CN107845368B - 基于led驱动的背光控制方法及系统 - Google Patents

基于led驱动的背光控制方法及系统 Download PDF

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    • G09G3/3406—Control of illumination source
    • G09G3/342—Control of illumination source using several illumination sources separately controlled corresponding to different display panel areas, e.g. along one dimension such as lines

Abstract

本发明公开了一种基于LED驱动的背光控制方法，包括：获取图像中各个分区对应的灰阶值；计算出整个图像的所有分区的灰阶值的平均值，即灰阶平均值；根据各个分区对应的灰阶值、灰阶平均值确定各个分区对应的LED阵列的电流值和脉宽调制占空比；根据确定的电流值和脉宽调制占空比驱动各个分区对应的LED阵列，以实时调节相应分区的LED阵列的背光亮度值。本发明还公开了一种基于LED驱动的背光控制系统。本发明在目前局部调光的背光硬件的基础上实现了现高动态光照渲染图背光所需要的亮度的动态变化，并不增加电源电路成本和设计复杂度，保证了图像的细节显示效果。

Description

基于LED驱动的背光控制方法及系统
技术领域
本发明涉及高动态光照渲染图像显示技术领域，尤其涉及一种基于LED(LightEmitting Diode，即发光二极管)驱动的背光控制方法及系统。
背景技术
高动态光照渲染图像(High-Dynamic Range，简称HDR)根据不同的曝光时间的LDR(Low-Dynamic Range)图像，利用每个曝光时间相对应最佳细节的LDR图像来合成最终HDR图像，能够更好地反映出真实环境中的视觉效果。与相比普通的图像相比，高动态光照渲染图像可以提供更多的动态范围和图像细节。
在当今的电视领域里，4K无疑是最大的趋势。由于像素数是1080p的四倍，4K可以呈现出更加精细的细节和纹理，众多电视厂商都在大力推动4K电视的发展，他们所带来的硬件提升将会让更多的用户享受到4K分辨率所带来的好处。
但HDR又是一种截然不同的技术，这主要体现在它对于画面的改变方式上。在HDR的作用下，电视所呈现的色彩更加生动，黑色更深邃，画面中的物体也更加清晰明了。与此同时，画面的色调也会被扩大，可在冷色和暖色之间进行交替。
为了突出区域的暗态，可以关闭对应区域的背光，这点只要背光分区数量够多很容易实现；而为了突出区域的亮态，相反就需要提高对应区域的背光亮度。HDR技术所要解决的问题就是在有限的亮度范围内表示出宽广的亮度范围，强调的是对亮部细节和暗部细节的表现能力，对于LCD TV(即液晶显示电视)，不仅需要解码芯片及片源的支持，还需要背光控制单元的配合，如何精确地控制亮度是HDR的关键，如果不能给很好地控制亮度，将影响到能否有更多的亮部细节得以展现，画面中可能单纯地呈现出一片片的亮白的显示区域，通常，为克服此种缺陷只能通过增加背光电源电路成本和设计复杂度来实现。
发明内容
鉴于现有技术存在的不足，本发明提供了一种基于LED驱动的背光控制方法，可以在不增加电源电路成本和设计复杂度的前提下，实现高动态光照渲染图像的亮度的精确控制，保证图像的细节显示效果。
为了实现上述的目的，本发明采用了如下的技术方案：
一种基于LED驱动的背光控制方法，包括：
获取图像中各个分区对应的灰阶值；
计算出整个图像的所有分区的灰阶值的平均值，即灰阶平均值，
Figure BDA0001469631680000021
其中，N代表分区总数，G(x)代表x分区的灰阶值；
根据各个分区对应的灰阶值、灰阶平均值确定各个分区对应的LED阵列的电流值和脉宽调制(Pulse Width Modulation，即PWM)占空比；
根据确定的电流值和脉宽调制占空比驱动各个分区对应的LED阵列，以实时调节相应分区的LED阵列的背光亮度值。
作为其中一种实施方式，所述根据各个分区对应的灰阶值、灰阶平均值确定各个分区对应的LED阵列的电流值和脉宽调制占空比包括：
