CN114120932A - 一种结合图像饱和度调节的液晶显示器调光方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种结合图像饱和度调节的液晶显示器调光方法，在S曲线动态调光的基础上，根据图像分类来确定饱和度补偿的幅度，可以有效解决图像亮度和饱和度不匹配的问题，提高了人的视觉感受；且通过计算图像结构相似度，可得平均相似度为97.8%，与原图之间结构没有很大的改变，对图像显示质量影响不大，经样机测算，采用本方法平均节省能耗23.8%，视觉感受明显上升，并且具有可移植性强和通用性好等优点，可广泛应用于各种液晶显示器节能设计中。

Description

一种结合图像饱和度调节的液晶显示器调光方法

技术领域

本发明主要涉及RFID技术领域，具体涉及一种结合图像饱和度调节的液晶显示器调光方法。

背景技术

液晶显示器(Liquid Crystal Display,LCD)已经在显示领域应用中占主导地位。液晶材料本身并不发光，需要使用背光源，一般情况下，液晶显示器背光采用全局背光，因此不论在显示全白画面还是全黑画面时，背光都处于全开状态，这不仅加大了不必要的功耗，而且由于背光模块全开时，会出现漏光现象导致液晶显示器对比度不高的情况，因此专家学者提出了对液晶显示器的动态调光，在降低功耗的情况下尽量保持和原始显示内容一致。动态调光算法主要包括修改背光强度以及调整像素的透光率，在众多动态调光算法中，S曲线液晶像素补偿方法和误差修正法具有计算难度低、整体失真小的优点。虽然S曲线调光算法能对图像像素进行补偿并提高图像对比度，但是出现了图像泛白的现象，人眼感觉图像不鲜亮，导致这种情况的原因是在图像对比度提高的同时，图像亮度也随之变高，但图像颜色的饱和度未发生变化，导致亮度和饱和度不匹配，使人眼对色彩的感知下降。

发明内容

1.发明目的

本发明的目的是为了提供了一种结合图像饱和度调节的液晶显示器调光方法，在S曲线动态调光的基础上根据图像的类别来确定饱和度补偿的幅度，达到饱和度和亮度匹配，提高人的视觉感受。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：一种结合图像饱和度调节的液晶显示器调光方法，包括：

对输入的原始图像进行分类；调整原始图像像素；计算图像的饱和度和亮度；调整图像饱和度和亮度。

进一步的，对输入图像进行分类，具体包括：结合S曲线动态调光算法对输入图像的对比度和平均灰度进行分类，将图像分为6类；根据每类图像给出曲率参数a值，再根据曲率参数a值去选择背光调节系数K值和饱和度补偿系数W值，a、K、W的对应关系如下：

式中：H、S、L分别代表HSL空间下色调、饱和度、亮度分量，r、g、b分别代表像素RGB值，max、min分别代表整幅图像中r、g、b的最大值和最小值。

进一步的，调整原始图像像素，具体包括：计算并调整图像的背光强度；计算并调整图像上各像素灰度值。

进一步的，计算并调整图像的背光强度中，采用误差修正法来计算每一帧图像的背光值，背光强度计算调整公式为：

式中I_diff为灰度平均值差值，I_max为原始图像上所有点的灰度值最大值，I_ave为原始图像上所有点的灰度平均值，灰度值取值范围为0到255之间,K为背光调节系数，BL'表示调节后的背光强度。

进一步的，计算并调整图像上各像素灰度值中，采用S曲线液晶像素补偿方法，灰度值计算调整公式为：

式中，x为调整前像素灰度值，y为调整后像素灰度值，a为S曲线的曲率参数，将图像中各点按照像素灰度值从低往高排序，并依次累加各点的像素灰度值，L₂₅是像素灰度值累加到像素点总数25％处对应的值，L₇₅是累加到像素点总数75％处对应的值，L_g为S曲线拐点。

进一步的，计算图像的饱和度和亮度，具体包括：

根据S曲线动态调光算法对图像补偿后，得到补偿后的各点RGB值；

将补偿后的RGB图像转换到HSL颜色空间，其计算公式如下：

式中H、S、L分别代表HSL空间下色调、饱和度和亮度分量，r、g、b分别代表像素RGB值，max、min分别代表整幅图像中r、g、b的最大值和最小值。

进一步的，调整图像饱和度和亮度，具体包括：

当图像正向补偿时，饱和度补偿系数Inc>＝0时，判断Inc+S是否大于等于1，S表示饱和度，进而决定调节因子alpha；当Inc+S>＝1时，alpha＝S；当Inc+S<1时，alpha＝1-Inc，饱和度调节公式如下：

