CN113655665B - 一种基于动态调光的显示装置及调光方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于动态调光的显示装置及调光方法，属于液晶显示技术领域。显示装置包括分区背光板和液晶层阵列；分区背光板由若干发光强度独立控制的发光子单元组成；液晶层阵列包括两层液晶层和三层偏振片，相邻偏振片的偏振方向正交；分区背光板和液晶层阵列均电连接控制模块。通过控制模块的调光方法是将输入图像迭代分解得到三幅图像，其中一幅图像代表背光单元的发光强度，另外两幅图像代表液晶层上像素的透过率值，将三幅图像分别传送至背光板和液晶层阵列，通过协同工作再现原输入图像；由于背光单元的发光强度是由输入图像决定的，因此根据输入图像的特征减小背光单元的发光强度，达到降低功耗、增加对比度和提高显示图像质量的目的。

Description

一种基于动态调光的显示装置及调光方法
技术领域
本发明属于液晶显示技术领域，具体涉及动态调光技术。
背景技术
目前液晶显示装置在显示领域占据主导地位。传统的液晶显示器是由背光模块，偏振片和液晶层组成。由于背光常以恒定功率工作，通过调节液晶透过率来改变亮度，这导致了液晶显示的功率较高。同时由于液晶存在漏光现象，导致对比度较低，降低了图像质量。因此，有人提出了双层液晶显示装置，该装置由常规的背光板、双层液晶和偏光片组成，该装置采用双层液晶可以有效缓解漏光现象，提升对比度。但该装置控光方式是仅通过改变液晶层的透过率实现的，由于液晶无法完全闭合，因此在显示较暗图像时，仍会存在漏光现象，提升的对比度有限；同时传统的背光无法独立调控，因此背光板一直处于最大亮度，这导致其功耗较高；同时该装置一般采用模糊算法分解图像，该方法会导致图像细节丢失，PSNR值较低。
发明内容
为了提高显示画面的对比度，解决传统液晶显示器存在的漏光现象，降低显示器的能耗，本发明提供一种基于动态调光的显示装置及调光方法。
一种基于动态调光的显示装置包括分区背光板1和液晶层阵列2；
所述分区背光板1由若干个发光子单元组成，每个发光子单元的发光强度独立控制；
所述液晶层阵列2包括第一液晶层4、第二液晶层5、第一偏振片6、第二偏振片7和第三偏振片8；第一液晶层4和分区背光板1相邻；所述分区背光板1、第一偏振片6、第一液晶层4、第二偏振片7、第二液晶层5和第三偏振片8依次等间距排列；
所述相邻偏振片的偏振方向正交；
所述第二液晶层5上设有滤色片；
当第一液晶层4与第一偏振片6、第二偏振片7协同工作时，实现通过改变第一液晶层4上每个像素点的透过率调制光线的强度；
当第二液晶层5与第二偏振片7、第三偏振片8协同工作时，实现改变光线的颜色；这是由于第二液晶层5上每个像素分为红、绿、蓝三个子像素，通过改变三个子像素的透过率实现改变显示装置上图像光线的颜色；
所述分区背光板1和液晶层阵列2均电连接控制模块3；
所述控制模块3实现调光算法，所述调光算法将输入图像迭代分解得到三幅图像，其中一幅图像代表背光单元的发光强度，另外两幅图像代表液晶层上像素的透过率值，将三幅图像分别传送至背光板1和液晶层阵列2，通过协同工作再现原输入图像；由于背光单元的发光强度是由输入图像决定的，因此可以根据输入图像的特征减小背光单元的发光强度，达到降低功耗、增加对比度和提高显示图像质量的目的。
所述发光子单元为LED、micro-LED或mini-LED中的一种。
一种基于动态调光的显示装置的调光操作步骤如下：
1)将图像输入至控制模块(3)，提取图像上每个像素点的红、绿、蓝三个子像素的发光强度I(x0,y0,i)，其中(x0,y0)代表像素点的坐标，i＝1,2,3分别表示红色，绿色，蓝色；
2)确定输入图像的每个像素点对应的分区背光板(1)上发光子单元的坐标(xb,yb),以及第一液晶层(4)的像素坐标(xm,ym),第二液晶层(5)的像素坐标(xn,yn)；
3)由分区背光板(1)上坐标(xb,yb)的发光子单元、第一液晶层(4)上坐标(xm,ym)的像素、第二液晶层(5)上坐标(xn,yn，i)的子像素协同重建的光线，由以下公式确定：
Figure BDA0003234556440000021
