背光式TFT-LCD显示器的图像增强功能

摘要：

延长便携式设备的电池寿命的一个常见方法是降低LCD背光强度。与通过逐帧调整背光强度以达到指定图像质量来最小化功耗的方法相比，所提出的方法优化了给定背光强度的图像质量。通过执行亮度补偿和局部对比度增强来增强图像。对于亮度补偿，考虑全局图像统计和背光级别来保持图像的整体亮度。为了对比度增强，利用人体视觉系统（HVS）的局部对比度来增强局部图像细节。另外，提出了一种亮度预测方案来加快视频序列显示的算法。

关键词：对比度，图像增强，LCD背光，电源管理

第一节.介绍

电池有限的能量通常是新一代便携式设备，如PDA，智能手机和媒体播放器; 因此，开发技术以增加电池寿命是重要的。对于便携式设备，可以通过以下方式实现节能：1）控制器的功率感知IC电路设计; 2）图形控制器和LCD控制器之间的低功耗数字/模拟接口; 3）有效控制液晶显示器（LCD）的光源。第一种方法强调提高直流/交流电源逆变器的效率，降低工作电压和频率，限制空闲模式下的功耗，并关闭未使用的数字/模拟电路[22]。第二种方法使用最小化传输期间电气总线切换流量的编码方案，以降低功耗[1]，[2]。第三种方法着重于控制LCD的背光以降低显示系统的功耗。由于LCD的光源占总功耗的很大一部分，因此降低背光强度可以有效延长电池寿命。

对于典型的便携式手持设备，TFT-LCD的主要光源冷阴极荧光灯（CCFL）占总系统功率的20-50％[6]，（图1），[23]。不幸的是，LCD必须持续刷新，在操作过程中不能关闭或进入睡眠模式。因此，降低LCD功耗的合理方法是使背光变暗。

图 1

嵌入式便携式系统的功率分配

然而，减少背光会降低图像的亮度和对比度（从而降低图像的保真度）。这里，图像保真度被定义为背光比例尺度图像与原始图像的相似度。如果背景比例缩放的图像与原始图像相同，则不存在保真度损失。由于背光的减少会影响视觉体验，所以重要的是补偿背光式液晶显示器的图像质量损失。

图像补偿基于以下观点：眼睛对LCD面板发出的光的感知（即LCD的亮度）是以下产物：1）背光的强度，2）像素的透射率[3 ]。因此，通过提高透光率，低背光下的LCD亮度可以被驱动到与全背光下相同的水平。由于透光率的调整对能量消耗几乎没有影响，因此通过对背光进行调光来节省功率，同时通过增加透光率来补偿LCD亮度的损失。

已经开发了用于背光式LCD的图像增强的两种方法。一个最小化LCD背光源的功耗受制于图像质量[3] -[5]。另一个优化了给定LCD背光级别的图像质量。

第一种方法基于LCD透射率随像素值单调增加的性质来提高像素值[5]。在这种方法中，施加图像质量约束，并且如果它们超过颜色深度的范围，则在升压之后剪切具有高强度的像素，导致在高强度区域中的细节的损失。第一种方法的许多方法可以在文献中找到。崔等人 提出了一种增加像素值以恢复亮度的方法[3]，并且基于剪切像素的数量来评估图像质量劣化。该方法以视觉质量为代价实现节电。并发亮度和对比度缩放（CBCS）方法[6]截断图像直方图的两端以获得较小的图像动态范围，然后将该范围内的像素拉伸到全范围。由于直方图的截断，该方法可以去除高强度的图像区域，如图1所示。2（b）箱内的建筑物丢失。Liang等[5]将客观质量失真函数（均方误差）纳入背光交换策略，并提出了一种质量自适应背光缩放（QABS）方案。像CBCS一样，这种方法也会损失图像细节，如图所示.2（c）。Moshnyaga 等人[4]通过检测用户的注意力并将显示器设置为睡眠或者如果用户不在屏幕上，则设计了用于LCD显示器的电源管理方法。管理电池供电的多媒体系统的电源。Chang等人[13]对每个功率模式使用了不同的图像增强方法。亮度补偿用于低功耗模式和低功耗模式的对比度增强。Iranli等人[12]提出了一种时间意识的背光比例缩放（TABS）方法，利用人类视觉系统（HVS）的明显差异特性[24]，将原始图像的感知亮度与背光缩放图像。并且如果用户没有看到屏幕，则将显示器设置为睡眠或关闭模式。管理电池供电的多媒体系统的电源。Chang等人[13]对每个功率模式使用了不同的图像增强方法。亮度补偿用于低功耗模式和低功耗模式的对比度增强。Iranli等人[12]提出了一种时间意识的背光比例缩放（TABS）方法，利用人类视觉系统（HVS）的明显差异特性[24]，将原始图像的感知亮度与背光缩放图像。并且如果用户没有看到屏幕，则将显示器设置为睡眠或关闭模式。管理电池供电的多媒体系统的电源。Chang等人[13]对每个功率模式使用了不同的图像增强方法。亮度补偿用于低功耗模式和低功耗模式的对比度增强。

图2

暗淡（50％）背光下的图像。（a）不加强。（b）CBCS。（c）QABS。

相反，第二种方法不会根据图像内容动态调整背光。相反，它们在由用户或便携式设备确定的固定背光级或功率模式下工作。本文提出的算法属于后一种方法。

我们的算法尝试保留对比度（而不是亮度），并利用将图像分解为高频和低频分量的钝化蒙版[17]和双边滤波器[20]。在算法的设计中考虑了HVS的局部对比度特性和图像特征，保留了明暗区域的图像细节。该算法也适用于视频序列，由于数据必须实时处理，因此计算效率至关重要。本文的初步版本在[25]中有描述。

