劉 芬，張 磊，韓 東，呂國(guó)強(qiáng)

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 特種顯示技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 特種顯示技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)代顯示技術(shù)省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥230009；2.合肥工業(yè)大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，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；4.合肥工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，安徽 合肥230009）

1 引 言

液晶顯示（Liquid Crystal Display，LCD）是目前主流的平板顯示技術(shù)［1］。動(dòng)態(tài)調(diào)光技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一種用來降低液晶顯示功耗、提高顯示對(duì)比度的技術(shù)，分為全局調(diào)光［2－8］和區(qū)域調(diào)光［9－14］。全局調(diào)光技術(shù)是根據(jù)要顯示圖像的內(nèi)容實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)地整體改變背光亮度。

本課題組之前提出的全局調(diào)光算法［7］采用S曲線進(jìn)行液晶像素調(diào)整，由于對(duì)所有的圖像都采用固定的調(diào)整參數(shù)，該算法雖能一定程度上提高靜態(tài)對(duì)比度和降低能耗，卻對(duì)于某些圖像存在細(xì)節(jié)失真。為解決這個(gè)問題，課題組提出了基于圖像分類的全局動(dòng)態(tài)調(diào)光算法［8］，并開發(fā)了一套用于測(cè)試調(diào)光效果的液晶電視樣機(jī)。算法［8］在算法［7］的基礎(chǔ)上，將圖像分為6類，根據(jù)其特征選取不同的調(diào)整參數(shù)對(duì)液晶像素進(jìn)行補(bǔ)償，以期獲得更好的節(jié)能和顯示效果。

調(diào)光樣機(jī)中采用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（Field－Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）電路板實(shí)現(xiàn)調(diào)光算法。由于調(diào)光算法中存在大量的除法和指數(shù)運(yùn)算，為保證視頻播放的實(shí)時(shí)性，調(diào)光后液晶像素補(bǔ)償?shù)臄?shù)據(jù)是通過查找表（Look－Up Table，LUT）的方式進(jìn)行存儲(chǔ)的。由于算法［8］中對(duì)圖像進(jìn)行分類，不同類別圖像的液晶像素調(diào)整參數(shù)不同，導(dǎo)致了查找表中數(shù)據(jù)量的急劇增加，從而占據(jù)了大量的硬件存儲(chǔ)空間，造成處理速度慢、電路時(shí)序匹配困難，并可能引起調(diào)光后圖像輸出的不穩(wěn)定。故本文針對(duì)算法［8］中S曲線像素補(bǔ)償部分需要存儲(chǔ)的龐大數(shù)據(jù)和電路實(shí)現(xiàn)處理速度慢等問題，詳細(xì)分析了查找表中的數(shù)據(jù)，提出了2種簡(jiǎn)單、可行、高效的實(shí)現(xiàn)方法，旨在優(yōu)化硬件存儲(chǔ)空間和提高硬件處理速度，獲得實(shí)時(shí)顯示的高品質(zhì)畫面。

2 基于圖像的全局動(dòng)態(tài)調(diào)光算法介紹

基于圖像分類的液晶顯示全局動(dòng)態(tài)調(diào)光主要分為2個(gè)步驟：（1）確定背光亮度；（2）液晶像素補(bǔ)償。具體請(qǐng)參閱文獻(xiàn)［8］。

2.1 圖像分類

根據(jù)圖像平均亮度（L）和對(duì)比度（R），將圖像分為6類，如表1所示。

表1 圖像分類情況Tab.1 Image classification

2.2 確定背光亮度

背光亮度確定公式如式（1）：

式中：lumavg是所有像素的平均灰度，lummax是所有像素的最大灰度。整體亮度比較高的圖像，背光公式中k的取值較大（0.5），以保證整體亮度，避免失真；整體亮度比較低的圖像，k 的取值比較?。?.3），以提高節(jié)能效果。

2.3 液晶像素補(bǔ)償

S曲線方程如式（2）所示：

式中：Lin為輸入圖像的像素值，Lout為調(diào)整后的像素值，a 為根據(jù)圖像分類后選取的參數(shù)值（見表1），Lg是S曲線的拐點(diǎn)坐標(biāo)，由式（3）確定，其中L25是包括所有像素25%處的對(duì)應(yīng)灰度值，L50是包括所有像素50%處的對(duì)應(yīng)灰度值。

從圖1的S曲線可以看出：像素亮度低于Lg的調(diào)節(jié)因子小于1，高于Lg的調(diào)節(jié)因子大于1，以此有效提高靜態(tài)對(duì)比度。

