液晶顯示全局動(dòng)態(tài)調(diào)光算法的高效實(shí)現(xiàn)方法研究

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(lái)發(fā)展起來(lái)的一種用來(lái)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(xiàn)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(wèn)題，課題組提出了基于圖像分類(lèi)的全局動(dòng)態(tài)調(diào)光算法［8］，并開(kāi)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(lèi)，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(mén)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(guò)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(lèi)，不同類(lèi)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(xiàn)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(wèn)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(huà)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(lèi)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(lèi)

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

表1 圖像分類(lèi)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(xiàn)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(lèi)后選取的參數(shù)值（見(jiàn)表1），Lg是S曲線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)進(jìn)行求解得到補(bǔ)償值Lout。為滿(mǎn)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(lèi)、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(kāi)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(xiàn)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(lái)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(lái)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(lái)，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(xiàn)方程來(lái)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(wèn)題，但當(dāng)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量過(guò)多時(shí)，由于硬件本身存儲(chǔ)空間的限制，實(shí)現(xiàn)起來(lái)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(xiàn)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(xiàn)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(lái)進(jìn)行存儲(chǔ)的）。

圖2 a＝0.022，S曲線(xiàn)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(xiàn)所標(biāo)出。如前所說(shuō)，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(lèi)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(lèi)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(shuō)，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(xiàn)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(xiàn)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(lèi)，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(jiàn)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(lèi)，對(duì)應(yīng)不同的6個(gè)a值。Lg從80到130，對(duì)S曲線(xiàn)方程計(jì)算出來(lái)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(xiàn)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(lèi)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?？梢钥闯觯捎谜{(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(méi)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(guò)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(jiàn)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(kāi)發(fā)的基于圖像分類(lèi)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(wèn)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。

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