CN102568386A - 动态背光局部控制液晶显示方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种动态背光局部控制液晶显示方法及系统，所述方法包括如下步骤：输入视频信号图像；计算输入图像的像素亮度；计算输入图像局部亮度代表值；基于图像局部亮度代表值与背光分布特性计算背光局部控制值；基于背光局部控制值与背光分布特性计算背光亮度值；基于背光亮度值对输入图像进行补偿；输出背光局部控制值控制背光发光亮度；输出补偿后的视频信号图像。本发明可以大幅降低液晶显示装置的功耗；改善显示图像的动态对比度和静态对比度，实现高动态范围显示；色彩饱和度高，颜色逼真；显著改进图像细节表现能力。此外，本发明可以有效改善动态背光液晶显示所带来的图像质量问题，抑制帧间闪烁，避免图像赝像。

Description

动态背光局部控制液晶显示方法及系统

技术领域

本发明属于液晶显示技术领域，涉及一种液晶显示方法，尤其涉及一种动态背光局部控制液晶显示方法；同时，本发明还涉及一种动态背光局部控制液晶显示系统。

背景技术

液晶显示装置(LCD)通常由液晶面板和背光单元组成。通常情况下，背光单元发出恒定均匀的光提供给液晶面板，然后调节液晶面板像素单元的透光率显示图像。

在这种显示方式下，背光单元的发光亮度与所显示的图像内容无关，不论是黑暗的图像还是明亮的图像，背光单元始终按照最大亮度发光，导致上述液晶显示方法存在如下问题：

第一，功耗大，由于背光单元以最大亮度发光，对于显示暗图像是不必要的，可以通过降低背光亮度显示暗图像，从而降低功耗。

第二，降低所显示图像的对比度和色彩饱和度，由于液晶面板的漏光特性，如果背光单元始终以最大亮度发光，会导致黑图像不黑，降低图像对比度和色彩饱和度。

动态背光控制技术在一定程度上可以改进与解决液晶显示装置存在的上述问题。根据所显示的图像内容动态调整背光发光亮度，不仅可以降低功耗，还可以提高所显示图像的动态对比度与色彩饱和度。

目前，动态背光控制技术主要有两种方式：全局控制与局部控制技术，全局控制技术根据图像全局特征进行控制，改进效果是有限的；局部控制技术根据图像局部特征进行控制，可以大幅降低功耗和显著改进图像质量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种动态背光局部控制液晶显示方法，可大幅降低液晶显示装置的功耗，改善显示图像的动态对比度和静态对比度，实现高动态范围显示；色彩饱和度高，颜色逼真。

此外，本发明进一步提供一种动态背光局部控制液晶显示系统，可大幅降低液晶显示装置的功耗，改善显示图像的动态对比度和静态对比度，实现高动态范围显示；色彩饱和度高，颜色逼真。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种动态背光局部控制液晶显示方法，所述方法包括如下步骤：

步骤S1、输入视频信号图像；

步骤S2、计算输入图像的像素亮度；

步骤S3、计算输入图像局部亮度代表值；

步骤S4、基于图像局部亮度代表值与背光分布特性计算背光局部控制值；

步骤S5、基于背光局部控制值与背光分布特性计算背光亮度值；

步骤S6、基于背光亮度值对输入图像进行补偿；

步骤S7、输出背光局部控制值控制背光发光亮度；

步骤S8、输出补偿后的视频信号图像。

作为本发明的一种优选方案，所述步骤S3包括如下步骤：

步骤S31、统计输入图像亮度直方图，从最大亮度等级开始，将当前亮度等级与最大亮度等级之间的所有亮度等级的像素个数累加；如累加结果大于一个预先设定的阈值，则当前亮度等级为输入图像的直方图亮度值；

