基于直方圖變換的LED背光源節(jié)電調(diào)光方法

引言

節(jié)能環(huán)保技術(shù)是當(dāng)前世界所關(guān)注的焦點，在液晶顯示模組中，背光源的功耗最高可占總功耗的50%以上。尤其在10in 以下顯示產(chǎn)品如手機、PDA、MP3 等便攜式設(shè)備中，基本采用電池供電，功耗問題尤為突出。為有效降低液晶顯示器背光源的亮度，以達到節(jié)電目的，本文在ARM 開發(fā)平臺上實現(xiàn)了一種基于直方圖變換的背光源調(diào)光方法，實驗證明，本文提出的方法在失真度為5%的情況下可實現(xiàn)背光節(jié)電約35%.

1 背光源調(diào)光方案

以TFT 液晶面板結(jié)構(gòu)為例，包括背光、偏光片、液晶陣列、彩色濾光片等部分，人眼所感知的顯示圖像為上述各部分的綜合效果。假設(shè)背光亮度歸一化后設(shè)為b(為[0，1]區(qū)間實數(shù))，0 對應(yīng)于背光關(guān)閉情況，1 對應(yīng)于背光發(fā)光亮度最大情況。若光源為LED，則b 的調(diào)節(jié)可包括電流脈寬調(diào)制、電流幅度調(diào)節(jié)等方法。

假設(shè)以圖像為8bit 灰度圖進行討論，f(x，y)表示圖像中某點(x，y)的灰度值，x、y 為該點坐標(biāo)。則該點位置的液晶透過率可表示為：

t (x，y)=f(x，y)/255 (1)

該圖像點可被觀測到的亮度L(x，y)為背光源發(fā)光和液晶透過率的綜合效果，可表示為背光亮度b和液晶透過率t (x，y)的近似線性組合：

L(x，y) =b·t (x，y) =b·f(x，y)/255 (2)

根據(jù)視覺光效一致性的要求，必須尋找一種方法使像素灰度值在增大(以補償背光b 變小)的時候盡量不飽和。為達到這個目的，本文首先將圖像灰度值范圍先限制在一定區(qū)間，然后再對直方圖進行拉伸，以實現(xiàn)像素灰度值的增大。圖像直方圖由門限fgl 和fgh 進行裁剪，使圖像中的某些點被鉗位于fgl 和fgh，該圖像的灰度區(qū)間限制于[fgl，fgh]，背光源調(diào)光問題轉(zhuǎn)化為這幅直方圖經(jīng)過裁剪的圖像應(yīng)當(dāng)如何進行調(diào)整，使得它的背光能盡量降低亮度。

顯然對固定的失真度，fgl 和fgh 可以有多種取值，這里取值方式應(yīng)滿足公式(3)：

min (fgh- fgl ) (3)

這樣處理的目的是將圖像灰度區(qū)間限制在一個最小范圍內(nèi)。

公式(3)實現(xiàn)后，下一步對直方圖進行線性搬移，使灰度整體向暗區(qū)域移動fgl.這樣圖像灰度區(qū)域由[0，255]區(qū)間內(nèi)的原分布，被壓縮在[0，fgh- fgl]區(qū)間。

假設(shè)背光變暗，此時應(yīng)對圖像進行灰度拉伸，以彌補背光導(dǎo)致的亮度損失。若采取線性拉伸方法，顯然拉伸的最大倍數(shù)為255/(fgh- fgl)，此時像素灰度不會飽和，則背光亮度可由1 降低為(fgh- fgl)/255.根據(jù)公式(2)，經(jīng)過處理后的圖像在背光調(diào)節(jié)前后視覺效果不變。

2 硬件和軟件實現(xiàn)方案

本實驗采用mini2440 開發(fā)板進行驗證，mini2440是一款低價實用的ARM9 開發(fā)板，處理器為三星S3C2440(ARM920T，最高主頻可達532MHz)。液晶屏支持黑白、4 級灰度、16 級灰度、256 色、4，096 色STN 液晶顯示，尺寸從3.5~12.1in，屏幕分辨率可以達到1，024×768 像素，實驗采用了3.5in LED 背光TFT液晶屏。

