CN112785984B - 一种图像灰度感知的lcd高效能自适应全局背光调节方法 - Google Patents

一种图像灰度感知的lcd高效能自适应全局背光调节方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种图像灰度感知的LCD高效能自适应全局背光调节方法，属于图像处理以及LCD屏背光调节领域。该方法首先根据当前帧与下一帧待显示图像的灰度最大值和平均值检测背光亮度是否需要改变；若需改变，则根据待显示图像的灰度最大值和平均值，分析图像中高灰度级像素的贡献程度K，并根据灰度均值和K值大小动态调节背光亮度和背光控制信号的占空比PWM；然后将PWM的方根作为像素补偿系数γ，对待显示图像中每个像素进行像素补偿，弥补背光亮度降低引起的图像失真和提高图像对比度。本发明通过图像灰度感知自适应调节LCD屏的背光亮度，有效降低了显示功耗，同时提高了图像对比度，减小了图像高灰度细节显示失真。

Description

一种图像灰度感知的LCD高效能自适应全局背光调节方法
技术领域
本发明提出的一种图像灰度感知的LCD高效能自适应全局背光调节方法，属于图像处理以及LCD屏背光调节领域。
背景技术
目前，LCD广泛应用于手机、平板、移动终端等嵌入式移动设备上，其显示功耗已成为这些设备耗电的主要原因。由于LCD屏幕本身不会发光，因此需要背光源为其提供显示的背景亮度。目前LCD屏幕一般由液晶显示模块和背光模块两个部分组成。前者负责图像数据的显示，而后者负责调节显示屏的亮度。根据图像内容调节背光模块中背光源的亮度，与使其保持恒定最大亮度相比，将大大降低显示功耗。
嵌入式移动设备中，一般采用全局背光调节算法。但现有的背光调节算法大多比较复杂，且未考虑前后帧图像内容关联，无论每帧图像内容是否发生变化，均重复执行背光调节和像素补偿的过程，计算效率低下。尤为重要的是，现有算法仅关注图像特征参数的灰度最大值和平均值，二者相同时，未考虑高灰度级像素对图像灰度的贡献，对低灰度图像和高灰度图像采用相同的背光亮度值和相同的像素补偿措施。因此，导致背光调节之后，图像显示功耗偏大、对比度较差，图像高灰度细节显示失真严重，影响人眼的视觉体验效果。本发明专利是针对上述问题的一种有效的背光调节设计方法。
发明内容
本发明的目的在于针对上述存在的问题和不足，提出一种图像灰度感知的LCD高效能自适应全局背光调节方法，能自动感知图像灰度的变化，并自适应调节背光亮度。本发明可以在降低图像显示功耗的同时，提高图像对比度，并减小图像高灰度细节显示失真；且算法简单，实现代价低，计算效率高。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种图像灰度感知的LCD高效能自适应全局背光调节方法，其特征在于，包括以下几个步骤：
(1)将下一帧待显示图像由RGB色彩空间转换到YCbCr色彩空间，并将Y分量数据作为灰度感知的依据，计算其特征参数：灰度最大值Maxnew和灰度平均值Avgnew；
(2)分别将Maxnew和Avgnew与当前显示图像帧的特征参数Maxold和Avgold进行比较，确定是否需要调节背光亮度：若Maxnew＝Maxold，且Avgnew＝Avgold，则说明不需要改变背光亮度和像素补偿校正系数，直接转步骤(1)；
(3)根据Maxnew和Avgnew，分析高灰度级像素灰度分布范围及其对图像的贡献度K，根据Avgnew和K动态确定背光亮度BL，基于图像内容通过灰度感知自适应调节背光亮度，实现图像显示功耗的降低和图像高灰度细节显示失真的减小；
(4)根据步骤(3)所得背光亮度BL和原始背光亮度BL’，计算背光控制信号的占空比PWM，并将其方根作为像素补偿校正系数γ，对待显示图像中每个像素进行补偿，弥补背光亮度降低引起的图像失真和提高图像对比度；
(5)将增强后的Y分量数据与保留的CbCr分量数据融合，并将其由YCbCr色彩空间转换到RGB色彩空间；输出转换后图像和背光控制信号；
(6)重复步骤(1)～(5)，实现图像灰度感知的高效能自适应全局背光调节。
进一步地，所述步骤(3)的具体实现方法如下：
(3a)利用特征参数差值Diff＝Maxnew-Avgnew描述高灰度级像素的灰度分布范围；
(3b)利用高灰度级像素贡献度
Figure BSA0000194493560000021
描述高灰度级像素细节对图像的重要程度；
(3c)根据特征参数差值和高灰度级像素贡献度，确定灰度偏差校正值Correction＝Diff*K；
(3d)根据图像灰度均值和高灰度级像素贡献度，动态确定背光亮度BL＝Avgnew+Correction。