当图像饱和度反向补偿时，调节因子alpha＝Inc，饱和度调节公司如下：

式中,R_new、G_new、B_new代表饱和度补偿后图像的RGB值，R、G、B分别代表S曲线补偿后图像的RGB值，L代表HSL空间下的亮度分量。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：

本发明在S曲线动态调光的基础上根据图像分类来确定饱和度补偿的幅度，可以有效解决图像亮度和饱和度不匹配的问题，提高了人的视觉感受；

且通过计算图像结构相似度，可得平均相似度为97.8％，与原图之间结构没有很大的改变，对图像显示质量影响不大，经样机测算，采用本方法平均节省能耗23.8％，视觉感受明显上升，并且具有可移植性强和通用性好等优点，可广泛应用于各种液晶显示器节能设计中。

附图说明

图1为本发明的流程示意图；

图2-4为本发明中不同a值对应的S曲线图；

图5为本发明的亮度和饱和度计算流程图；

图6为本发明处理后的图像与原图结构相似度曲线。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述，附图中给出了本发明的若干实施例，但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例，相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件；当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件；本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明；本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

S曲线动态调光算法是基于液晶显示器的显示原理，在电场作用下，液晶分子会发生排列上的变化，从而使入射光束偏振角度发生变化，通过偏光片的作用表现为明暗的变化。液晶显示器可以通过控制电场强度来改变每个像素的透光率，进而改变输出光的强度，人眼所感受到图像亮度是由背光(入射光)强度和像素透光率两个参数决定的，因此要保证人所感受到的图像质量不变，需满足公式：

I×BL＝I′×BL′；

上式中：I表示调节前的透光率，BL表示调节前的背光强度，I′表示调节后的透光率，BL′表示调节后的背光强度，透光率I可以用图像上各点的灰度值代替。

当使用不同背光强度显示相同图像时，只需要保证像素的输出光通量一致，就可以保证图像显示质量不变，因此，采用像素补偿方法来对液晶像素进行相对应的补偿，当背光强度降低时需要提高像素透光率。

当整幅图像比较灰暗时，可以降低背光亮度从而降低功耗。可以采用的误差修正法来计算每一帧图像的背光值，背光亮度的计算公式是：

式中I_diff为灰度平均值差值，I_max为原始图像上所有点的灰度值最大值，I_ave为原始图像上所有点的灰度平均值，灰度值取值范围为0到255之间,K为背光调节系数。

在计算灰度平均值差值I_diff时，首先依据公式实现YUV与RGB信号的变换处理，RGB值转化为YUV值公式为：

Y＝0.299*R+0.587*G+0.114*B

U＝0.564*(B-Y)

V＝0.713*(R-Y)；

将图像的RGB值转化为YUV，通过累加器累加每个点的灰度值，累加器统计之后使用IP除法器，除以原始图像所有点数量，计算灰度平均值I_ave，通过灰度值最大值I_max和灰度平均值计算灰度平均值差值I_diff。

在调整背光亮度时也要改变图像上各像素灰度值，当某点的灰度值调整到255以上时会出现溢出失真，为减小溢出失真并提高静态对比度，本发明采用S曲线液晶像素补偿方法对液晶像素进行调节，S曲线液晶像素补偿方法的主要公式如下：

式中，x为调整前像素灰度值，y为调整后像素灰度值，a为S曲线的曲率参数，将图像中各点按照像素灰度值从低往高排序，并依次累加各点的像素灰度值，L₂₅是像素灰度值累加到像素点总数25％处对应的值，L₇₅是累加到像素点总数75％处对应的值，L_g为S曲线的拐点，通过控制a值来控制输出图像整体动态范围以确定像素调整的幅度大小，a值越大，调整的幅度越大。

如图2-4所示，分别是a＝0.008、a＝0.018和a＝0.023时，经过S曲线图，图中x轴为输入图像像素值，y轴为输出图像像素值，直线为原始图像输入输出像素值，曲线为经过S曲线调整后输入输出像素值，通过S曲线对降低背光后的图像动态范围进行扩展时，以拐点为分界，使相对高亮度范围内的像素更亮，相对低亮度范围内的像素更暗，从而实现像素补偿的同时有效提升静态对比度，并避免了像素溢出的情况。