圖1 S曲線及拐點(diǎn)坐標(biāo)Fig.1 S－curve and the turning point

3 算法實(shí)現(xiàn)方式研究

由上述2.3可知，要進(jìn)行液晶像素補(bǔ)償，需要對(duì)S曲線進(jìn)行求解得到補(bǔ)償值Lout。為滿足視頻（60Hz）的實(shí)時(shí)播放，對(duì)于一幅圖像的處理（包括統(tǒng)計(jì)、分類、計(jì)算背光亮度、圖像像素補(bǔ)償、調(diào)光背光亮度、調(diào)節(jié)像素開度等）時(shí)間應(yīng)該限制在1／60s。但用于像素補(bǔ)償?shù)腟曲線方程內(nèi)部不僅包含除法，還存在指數(shù)運(yùn)算，電路實(shí)現(xiàn)起來將十分復(fù)雜，且計(jì)算量龐大。因此，電路上通常采用查表法來進(jìn)行非加、減的復(fù)雜運(yùn)算。所謂查表法，就是將S方程的所有輸出一一計(jì)算出來，并存入硬件的ROM 中，當(dāng)程序需要這些數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)尋址到所要的位置并讀取它。從S曲線方程來分析，影響Lout值的參數(shù)有a和Lg：a有6種選擇，Lg的范圍為（80，130），像素輸出范圍為（0，255），故查找表中的總數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量為16×6×256×51bits，即1 253 376bits。

查表法在一定程度上解決了硬件對(duì)實(shí)時(shí)性和復(fù)雜運(yùn)算的能力不足的問題，但當(dāng)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量過多時(shí)，由于硬件本身存儲(chǔ)空間的限制，實(shí)現(xiàn)起來也相當(dāng)不易。為了減少硬件資源占有量，提高處理速度和穩(wěn)定性，本文對(duì)S曲線的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行了詳細(xì)研究，提出了2種簡(jiǎn)單、高效的實(shí)現(xiàn)方法。

3.1 調(diào)光后輸出像素?cái)?shù)據(jù)分析

根據(jù)S曲線方程（公式2），當(dāng)a 值保持不變（以低亮高對(duì)比度圖像的a＝0.022 為例）時(shí)，Lg從80變化到130，像素點(diǎn)RGB 最大值和輸出像素值之間的關(guān)系如圖2所示（需要指出，為了降低對(duì)小數(shù)部分的取舍造成補(bǔ)償誤差，制作表格時(shí)所有數(shù)據(jù)是擴(kuò)大256倍來進(jìn)行存儲(chǔ)的）。

圖2 a＝0.022，S曲線隨Lg 的變化Fig.2 S－curve with a＝0.022and different Lg

可以看出：當(dāng)a 相同時(shí)，不同Lg的補(bǔ)償后像素輸出值偏差不大。作運(yùn)算Lout（n）－Lout（n－1）（其中，n 為1～50，對(duì)應(yīng)于Lg為81～130），得相鄰兩組的輸出差值，如圖3示。

圖3 a＝0.022，相鄰Lg 輸出像素值的偏差Fig.3 Deviation of output pixels value by adjacent Lg with a＝0.022

從圖3中可以看出，相鄰兩組Lg的輸出偏差值分布在一定的范圍內(nèi)。對(duì)于相同的輸入像素值，偏差值的分布區(qū)間有一定的變化。其中當(dāng)輸入像素值為160時(shí)，偏差值的分布區(qū)間長(zhǎng)度最大，達(dá)到120，如圖3中紅線所標(biāo)出。如前所說，數(shù)據(jù)擴(kuò)大了256 倍，因此120 的偏差不足0.5 個(gè)像素值。

3.2 等差數(shù)列的實(shí)現(xiàn)方式

基于以上的分析可得：相同a 時(shí)，相鄰Lg的像素補(bǔ)償輸出差值分布在一定范圍內(nèi)。這類數(shù)據(jù)的處理可使用等差數(shù)列的方法，其計(jì)算公式如下式（4）所示：

式中：Li，n為調(diào)光后的像素值，i為a 值的種類數(shù)，范圍為（1，6）；n 為組號(hào)，從1～50（Lg從81～130）；Li，0為L(zhǎng)g＝80、第i個(gè)a 值時(shí)的像素值；di為第i個(gè)a 值時(shí)相鄰Lg輸出值的平均差值。因?yàn)檫@里的輸入輸出針對(duì)256 階像素值，式中的Li，0、di和Li，n則均為256＊1的列矩陣。

這樣，只需要存儲(chǔ)Li，0和di，再使用式（4）即能獲得需要的所有補(bǔ)償像素值，大大降低存儲(chǔ)空間。對(duì)此方法進(jìn)行仿真，得到與原數(shù)據(jù)的偏差如圖4所示：最大的偏差值為782。如前面所說，數(shù)據(jù)是擴(kuò)大256倍存儲(chǔ)的，故782的偏差對(duì)應(yīng)于3的像素偏差值，且最大的偏差值出現(xiàn)在160 灰度處。

