向 艷，馮奇斌，呂國強＊

（1.中航華東光電有限公司，安徽 蕪湖241002；

2.合肥工業(yè)大學(xué) 特種顯示技術(shù)教育部重點實驗室，特種顯示技術(shù)國家工程實驗室，現(xiàn)代顯示技術(shù)省部共建國家重點實驗室，安徽 合肥230009；3.合肥工業(yè)大學(xué) 光電技術(shù)研究院，安徽 合肥230009）

1 引 言

液晶顯示（Liquid Crystal Display，LCD）經(jīng)過多年發(fā)展，已經(jīng)成為平板顯示的主流技術(shù)。液晶本身不發(fā)光，需要背光源發(fā)出光線照亮顯示區(qū)域。發(fā)光二極管（Light Emitting Diode，LED）具有納秒級的響應(yīng)速度［1－2］，保證了動態(tài)調(diào)光技術(shù)在液晶顯示中的應(yīng)用。動態(tài)調(diào)光技術(shù)就是根據(jù)顯示圖像內(nèi)容動態(tài)改變背光亮度，以提高顯示對比度，降低能耗［3－11］。目前提出的動態(tài)調(diào)光算法主要包括平均值法、最大值法、均方根值法、映射曲線反轉(zhuǎn)法等。

動態(tài)調(diào)光技術(shù)分為全局調(diào)光和區(qū)域調(diào)光。區(qū)域調(diào)光要求背光具有多個能夠獨立調(diào)節(jié)亮度的區(qū)域，根據(jù)圖像內(nèi)容動態(tài)決定每個區(qū)域的背光亮度。全局調(diào)光則是整體改變背光亮度。目前占市場絕大部分份額的液晶電視采用側(cè)出式背光結(jié)構(gòu)，沒有進(jìn)行分區(qū)設(shè)計，無法采用區(qū)域調(diào)光技術(shù)。故本文針對全局調(diào)光，通過引入圖像處理技術(shù)開發(fā)了有助于降低能耗、提高靜態(tài)對比度的全局調(diào)光算法。

2 全局調(diào)光算法

動態(tài)調(diào)光算法主要包括2個步驟：（1）確定背光亮度；（2）對液晶像素亮度進(jìn)行補償。

2.1 背光調(diào)光亮度確定

為充分表達(dá)圖像的特征值，本文采用如下算法確定背光亮度［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是背光調(diào)整因子，介于0和1之間，當(dāng)顯示全黑圖像時，背光關(guān)閉，kBLU＝0；顯示全白圖像時，背光處于最亮狀態(tài)，kBLU＝1。可以看出，該背光調(diào)光亮度確定方法既考慮了圖像的平均亮度，也滿足了圖像最亮部分的亮度要求，以期在保證顯示質(zhì)量的前提下獲得盡可能高的節(jié)能率。

2.2 液晶像素補償

背光調(diào)光亮度確定后，為補償背光亮度的降低，需要對LCD 像素進(jìn)行調(diào)整，以避免顯示亮度過低。式（2）是目前普遍采用的線性補償方法。

式中：BL 和BL′分別為調(diào)光前后的背光亮度值，I和I′分別為調(diào)光前后LCD 像素強度。可以看出，當(dāng)背光亮度降低較多時（BL′較?。瑢?dǎo)致液晶分子補償過大（I′過大），超過255 而造成溢出失真。

為避免溢出失真并提高靜態(tài)對比度，本文采用一種S曲線方法對液晶像素進(jìn)行調(diào)節(jié)。S曲線方程如式（3）所示：

其中：Lpoint為S曲線拐點坐標(biāo)。從圖1可以看出：亮度小于Lpoint的像素調(diào)節(jié)因子小于1，變得更暗，亮度大于Lpoint的像素調(diào)節(jié)因子大于1，變得更亮，以此有效提高靜態(tài)對比度。

圖1 S曲線Fig.1 S curve

Lpoint決定像素調(diào)節(jié)的范圍，由式（4）確定：

式中：L25是包括所有像素25%的對應(yīng)灰度值；L50是包括所有像素50%的對應(yīng)灰度值。

S曲線方程中的另一個參數(shù)a 決定了曲線的曲率。圖2表明其他條件一定時，a 值和S曲線形狀的關(guān)系。可以看出，隨著a 值的增大，S曲線變得越來越彎曲，也就是對像素的調(diào)整越來越大，一方面可以獲得較大的對比度的提升，另一方面也可能引起圖像細(xì)節(jié)的丟失，故需要結(jié)合圖像特征、背光的調(diào)整因子kBLU綜合確定a的取值。