其中，I’(x0,y0，i)代表重建原图像上坐标为(x0,y0)像素点的第i个分量的发光强度，i为1表示红色分量、2表示绿色分量、3表示蓝色分量；g(xb,yb)代表分区背光板(1)上坐标为(xb,yb)子单元的发光强度，f(xm,ym)代表第一液晶层(4)上像素坐标为(xm,ym)的透过率,k(xn,yn，i)代表第二液晶层(5)上像素坐标为(xn,yn)的第i个分量的透过率；为了使重建光线的发光强度I’(x0,y0，i)与输入图像上对应像素的发光强度I(x0,y0,i)尽量相等；采用迭代方式求解g(xb,yb)，f(xm,ym)和k(xn,yn，i)的值；
设随机值g’(xb,yb)，f’(xm,ym)，k’(xn,yn，i)，具体迭代方式如下；
3.1)由于背光产生的是白光，包含红色、绿色、蓝色三个分量，分区背光板(1)上发光子单元坐标(xb,yb)的发光强度g(xb,yb)由以下公式可得：
Figure BDA0003234556440000022
3.2)由于第一液晶层(4)只能调制光线的强度，不能改变光线颜色，第一液晶层(4)像素(xm,ym)的透过率f(xm,ym)可由以下公式可得：
Figure BDA0003234556440000023
3.3)由于第二液晶层(5)的像素点由红色、绿色、蓝色子像素点组成，所以液晶像素点的每个分量透过率由输入图像对应的每个分量确定，第二液晶层(5)像素坐标(xn,yn)的第i个分量的透过率k(xn,yn，i)由以下公式可得：
Figure BDA0003234556440000031
3.4)令g(xb,yb)＝g’(xb,yb)，f(xm,ym)＝f’(xm,ym)，k(xn,yn，i)＝k’(xn,yn，i)，重复步骤(3.1)-(3.3)直至公式argmin|I(x0,y0,i)-I’(x0,y0，i)|2取值最小。
4)将得到的g(xb,yb)、f(xm,ym)、k(xn,yn，i)数值分别传送给分区背光板(1)对应的发光单元、第一液晶层(4)和第二液晶层(5)对应的像素点，当分区背光板(1)和液晶层阵列(2)协同工作时则能看到调光后的图像，调光后的图像质量提升3dB以上，对比度提升120％。
本发明的有益技术效果体现在以下方面：
1、本发明装置背光的发光强度可独立控制，所以可以根据图像特征调控分区背光单元的发光强度，通过将图像较暗区域对应的背光单元的发光强度降低的方式降低功耗，功耗可降低30％以上。
2、提出的调光算法可以使背光单元和液晶阵列协同工作，采用迭代优化的方式保留图像细节，在降低背光亮度的同时提高第一液晶层4和第二液晶层5的像素值，保证了图像的质量，仿真结果表明该方法可以提升3dB以上。
3、在显示图像黑色区域时，根据图像特征调控黑色区域所对应的分区背光单元发光强度、第一液晶层4的像素值、第二液晶层的像素值5均为零，解决了因为液晶无法完全闭合导致的漏光现象，提高了静态对比度，对比度从150000：1提高到了330000：1，提升120％。
附图说明
图1为基于动态调光的显示装置的结构示意图。
图2为本发明调光算法框图。
图3为本发明调光算法实施后对应的分解图。
图4为测试静态对比度时采用的九宫格图像。
图1中序号：分区背光板1、液晶层阵列2、驱动控制模块3、第一液晶层4、第二液晶层5、第一偏振片6、第二偏振片7、第三偏振片8。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地说明。
实施例1
参见图1，一种基于动态调光的显示装置包括分区背光板1和液晶层阵列2。
所述分区背光板1由若干个发光子单元组成，发光子单元为mini-LED，每个发光子单元的发光强度独立控制。
所述液晶层阵列2包括第一液晶层4、第二液晶层5、第一偏振片6、第二偏振片7和第三偏振片8；第一液晶层4和分区背光板1相邻；所述分区背光板1、第一偏振片6、第一液晶层4、第二偏振片7、第二液晶层5和第三偏振片8依次等间距排列。
第一偏振片6和第二偏振片7的偏振方向正交，第二偏振片7和第三偏振片8的偏振方向正交。
所述第二液晶层5上设有滤色片。
当第一液晶层4与第一偏振片6、第二偏振片7协同工作时，实现通过改变第一液晶层4上每个像素点的透过率调制光线的强度；
当第二液晶层5与第二偏振片7、第三偏振片8协同工作时，实现改变光线的颜色；这是由于第二液晶层5上每个像素分为红、绿、蓝三个子像素，通过改变三个子像素的透过率实现改变显示装置上图像光线的颜色；
所述分区背光板1和液晶层阵列2均电连接控制模块3。
