摘要：背光源的功耗可占液晶顯示模組總功耗的50%以上，文章提出一種基于直方圖變換的背光源節(jié)電調(diào)光方法，在ARM 平臺上通過直方圖的裁剪、搬移和拉伸對圖像進(jìn)行處理，其后利用脈寬調(diào)制降低LED 背光源亮度，實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。實(shí)驗(yàn)證明，文章提出的方法在失真度為5%的情況下可實(shí)現(xiàn)背光節(jié)電約35%.

　　引言

　　節(jié)能環(huán)保技術(shù)是當(dāng)前世界所關(guān)注的焦點(diǎn)，在液晶顯示模組中，背光源的功耗可占總功耗的50%以上。尤其在10in 以下顯示產(chǎn)品如手機(jī)、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(dá)到節(jié)電目的，本文在ARM 開發(fā)平臺上實(shí)現(xiàn)了一種基于直方圖變換的背光源調(diào)光方法，實(shí)驗(yàn)證明，本文提出的方法在失真度為5%的情況下可實(shí)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(shí)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(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(biāo)。則該點(diǎn)位置的液晶透過率可表示為：

　　t （x,y）=f（x,y）/255 （1）

　　該圖像點(diǎn)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(bǔ)償背光b 變?。┑臅r(shí)候盡量不飽和。為達(dá)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(qū)間，然后再對直方圖進(jìn)行拉伸，以實(shí)現(xiàn)像素灰度值的增大。圖像直方圖由門限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(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(jìn)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(gè)范圍內(nèi)。

　　公式（3）實(shí)現(xiàn)后，下一步對直方圖進(jìn)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(shí)應(yīng)對圖像進(jìn)行灰度拉伸，以彌補(bǔ)背光導(dǎo)致的亮度損失。若采取線性拉伸方法，顯然拉伸的倍數(shù)為255/（fgh- fgl），此時(shí)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(shí)現(xiàn)方案

　　本實(shí)驗(yàn)采用mini2440 開發(fā)板進(jìn)行驗(yàn)證，mini2440是一款低價(jià)實(shí)用的ARM9 開發(fā)板，處理器為三星S3C2440（ARM920T,主頻可達(dá)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(dá)到1,024×768 像素，實(shí)驗(yàn)采用了3.5in LED 背光TFT液晶屏。

　　實(shí)驗(yàn)中根據(jù)圖像算法計(jì)算圖像的灰度值，通過對顯示圖像的直方圖進(jìn)行裁剪，使之限定在一定范圍內(nèi)，其后進(jìn)行直方圖拉伸，再由計(jì)算公式（fgh- fgl）/255 計(jì)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(shí)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(jì)

　　設(shè)計(jì)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(shí)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, 輸出電流達(dá)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(gè)高的電阻Rset 接地實(shí)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(shí)現(xiàn)

　　S3C2440 有5 個(gè)16bit 定時(shí)器。定時(shí)器0、1、2、3 有脈寬調(diào)制功能（PWM）；定時(shí)器4 是內(nèi)部定時(shí)器，沒有輸出引腳；定時(shí)器0 有死區(qū)發(fā)生器，常用于大電流設(shè)備中；定時(shí)器0、1 共用一個(gè)8bit 預(yù)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(yīng)的8bit 預(yù)脈沖分頻器中獲取時(shí)鐘。這個(gè)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(jìn)行分頻。定時(shí)器被使能之后，定時(shí)器計(jì)數(shù)緩沖寄存器（TCNTBn）中的初始值就被加載到遞減計(jì)數(shù)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(jì)數(shù)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(wěn)定。每個(gè)定時(shí)器都有一個(gè)自己的時(shí)鐘驅(qū)動的16bit 遞減計(jì)數(shù)器，當(dāng)計(jì)數(shù)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(jì)數(shù)緩沖寄存器的值被再次自動加載到遞減計(jì)數(shù)器繼續(xù)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(jì)數(shù)器，TCNTBn 的值常用于PWM.當(dāng)遞減計(jì)數(shù)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 輸出的開啟和關(guān)閉。

　　設(shè)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(shè)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）/（pider value）

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

　　TCFG1 寄存器設(shè)置：TCFG1=0x03;//pider value="1/16"

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

　　定時(shí)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

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

　　接著就可以啟動定時(shí)器，次必須手動裝載：TCON=1《1;

　　裝載后， 改為自動裝載， 并啟動定時(shí)器：TCON=0x09.

　　2.3 基于S3C2440 的圖像算法設(shè)計(jì)

　　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?cái)?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(jìn)行數(shù)據(jù)變換的，所以，首先應(yīng)編寫子程序并先計(jì)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(diǎn)數(shù)量為240×320×5%=3,840 點(diǎn)，然后根據(jù)上述算法原理采用逐點(diǎn)計(jì)算的方法使fgl 從灰度0 開始分別計(jì)算出對應(yīng)的（fgh- fgl ），比較求出min（fgh - fgl）。

　　下一步對直方圖進(jìn)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(jìn)行灰度拉伸，以彌補(bǔ)背光導(dǎo)致的亮度損失。若采取線性拉伸方法， 顯然拉伸的倍數(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））：

　　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(shí)現(xiàn)相應(yīng)亮度的控制。

　　3 實(shí)驗(yàn)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(yàn)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(shí)驗(yàn)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(jìn)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(yàn)證，證明本文的方法在失真度為5%的情況下可實(shí)現(xiàn)約35%的背光節(jié)電效果，且圖像質(zhì)量沒有明顯損失。

參考文獻(xiàn):

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