杨 雷，李纯怀，陈宥烨，李 浩，何振伟，朱立伟，屠震涛，张小宁＊

（1.西安交通大学 电子物理与器件教育部重点实验室，陕西 西安710049；2.深圳市华星光电技术有限公司，广东 深圳518000）

1 引 言

液晶显示器（Liquid Crystal Display，LCD）是时下最流行的平板显示器件，LED 背光源因其卓越的性能，逐渐成为LCD 的主流背光源［1－4］。对于传统显示方法，LED 背光源的亮度保持不变，通过控制液晶透过率来实现灰度级，不仅会导致背光功耗过大，而且由于液晶存在天生的漏光，低灰度像素无法正常显示，尤其是黑色，从而导致对比度降低。动态调光则是根据画面动态地改变背光亮度，可以在降低背光功耗的同时，提高画面对比度。但是，动态调光也会带来一些问题，如灰度截断［5］和光晕效应［6］。灰度截断是由于背光被降低之后，灰度值高于背光灰度值的像素无法正常显示，从而产生截断现象；光晕效应则是因为液晶在显示低灰度像素时，由于存在漏光，动态调光后，不同区域的背光不同，漏光也不同，从而产生光晕效应，如鼠标指针在黑色背景上移动时，就会产生光晕效应。

动态调光的关键算法在于如何确定每个LED 分区的背光值，目前，已经提出的算法有平均值法（Avg）、均方根法（Sqrt）、最大值法（Max）等［7－11］。其中，平均值法是以每个分区的平均灰度值作为对应分区背光，均方根法则是以每个分区的灰度平均值为基础，归一化后取均方根作为对应分区背光，两种算法可以实现较高的对比度和较低的功耗，但由于背光过低，图像的灰度截断比较严重；最大值法则是以分区内灰度最大值作为对应分区的背光值，可以解决图像灰度截断的问题，但同时会造成背光功耗过大。对于因背光不均匀和液晶漏光导致的光晕效应，上述算法并未解决。

本文提出的LED 背光源动态调光二次修正算法能够降低背光功耗，同时增强画质。该方法在平均值法的基础上，根据分区灰度最大值与平均值的差值进行第一次修正，可以显著改善灰度截断问题；采用空间滤波法进行第二次修正，可以改善光晕效应。实验表明，采用本算法后，背光功耗降低至73.02%，灰度截断率0.49%，平均PSNR 值高达67.21dB，典型图像对比度最大达到28 600∶1，显示图像的光晕效应有了明显的改善。

2 二次修正算法

本文提出的二次修正算法是根据输入图像求出动态调光后的背光亮度，动态调光流程如图1所示。首先，从输入图像中提取出特征参数，分区灰度最大值和平均值；第二，利用特征参数，以平均值法为基础进行第一次修正；第三，采用空间滤波法进行第二次修正，得到最终LED 亮度；第四，按照调光后背光进行液晶补偿；最后，将LED 亮度发送至LED 驱动模块，同时，将补偿后的像素值发送至液晶面板。

图1 二次修正算法流程图Fig.1 Process of the twice－correction algorithm

2.1 第一次修正

以平均值法作为基础，利用分区灰度最大值与平均值对各分区背光进行第一次修正，如式（1），（2），（3）所示。

其中：B1（m，n）表示分区（m，n）的第一次修正灰度值，Avg（m，n）、Max（m，n）表示分区（m，n）的灰度平均值和最大值，K 为待定常数，且0 ≤K≤1，当K ＝1时，B1（m，n）＝Max（m，n），即最大值法。如图2所示，当K 的值从0变化到1时，算法逐渐趋近最大值法。第一次修正式中包含的参数K 值可根据功耗、截断点数目和PSNR 的要求确定。

图2 第一次修正曲线Fig.2 The first correction curves

2.2 第二次修正

经过第一次修正的分区背光，并未考虑到周围分区的背光，容易导致相邻分区背光变化过大，以致产生光晕效应。采用空间滤波的方法，可以让背光更加平缓，解决动态调光所致的光晕效应。本算法原理图如图3所述，要求将高亮度背光分区周围的分区背光升高，同时，升高后的背光不能小于原先背光。滤波后的背光亮度如式（4），（5）所示。

其中：B2（m，n）表示分区（m，n）的第二次修正灰度值，Bf为滤波背光，BS1（m，n）为（m，n）分区周围分区的第一次修正灰度值，滤波后的背光要在原背光B1（m，n）和滤波背光Bf之间取最大值，T 和th为待定参数。

图3 空间滤波原理图Fig.3 Schematic diagram of spatial filtration

3 实验结果与讨论

本文提出的算法通过Matlab进行了仿真验证，并在采用LED背光源的116.8cm（46in）FHD分辨率的液晶电视上进行了实验验证。使用侧入式白光LED背光源，左右各8组LED，液晶面板被划分成8×16个分区。算法中提到的各参数值如表1所示。

表1 参数值列表Tab.1 List of parameter values

将一次修正、二次修正后的结果与Avg法、Sqrt法和Max法进行比较。采用图4 所示的4幅典型图片，实验结果为原图与处理后的图片的差值，并放大10倍，若结果越小，说明灰度截断越小，图像质量越高。可以看出，Max 法和本文提出的一次修正、二次修正算法效果较好。

图4 Avg、Sqrt、及Max方法与本文算法的误差图像Fig.4 Error pictures processed by Avg，Sqrt，Max method and the proposed method

表2为采用图4所示的4幅典型图片，经过Avg法、Sqrt法、Max法及本文提出的一次修正和二次修正处理后的功耗、灰度截断和峰值信噪比（Peak Signal to Noise Ratio，PSNR）的平均结果。可以看出，Avg法和Sqrt法的功耗小，但截断比大，PSNR 小；Max法的截断比为0，但功耗达到86.21%；经过本文提出的一次修正算法处理之 后，功 耗 为72.66%，同 时，截 断 比 为0.495%，PSNR 达到66.03dB；经过二次修正之后，功耗只增加0.36%，同时，截断比降低0.006%，PSNR 升高1.18dB。

表2 功耗、截断比和PSNR 实验结果Tab.2 Experiment results of power consumption，grayscale clipping，and PSNR

本文提出的二次修正的目的是抑制光晕效应，如图5所示，黑色背景上一个鼠标指针，经过一次修正后，背光变化不够平缓，导致比较严重的光晕效应，经过二次修正后，背光变化平缓，光晕效应得到抑制。采用如图6所示的4种典型对比度测试图案，测试结果见表3，经过本算法处理后，对比度有了明显提升，最大达到了28 600∶1。

图5 空间滤波抑制光晕效应前后比较Fig.5 Halo effect before and after spatial filtration

图6 对比度测试图Fig.6 Testing patterns for contrast ratio

表3 对比度测试结果Tab.3 Experiment results of contrast ratio

4 结 论

本文提出的LED背光源动态调光二次修正算法可以在降低背光功耗的基础上，有效增强画质。以平均值法作为基础，根据分区最大值和平均值的差值进行第一次修正，采用空间滤波法进行第二次修正，可以分别改善灰度截断问题和光晕效应。实验结果表明，采用本文提出的算法处理之后，LED背光源平均功耗可降低至73.02%，灰度截断率仅占显示像素总数的0.489%，PSNR为67.21dB，典型图像的对比度最大达到28 600∶1，同时，可以很好地改善调光带来的光晕效应。

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