所述控制模块3实现调光算法，所述调光算法将输入图像迭代分解得到三幅图像，其中一幅图像代表背光单元的发光强度，另外两幅图像代表液晶层上像素的透过率值，将三幅图像分别传送至背光板1和液晶层阵列2，通过协同工作再现原输入图像；由于背光单元的发光强度是由输入图像决定的，因此可以根据输入图像的特征减小背光单元的发光强度，达到降低功耗、增加对比度和提高显示图像质量的目的。
参见图2，基于上述动态调光的显示装置的具体调光操作步骤如下：
1)将图像输入至控制模块3，提取图像上每个像素点的红、绿、蓝三个子像素的发光强度I(x0,y0,i)，其中(x0,y0)代表像素点的坐标，i＝1,2,3分别表示红色，绿色，蓝色；
2)确定输入图像的每个像素点对应的分区背光板1上发光子单元的坐标(xb,yb),以及第一液晶层4的像素坐标xm,ym,第二液晶层5的像素坐标(xn,yn)；
3)由分区背光板1上坐标(xb,yb)的发光子单元、第一液晶层4上坐标(xm,ym)的像素、第二液晶层5上坐标(xn,yn，i)的子像素协同重建的光线，由以下公式确定：
Figure BDA0003234556440000051
其中，I’(x0,y0，i)代表重建原图像上坐标为(x0,y0)像素点的第i个分量的发光强度，i为1表示红色分量、2表示绿色分量、3表示蓝色分量；g(xb,yb)代表分区背光板1上坐标为(xb,yb)子单元的发光强度，f(xm,ym)代表第一液晶层4上像素坐标为(xm,ym)的透过率,k(xn,yn，i)代表第二液晶层5上像素坐标为(xn,yn)的第i个分量的透过率；为了使重建光线的发光强度I’(x0,y0，i)与输入图像上对应像素的发光强度I(x0,y0,i)尽量相等；采用迭代方式求解g(xb,yb)，f(xm,ym)和k(xn,yn，i)的值；
设随机值g’(xb,yb)，f’(xm,ym)，k’(xn,yn，i)，具体迭代方式如下；
3.1)由于背光产生的是白光，包含红色、绿色、蓝色三个分量，分区背光板1上发光子单元坐标(xb,yb)的发光强度g(xb,yb)由以下公式可得：
3.2)由于第一液晶层4只能调制光线的强度，不能改变光线颜色，第一液晶层4像素(xm,ym)的透过率f(xm,ym)可由以下公式可得：
Figure BDA0003234556440000053
3.3)由于第二液晶层5的像素点由红色、绿色、蓝色子像素点组成，所以液晶像素点的每个分量透过率由输入图像对应的每个分量确定，第二液晶层5像素坐标(xn,yn)的第i个分量的透过率k(xn,yn，i)由以下公式可得：
Figure BDA0003234556440000054
3.4)令g(xb,yb)＝g’(xb,yb)，f(xm,ym)＝f’(xm,ym)，k(xn,yn，i)＝k’(xn,yn，i)，重复步骤(3.1)-(3.3)直至公式argmin|I(x0,y0,i)-I’(x0,y0，i)|2取值最小。
4)将得到的g(xb,yb)、f(xm,ym)、k(xn,yn，i)数值分别传送给分区背光板1对应的发光单元、第一液晶层4和第二液晶层5对应的像素点，当分区背光板1和液晶层阵列2协同工作时则能看到调光后的图像；调光后的图像质量提升3dB以上，对比度提升120％。
参见图3中的(a)表示输入至控制模块3的图像，图3中的(b)表示迭代分解后背光板1需显示的图像，图3中的(c)表示迭代分解后第一液晶层4需显示的图像，图3中的(c)表示迭代分解后第二液晶层5需显示的图像。仿真实验在matlab2018b环境中进行的，测试图像的PSNR值由27.93dB提升到了31.0dB。
参见图4，图4中的图像为测试静态对比度时采用的九宫格图像，仿真实验表明静态对比度由150000：1提高到了330000：1，提升120％。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明做任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案前提下还有其它的变体及改型。

Claims (2)

1.一种基于动态调光的显示装置，其特征在于：包括分区背光板(1)和液晶层阵列(2)；所述分区背光板(1)由若干个发光子单元组成，每个发光子单元的发光强度独立控制；所述液晶层阵列(2)包括第一液晶层(4)、第二液晶层(5)、第一偏振片(6)、第二偏振片(7)和第三偏振片(8)；第一液晶层(4)和分区背光板(1)相邻；所述分区背光板(1)、第一偏振片(6)、第一液晶层(4)、第二偏振片(7)、第二液晶层(5)和第三偏振片(8)依次等间距排列；