實驗中根據(jù)圖像算法計算圖像的灰度值，通過對顯示圖像的直方圖進行裁剪，使之限定在一定范圍內(nèi)，其后進行直方圖拉伸，再由計算公式(fgh- fgl)/255 計算出背光源的顯示亮度，并控制背光源脈寬調(diào)制輸出脈沖的占空比，實現(xiàn)背光源LED 的亮度調(diào)節(jié)。硬件框圖如圖1 所示。

2.1 LED 背光源驅(qū)動設(shè)計

設(shè)計采用恒流型LED 驅(qū)動，輸出電流穩(wěn)定，保證了背光LED 的亮度恒定，方便通過更改相關(guān)的外圍電阻來確定輸出電流的大小，并具有高靈敏度的開關(guān)控制功能，能實現(xiàn)通過PWM 來控制LED 的亮度。

AMC7140 是大功率的LED 恒流驅(qū)動芯片，寬電壓輸入DC 范圍為5~50V， 輸出電流最大達700mA， 適合驅(qū)動1W、3W、5W 的LED 燈，TO- 252- 5L 封裝，帶PWM CONTROL 端(OE 引腳)。如圖2 所示是AMC7140 的引腳圖，其中引腳1 是電源輸入;引腳2 是輸出電流的控制端，通過一個高精度的電阻Rset 接地實現(xiàn)對電流的控制，電流Iset=1.2V/Rset，輸出電流Iout=500×Iset;引腳3 接地;引腳4 是PWM 控制端，高電平有效;引腳5 是輸出端。AMC7140 的應(yīng)用電路如圖3 所示。

2.2 基于S3C2440 的PWM 控制的實現(xiàn)

S3C2440 有5 個16bit 定時器。定時器0、1、2、3 有脈寬調(diào)制功能(PWM);定時器4 是內(nèi)部定時器，沒有輸出引腳;定時器0 有死區(qū)發(fā)生器，常用于大電流設(shè)備中;定時器0、1 共用一個8bit 預(yù)脈沖分頻器，定時器2、3、4 共用另外一個。每個定時器都有一個時鐘分頻器，它可以產(chǎn)生5 種分頻信號(1/2、1/4、1/8、1/16 和TCLK)。每個定時器模塊從自己的時鐘分頻器獲取時鐘信號，時鐘分頻器從相應(yīng)的8bit 預(yù)脈沖分頻器中獲取時鐘。這個8bit 預(yù)脈沖分頻器是可編程的，并依據(jù)TCFG0 和TCFG1 寄存器中的值對PCLK進行分頻。定時器被使能之后，定時器計數(shù)緩沖寄存器(TCNTBn)中的初始值就被加載到遞減計數(shù)器中， 定時器比較緩沖寄存器(TCMPBn) 中的初始值就被加載到比較寄存器中，以便與遞減計數(shù)器的值進行比較。這種TCNTBn 和TCMPBn 的雙緩沖特點使得定時器在頻率和占空比變化時輸出的信號更加穩(wěn)定。每個定時器都有一個自己的時鐘驅(qū)動的16bit 遞減計數(shù)器，當(dāng)計數(shù)器減到0 時，產(chǎn)生一個定時器中斷請求，以通知CPU 定時器操作完成，同時定時器計數(shù)緩沖寄存器的值被再次自動加載到遞減計數(shù)器繼續(xù)下次操作。然而，如果在正常模式下清除定時器TCONn 的使能位，TCNTBn的值將不再加載進計數(shù)器，TCNTBn 的值常用于PWM.當(dāng)遞減計數(shù)器的值等于比較寄存器的值，定時器控制邏輯改變輸出電平，因此，比較寄存器決定了PWM 輸出的開啟和關(guān)閉。

設(shè)置一個定時器，首先初始化TCNTBn 和TCMPBn，在初始化定時器時，主要設(shè)定以下幾個寄存器(以定時器0 為例)：

定時器輸出時鐘頻率= PCLK/(prescaler value+1)/(divider value)

TCFG0 寄存器設(shè)置：TCFG0=99;//prescaler value=“99”

TCFG1 寄存器設(shè)置：TCFG1=0x03;//divider value=“1/16”

這樣，當(dāng)PCLK=400M 時，定時器輸出頻率為6.25M.