步骤S32、计算输入图像局部亮度值；

步骤S33、基于直方图亮度值与局部亮度值计算输入图像局部亮度代表值；

步骤S34、对输入图像局部亮度代表值进行场景自适应时域滤波。

作为本发明的一种优选方案，所述步骤S31包括如下步骤：

亮度直方图是描述图像统计信息的有效方法，其本质是计算不同亮度级别的像素个数；

设输入图像亮度级别为I_v，直方图亮度级别为I_h，则亮度级别缩放因子为：

$k=\frac{I_v}{I_h};$

即需要将k个输入图像亮度级别映射成一个直方图亮度级别；计算输入图像直方图亮度值，按如下公式计算：

$I_{\mathrm{hist}}={\arg \max }_I({\mathrm{\Σ}}_{i=I}^{I_{\max }}H\left(i\right)\≥\mathrm{Thr});$

其中，I_hist为输入图像的直方图亮度值，H(i)为亮度直方图，I_max为最大亮度值，Thr为预先设定的阈值；

所述步骤S32包括如下步骤：

计算输入图像局部亮度值I_i，j，设背光可局部控制区域为MxN，每个局部控制区域再进一步划分为KxL个子区域，则可将输入图像划分为K*MxL*N个子区域，计算输入图像每个子区域的局部亮度；

所述步骤S33包括如下步骤：

计算输入图像局部亮度代表值：

IR_i，j＝k*I_hist+(1-k)*I_i，j

其中，IR_i，j为第(i，j)子区域的局部亮度代表值，k为预先设定的参数，取值为[0，1]；

所述步骤S34包括如下步骤：

获得输入图像局部亮度代表值后，对输入图像局部亮度代表值进行场景自适应时域滤波：

${\mathrm{IR}}_{i,j}^t={\mathrm{IR}}_{i,j}+(1-w)*\mathrm{MAX}({\mathrm{IR}}_{i,j}^{t-1}-{\mathrm{IR}}_{i,j},0);$

其中，为时域滤波结果，w＝f(H(t)，H(t-1))，H(t)为输入图像场景特征；f为相邻两副图像的差异计算函数；w为归一化差异值。

作为本发明的一种优选方案，所述步骤S31中，对于使用较少亮度级别的亮度直方图，还需要对亮度代表值进行转换，此时输入图像的直方图亮度值为：

I′_hist＝k*I_hist+k-1。

作为本发明的一种优选方案，所述步骤S32中，计算子区域亮度的方法采用最大值方法或直方图方法或平均值方法；

采用最大值方法时：

I_i，j＝MAX(I_k，l)，(k，l)∈B_i，j；

其中，(k，l)为像素坐标，B_i，j为(i，j)子区域像素集合；

作为本发明的一种优选方案，所述步骤S2中，取RGB值的最大值作为亮度：亮度I_max＝MAX(R，G，B)，其中，MAX为取极大值操作。

作为本发明的一种优选方案，所述步骤S4中，计算背光局部控制值，基于输入图像局部亮度代表值与背光分布特性计算背光局部控制值，按下式计算：

${\mathrm{IB}}_{m,n}=\arg \min {\mathrm{\Σ}}_{i,j}|H(i,j)*{\mathrm{IB}}_{i,j}-{\mathrm{IR}}_{i,j}^t|;$

其中，IB_m，n为背光区域(m，n)的控制值，H(i，j)为背光分布函数。

作为本发明的一种优选方案，所述步骤S5中，计算背光亮度值，基于背光局部控制值与背光分布特性计算背光亮度IP_k，l，(k，l)为像素坐标；

计算背光亮度的方法为；基于背光局部控制值与像素级背光分布函数，直接计算像素级背光亮度；或者，基于背光局部控制值与子区域级背光分布函数，先计算子区域级背光亮度，然后再插值成像素级背光亮度。

作为本发明的一种优选方案，所述步骤S6中，基于背光亮度补偿输入图像，按如下公式计算：

R′＝MIN(I_max，f*R)；

G′＝MIN(I_max，f*G)；

B′＝MIN(I_max，f*B)；

其中，MIN为取极小值操作，R、G、B为补偿前的输入图像像素值，R′、G′、B′为补偿后的输出图像像素值，I_max为输入图像最大值，f为调整系数，按下式确定：

$f=\frac{{\mathrm{IP}}_{\max }}{{\mathrm{IP}}_{k,l}}.$

一种动态背光局部控制液晶显示系统，所述系统包括：亮度计算单元、直方图亮度计算单元、局部亮度计算单元、局部亮度代表值计算单元、场景自适应时域滤波单元、背光局部控制值计算单元、像素级背光亮度计算单元、视频信号补偿单元；