所述相邻偏振片的偏振方向正交；
所述第二液晶层(5)上设有滤色片；
当第一液晶层(4)与第一偏振片(6)、第二偏振片(7)协同工作时，实现通过改变第一液晶层(4)上每个像素点的透过率调制光线的强度；
当第二液晶层(5)与第二偏振片(7)、第三偏振片(8)协同工作时，实现改变光线的颜色；这是由于第二液晶层(5)上每个像素分为红、绿、蓝三个子像素，通过改变三个子像素的透过率实现改变显示装置上图像光线的颜色；
所述分区背光板(1)和液晶层阵列(2)均电连接控制模块(3)；
所述控制模块(3)实现调光算法，所述调光算法将输入图像迭代分解得到三幅图像，其中一幅图像代表背光单元的发光强度，另外两幅图像代表液晶层上像素的透过率值，将三幅图像分别传送至背光板(1)和液晶层阵列(2)，通过协同工作再现原输入图像；由于背光单元的发光强度是由输入图像决定的，因此可以根据输入图像的特征减小背光单元的发光强度，达到降低功耗、增加对比度和提高显示图像质量的目的；
一种基于动态调光的显示装置的调光操作步骤如下：
1)将图像输入至控制模块(3)，提取图像上每个像素点的红、绿、蓝三个子像素的发光强度I(x0,y0,i)，其中(x0,y0)代表像素点的坐标，i＝1,2,3分别表示红色，绿色，蓝色；
2)确定输入图像的每个像素点对应的分区背光板(1)上发光子单元的坐标(xb,yb),以及第一液晶层(4)的像素坐标(xm,ym),第二液晶层(5)的像素坐标(xn,yn)；
3)由分区背光板(1)上坐标(xb,yb)的发光子单元、第一液晶层(4)上坐标(xm,ym)的像素、第二液晶层(5)上坐标(xn,yn，i)的子像素协同重建的光线，由以下公式确定：
Figure FDA0004281017060000011
其中，I’(x0,y0，i)代表重建原图像上坐标为(x0,y0)像素点的第i个分量的发光强度，i为1表示红色分量、2表示绿色分量、3表示蓝色分量；g(xb,yb)代表分区背光板(1)上坐标为(xb,yb)子单元的发光强度，f(xm,ym)代表第一液晶层(4)上像素坐标为(xm,ym)的透过率,k(xn,yn，i)代表第二液晶层(5)上像素坐标为(xn,yn)的第i个分量的透过率；为了使重建光线的发光强度I’(x0,y0，i)与输入图像上对应像素的发光强度I(x0,y0,i)尽量相等；采用迭代方式求解g(xb,yb)，f(xm,ym)和k(xn,yn，i)的值；
设随机值g’(xb,yb)，f’(xm,ym)，k’(xn,yn，i)，具体迭代方式如下；
3.1)由于背光产生的是白光，包含红色、绿色、蓝色三个分量，分区背光板(1)上发光子单元坐标(xb,yb)的发光强度g(xb,yb)由以下公式可得：
Figure FDA0004281017060000021
3.2)由于第一液晶层(4)只能调制光线的强度，不能改变光线颜色，第一液晶层(4)像素(xm,ym)的透过率f(xm,ym)可由以下公式可得：
Figure FDA0004281017060000022
3.3)由于第二液晶层(5)的像素点由红色、绿色、蓝色子像素点组成，所以液晶像素点的每个分量透过率由输入图像对应的每个分量确定，第二液晶层(5)像素坐标(xn,yn)的第i个分量的透过率k(xn,yn，i)由以下公式可得：
Figure FDA0004281017060000023
3.4)令g(xb,yb)＝g’(xb,yb)，f(xm,ym)＝f’(xm,ym)，k(xn,yn，i)＝k’(xn,yn，i)，重复步骤(3.1)-(3.3)直至公式argmin|I(x0,y0,i)-I’(x0,y0,i)|2取值最小；
4)将得到的g(xb,yb)、f(xm,ym)、k(xn,yn，i)数值分别传送给分区背光板(1)对应的发光单元、第一液晶层(4)和第二液晶层(5)对应的像素点，当分区背光板(1)和液晶层阵列(2)协同工作时则能看到调光后的图像；调光后的图像质量提升3dB以上，对比度提升120％。
2.根据权利要求1所述的一种基于动态调光的显示装置，其特征在于：所述发光子单元为LED、micro-LED或mini-LED中的一种。
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