设置所有LED阵列的平均亮度值，并提取LED阵列的单个分区的最大亮度值，计算出灰阶参考值：
Figure BDA0001469631680000022
其中，Lv(ave)代表所述平均亮度值，Lv(max)代表所述最大亮度值；
比较所述灰阶平均值与所述灰阶参考值的大小关系，并根据如下公式计算各个分区的背光亮度值：
当G(ave)≤G0时，
当G(ave)>G0时，
Figure BDA0001469631680000024
其中Lv(x)代表所述背光亮度值。
作为其中一种实施方式，所述根据各个分区对应的灰阶值、灰阶平均值确定各个分区对应的LED阵列的电流值和脉宽调制占空比还包括：修正G(ave)≤G0时的背光亮度值，使其背光亮度值随所述灰阶值发生变化，且所述灰阶值越小，所述背光亮度值越大。
作为其中一种实施方式，所述修正G(ave)≤G0时的背光亮度值时，使所述背光亮度值随所述灰阶值线性变化。
作为其中一种实施方式，所述修正G(ave)≤G0时的背光亮度值后，当G(ave)≤G0时，所述电流值的调节系数为
Figure BDA0001469631680000031
所述脉宽调制占空比的调节系数为
Figure BDA0001469631680000032
当G(ave)>G0时，所述电流值的调节系数为所述脉宽调制占空比不变。
本发明的另一目的在于提供一种基于LED驱动的背光控制系统，包括：
采集单元，用于获取图像中各个分区对应的灰阶值；
第一运算单元，用于计算出整个图像的所有分区的灰阶值的平均值，即灰阶平均值，
Figure BDA0001469631680000034
其中，N代表分区总数，G(x)代表x分区的灰阶值；
第二运算单元，用于根据各个分区对应的灰阶值、灰阶平均值确定各个分区对应的LED阵列的电流值和脉宽调制占空比；
驱动单元，用于根据确定的电流值和脉宽调制占空比驱动各个分区对应的LED阵列，以实时调节相应分区的LED阵列的背光亮度值。
作为其中一种实施方式，所述第二运算单元包括：
初始化单元，用于设置所有LED阵列的平均亮度值，并提取LED阵列的单个分区的最大亮度值，计算出灰阶参考值：
Figure BDA0001469631680000035
其中，Lv(ave)代表所述平均亮度值，Lv(max)代表所述最大亮度值；
比较单元，用于比较所述灰阶平均值与所述灰阶参考值的大小关系；
粗算单元，用于根据如下公式计算各个分区的背光亮度值：
当G(ave)≤G0时，
Figure BDA0001469631680000036
当G(ave)>G0时，
Figure BDA0001469631680000037
其中Lv(x)代表所述背光亮度值。
作为其中一种实施方式，所述第二运算单元还包括修正单元，所述修正单元用于修正G(ave)≤G0时的背光亮度值，使其背光亮度值随所述灰阶值发生变化，且所述灰阶值越小，所述背光亮度值越大。
作为其中一种实施方式，所述修正单元在修正G(ave)≤G0时的背光亮度值时，使所述背光亮度值随所述灰阶值线性变化。
作为其中一种实施方式，所述修正单元修正G(ave)≤G0时的背光亮度值后，当G(ave)≤G0时，所述电流值的调节系数为
Figure BDA0001469631680000041
所述脉宽调制占空比的调节系数为
Figure BDA0001469631680000042
当G(ave)>G0时，所述电流值的调节系数为所述脉宽调制占空比不变。
本发明在目前局部调光的背光硬件的基础上实现了现高动态光照渲染图背光所需要的亮度的动态变化，并不增加电源电路成本和设计复杂度，保证了图像的细节显示效果。
附图说明
图1为本发明实施例的背光架构示意图；
图2为本发明实施例的LED背光源的分区方式示意图；
图3为本发明实施例的背光控制方法示意图；
图4为本发明实施例的一种电流值和PWM占空比计算过程示意图；
图5为本发明实施例的几种不同的平均灰阶值与背光亮度的关系示意图；
图6为本发明实施例在背光亮度值修正前的平均灰阶值-背光亮度的二维坐标图；
图7为本发明实施例在背光亮度值修正后的平均灰阶值-背光亮度的二维坐标图；