当检测到输入图像活动数据开始信号时，亮度计算单元计算像素亮度，并将像素亮度值输入给直方图亮度计算单元与局部亮度计算单元，直方图亮度计算单元统计直方图，局部亮度计算单元计算局部亮度值，直到检测到图像活动数据结束信号；

当检测到输入图像活动数据结束信号后，直方图亮度计算单元计算直方图亮度值，直方图亮度值与局部亮度值输入给局部亮度代表值计算单元，计算局部亮度代表值，进行场景自适应时域滤波后，局部亮度代表值输入给背光局部控制值计算单元，计算背光局部控制值，输出给像素级背光亮度计算单元与液晶显示装置的背光单元；

当检测到输出背光控制信号时，输出背光局部控制值给液晶显示装置的背光单元，进行背光亮度控制；

当检测到输出图像活动数据开始信号时，计算像素级背光亮度，并将像素级背光亮度输出给视频信号补偿单元，输出补偿后的视频信号图像。

本发明的有益效果在于：本发明提出的动态背光局部控制液晶显示方法及系统，可以大幅降低液晶显示装置的功耗；改善显示图像的动态对比度和静态对比度，实现高动态范围显示；色彩饱和度高，颜色逼真；显著改进图像细节表现能力。此外，本发明可以有效改善动态背光液晶显示所带来的图像质量问题，抑制帧间闪烁，避免图像赝像。

附图说明

图1为本发明液晶显示方法的流程图。

图2为本发明液晶显示系统的组成示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

实施例一

请参阅图1，本发明揭示了一种动态背光局部控制液晶显示方法，所述方法包括如下步骤：

【步骤S1】输入视频信号图像。

【步骤S2】计算输入图像的像素亮度。

彩色图像是用RGB三色来表示的，计算彩色图像亮度的方法有多种，本发明取RGB值的最大值作为亮度：I＝MAX(R，G，B)，其中，MAX为取极大值操作。

【步骤S3】计算输入图像局部亮度代表值。

所述步骤S3包括如下步骤：

步骤S31、统计输入图像亮度直方图，从最大亮度等级开始，将当前亮度等级与最大亮度等级之间的所有亮度等级的像素个数累加；如累加结果大于一个预先设定的阈值，则当前亮度等级为输入图像的直方图亮度值；

步骤S32、计算输入图像局部亮度值；

步骤S33、基于直方图亮度值与局部亮度值计算输入图像局部亮度代表值；

步骤S34、对输入图像局部亮度代表值进行场景自适应时域滤波。

步骤S31中，亮度直方图是描述图像统计信息的有效方法，其本质是计算不同亮度级别的像素个数。用于液晶显示的输入图像的亮度级别通常为256级或1024级，但统计直方图不限于256级或1024级，也可以使用较少亮度级别的直方图统计，此时需要将较多的亮度级别映射到较少的亮度级别，如64级直方图统计。设输入图像亮度级别为I_v，直方图亮度级别为I_h，则亮度级别缩放因子为：

$k=\frac{I_v}{I_h};$

即需要将k个输入图像亮度级别映射成一个直方图亮度级别。计算输入图像直方图亮度值，按如下公式计算：

$I_{\mathrm{hist}}=\underset{I}{\arg \max }(\underset{i=I}{\overset{I_{\max }}{\mathrm{\Σ}}}H\left(i\right)\≥\mathrm{Thr})$

其中，I_hist为输入图像的直方图亮度值，H(i)为亮度直方图，I_max为最大亮度值，Thr为预先设定的阈值。对于使用较少亮度级别的亮度直方图，还需要对亮度代表值进行转换，此时输入图像的直方图亮度值为：