定時器初值的設(shè)置包括：

TCNTB0 寄存器設(shè)置：TCNTB0=62500;// 裝入初值1s 中斷一次

TCMPB0 寄存器設(shè)置：TCMPB0=rTCNTB0>1;//50%

接著就可以啟動定時器，第一次必須手動裝載：TCON=1<1;

裝載后， 改為自動裝載， 并啟動定時器：TCON=0x09.

2.3 基于S3C2440 的圖像算法設(shè)計

S3C2440 芯片內(nèi)部集成了LCD 控制器，用來向LCD 傳輸圖像數(shù)據(jù)，并提供必要的控制信號，比如VFRAME、VLINE、VCLK、VM 等，可以支持STNLCD和TFTLCD.mini2440 采用3.5in(分辨率為240×320像素)的TFT 液晶顯示屏，配置為常用的16BPP(5:6：5)模式。要顯示圖像，只要向LCD_BUFFER 寫入像素數(shù)據(jù)(R(5)：G(6)：B(5))，LCD 控制器就會自動通過DMA讀取數(shù)據(jù)送往TFTLCD顯示。

圖像算法是基于圖像直方圖進行數(shù)據(jù)變換的，所以，首先應(yīng)編寫子程序并先計算形成顯示圖像的灰度直方圖，算法如下所示(其中bmp 為原始的灰度圖像，bmp_2 為灰度值數(shù)組)：

for( y = 0;y < 320;y++ )

{for(x = 0; x < 240; x++)

{bmp_2 [bmp[p]] ++;

p = p + 1;

}

}

假設(shè)取5%的失真度，那么需要變換的像素點數(shù)量為240×320×5%=3，840 點，然后根據(jù)上述算法原理采用逐點計算的方法使fgl 從灰度0 開始分別計算出對應(yīng)的(fgh- fgl )，最后比較求出min(fgh - fgl)。

下一步對直方圖進行線性搬移，使灰度整體向暗區(qū)域移動fgl，這樣圖像灰度區(qū)域由[0，255]區(qū)間內(nèi)的原分布，被壓縮在[0，fgh- fgl]區(qū)間。接下來應(yīng)對圖像進行灰度拉伸，以彌補背光導(dǎo)致的亮度損失。若采取線性拉伸方法， 顯然拉伸的最大倍數(shù)為255/ (fgh- fgl)。算法如下所示(其中bmp 為原始的灰度圖像，bmp_new 為更新圖像，min= min(fgh - fgl))：中國照明網(wǎng)技術(shù)論文·LED照明

for(y = 0;y < 320;y++)

{for(x = 0;x < 240;x++ )

{if (bmp[p]>= fgl )

bmp_new[p] = (bmp[p] - fgl )*255/min;

else

bmp_new[p] =0;

p++;

}

}

此時像素灰度不會飽和，則背光亮度可由1 降低為(fgh- fgl)/255，由LED 驅(qū)動電路通過PWM 實現(xiàn)相應(yīng)亮度的控制。

3 實驗結(jié)果

如圖4 所示為測試圖像，圖4(a)為原始圖像，圖4(b)、(c)、(d)為采用直方圖裁剪與拉伸算法的試驗結(jié)果圖。

測試圖4 (b) 的失真度為5% ，節(jié)能比例為35% ;測試圖4(c)的失真度為10% ，節(jié)能比例為55% ;測試圖4(d)的失真度為20% ，節(jié)能比例為67%.由實驗結(jié)果可知，在一定的失真度下，顯然直方圖裁剪的灰度范圍越小，背光亮度可降低的幅度越大。原始測試圖像與經(jīng)過直方圖裁剪和拉伸的圖像相比，在失真度5%的約束下，由于圖像進行了直方圖搬移，整體亮度有所變化，總的來說圖像質(zhì)量沒有明顯損失。

4 結(jié)論

本文提出了基于視覺特性的液晶顯示器背光源節(jié)電調(diào)光方法，建立了直方圖裁剪和拉伸的處理框架，并在此基礎(chǔ)上利用ARM 平臺加以驗證，證明本文的方法在失真度為5%的情況下可實現(xiàn)約35%的背光節(jié)電效果，且圖像質(zhì)量沒有明顯損失。

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