图8为本发明实施例的背光控制装置示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参阅图1，本发明实施例的背光架构主要包括LED背光源10、驱动板20、系统板30和电源板40，其中，LED背光源10具有若干LED阵列，如图2所示，LED背光源10被划分为多行和多列分区，每个分区内的LED阵列具有相同的亮度，这里，以LED背光源10被划分为512个分区为例进行说明，512个分区共计16行，每行32列。系统板30上具有图像处理芯片31，用于在画面显示前进行图像处理，给出LED背光源10的每个分区内对应的图像的灰阶值；驱动板20上具有LED驱动电路21和HDR背光算法芯片22，HDR背光算法芯片22根据整个图像的所有分区的灰阶值的平均值计算出各个分区对应的LED阵列的电流值和PWM占空比，电源板40用于提供驱动板20所规定条件的电流值和PWM占空比的直流电压，通过LED驱动电路21驱动LED背光源10的各个分区显示对应各个灰阶值的亮度。本实施例通过将LED背光源10划分为多个分区，分别对每个分区的LED阵列施加的电流值和PWM占空比进行控制，实现了区域亮度的差异化控制。
结合图3所示，本实施例的基于LED驱动的背光控制方法包括：
S01、获取图像中各个分区对应的灰阶值G(x)；
S02、计算出整个图像的所有分区的灰阶值的平均值，即灰阶平均值G(ave)：
其中，N代表分区总数，G(x)代表x分区的灰阶值；
S03、根据各个分区对应的灰阶值G(x)、灰阶平均值G(ave)确定各个分区对应的LED阵列的电流值I和PWM占空比D；
S04、根据确定的电流值I和PWM占空比D驱动各个分区对应的LED阵列，以实时调节相应分区的LED阵列的背光亮度值Lv(x)。
如图4所示，在上述步骤S03中，根据各个分区对应的灰阶值G(x)、灰阶平均值G(ave)确定各个分区对应的LED阵列的电流值I和PWM占空比D的过程主要包括：
S031、设置所有LED阵列的平均亮度值Lv(ave)，并提取LED阵列的单个分区的最大亮度值Lv(max)，计算出灰阶参考值G0：
Figure BDA0001469631680000052
这里，暂时先只考虑PWM占空比D对亮度有影响，背光亮度值Lv(x)与画面的灰阶值线性相关，因此，有如下的关系式：
Figure BDA0001469631680000061
如，假设要求255灰阶对应的背光亮度值Lv(x)的变化范围为：Lv(ave)至k Lv(ave)，k为某一人为选择的数值，这里以k＝4为例进行说明。由公式3可知，灰阶参考值G0＝64.25。
S032、比较灰阶平均值G(ave)与灰阶参考值G0的大小关系，并根据如下公式计算各个分区的背光亮度值Lv(x)：
当G(ave)≤G0时，
Figure BDA0001469631680000062
当G(ave)>G0时，
Figure BDA0001469631680000063
当G(x)＝255时，其对应分区的背光亮度值Lv(x)最大，Lv(x)＝4Lv(ave)，当平均亮度值G(ave)在灰阶参考值G0到255之间时，背光亮度值Lv(x)相对于平均亮度值Lv(ave)呈一定规律变化，当G(ave)≤G0时，背光亮度值Lv(x)为定值，且亮度值最大。如图5所示，为不同的平均灰阶值G(ave)与背光亮度的关系示意图，当画面平均灰阶值G(ave)变化时，背光的亮度曲线是变化的，从而实现背光亮度的动态变化。
如图6所示，为本发明实施例在背光亮度值修正前的平均灰阶值-背光亮度的二维坐标图，当画面的平均灰阶值G(ave)小于灰阶参考值G0时，背光的亮度不再呈现动态变化，此时背光各分区的背光亮度值Lv(x)与画面的灰阶平均值G(ave)无关，只与各个分区的灰阶值G(x)有关，这部分分区为亮度饱和区，其他分区为亮度动态变化区。
为进一步地提高背光的动态变化效果，增加亮度动态变化区的范围，确定各个分区对应的LED阵列的电流值和PWM占空比的过程还包括：
S033、修正G(ave)≤G0时的背光亮度值Lv(x)，使其背光亮度值Lv(x)随灰阶值G(x)发生变化，且灰阶值G(x)越小，背光亮度值Lv(x)越大。
其中，修正G(ave)≤G0时的背光亮度值时，为实现背光亮度值Lv(x)这种规律性的变化，背光亮度值Lv(x)随灰阶值G(x)线性变化(如图7所示)，或背光亮度值Lv(x)随灰阶值G(x)曲线性变化。