I′_hist＝k*I_hist+k-1。

步骤S32中，计算输入图像局部亮度值，设背光可局部控制区域为MxN，每个局部控制区域再进一步划分为KxL个子区域，则可将输入图像划分为KMxLN个子区域，计算输入图像每个子区域的局部亮度。计算子区域亮度的方法有多种，如最大值方法、直方图方法、平均值方法等，本发明采用最大值方法：

I_i，j＝MAX(I_k，l)，(k，l)∈B_i，j

其中，(k，l)为像素坐标，B_i，j为(i，j)子区域像素集合。

步骤S33中，计算输入图像局部亮度代表值：

IR_i，j＝k*I_hist+(1-k)*I_i，j

其中，IR_i，j为第(i，j)子区域的局部亮度代表值，k为预先设定的参数，取值为[0，1]。

步骤S34中，获得输入图像局部亮度代表值后，对输入图像局部亮度代表值进行场景自适应时域滤波：

${\mathrm{IR}}_{i,j}^t={\mathrm{IR}}_{i,j}+(1-w)*\mathrm{MAX}({\mathrm{IR}}_{i,j}^{t-1}-{\mathrm{IR}}_{i,j},0)$

其中，

为时域滤波结果，w＝f(H(t)，H(t-1))，H(t)为输入图像场景特征；f为相邻两副图像的差异计算函数；w为归一化差异值。

【步骤S4】基于图像局部亮度代表值与背光分布特性计算背光局部控制值。

计算背光局部控制值，基于输入图像局部亮度代表值与背光分布特性计算背光局部控制值，可按下式计算：

${\mathrm{IB}}_{m,n}=\arg \min \underset{i,j}{\mathrm{\Σ}}|H(i,j)*{\mathrm{IB}}_{i,j}-{\mathrm{IR}}_{i,j}^t|$

其中，IB_m，n为背光区域(m，n)的控制值，H(i，j)为背光分布函数。

【步骤S5】基于背光局部控制值与背光分布特性计算背光亮度值。

计算背光亮度值，基于背光局部控制值与背光分布特性计算背光亮度IP_k，l，(k，1)为像素坐标。一般有两种方式可以计算背光亮度，一种是基于背光局部控制值与像素级背光分布函数，直接计算像素级背光亮度；另一种是基于背光局部控制值与子区域级背光分布函数，先计算子区域级背光亮度，然后再插值成像素级背光亮度。

【步骤S6】基于背光亮度值对输入图像进行补偿。

基于背光亮度补偿输入图像，按如下公式计算：

R′＝MIN(I_max，f*R)

G′＝MIN(I_max，f*G)

B′＝MIN(I_max，f*B)

其中，MIN为取极小值操作，R、G、B为补偿前的输入图像像素值，R′、G′、B′为补偿后的输出图像像素值，I_max为输入图像最大值，f为调整系数，按下式确定：

$f=\frac{{\mathrm{IP}}_{\max }}{{\mathrm{IP}}_{k,l}}.$

【步骤S7】输出背光局部控制值控制背光发光亮度。

【步骤S8】输出补偿后的视频信号图像。

请参阅图2，本发明同时揭示一种动态背光局部控制液晶显示系统，所述系统包括：亮度计算单元、直方图亮度计算单元、局部亮度计算单元、局部亮度代表值计算单元、场景自适应时域滤波单元、背光局部控制值计算单元、像素级背光亮度计算单元、视频信号补偿单元。

各单元的具体实现方法可以参考上述方法的描述。具体地，亮度计算单元的实现方式为步骤S2，直方图亮度计算单元的实现方式为步骤S31，局部亮度计算单元的实现方式为步骤S32，局部亮度代表值计算单元的实现方式为步骤S33，场景自适应时域滤波单元的实现方式为步骤S34，背光局部控制值计算单元的实现方式为步骤S4，像素级背光亮度计算单元的实现方式为步骤S5，视频信号补偿单元的实现方式为步骤S6。

当检测到输入图像活动数据开始信号时，亮度计算单元计算像素亮度，并将像素亮度值输入给直方图亮度计算单元与局部亮度计算单元，直方图亮度计算单元统计直方图，局部亮度计算单元计算局部亮度值，直到检测到图像活动数据结束信号。

