4)计算后的像素亮度低于公式(2)计算的值,这样也大大降低了线性调节方式会导致的像素溢出问题。

3.2 高效节能的背光确定算法

上述的像素调节方式解决了像素溢出和调光前后亮度的匹配问题,可并没有解决节能较低的通病。如表1中的最后一幅图像,整体亮度很低,但根据公式(1)计算得到的K值为223,与不进行调光技术的255背光值相差不多,仅节能12.55%。并且运用修正的带权重线性像素调节公式得到的调光后像素亮度与最大可达到的255相差甚远,充分说明运用公式(1)计算得到的背光可以进一步降低。

调光技术在保证图像画质与原始不调光图像一致的情况下,可以获得的最大节能是使图像的最大像素值调至255。为最大程度地提高节能率,由亮度关系公式(4)进行反向推导,可以得到能获得最高节能的背光为式(5)所示:

式中:B为求得的每个像素点的背光亮度,对于整幅图像的背光亮度,仍然采用公式(1)来计算,但此时公式(1)中的图像最大亮度Lmax、平均亮度Lavg、和两者的差值Ldif均是根据B来计算得到,而非原始图像的像素亮度值LLC。

4 软件仿真

对图4的50幅图像进行仿真测试,并统计了使用本文算法与常用调光算法的节能率和溢出失真率,如图5。

图4 测试用图像Fig.4 Tested images

使用本文方法可平均获得22.15%的节能率,仅存在9.95%的平均溢出率,调光效果远远优于常见算法的平均11.9%的节能率和12.34%的溢出率。从图中可以看出,本文算法对测试图像进行仿真得到的节能率全部高于常用的调光算法,且对于大部分图像的调光后溢出失真率都低于常用算法,仅存在第30、32、34和36这4幅图像,本文算法的溢出失真率偏高于原算法,这是由于第30、32、34幅图像的亮度较低,使用本文的背光确定方法使计算背光值过低造成;而第36幅图像由于存在较大范围的全白场,使用本文算法也会适当降低背光计算值。虽然这4幅图像的溢出失真率高于原算法,但差距较小,且节能率的提升远远超过溢出率的降低。

图5 两种调光方式的节能和溢出失真对比Fig.5 Power-saving and overflow distortion of two dimming method

5 实际效果测试

在81.3 cm(32in)的全局调光工程样机上,对图4中的50幅图像进行原始不调光和两种调光方法的效果测试,图6是用ELDIM公司的面成像亮度计UMaster测试的实际显示效果图,并用SR-UL1R色度亮度计测量调光前后的亮度,图7分别给出了这50幅图像的原始不调光图像中心点亮度、常用方法的调光图像中心亮度和本文方法的调光图像中心亮度对比曲线。

图6 实际测试效果图Fig.6 Actual display effect

图6(a)、(b)、(c)分别为原始不调光图像、常见调光算法的图像和本文算法的调光图像,可以明显看出,图6(b)较原始图像(a)亮度高出很多并存在颜色失真,且中心的太阳由于溢出失真模糊成一片,调光效果很差。图6(c)是本文算法得到的调光图像,因为背光较不调光的较低,使中心太阳处存在一点溢出,但整体效果明显优于(b)中的显示效果。

图7 原图与两种调光图亮度对比Fig.7 Luminance contrast of original and two dimmed images

从图7中可以看出,本文的背光确定方法和像素调节方法能使调光后图像亮度基本保持与原始不调光图像一样,吻合程度较高。

6 结论

针对现有调光算法存在节能率低和溢出失真率高的问题,在综合考虑LCD中背光亮度和像素亮度对最终显示效果存在非等效影响的实际情况下,将输入图像灰阶亮度做一定的预处理后再进行图像背光亮度计算,并且采用带有权重的线性像素调节方式,与常见调光算法的平均节能11.9%和平均溢出率12.34%相比,本文算法的平均节能可达22.15%,而溢出失真率降低至9.95%。在工程样机上对50幅图像进行了实际测试,和采用常见调光算法的显示器相比,采用本文调光算法的显示器在获得更高节能率的同时,保持了较好的显示质量,没有明显的亮度下降。

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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

10.3788/YJYXS20142906.1083

1007-2780(2014)06-1083-07

2014-06-20;

2014-07-14.

安徽省2012科技计划资助项目(No.1206c0805007)

∗通信联系人,E-mail:guoqianglv＠hfut.edu.cn

刘芬(1989—),女,安徽怀宁人,硕士研究生,主要从事LED背光动态调光算法、图像处理方面研究。E-mail: liufen1121＠126.com吕国强(1962—),男,浙江新昌人,硕士,教授,博士生导师,主要从事立体显示、液晶显示等方向的研究。E-mail:guoqianglv＠hfut.edu.cn