因LED背光源的背光亮度只与电流值I和PWM占空比D相关，将上面的平均亮度值Lv(ave)用向量L(1Da，1Ia)表示。则在相应的亮度动态变化区，PWM占空比D的变化范围为(Da～4 Da)，电流值I不变；在亮度饱和区域，PWM占空比D的变化范围(Da～4 Da)，电流值I变化范围改为(Ia～2 Ia)。修正后，亮度饱和区域的背光亮度值Lv(x)也相应地随平均灰阶值G(ave)动态变化，上述公式4和公式5相应地修改为：
当G(ave)≤G0时，
Figure BDA0001469631680000071
当G(ave)>G0时，
Figure BDA0001469631680000072
设计中，LED工作在线性区域，即电流值I与背光亮度值Lv(x)成正比，同时占空比D必定与背光亮度值Lv(x)成正比，则上面的公式6、7可以进一步简化成：
当G(ave)≤G0时，
Figure BDA0001469631680000073
当G(ave)>G0时，
这里，修正G(ave)≤G0时的背光亮度值后，当G(ave)≤G0时，电流值I的调节系数为
Figure BDA0001469631680000075
PWM占空比D的调节系数为
Figure BDA0001469631680000076
当G(ave)>G0时，电流值I的调节系数为
Figure BDA0001469631680000077
PWM占空比D不变。如图7所示，经过修正后，亮度动态变化区可覆盖到0～255全灰阶。
如图8所示，本实施例提供的基于LED驱动的背光控制系统包括：
采集单元1，用于获取图像中各个分区对应的灰阶值G(x)；
第一运算单元2，用于计算出整个图像的所有分区的灰阶值G(x)的平均值，即灰阶平均值G(ave)，
Figure BDA0001469631680000078
其中，N代表分区总数，G(x)代表x分区的灰阶值；
第二运算单元3，用于根据各个分区对应的灰阶值G(x)、灰阶平均值G(ave)确定各个分区对应的LED阵列的电流值I和PWM占空比D；
驱动单元4，用于根据确定的电流值I和PWM占空比D驱动各个分区对应的LED阵列，以实时调节相应分区的LED阵列的背光亮度值Lv(x)。
其中，第二运算单元2主要包括：
初始化单元3a，用于设置所有LED阵列的平均亮度值，并提取LED阵列的单个分区的最大亮度值，计算出灰阶参考值G0：
Figure BDA0001469631680000081
其中，Lv(ave)代表平均亮度值Lv(ave)，Lv(max)代表最大亮度值；
比较单元3b，用于比较灰阶平均值与灰阶参考值的大小关系；
粗算单元3c，用于根据如下公式计算各个分区的背光亮度值：
当G(ave)≤G0时，
Figure BDA0001469631680000082
当G(ave)>G0时，
Figure BDA0001469631680000083
其中Lv(x)代表背光亮度值。
另外，为进一步地提高背光的动态变化效果，增加亮度动态变化区的范围，第二运算单元2还包括修正单元3d，该修正单元3d用于修正G(ave)≤G0时的背光亮度值，使其背光亮度值随灰阶值发生变化，且灰阶值越小，背光亮度值越大。
作为其中一种实施方式，修正单元3d在修正G(ave)≤G0时的背光亮度值时，使背光亮度值随灰阶值线性变化，或者使背光亮度值Lv(x)随灰阶值G(x)曲线性变化。
作为其中一种实施方式，修正单元3d修正G(ave)≤G0时的背光亮度值后，当G(ave)≤G0时，电流值的调节系数为
Figure BDA0001469631680000084
PWM占空比的调节系数为
Figure BDA0001469631680000085
当G(ave)>G0时，电流值的调节系数为
Figure BDA0001469631680000086
PWM占空比不变，经过修正后，亮度动态变化区可覆盖到0～255全灰阶。
本发明并未改变现有背光驱动电路的设计复杂度，仅在目前局部调光的背光硬件的基础上实现了现高动态光照渲染图背光所需要的亮度的动态变化，并不增加电源电路成本和设计复杂度，保证了图像的细节显示效果。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于LED驱动的背光控制方法，其特征在于，包括：
获取图像中各个分区对应的灰阶值；
计算出整个图像的所有分区的灰阶值的平均值，即灰阶平均值，
Figure FDA0002243644650000011
