基于直方圖變換的LED背光源節電調光方法

引言

節能環(huán)保技術(shù)是當前世界所關(guān)注的焦點(diǎn)，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 等便攜式設備中，基本采用電池供電，功耗問(wèn)題尤為突出。為有效降低液晶顯示器背光源的亮度，以達到節電目的，本文在A(yíng)RM 開(kāi)發(fā)平臺上實(shí)現了一種基于直方圖變換的背光源調光方法，實(shí)驗證明，本文提出的方法在失真度為5%的情況下可實(shí)現背光節電約35%.

1 背光源調光方案

以TFT 液晶面板結構為例，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。假設背光亮度歸一化后設為b(為[0，1]區間實(shí)數)，0 對應于背光關(guān)閉情況，1 對應于背光發(fā)光亮度最大情況。若光源為LED，則b 的調節可包括電流脈寬調制、電流幅度調節等方法。

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

t (x，y)=f(x，y)/255 (1)

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

L(x，y) =b·t (x，y) =b·f(x，y)/255 (2)

根據視覺(jué)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(shí)候盡量不飽和。為達到這個(gè)目的，本文首先將圖像灰度值范圍先限制在一定區間，然后再對直方圖進(jìn)行拉伸，以實(shí)現像素灰度值的增大。圖像直方圖由門(mén)限fgl 和fgh 進(jìn)行裁剪，使圖像中的某些點(diǎn)被鉗位于fgl 和fgh，該圖像的灰度區間限制于[fgl，fgh]，背光源調光問(wèn)題轉化為這幅直方圖經(jīng)過(guò)裁剪的圖像應當如何進(jìn)行調整，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，這里取值方式應滿(mǎn)足公式(3)：

min (fgh- fgl ) (3)

這樣處理的目的是將圖像灰度區間限制在一個(gè)最小范圍內。

公式(3)實(shí)現后，下一步對直方圖進(jìn)行線(xiàn)性搬移，使灰度整體向暗區域移動(dòng)fgl.這樣圖像灰度區域由[0，255]區間內的原分布，被壓縮在[0，fgh- fgl]區間。

假設背光變暗，此時(shí)應對圖像進(jìn)行灰度拉伸，以彌補背光導致的亮度損失。若采取線(xiàn)性拉伸方法，顯然拉伸的最大倍數為255/(fgh- fgl)，此時(shí)像素灰度不會(huì )飽和，則背光亮度可由1 降低為(fgh- fgl)/255.根據公式(2)，經(jīng)過(guò)處理后的圖像在背光調節前后視覺(jué)效果不變。

2 硬件和軟件實(shí)現方案

本實(shí)驗采用mini2440 開(kāi)發(fā)板進(jìn)行驗證，mini2440是一款低價(jià)實(shí)用的ARM9 開(kāi)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(shí)驗采用了3.5in LED 背光TFT液晶屏。

實(shí)驗中根據圖像算法計算圖像的灰度值，通過(guò)對顯示圖像的直方圖進(jìn)行裁剪，使之限定在一定范圍內，其后進(jìn)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制輸出脈沖的占空比，實(shí)現背光源LED 的亮度調節。硬件框圖如圖1 所示。

2.1 LED 背光源驅動(dòng)設計

設計采用恒流型LED 驅動(dòng)，輸出電流穩定，保證了背光LED 的亮度恒定，方便通過(guò)更改相關(guān)的外圍電阻來(lái)確定輸出電流的大小，并具有高靈敏度的開(kāi)關(guān)控制功能，能實(shí)現通過(guò)PWM 來(lái)控制LED 的亮度。

AMC7140 是大功率的LED 恒流驅動(dòng)芯片，寬電壓輸入DC 范圍為5~50V， 輸出電流最大達700mA， 適合驅動(dòng)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(guò)一個(gè)高精度的電阻Rset 接地實(shí)現對電流的控制，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 的應用電路如圖3 所示。