当检测到输入图像活动数据结束信号后，直方图亮度计算单元计算直方图亮度值，直方图亮度值与局部亮度值输入给局部亮度代表值计算单元，计算局部亮度代表值，进行场景自适应时域滤波后，局部亮度代表值输入给背光局部控制值计算单元，计算背光局部控制值，输出给像素级背光亮度计算单元与液晶显示装置的背光单元。

当检测到输出背光控制信号时，输出背光局部控制值给液晶显示装置的背光单元，进行背光亮度控制。

当检测到输出图像活动数据开始信号时，计算像素级背光亮度，并将像素级背光亮度输出给视频信号补偿单元，输出补偿后的视频信号图像。

综上所述，本发明提出的动态背光局部控制液晶显示方法及系统，可以大幅降低液晶显示装置的功耗；改善显示图像的动态对比度和静态对比度，实现高动态范围显示；色彩饱和度高，颜色逼真；显著改进图像细节表现能力。此外，本发明可以有效改善动态背光液晶显示所带来的图像质量问题，抑制帧间闪烁，避免图像赝像。

这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。

Claims (10)

1.一种动态背光局部控制液晶显示方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤S1、输入视频信号图像；

步骤S2、计算输入图像的像素亮度；

步骤S3、计算输入图像局部亮度代表值；

步骤S4、基于图像局部亮度代表值与背光分布特性计算背光局部控制值；

步骤S5、基于背光局部控制值与背光分布特性计算背光亮度值；

步骤S6、基于背光亮度值对输入图像进行补偿；

步骤S7、输出背光局部控制值控制背光发光亮度；

步骤S8、输出补偿后的视频信号图像。

2.根据权利要求1所述的动态背光局部控制液晶显示方法，其特征在于：

所述步骤S3包括如下步骤：

步骤S31、统计输入图像亮度直方图，从最大亮度等级开始，将当前亮度等级与最大亮度等级之间的所有亮度等级的像素个数累加；如累加结果大于一个预先设定的阈值，则当前亮度等级为输入图像的直方图亮度值；

步骤S32、计算输入图像局部亮度值；

步骤S33、基于直方图亮度值与局部亮度值计算输入图像局部亮度代表值；

步骤S34、对输入图像局部亮度代表值进行场景自适应时域滤波。

3.根据权利要求2所述的动态背光局部控制液晶显示方法，其特征在于：

所述步骤S31包括如下步骤：

亮度直方图是描述图像统计信息的有效方法，其本质是计算不同亮度级别的像素个数；

设输入图像亮度级别为I_v，直方图亮度级别为I_h，则亮度级别缩放因子为：

$k=\frac{I_v}{I_h};$

即需要将k个输入图像亮度级别映射成一个直方图亮度级别；计算输入图像直方图亮度值，按如下公式计算：

$I_{\mathrm{hist}}={\arg \max }_I({\mathrm{\Σ}}_{i=I}^{I_{\max }}H\left(i\right)\≥\mathrm{Thr});$

其中，I_hist为输入图像的直方图亮度值，H(i)为亮度直方图，I_max为最大亮度值，Thr为预先设定的阈值；

所述步骤S32包括如下步骤：

计算输入图像局部亮度值I_i，j，设背光可局部控制区域为MxN，每个局部控制区域再进一步划分为KxL个子区域，则可将输入图像划分为K*MxL*N个子区域，计算输入图像每个子区域的局部亮度；

所述步骤S33包括如下步骤：

计算输入图像局部亮度代表值：

IR_i，j＝k*I_hist+(1-k)*I_i，j

其中，IR_i，j为第(i，j)子区域的局部亮度代表值，k为预先设定的参数，取值为[0，1]；

所述步骤S34包括如下步骤：

获得输入图像局部亮度代表值后，对输入图像局部亮度代表值进行场景自适应时域滤波：

${\mathrm{IR}}_{i,j}^t={\mathrm{IR}}_{i,j}+(1-w)*\mathrm{MAX}({\mathrm{IR}}_{i,j}^{t-1}-{\mathrm{IR}}_{i,j},0);$