进一步地，所述步骤(4)的具体实现方法如下：
(4a)由步骤(3)所得BL与原始背光亮度BL’计算背光控制信号的占空比
Figure BSA0000194493560000022
(4b)根据PWM自适应改变像素补偿校正系数
Figure BSA0000194493560000023
改善背光亮度降低引起的图像失真并提高图像对比度；
(4c)对待显示图像中每个像素进行补偿，计算其补偿后的像素值：
Figure BSA0000194493560000024
其中Pixelori和Pixelfinal分别表示补偿前后的像素值。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过前后帧图像灰度特征参数的对比，感知待显示图像灰度是否发生变化，灰度未改变时，直接采用原始背光亮度和像素补偿校正系数，大大降低了计算量；灰度值改变时，在图像灰度均值的基础上，通过分析图像中高灰度级像素的贡献程度来动态调节背光亮度，在保证背光功耗降低的同时，减少了图像的细节失真；最后，本发明使用背光控制信号占空比的方根作为像素补偿算法的校正系数，提高了图像对比度；另外，本发明所提供的算法复杂度低，计算效率高，特别适合嵌入式实现。
附图说明
图1为本发明所述方法的流程图
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，本实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。参照说明书附图对本发明的一种图像灰度感知的LCD高效能自适应全局背光调节方法作以下详细地说明。如图1所示，本实施例一种图像灰度感知的高效能自适应全局背光调节方法，包括以下步骤。
(1)加载下一帧待显示图像，将其由RGB色彩空间转换到YCbCr色彩空间，并将Y分量数据作为灰度感知的依据，计算其特征参数：灰度最大值Maxnew和灰度平均值Avgnew。具体方法为：首先，将图像由RGB色彩空间转换到YCbCr色彩空间，转换的公式为：
Y＝0.257*R+0.504*G+0.098*B+16
Cb＝-0.148*R-0.291*G+0.439*B+128
Cr＝0.439*R-0.368*G-0.071*B+128
接着，取出YCbCr色彩空间图像数据中Y分量数据，据此计算其特征参数：灰度最大值Maxnew和灰度平均值Avgnew；保持另外两个分量：Cb和Cr分量的图像数据不变。
(2)分别将Maxnew和Avgnew与当前显示图像帧的特征参数Maxold和Avgold进行比较，确定是否需要调节背光亮度：若Maxnew＝Maxold，且Avgnew＝Avgold，则说明不需要改变背光亮度和像素补偿系数，直接转步骤(4)；若Maxnew＝Maxold和Avgnew＝Avgold两个公式中有一个公式不满足，或两个均不满足，则说明背光亮度值BL需要调节，进入步骤(3)。
(3)根据Maxnew和Avgnew，分析高灰度级像素灰度分布范围及其对图像的贡献度K，根据Avgnew和K动态确定背光亮度BL，基于图像内容通过灰度感知自适应调节背光亮度，实现图像显示功耗的降低和图像高灰度细节显示失真的减小。具体的实现方法如下：
(3a)计算特征参数差值Diff＝Maxnew-Avgnew；将图像中灰度值在均值Avgnew和最大值Maxnew之间的像素视作图像的高灰度级像素细节部分。
(3b)计算高灰度级像素贡献度
Figure BSA0000194493560000031
定义参数K表示图像中高灰度级像素细节对图像的重要程度，K∈[0：1]，且Maxnew≠0：K值越大，表示图像的高灰度级像素细节部分的像素值对图像整体贡献越大，高灰度级像素细节部分的损失对于图像影响越大。因此，K值较小时，可以适当降低背光亮度，以降低显示功耗；K值较大时，需要提高背光亮度，以减小图像细节损失。
(3c)计算灰度偏差校正值Correction＝Diff*K。Correction与高灰度级像素细节Diff及其对图像的贡献度K的乘积成比例。当Diff一定时，K值越小表示高灰度级像素细节的损失对于图像影响越小，因此Correction取值也越小；K值越大表示高灰度级像素细节的损失对于图像影响越大，因此Correction取值也越大。
(3d)计算背光亮度值BL＝Avgnew+Correction。总体上，BL与Avgnew成正比，能响应图像灰度的变化；当Avgnew一定时，由于Correction反映了高灰度级像素细节的重要程度，因此BL能响应高灰度级像素细节的重要程度。由此可见，本发明提供的背光调节算法能够基于图像内容，通过灰度感知自适应调节背光亮度，实现图像显示功耗的降低和图像高灰度细节显示失真的减小。