采用S曲线的非线性全局动态调光算法能够有效的提升图像的对比度，降低液晶显示器的功耗，但是也难免的会造成部分图像出现泛白现象，为使像素补偿后的图像更符合人眼对色彩感知的视觉特性，还需对像素补偿后图像的饱和度进行调节。

为了计算饱和度和亮度，需要使用到HSL颜色空间。在HSL颜色空间中通过色调(H)、饱和度(S)和亮度(L)来表示颜色，它可以很好的分离图像的色彩信息与亮度信息，当图像的饱和度信息发生改变时，不影响色调和亮度之间的关系，能够较好的保留图像的色彩信息[13]。将RGB图像转换到HSL颜色空间的计算公式如下：

式中：H、S、L分别代表HSL空间下色调、饱和度、亮度分量，r、g、b分别代表像素RGB值，max、min分别代表整幅图像中r、g、b的最大值和最小值。

本方案只需用到亮度与饱和度信息，因此只需要计算亮度和饱和度即可，根据S曲线对图像进行像素补偿后，得到各点RGB值，根据像素补偿后的RGB值计算得到饱和度和亮度值，根据饱和度和亮度再次对RGB值进行补偿。

在第二次补偿中，有正向补偿也有反向补偿,补偿系数Inc的值在-1到1的范围内，对应不同的补偿系数所输出的图像饱和度也会有所不同，当图像正向补偿时即Inc>＝0时，还需判断Inc+S是否大于等于1，进而决定调节因子alpha，其中S表示饱和度；

当Inc+S大于等于1时alpha＝S，否则调节因子alpha＝1-Inc，最后令alpha＝1/(alpha-1)，最终饱和度调节公式如下：

当图像饱和度反向补偿时，令调节因子alpha＝Inc，饱和度调节公式如下：

式中,R_new、G_new、B_new代表饱和度补偿后图像的RGB值，R、G、B分别代表S曲线补偿后图像的RGB值，L代表HSL空间下的亮度分量。

经过MATLAB测试会发现，正向补偿系数越高，图像色彩越越丰富艳丽；反向补偿系数越高，图像越灰暗。

结合S曲线动态调光算法对输入图像的对比度和平均灰度进行分类，将图像分为6类，根据每类图像给出合理的a值，再根据调光a值去选择背光调节系数K值和饱和度补偿系数W值，K值与W值与a值有着一一对应的关系，即一个a值对应一个K值与W值a值越大，S曲线的曲率越大，对像素的补偿越强，对应的K值越小，背光下降的比例越大，同时对应的饱和度补偿系数W也越强，使得处理后的图像更符合人眼对色彩的感知，更好的保留图像的色彩信息。

式中CR表示对比度，L_avg表示平均灰度，a值表示S曲线的曲率参数，K值表示调光系数，W表示饱和度补偿系数，即W与Inc代表相同。

并通过多幅不同场景的图像进行实验，使用Matlab 2016a对发明方法进行实验验证，并将本方法生产的图像与原图进行静态对比度和结构相似性(SSIM)计算，并基于Intel公司的Cyclone系列的5CEFA9工业级FPGA平台，对改进的动态调光算法进行了FPGA实现，使其能够在正常的显示器中进行显示，经测量，改进后的动态调光算法能够使得显示内容更加艳丽，能够提升人的视觉感受，在功耗方面能够实现节省17.2％的静态功耗，和23.8％的动态功耗。

显示器显示画面质量由MATLAB仿真确定，测试结果如图6所示。经计算，40幅图像中原图与改进算法之后的图像结构相似度最高可达99.7％,最低为96.2％，平均结构相似度为97.8％，因此可以看出改进算法与原图像之间的结构没有很大的改变，对图像显示质量影响不大。

基于Intel公司的Cyclone系列的5CEFA9工业级FPGA平台，进行了FPGA实现，在每一帧的场消隐期内，通过流水线的数据流处理方式，统计出每一帧图像的亮度、对比度和直方图等信息，根据亮度和对比度信息计算调光所需的参数值，最终实现对背光和像素值的同步处理。

记录图像集中40幅图像和30分钟动态视频正常显示时，搭载调光技术显示器与未搭载调光技术显示器的整机功耗，测试时输入分辨率为1920X 1080，液晶显示的图像显示静态节能率R_P计算公式如下：