其中，

为时域滤波结果，w＝f(H(t)，H(t-1))，H(t)为输入图像场景特征；f为相邻两副图像的差异计算函数；w为归一化差异值。

4.根据权利要求3所述的动态背光局部控制液晶显示方法，其特征在于：

所述步骤S31中，对于使用较少亮度级别的亮度直方图，还需要对亮度代表值进行转换，此时输入图像的直方图亮度值为：

I′_hist＝k*I_hist+k-1。

5.根据权利要求3所述的动态背光局部控制液晶显示方法，其特征在于：

所述步骤S32中，计算子区域亮度的方法采用最大值方法或直方图方法或平均值方法；

采用最大值方法时：

I_i，j＝MAX(I_k，l)，(k，l)∈B_i，j；

其中，(k，l)为像素坐标，B_i，j为(i，j)子区域像素集合；

6.根据权利要求1所述的动态背光局部控制液晶显示方法，其特征在于：

所述步骤S2中，取RGB值的最大值作为亮度：亮度I_max＝MAX(R，G，B)，其中，MAX为取极大值操作。

7.根据权利要求1所述的动态背光局部控制液晶显示方法，其特征在于：

所述步骤S4中，计算背光局部控制值，基于输入图像局部亮度代表值与背光分布特性计算背光局部控制值，按下式计算：

${\mathrm{IB}}_{m,n}=\arg \min {\mathrm{\Σ}}_{i,j}|H(i,j)*{\mathrm{IB}}_{i,j}-{\mathrm{IR}}_{i,j}^t|;$

其中，IB_m，n为背光区域(m，n)的控制值，H(i，j)为背光分布函数。

8.根据权利要求1所述的动态背光局部控制液晶显示方法，其特征在于：

所述步骤S5中，计算背光亮度值，基于背光局部控制值与背光分布特性计算背光亮度IP_k，l，(k，l)为像素坐标；

计算背光亮度的方法为；基于背光局部控制值与像素级背光分布函数，直接计算像素级背光亮度；或者，基于背光局部控制值与子区域级背光分布函数，先计算子区域级背光亮度，然后再插值成像素级背光亮度。

9.根据权利要求1所述的动态背光局部控制液晶显示方法，其特征在于：

所述步骤S6中，基于背光亮度补偿输入图像，按如下公式计算：

R′＝MIN(I_max，f*R)；

G′＝MIN(I_max，f*G)；

B′＝MIN(I_max，f*B)；

其中，MIN为取极小值操作，R、G、B为补偿前的输入图像像素值，R′、G′、B′为补偿后的输出图像像素值，I_max为输入图像最大值，f为调整系数，按下式确定：

$f=\frac{{\mathrm{IP}}_{\max }}{{\mathrm{IP}}_{k,l}}.$

10.一种动态背光局部控制液晶显示系统，其特征在于，所述系统包括：亮度计算单元、直方图亮度计算单元、局部亮度计算单元、局部亮度代表值计算单元、场景自适应时域滤波单元、背光局部控制值计算单元、像素级背光亮度计算单元、视频信号补偿单元；

当检测到输入图像活动数据开始信号时，亮度计算单元计算像素亮度，并将像素亮度值输入给直方图亮度计算单元与局部亮度计算单元，直方图亮度计算单元统计直方图，局部亮度计算单元计算局部亮度值，直到检测到图像活动数据结束信号；

当检测到输入图像活动数据结束信号后，直方图亮度计算单元计算直方图亮度值，直方图亮度值与局部亮度值输入给局部亮度代表值计算单元，计算局部亮度代表值，进行场景自适应时域滤波后，局部亮度代表值输入给背光局部控制值计算单元，计算背光局部控制值，输出给像素级背光亮度计算单元与液晶显示装置的背光单元；

当检测到输出背光控制信号时，输出背光局部控制值给液晶显示装置的背光单元，进行背光亮度控制；

当检测到输出图像活动数据开始信号时，计算像素级背光亮度，并将像素级背光亮度输出给视频信号补偿单元，输出补偿后的视频信号图像。

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