圖4 基于等差數(shù)列法獲得的數(shù)據(jù)與原數(shù)據(jù)的偏差Fig.4 Deviation between data of ASM and LUT

3.3 最小二乘法的線性擬合實(shí)現(xiàn)方法

基于等差數(shù)列的實(shí)現(xiàn)方式，在降低了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間的同時(shí)，存在3個(gè)灰度級(jí)的誤差。為進(jìn)一步降低誤差，采用最小二乘法線性擬合，如式（5）：

式中：m 為51（Lg從80到130），由式（5）得到Li，0和di，i為a 值種類，范圍是（1，6）。該方法需要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量和上述方法相同。對(duì)此方法進(jìn)行仿真測(cè)試，得到與原數(shù)據(jù)的偏差如圖5所示。

從圖5中可以看出：基于最小二乘法擬合的數(shù)據(jù)的最大偏差為518，即存在2 個(gè)灰度的誤差（同樣地，從圖5中可見最大差值的位置在160左右），較等差數(shù)列法降低了33%。

圖5 最小二乘擬合法獲得的數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)的偏差Fig.5 Deviation between data of LSFM and LUT

4 兩種實(shí)現(xiàn)方式的仿真分析

如2.1所述，圖像分為6類，對(duì)應(yīng)不同的6個(gè)a值。Lg從80到130，對(duì)S曲線方程計(jì)算出來的數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真（數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)為256×（130－80＋1）×6＝78 336）。并使用標(biāo)準(zhǔn)差（Standard Deviation，SD）對(duì)仿真后的數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估。標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算公式如式（6），仿真結(jié)果如表2：

式中：Louti為使用兩種方式實(shí)現(xiàn)后的數(shù)據(jù)，Si為使用S曲線直接計(jì)算出的查找表數(shù)據(jù)，n 為數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)（這里，我們是以不同分類圖像對(duì)應(yīng)的a值為分組，故n為256×51＝13 056個(gè)）。

表2 兩種方法仿真后數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差Tab.2 Simulations of standard deviation of two kinds of implementations

從表2可以看出：使用等差數(shù)列法得到的數(shù)據(jù)的最大標(biāo)準(zhǔn)差為476，相當(dāng)于1.8像素值的偏差；基于最小二乘法得到的數(shù)據(jù)最大標(biāo)準(zhǔn)差為206，相當(dāng)于0.8像素值的偏差。

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

圖6所示的調(diào)光工程化樣機(jī)包括2臺(tái)液晶電視：一臺(tái)采用傳統(tǒng)的背光模式（左邊），即背光亮度始終處于最亮狀態(tài)；另外一臺(tái)采用全局調(diào)光算法（右邊），即背光亮度隨輸入圖像動(dòng)態(tài)改變。2 臺(tái)液晶顯示器均接有功率計(jì)，實(shí)時(shí)顯示能耗?？梢钥闯?，采用調(diào)光技術(shù)的電視顯示相同內(nèi)容時(shí)，功耗低于傳統(tǒng)的電視，沒有人眼感知的失真。為驗(yàn)證仿真結(jié)果的可靠性和實(shí)際效果，在調(diào)光樣機(jī)上對(duì)等差數(shù)列法和最小二乘擬合法進(jìn)行了電路實(shí)現(xiàn)，測(cè)試了圖7所示的6幅圖片（圖片中包括了30、60、80、90、100、120、150、160、190、210、230、240等多種亮度）。通過實(shí)時(shí)抓取輸出圖片的像素值，并與采用查找表得到的像素補(bǔ)償值進(jìn)行比較，結(jié)果如表3所示。

圖6 全局動(dòng)態(tài)調(diào)光液晶電視樣機(jī)Fig.6 LCD TV prototype for global dimming

圖7 測(cè)試用6幅圖片F(xiàn)ig.7 Six test pictures

由表3可見等差數(shù)列法和最小二乘法的最大實(shí)際誤差均出現(xiàn)在第3幅圖片中：R 分量分別從未處理的189降低為186和188，對(duì)應(yīng)損失3和1的灰度級(jí)。同時(shí)，與前面算法研究中圖4、5中相同：偏差最大的像素值為160附近。

圖8 給出了前后算法實(shí)現(xiàn)在Alter Cyclone III型FPGA 上硬件資源消耗對(duì)比，可以看出：采用本文的兩種實(shí)現(xiàn)方式后，存儲(chǔ)空間由之前的71%降低到4%，大大降低了硬件資源。

表3 兩種方法測(cè)試結(jié)果Tab.3 Test results of two kinds of methods

圖8 查找表法和高效實(shí)現(xiàn)后的硬件資源占用對(duì)比Fig.8 Comparison of resource consumption between LUT and proposed implementations