2.2 基于S3C2440 的PWM 控制的實(shí)現

S3C2440 有5 個(gè)16bit 定時(shí)器。定時(shí)器0、1、2、3 有脈寬調制功能(PWM);定時(shí)器4 是內部定時(shí)器，沒(méi)有輸出引腳;定時(shí)器0 有死區發(fā)生器，常用于大電流設備中;定時(shí)器0、1 共用一個(gè)8bit 預脈沖分頻器，定時(shí)器2、3、4 共用另外一個(gè)。每個(gè)定時(shí)器都有一個(gè)時(shí)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(gè)定時(shí)器模塊從自己的時(shí)鐘分頻器獲取時(shí)鐘信號，時(shí)鐘分頻器從相應的8bit 預脈沖分頻器中獲取時(shí)鐘。這個(gè)8bit 預脈沖分頻器是可編程的，并依據TCFG0 和TCFG1 寄存器中的值對PCLK進(jìn)行分頻。定時(shí)器被使能之后，定時(shí)器計數緩沖寄存器(TCNTBn)中的初始值就被加載到遞減計數器中， 定時(shí)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，以便與遞減計數器的值進(jìn)行比較。這種TCNTBn 和TCMPBn 的雙緩沖特點(diǎn)使得定時(shí)器在頻率和占空比變化時(shí)輸出的信號更加穩定。每個(gè)定時(shí)器都有一個(gè)自己的時(shí)鐘驅動(dòng)的16bit 遞減計數器，當計數器減到0 時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)定時(shí)器中斷請求，以通知CPU 定時(shí)器操作完成，同時(shí)定時(shí)器計數緩沖寄存器的值被再次自動(dòng)加載到遞減計數器繼續下次操作。然而，如果在正常模式下清除定時(shí)器TCONn 的使能位，TCNTBn的值將不再加載進(jìn)計數器，TCNTBn 的值常用于PWM.當遞減計數器的值等于比較寄存器的值，定時(shí)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(kāi)啟和關(guān)閉。

設置一個(gè)定時(shí)器，首先初始化TCNTBn 和TCMPBn，在初始化定時(shí)器時(shí)，主要設定以下幾個(gè)寄存器(以定時(shí)器0 為例)：

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

TCFG0 寄存器設置：TCFG0=99;//prescaler value=“99”

TCFG1 寄存器設置：TCFG1=0x03;//divider value=“1/16”

這樣，當PCLK=400M 時(shí)，定時(shí)器輸出頻率為6.25M.

定時(shí)器初值的設置包括：

TCNTB0 寄存器設置：TCNTB0=62500;// 裝入初值1s 中斷一次

TCMPB0 寄存器設置：TCMPB0=rTCNTB0>1;//50%

接著(zhù)就可以啟動(dòng)定時(shí)器，第一次必須手動(dòng)裝載：TCON=11;

裝載后， 改為自動(dòng)裝載， 并啟動(dòng)定時(shí)器：TCON=0x09.

2.3 基于S3C2440 的圖像算法設計

S3C2440 芯片內部集成了LCD 控制器，用來(lái)向LCD 傳輸圖像數據，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(xiě)入像素數據(R(5)：G(6)：B(5))，LCD 控制器就會(huì )自動(dòng)通過(guò)DMA讀取數據送往TFTLCD顯示。

圖像算法是基于圖像直方圖進(jìn)行數據變換的，所以，首先應編寫(xiě)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 為灰度值數組)：

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

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

{bmp_2 [bmp[p]] ++;

p = p + 1;

}

}

假設取5%的失真度，那么需要變換的像素點(diǎn)數量為240×320×5%=3，840 點(diǎn)，然后根據上述算法原理采用逐點(diǎn)計算的方法使fgl 從灰度0 開(kāi)始分別計算出對應的(fgh- fgl )，最后比較求出min(fgh - fgl)。

下一步對直方圖進(jìn)行線(xiàn)性搬移，使灰度整體向暗區域移動(dòng)fgl，這樣圖像灰度區域由[0，255]區間內的原分布，被壓縮在[0，fgh- fgl]區間。接下來(lái)應對圖像進(jìn)行灰度拉伸，以彌補背光導致的亮度損失。若采取線(xiàn)性拉伸方法， 顯然拉伸的最大倍數為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(shí)像素灰度不會(huì )飽和，則背光亮度可由1 降低為(fgh- fgl)/255，由LED 驅動(dòng)電路通過(guò)PWM 實(shí)現相應亮度的控制。

3 實(shí)驗結果

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果圖。

測試圖4 (b) 的失真度為5% ，節能比例為35% ;測試圖4(c)的失真度為10% ，節能比例為55% ;測試圖4(d)的失真度為20% ，節能比例為67%.由實(shí)驗結果可知，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(guò)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(jìn)行了直方圖搬移，整體亮度有所變化，總的來(lái)說(shuō)圖像質(zhì)量沒(méi)有明顯損失。

4 結論

本文提出了基于視覺(jué)特性的液晶顯示器背光源節電調光方法，建立了直方圖裁剪和拉伸的處理框架，并在此基礎上利用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(shí)現約35%的背光節電效果，且圖像質(zhì)量沒(méi)有明顯損失。

更多資訊請關(guān)注：21ic照明頻道