一种基于S曲线的两级动态调光算法

作者；郑晓敏

  液晶显示器( LCD)为被动发光性显示装置，需要借助背光源才能实现显示功能。背光源在传统恒定亮度模式下，消耗较多的电能；加之液晶自身的非理想特性引起的漏光现象严重降低了显示图像的对比度。为提高显示器能效和对比度，国内外学者开始研究动态调光技术，即根据显示图像的内容动态地改变背光亮度及像素补偿，以降低功耗并减少暗图像的漏光来提高对比度。

  根据背光模块中光源是否区域可控，动态调光技术可分为全局调光技术和区域调光技术。区域调光技术是将背光分为若干个独立控制的区域，每个区域的背光亮度根据相应区域图像的内容而变化。全局调光技术则是整体调节背光亮度。区域调光算法与全局调光算法相比节能效果更好，但存在光线串扰、算法复杂、成本高、硬件控制复杂等问题。

  现有的全局调光算法中，虽然可以取得一些节能效果，但是其中大多数存在像素溢出失真现象且无法有效提高对比度。采用S曲线补偿液晶像素的调光算法能够降低显示器功耗，提升静态对比度且无像素溢出失真。但是，其背光亮度是根据像素的最大亮度决定的，对像素最大亮度小于255的图像，有望进一步提高节能率。本文就是在原有S曲线全局调光算法的基础上，提出了改进的两级动态调光算法，以期进一步降低能耗。

1 S曲线全局调光算法介绍

1.1  背光亮度的确定

根据式(1)确定背光调节亮度，即

2  两级动态调光算法

  为了进一步降低LED背光液晶电视的能耗，本文对j：述调光算法进行了改进，提出两级动态调光算法。

  1)计算线性放大系数K与背光下降系数Kbl。

式中：K为线性放大系数；M。，．为整幅输入图像中所有红分量、绿分量和蓝分量的最大值；K．，，处于0~1之间，当所有子像素中的最大值等于255时，K，．=1，当显示全黑场图片时，K，l=0，背光关闭。

2)利用式(6)对输入图像的所有像素进行线性放大。

式中，（R。，G。，Bin）为像素输入值。将输入图像所有像素分量同乘以线性放大系数K，则图像灰度级整体提升且不会出现溢出失真，得到线性放大后的图像像素（R’，G’，B’）。

  3)利用式(3)求取图像（R7，G’，B 7）的拐点/i:oin。，以L‰为拐点对线性放大后的图像（R7，G’，B’）进行像素补偿。

通过式(6)推导，有式(7)成立，即

拐点L`point确定了S曲线调节中像素调节的范围，由式(7)可以看出：两级动态调光算法与S曲线全局调光算法相比，像素补偿因子大于1和小于1分别对应像素点的数量不变。

4)通过式(8)求得两级动态调光算法的背光输出亮度B。。。

针对具体图例对比分析两种调节算法。图2为S曲线全局调光算法的效果对比，图2a为原图，图2b为算法仿真效果图。如图中所示，原图的背光亮度B。=255，算法仿真后B，下降为165。

图3为两级动态调光算法的效果对比。图3a为原图，图3b为算法仿真效果图。如图中所示，原图的背光亮度B。为255，算法仿真后B。下降为97，其中KhJ=1.7。

图4为两种算法的S曲线，横坐标是输入曲线的灰度值，纵坐标对应经过S曲线调整后输出图像的灰度值。图4a中像素补偿曲线仅为S曲线的一段，其中L。。，．= 65，而图4b中像素补偿曲线利用了S曲线的全部，L`point= 110。

  由式(8)可以看出：虽然像素补偿因子大于1和小于1分别对应像素点的数量不变，但是经过线性放大后，像素补偿因子所乘的像素值（R’，G’，B’）变大，即调节后的补偿量变大，所以两级动态调光算法调节后的对比度较S曲线全局调光算法略有提升。

  通过具体图例分析，两级动态调光算法相比S曲线全局调光算法，能够在保证显示效果的基础上进一步降低背光亮度。

3软件仿真

本文选取40张图像进行仿真试验（如图5所示，共40幅图像），仿真结果如图6和图7所示。图像对比度为

式中：L90为灰度直方图累加到像素点总数90%处对应的灰度值；L90为灰度直方图累加到像素点总数10%处对应的灰度值。

背光节能率( P-R)为

式中，B。．(0～255)为仿真中得到的背光亮度值。

  从图6可知，两级动态调光算法与S曲线全局调光算法相比，调节后图像的对比度基本保持不变。从图7中看出，在处理1，4，1 1，12，14等低亮度图像时，两级动态调光算法相对于S曲线全局调光算法节能率明显提高，而对高亮度图像节能率略有提高或基本保持不变。

  统计结果表明：经过两级动态调光算法处理后的40幅图像背光节能率平均值为30 010，静态对比度提升33%。而S曲线全局调光算法对相同40幅图像的背光节能率平均值为19%。

4工程化样机

采用本文调光算法的液晶电视工程样机，对角线尺寸为127 cm(16：9)，正常使用时功耗为86～89 W。如图8所示，左边一台采用本文的两级动态调光算法，右边一台采用的是S曲线全局调光算法。两台液晶电视均接有功率计，可显示实时功耗。

节能率R。为

式中：P为不采用调光的电视机功耗；P ’为采用调光的电视机功耗。

利用式(11)求得图8a、图8b两张测试图像的样机节能率，如表1所示。

  表1中：Pf是采用两级动态调光算法的样机功率；P：是采用S曲线全局调光算法的样机功率；P为不采用调光的样机功率；R。，R，。则分别为对应算法的样机节能率。

  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）每段5 min，合成为一个30 min的视频在工程样机上进行了测试。采用两级动态调光算法的样机能耗为0. 031 80 kW．h、采用S曲线全局调光算法的样机能耗为0. 036 12 kW．h、不调光的样机能耗为0. 042 50 kW-h。两种调光算法的样机能耗分别降低了25.2 010和15.0 010。视频显示正常，没有抖动、拖尾等人眼可感知的问题。

5结束语

针对液晶显示对比度和能效不高的问题，提出了在现有S曲线全局调光算法中增加线性放大的两级动态调光算法。进行了软件仿真并开发了工程样机，仿真和工程样机测试结果表明：采用两级动态调光算法的电视平均整机能耗降低了25.2%，平均静态对比度提高了30%。与基于S曲线全局调光算法相比，节能率提高了10%，静态对比度基本保持不变。两级动态调光算法在保证S曲线全局调光算法显示质量的同时达到了进一步节能的效果。

6摘要：S曲线全局调光算法能够降低LED液晶显示器的功耗并提高显示图像静态对比度，为了进一步提高节能率，提出了基于S曲线的两级动态调光算法。首先对输入图像的所有像素分量进行线性放大，将输入图像的像素灰度级整体提升；然后利用S曲线对线性放大后的图像进行像素补偿，同时输出调整后的背光亮度信号。对40幅典型图像进行了仿真，结果表明：平均背光节能30%，静态对比度提高33%。开发了工程样机，对6类常见的电视节目进行测试，整机平均节能25.1%，静态对比度提高了30%。与S曲线全局调光算法相比，所提算法在显示性能保持不变的同时，能进一步将节能率提高10%。