式中P为不采用调光的液晶显示器功耗；P'为采用调光的液晶显示器功耗，计算图像集中四十幅图像平均节能率为17.2％。

记录30分钟动态视频正常显示时，搭载调光技术显示器与未搭载调光技术显示器的整机功耗，测试时输入分辨率为1920X 1080，搭载调光技术显示器能耗为0.0222kW·h，未搭载调光技术显示器能耗为0.0169kW·h，动态能耗降低23.8％。

综上所述，为使像素补偿后的图像更符合人眼对色彩感知的视觉特性，达到饱和度和亮度匹配，提高人的视觉感受，本方法在S曲线动态调光的基础上根据图像分类来确定饱和度补偿的幅度，并使用Matlab对改进算法进行仿真和计算，通过对显示图像的客观评价，改进后的算法可以有效解决图像亮度和饱和度不匹配的问题，提高了人的视觉感受，通过计算图像结构相似度，可得平均相似度为97.8％，与原图之间结构没有很大的改变，对图像显示质量影响不大，在此基础之上制作基于Intel公司的Cyclone系列的5CEFA9工业级FPGA了工程样机，在每一帧的场消隐期内，通过流水线的数据流处理方式，统计出每一帧图像的亮度、对比度和直方图等信息，根据亮度和对比度信息计算调光所需的参数值，最终实现对背光和像素值的同步处理；经测算样机平均节省能耗23.8％，视觉感受明显上升，并且具有可移植性强和通用性好等优点，可广泛应用于各种液晶显示器节能设计中。

以上所述实施例仅表达了本发明的某种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制；应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围；因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种结合图像饱和度调节的液晶显示器调光方法，其特征在于,包括：

对输入的原始图像进行分类；

调整原始图像像素；

计算图像的饱和度和亮度；

调整图像饱和度和亮度。

2.根据权利要求1所述的一种结合图像饱和度调节的液晶显示器调光方法，其特征在于，对输入图像进行分类，具体包括：

结合S曲线动态调光算法对输入图像的对比度和平均灰度进行分类，将图像分为6类；

根据每类图像给出曲率参数，再根据曲率参数去选择背光调节系数和饱和度补偿系数。

3.根据权利要求1所述的一种结合图像饱和度调节的液晶显示器调光方法，其特征在于，调整原始图像像素，具体包括：

计算并调整图像的背光强度；

计算并调整图像上各像素灰度值。

4.根据权利要求3所述的一种结合图像饱和度调节的液晶显示器调光方法，其特征在于，计算并调整图像的背光强度中，采用误差修正法来计算每一帧图像的背光值，背光强度计算调整公式为：

式中I_diff为灰度平均值差值，I_max为原始图像上所有点的灰度值最大值，I_ave为原始图像上所有点的灰度平均值，灰度值取值范围为0到255之间,K为背光调节系数，BL'表示调节后的背光强度。

5.根据权利要求3所述的一种结合图像饱和度调节的液晶显示器调光方法，其特征在于，计算并调整图像上各像素灰度值中，采用S曲线液晶像素补偿方法，灰度值计算调整公式为：

式中，x为调整前像素灰度值，y为调整后像素灰度值，a为S曲线的曲率参数，将图像中各点按照像素灰度值从低往高排序，并依次累加各点的像素灰度值，L₂₅是像素灰度值累加到像素点总数25％处对应的值，L₇₅是累加到像素点总数75％处对应的值，L_g为S曲线拐点。

6.根据权利要求1所述的一种结合图像饱和度调节的液晶显示器调光方法，其特征在于，计算图像的饱和度和亮度，具体包括：

根据S曲线动态调光算法对图像补偿后，得到补偿后的各点RGB值；

将补偿后的RGB图像转换到HSL颜色空间，其计算公式如下：

式中H、S、L分别代表HSL空间下色调、饱和度和亮度分量，r、g、b分别代表像素RGB值，max、min分别代表整幅图像中r、g、b的最大值和最小值。

7.根据权利要求6所述的一种结合图像饱和度调节的液晶显示器调光方法，其特征在于，调整图像饱和度和亮度，具体包括：

当图像正向补偿时，饱和度补偿系数Inc>＝0时，判断Inc+S是否大于等于1，进而决定调节因子alpha；当Inc+S>＝1时，alpha＝S；当Inc+S<1时，alpha＝1-Inc，饱和度调节公式如下：

当图像饱和度反向补偿时，调节因子alpha＝Inc，饱和度调节公司如下：

式中,R_new、G_new、B_new代表饱和度补偿后图像的RGB值，R、G、B分别代表S曲线补偿后图像的RGB值，L代表HSL空间下的亮度分量。

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