6 結(jié) 論

課題組已經(jīng)開發(fā)的基于圖像分類的全局動(dòng)態(tài)調(diào)光算法的電路實(shí)現(xiàn)存在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大、硬件處理速度慢的缺點(diǎn)。針對(duì)存在的問題，提出了2種基于誤差處理的實(shí)現(xiàn)方式：等差數(shù)列法和最小二乘擬合法。使用這兩種方法對(duì)原數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真分析，其標(biāo)準(zhǔn)差分別為1.8和0.8。同時(shí)，對(duì)等差數(shù)列法和最小二乘擬合法進(jìn)行電路實(shí)現(xiàn)，實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明：2種算法產(chǎn)生的誤差分別低于3 灰度級(jí)和1灰度級(jí)，并可使硬件資源占用從71%降低至4%。仿真和實(shí)際測(cè)試結(jié)果均表明：較等差數(shù)列法，最小二乘法具有更好的效果。

［1］ 董軍，柴寶玉，田學(xué)彬.液晶顯示技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展概述［J］.西安郵電學(xué)院院報(bào)，2012，17（3）：102－104.Dong J，Chai B Y，Tian X B.An overview of liquid crystal display technology industry［J］.Journal of Xi’an University of Posts and Telecommunications，2012，17（3）：102－104.（in Chinese）

［2］ Kang S J，Kim Y H.Image integrity－based gray－level error control for low power liquid crystal displays［J］.IEEE Transactions on Consumer Electronics，2009，55（4）：2401－2406.

［3］ Kang S J，Kim Y H.Multi－h(huán)istogram－based backlight dimming for low power liquid crystal displays［J］.Display Technology，2011，7（10）：544－549.

［4］ Cho H，Kwon O K.A backlight dimming algorithm for low power and high image quality LCD applications［J］.IEEE Transactions on Consumer Electronics，2009，55（2）：839－844.

［5］ Lai C C，Tsai C C.Backlight power reduction and image contrast enhancement using adaptive dimming for global backlight applications［J］.IEEE Transaction on Consumer Electronics，2008，54（2）：669－674.

［6］ Feng Q B，Tong H，Lv G Q.An adaptive global LED backlight dimming for contrast enhancement and power reduction［J］.Journal of Solid State Phenomena，2011，181－182：241－244.

［7］ 馮奇斌，何會(huì)杰，張偉偉，等.用于側(cè)出式發(fā)光二極管背光的全局動(dòng)態(tài)調(diào)光算法［J］.光學(xué)精密工程，2012，20（7）：1455－1462.Feng Q B，He H J，Zhang W W，et al.Global dimming algorithm for side－lit LED backlights［J］.Optics and Precision Engineering，2012，20（7）：1455－1462.（in Chinese）

［8］ 何會(huì)杰，馮奇斌，張磊，等.基于圖像分類的全局動(dòng)態(tài)調(diào)光算法［J］.光學(xué)學(xué)報(bào)，2013，33（8）：205－211.He H J，F(xiàn)eng Q B，Zhang L，et al.Global dimming algorithm based on image classification［J］.Acta Optica Sinica，2013，33（8）：205－211.（in Chinese）

［9］ 章小兵，王茹，董戴，等.基于局部均值和標(biāo)準(zhǔn)差的LCD 動(dòng)態(tài)背光調(diào)整［J］.液晶與顯示，2011，26（5）：698－701.Zhang X B，Wang R，Dong D，et al.Dynamic backlight adaptation based on local mean and standard deviation for LCD［J］.Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays，2011，26（5）：698－701.（in Chinese）

［10］ 屠震濤，鄭仁濤，張小寧.臨界背光亮度法改善LCD 動(dòng)態(tài)調(diào)光中的灰度截?cái)啵跩］.液晶與顯示，2012，27（3）：318－323.Tu Z T，Zheng R T，Zhang X N.Critical backlight luminance for reducing clipping artifacts in local dimming LCDs［J］.Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays，2012，27（3）：318－323.（in Chinese）

［11］ Cho H，Kwon O K.A local dimming algorithm for low power LCD TVs using edge－type LED backlight［J］.IEEE Transactions on Consumer Electronics，2010，56（4）：2054－2060.

［12］ Hsia S C，Sheu M H，Chang Chien J R，et al.High－performance local dimming algorithm and its hardware implementation for lcd backlight［J］.Journal of Display Technology，2013，9（7）：527－535.

［13］ Shu X，Wu X L，F(xiàn)orchhammer S.Optimal local dimming for lc image formation with controllable backlighting［J］.IEEE Transactions on Image Processing，2013，22（1）：166－173.

［14］ Burini N，Nadernejad E，Korhonen J，et al.Modeling power－constrained optimal backlight dimming for color displays［J］.Journal of Display Technology，2013，9（8）：656－665.