(4)根据步骤(3)所得背光亮度BL和原始背光亮度BL’，计算背光控制信号的占空比PWM，并将其方根作为像素补偿校正系数γ，对待显示图像中每个像素进行补偿，弥补背光亮度降低引起的图像失真和提高图像对比度。其具体实现方法如下：
(4a)由步骤(3)所得BL与原始背光亮度BL’计算背光控制信号的占空比
Figure BSA0000194493560000041
(4b)根据PWM的变化自适应地改变像素补偿校正系数
Figure BSA0000194493560000042
这里γ∈[0：1]，且图像灰度越低，PWM越小，γ也越小；
(4c)对待显示图像中每个像素进行补偿，计算其补偿后像素值：
Figure BSA0000194493560000043
其中Pixelori和Pixelfinal分别表示补偿前后的像素值。对于低对比度或者灰度均值较低的图像使用较小的γ系数值，增强图像的对比度与显示效果；对于高对比度或者灰度均值较高的图像使用较大的γ系数值，保持图像的显示质量。
(5)将增强后的Y分量图像数据与保留的CbCr分量图像数据融合，并将其由YCbCr色彩空间转换到RGB色彩空间；输出转换后图像和背光控制信号。这里实现RGB色彩空间到YCbCr色彩空间数据转换的公式为：
R＝1.164*(Y-16)+1.596*(Cr-128)
G＝1.164*(Y-16)-0.813*(Cr-128)-0.392*(Cb-128)
B＝1.164*(Y-16)+2.017*(Cb-128)
(6)重复步骤(1)～(5)，实现图像灰度感知的高效能自适应全局背光调节。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (2)

1.一种图像灰度感知的LCD高效能自适应全局背光调节方法，其特征在于，包括以下几个步骤：
(1)将下一帧待显示图像由RGB色彩空间转换到YCbCr色彩空间，并将Y分量数据作为灰度感知的依据，计算其特征参数：灰度最大值Maxnew和灰度平均值Avgnew；
(2)分别将Maxnew和Avgnew与当前显示图像帧的特征参数Maxold和Avgold进行比较，确定是否需要调节背光亮度：若Maxnew＝Maxold，且Avgnew＝Avgold，则说明不需要改变背光亮度和像素补偿校正系数，直接转步骤(1)；
(3)根据Maxnew和Avgnew，分析高灰度级像素灰度分布范围及其对图像的贡献度K，根据Avgnew和K动态确定背光亮度BL，基于图像内容通过灰度感知自适应调节背光亮度，实现图像显示功耗的降低和图像高灰度细节显示失真的减小，具体实现方法如下：
(3a)利用特征参数差值Diff＝Maxnew-Avgnew描述高灰度级像素的灰度分布范围；
(3b)利用高灰度级像素贡献度
Figure FSB0000196040840000011
描述高灰度级像素细节对图像的重要程度；
(3c)根据特征参数差值和高灰度级像素贡献度，确定灰度偏差校正值Correction＝Diff*K；
(3d)根据图像灰度均值和高灰度级像素贡献度，动态确定背光亮度BL＝Avgnew+Correction。
(4)根据步骤(3)所得背光亮度BL和原始背光亮度BL’，计算背光控制信号的占空比PWM，并将其方根作为像素补偿校正系数γ，对待显示图像中每个像素进行补偿，弥补背光亮度降低引起的图像失真和提高图像对比度；
(5)将增强后的Y分量数据与保留的CbCr分量数据融合，并将其由YCbCr色彩空间转换到RGB色彩空间；输出转换后图像和背光控制信号；
(6)重复步骤(1)～(5)，实现图像灰度感知的高效能自适应全局背光调节。
2.根据权利要求1所述的一种图像灰度感知的LCD高效能自适应全局背光调节方法，其特征在于，所述步骤(4)的具体实现方法如下：
(4a)由步骤(3)所得BL与原始背光亮度BL’计算背光控制信号的占空比
Figure FSB0000196040840000012
(4b)根据PWM自适应改变像素补偿校正系数
Figure FSB0000196040840000013
改善背光亮度降低引起的图像失真并提高图像对比度；
(4c)对待显示图像中每个像素进行补偿，计算其补偿后的像素值：
Figure FSB0000196040840000021
其中Pixelori和Pixelfinal分别表示补偿前后的像素值。
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