基于直方图变换的LED背光源节电调光方法

　　摘要：背光源的功耗最高可占液晶显示模组总功耗的50%以上，文章提出一种基于直方图变换的背光源节电调光方法，在ARM 平台上通过直方图的裁剪、搬移和拉伸对图像进行处理，其后利用脉宽调制降低LED 背光源亮度，实现节能的目的。实验证明，文章提出的方法在失真度为5%的情况下可实现背光节电约35%.

　　引言

　　节能环保技术是当前世界所关注的焦点，在液晶显示模组中，背光源的功耗最高可占总功耗的50%以上。尤其在10in 以下显示产品如手机、PDA、MP3 等便携式设备中，基本采用电池供电，功耗问题尤为突出。为有效降低液晶显示器背光源的亮度，以达到节电目的，本文在ARM 开发平台上实现了一种基于直方图变换的背光源调光方法，实验证明，本文提出的方法在失真度为5%的情况下可实现背光节电约35%.

　　1 背光源调光方案

　　以TFT 液晶面板结构为例，包括背光、偏光片、液晶阵列、彩色滤光片等部分，人眼所感知的显示图像为上述各部分的综合效果。假设背光亮度归一化后设为b（为［0，1］区间实数），0 对应于背光关闭情况，1 对应于背光发光亮度最大情况。若光源为LED，则b 的调节可包括电流脉宽调制、电流幅度调节等方法。

　　假设以图像为8bit 灰度图进行讨论，f（x，y）表示图像中某点（x，y）的灰度值，x、y 为该点坐标。则该点位置的液晶透过率可表示为：

　　t （x，y）=f（x，y）/255 （1）

　　该图像点可被观测到的亮度L（x，y）为背光源发光和液晶透过率的综合效果，可表示为背光亮度b和液晶透过率t （x，y）的近似线性组合：

　　L（x，y） =b·t （x，y） =b·f（x，y）/255 （2）

　　根据视觉光效一致性的要求，必须寻找一种方法使像素灰度值在增大（以补偿背光b 变小）的时候尽量不饱和。为达到这个目的，本文首先将图像灰度值范围先限制在一定区间，然后再对直方图进行拉伸，以实现像素灰度值的增大。图像直方图由门限fgl 和fgh 进行裁剪，使图像中的某些点被钳位于fgl 和fgh，该图像的灰度区间限制于［fgl，fgh］，背光源调光问题转化为这幅直方图经过裁剪的图像应当如何进行调整，使得它的背光能尽量降低亮度。

　　显然对固定的失真度，fgl 和fgh 可以有多种取值，这里取值方式应满足公式（3）：

　　min （fgh- fgl ） （3）

　　这样处理的目的是将图像灰度区间限制在一个最小范围内。

　　公式（3）实现后，下一步对直方图进行线性搬移，使灰度整体向暗区域移动fgl.这样图像灰度区域由［0，255］区间内的原分布，被压缩在［0，fgh- fgl］区间。

　　假设背光变暗，此时应对图像进行灰度拉伸，以弥补背光导致的亮度损失。若采取线性拉伸方法，显然拉伸的最大倍数为255/（fgh- fgl），此时像素灰度不会饱和，则背光亮度可由1 降低为（fgh- fgl）/255.根据公式（2），经过处理后的图像在背光调节前后视觉效果不变。

　　2 硬件和软件实现方案

　　本实验采用mini2440 开发板进行验证，mini2440是一款低价实用的ARM9 开发板，处理器为三星S3C2440（ARM920T，最高主频可达532MHz）。液晶屏支持黑白、4 级灰度、16 级灰度、256 色、4，096 色STN 液晶显示，尺寸从3.5~12.1in，屏幕分辨率可以达到1，024×768 像素，实验采用了3.5in LED 背光TFT液晶屏。

　　实验中根据图像算法计算图像的灰度值，通过对显示图像的直方图进行裁剪，使之限定在一定范围内，其后进行直方图拉伸，再由计算公式（fgh- fgl）/255 计算出背光源的显示亮度，并控制背光源脉宽调制输出脉冲的占空比，实现背光源LED 的亮度调节。硬件框图如图1 所示。