獲得S曲線后，就可以得到不同灰度的液晶像素調(diào)整系數(shù)klcd：

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

圖2 a和S曲線的關(guān)系Fig.2 S curves with different a

3 軟件仿真

選擇40幅圖片進(jìn)行了仿真試驗（如圖3，左上角到右下角圖片編號順序為No.1～No.40），仿真結(jié)果見圖4和圖5。

仿真時圖片對比度根據(jù)式（7）計算，其中L90是包括所有像素90%的對應(yīng)灰度值，L10是包括所有像素10%的灰度值。

背光節(jié)能率（Power Reduction，PR）根據(jù)式（8）計算得到：

圖3 仿真／測試圖片F(xiàn)ig.3 Simulation／test pictures

圖4 調(diào)光前后對比度仿真結(jié)果Fig.4 CR simulation with and without dimming

圖5 調(diào)光節(jié)能率仿真結(jié)果Fig.5 Power reduction simulation

可以看出，40幅調(diào)光后的圖片對比度相對原圖都有一定的提升，對比度平均提高了52.25%，調(diào)光后40幅圖片的能耗均有所下降，平均下降了21.92%。圖4可以看出：對于亮度分布比較平均的圖像，像素值增加或減少的空間有限，對比度提高不明顯，如No.21～No.30；圖像中亮度沒有達(dá)到最大值且在較亮和較暗區(qū)域均有分布的圖像，如No.8，對比度提升較為明顯。圖5可以看出：隨著圖像整體亮度由高到低，背光節(jié)能率呈由低到高的趨勢，但對于No.6、No.9、No.34的圖像，整體亮度較低，但由于存在太陽或煙花的高亮對象，決定了式（1）中的Ldiff較大，由此kblu不會太低，能耗降低不多。

4 工程化樣機(jī)

課題組開發(fā)了采用本文調(diào)光算法的液晶電視工程化樣機(jī)，對角線尺寸為81.28cm（16∶9），如圖6所示，圖中左邊的一臺電視采用傳統(tǒng)的背光亮度恒定的工作模式，右邊的一臺采用本文的全局調(diào)光算法。兩臺液晶電視均接有功率計，可以顯示實時功耗。顯示圖6（a）圖像時，液晶電視調(diào)光前后的功耗分別為51.5 W 和41.8 W，整 機(jī) 節(jié) 能 率 為（51.5－41.8）／51.5＝18.83%；顯示圖6（b）圖像時，調(diào)光前后的功耗分別為51.3W 和39.6W，整機(jī)節(jié)能率為（51.3－39.6）／51.3＝22.81%。

圖6 動態(tài)調(diào)光工程化樣機(jī)Fig.6 Dimming LC TV prototype

從圖7可以清晰看出，顯示全黑圖片時，左邊傳統(tǒng)的電視存在明顯的漏光現(xiàn)象，而采用調(diào)光技術(shù)的液晶電視將LED 背光完全關(guān)閉（右），大大提高了動態(tài)對比度。

圖7 顯示全黑圖像Fig.7 Black image displayed on 2LC TVs

將6類常見的電視節(jié)目（公益宣傳片、電視劇、動畫片、體育節(jié)目、綜藝節(jié)目、脫口秀）合成了每段5 min共計30 min的視頻，在工程化樣機(jī)上進(jìn)行了測試，調(diào)光和沒調(diào)光電視的整機(jī)功耗分別為0.021 0度和0.025 3度，調(diào)光后整機(jī)功耗降低了：

視頻顯示完成正常，沒有抖動、拖尾、人眼可感知的失真。

5 結(jié) 論

針對液晶顯示對比度和能效不高的問題，針對現(xiàn)有背光市場主流產(chǎn)品，提出了基于S曲線的全局動態(tài)調(diào)光算法，進(jìn)行了大量的軟件仿真，并開發(fā)了工程化樣機(jī)。仿真和試驗結(jié)果均表明：基于S曲線的全局動態(tài)調(diào)光算法能有效降低液晶電視能耗，沒有明顯的人眼感知的失真，對于某些圖像，經(jīng)過調(diào)光后顯示質(zhì)量有顯著提升。

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