Figure FDA0002243644650000012
其中，N代表分区总数，G(x)代表x分区的灰阶值；
根据各个分区对应的灰阶值、灰阶平均值确定各个分区对应的LED阵列的电流值和脉宽调制占空比；
根据确定的电流值和脉宽调制占空比驱动各个分区对应的LED阵列，以实时调节相应分区的LED阵列的背光亮度值，
所述根据各个分区对应的灰阶值、灰阶平均值确定各个分区对应的LED阵列的电流值和脉宽调制占空比包括：
设置所有LED阵列的平均亮度值，并提取LED阵列的单个分区的最大亮度值，计算出灰阶参考值：
Figure FDA0002243644650000013
其中，Lv(ave)代表所述平均亮度值，Lv(max)代表所述最大亮度值；
比较所述灰阶平均值与所述灰阶参考值的大小关系，并根据如下公式计算各个分区的背光亮度值：
当G(ave)≤G0时，
Figure FDA0002243644650000014
当G(ave)＞G0时，其中Lv(x)代表所述背光亮度值。
2.根据权利要求1所述的基于LED驱动的背光控制方法，其特征在于，所述根据各个分区对应的灰阶值、灰阶平均值确定各个分区对应的LED阵列的电流值和脉宽调制占空比还包括：修正G(ave)≤G0时的背光亮度值，使其背光亮度值随所述灰阶值发生变化，且所述灰阶值越小，所述背光亮度值越大。
3.根据权利要求2所述的基于LED驱动的背光控制方法，其特征在于，所述修正G(ave)≤G0时的背光亮度值时，使所述背光亮度值随所述灰阶值线性变化。
4.根据权利要求3所述的基于LED驱动的背光控制方法，其特征在于，所述修正G(ave)≤G0时的背光亮度值后，当G(ave)≤G0时，所述电流值的调节系数为
Figure FDA0002243644650000021
所述脉宽调制占空比的调节系数为
Figure FDA0002243644650000022
当G(ave)＞G0时，所述电流值的调节系数为
Figure FDA0002243644650000023
所述脉宽调制占空比不变。
5.一种基于LED驱动的背光控制系统，其特征在于，包括：
采集单元，用于获取图像中各个分区对应的灰阶值；
第一运算单元，用于计算出整个图像的所有分区的灰阶值的平均值，即灰阶平均值，
Figure FDA0002243644650000024
其中，N代表分区总数，G(x)代表x分区的灰阶值；
第二运算单元，用于根据各个分区对应的灰阶值、灰阶平均值确定各个分区对应的LED阵列的电流值和脉宽调制占空比；
驱动单元，用于根据确定的电流值和脉宽调制占空比驱动各个分区对应的LED阵列，以实时调节相应分区的LED阵列的背光亮度值，
所述第二运算单元包括：
初始化单元，用于设置所有LED阵列的平均亮度值，并提取LED阵列的单个分区的最大亮度值，计算出灰阶参考值：
Figure FDA0002243644650000025
其中，Lv(ave)代表所述平均亮度值，Lv(max)代表所述最大亮度值；
比较单元，用于比较所述灰阶平均值与所述灰阶参考值的大小关系；
粗算单元，用于根据如下公式计算各个分区的背光亮度值：
当G(ave)≤G0时，
当G(ave)＞G0时，
Figure FDA0002243644650000027
其中Lv(x)代表所述背光亮度值。
6.根据权利要求5所述的基于LED驱动的背光控制系统，其特征在于，所述第二运算单元还包括修正单元，所述修正单元用于修正G(ave)≤G0时的背光亮度值，使其背光亮度值随所述灰阶值发生变化，且所述灰阶值越小，所述背光亮度值越大。
7.根据权利要求6所述的基于LED驱动的背光控制系统，其特征在于，所述修正单元在修正G(ave)≤G0时的背光亮度值时，使所述背光亮度值随所述灰阶值线性变化。
8.根据权利要求7所述的基于LED驱动的背光控制系统，其特征在于，所述修正单元修正G(ave)≤G0时的背光亮度值后，当G(ave)≤G0时，所述电流值的调节系数为
Figure FDA0002243644650000031
所述脉宽调制占空比的调节系数为
Figure FDA0002243644650000032
当G(ave)＞G0时，所述电流值的调节系数为所述脉宽调制占空比不变。
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