液晶显示LED背光源动态调光算法研究

马禄永 殷明星 齐立超/南京中电熊猫平板显示科技有限公司

液晶显示LED背光源动态调光算法研究

马禄永 殷明星 齐立超/南京中电熊猫平板显示科技有限公司

LED技术发展至今，不论从LED器件的结构还是性能上都有了很大的改进，同时价格也在不断下降，这些都为LED背光技术的快速发展提供了强有力的支持，以及市场对高画质、低能耗的液晶显示设备的需求也促进了LED动态背光技术的研究和发展。为了更好推动LED技术行业发展，本文分析一下液晶显示LED背光源动态调光算法相关内容。

液晶显示；LED；背光源；调光算法

一、导言

经过几年的研究和发展，一些科研人员和液晶显示公司已经提出了许多用于LED背光动态调光的算法，并且已经有基于LED背光动态调光算法的液晶显示产品上市，但是主要技术掌握在三星、索尼、飞利浦等几家跨国液晶显示公司手中，产品的价格也是相当的昂贵。现本作者将会结合自身工作经验，针对液晶显示LED背光源动态调光算法进行相关分析。

二、LED背光源

LED的制成材料是很多层且很薄的搀杂有半导体的材料。其中的一层有无数电子，另一层因电子不足，形成了带正电的“空穴”，在进行工作时，电子与空穴在通过的电流作用下，互相结合，通过光辐射的方式释放出了剩余的能量。

LED显示器，是一种通过控制半导体发光二极管的显示方式，用来显示文字、图形、图像、动画、行情、视频、录像信号等各种信息的显示屏幕。LED可以使整个屏幕的区域被分为若干块，通过影像显示的信号，使各区域的颜色、亮度都能得到独立的控制，因而可以使暗的部分更暗，亮的部分更亮，其动态的对比度极高，它是一种点阵式的平面光源，其所用的辅助组件比较简单，屏幕亮度的分布更均匀，而且与常用的背光源相比，LED背光源可以节省约48%的电量。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，能够与太阳光非常接近，其颜色也是自然色，在物体上照射出的颜色非常的鲜艳。而且与CCFL相比，可以使残影、环保问题得到很好的处理。当前，在手机彩屏LCD的背光源中，LED已经得到了广泛而成熟的应用。对于尺寸比较大的LCD的背光源而言，LED才刚露头脚，一般情况下，室内显示器如果大于20cm，则其亮度要接近300cd/m2，户外显示器在25～35cm时，其亮度要达到1500～2000cd/m2。

要作为LCD的背光源，LED中还面临一些问题有待解决：成本价太高；LED的的发光率及亮度都还要进一步增强。CCFL输出的光通量在5000～7000lm左右，事实上屏幕所输出的光通量要比300lm高，而LED基本上与这一规范相差较远；对于LED发出的光，其混光、混色都需在特定的空间内才能完成，而且导光板也要从点光源转为面光源，这就要在光学特性有保障的基础上，对背光源的最小厚度进行明确。因而，与CCFL相比，LED作背光源的白光一致性是一个比较大的问题。

三、现有主要调光算法

（一）最大值法

其基本调光原理是将对应图像中所有RGB子像素中的最大值或者对应图像的灰度最大值作为该区域的背光亮度值，同时对图像进行补偿。此算法可以得到较强的背光亮度值并且不会产生图像像素的溢出失真，但是其节能效果较差，不能有效地提高对比度等。

（二）平均值法

其基本调光原理是通过计算每个背光区域对应的图像区域所有像素灰度平均值来确定本区域背光亮度值，同时对图像像素进行相应的补偿。本算法所确定的背光强度相对较暗，相邻区域背光亮度相差可能较大，由于光线的串扰，虽然可以拥有比较高的对比度和较低的功耗，但是液晶分子经过补偿之后显示图像的失真较为严重，显示图像会有明显的“块”区域。

（三）映射函数反转法

其基本原理是：对于每一帧图像都有一幅对应的亮度累积曲线，将图像映射曲线对y=x进行镜像，获得背光调制的映射函数反转曲线，如图1所示。将IMF所得到的曲线与由每个分区的最大值或者其它参数获得的背光信号重新对应，可得到一组具有更高对比度的背光信号及较为合理的功耗，因此，IMF动态背光调光算法是当前比较实用的背光信号确定方法。

（四）平方根法

其基本原理是：通过计算每个背光区域的灰度平均值，将其归一化后求其平方根，依此来确定每个区域的背光强度值，同时对图像像素进行相应补偿。由本算法所确定的背光强度更暗，在液晶分子经过补偿之后显示图像的溢出失真更加严重，且图像整体变暗。

相对于国外来说，国内对于LED动态调光技术的研究起步较晚，但是近两年国内的研究人员也提出了一些动态调光算法，并且有一些国内液晶显示厂商利用现有的调光技术研制出了LED背光动态调光的显示样机，下面简单介绍国内动态调光算法的发展：

其基本调光原理：分析统计显示图像像素的RGB3个分量，获得每个像素RGB最大值构成的整体亮度图像，该步骤是为了准确反映每个像素的最大强度以免在像素补偿过程中出现削幅；根据上步所得的亮度图像计算灰度图像的概率密度分布曲线，再由低灰阶到高灰阶累加得到图像的CDF曲线；通过预先设定的CDF阈值K对应获得灰度值即为背光信号值，原理如图2所示。

四、总结

上文中，我们对液晶显示LED背光源动态调光算法作出了初步地分析。鉴于自身能力、工作经验的限制，本文可能对液晶显示LED背光源动态调光算法论述的还不够彻底、全面。整个论述过程中，甚至可能出现某些不恰当的观点或问题。而要避免这些，必然需要各个同行们的批评和建议。希望广大的相关从业者们，能够立足于自身实践，从思想、行动上对液晶显示LED背光源动态调光算法做出创新，从而推动我国LED行业的健康发展。

[1]张喜条.液晶电视LED背光直下区域调光算法研究[D].合肥工业大学,2015.（4）：112-168

[2]韩东.LED液晶电视动态调光技术及应用[D].合肥工业大学 ,2015.（7）：225-304