本文的结构如下。在第二节中，我们介绍了LCD显示和背光缩放技术的原理。所提出的算法的细节在第三部分中描述。实验结果和性能评估见第四节。最后，总结见第五节。

第二节.背景

在本节中，我们回顾了HVS的局部对比度属性，它是我们算法的基础，并描述了LCD显示的特点。然后我们讨论以前的背光缩放方法和补偿公式。

A. HVS

视网膜上的光感受器（即棒和锥体）感知光线撞击眼睛，并充当我们视觉系统的传感器[12]。锥体分为红色，绿色和蓝色三种，负责光子级照明的色觉（10^-2-10⁸cd/m²)[14]并且比杆更不敏感。对光敏感的杆，在昏暗的光线下负责视觉感知（10^-6-10cd/m²）并且不包含色觉。神经元可以传输一个范围只有三个数量级的信号，人眼可以适应的范围是巨大的，按照10¹⁰-10¹²。

因此，我们需要一种机制，使我们的视觉系统适应一定的亮度值，并在围绕该亮度值的相当小的动态范围内感知图像。适应机制对亮度变化的行为取决于任何给定条件集合的局部平均亮度，本文利用了这种称为“光适应”或“亮度遮蔽”的特性[9]。

刺激的感知强度与其周围亮度的绝对强度有关[21]。更准确地说，根据韦伯定律[8]，[10]，差异Delta;R作为响应与相对亮度增加成正比Delta;L并与绝对亮度成反比L

（1）

图3. 同时对比的例子：三个内部方块具有相同的强度，但是随着背景变暗，它们逐渐变浅。

因此，通过保持可以维持在不同照明下对图像的感知响应Delta;L/L不变。

此外，如图3所示，HVS的同时对比现象表明，一个区域的感知亮度不仅仅取决于其强度[14]。虽然通过图像增强可以保持暗淡的图像的感知质量，但增强图像的绝对强度不必与在正常背光下观察到的原始图像的绝对强度相同。所提出的算法也利用了这种现象。

B. LCD的特点

在解决背光缩放问题之前，需要仔细检查LCD架构。图4（a）显示了LCD控制器和面板的典型架构[12]。LCD控制器接收视频数据，并根据其像素值确定每个像素的适当灰度 - 即透射率。

根据光源的不同，有三种液晶显示器。一个是反射式LCD，其使用环境光和反射器而不是背光，但不适合于质量显示。另一种是半透反射式LCD，其需要背光和环境光以互补的方式操作。第三个，这是本白皮书所关心的，是从后面照亮所有像素的透射型LCD。与便携式设备中的其他组件不同，半透反射或透射LCD的光源不能关闭以延长电池寿命。当背光关闭时，透射型LCD显示屏无任何显示，而半透反射LCD显示屏的显示质量差。

用于便携式设备的LCD的普通光源是CCFL。例如，考虑新一代HP iPAQ 2790 3.5”显示器。其功耗随背光强度单调增加，背光消耗总功率的50-60％[见图4（b）]。

通过像素的背光的量由透射率控制。对于观察者，当透光率低时透明度较高时，像素看起来很暗。因此，随着背光降低，可以通过放大透射率来补偿照明的减小。

如图所示。如图4（c）所示，LCD的每个像素由液晶（LC）单元，薄膜晶体管（TFT）和存储电容器[19]组成。LC单元位于TFT基板和滤色器基板之间并旋转到不同的角度以控制透射率。TFT是开关器件，控制流入电容器的电子数，其电场控制LC电池的透射率。对于彩色LCD，彩色像素由三个子像素组成：红色，绿色和蓝色[15]。图4（d）示出了LCD屏幕上的像素的RGB条排列[19]。从这三个子像素发射的光被加入以产生所需的颜色。

C. LCD亮度原理

由眼睛感知的透射TFT-LCD的亮度由背光强度和透射率两个参数决定。更具体地，亮度L为一个像素的价值 X（其可以是红色，绿色或蓝色）是其透光率的乘积t（x）和背光强度B[7]

L=B·t（x）=B_max·b·t（x） （2）

当Bmax是最大背光，x表示归一化像素值（8位色深，x=X/255），和bisin;0，1是背光因素，b=0代表无背光，b=1全背光。注意t（x）是从[0,1]到[0,1]范围的线性映射。等式（2）表示随着背光降低，透射率可以按比例放大以保持亮度。

D.透射率缩放

图像的亮度补偿通过透射率缩放来实现。假设像素值从...增加X 至 X“以补偿背光的减少。恒等变换函数[图.5（a）]结果如果Xrsquo;=x。透射率的缩放可以通过两种方式进行，每种导致不同的变换函数[5]。一种方式是将像素值增加亮度损失量1-b

t（x^rsquo;）=min（1，x 1-b）（3）

如图5（b）所示。另一方面是保持亮度L 并提高像素值

t（x^rsquo;）=min(1，x/b）（4）

如图5（c）所示。无论哪种方式，可以完全补偿的像素值的范围由背光因子确定b。在给定的背景光强度下，无论图像特性的差异如何，都将相同的变换函数应用于所有图像。过饱和像素被剪切，导致图像细节的丢失。这在图1中示出。6，其中较高强度区域由于具有更多的饱和像素而丢失更多的细节。Cheng等 [7]提出了截断高端的不同方法gu 和低端 gl的图像直方图，并将这两个边界内的像素拉伸到整个范围[0,1]，以保持对比度图.5（d）。像素按比例缩放

当

然而，这种像素截断会破坏高和低强度区域的细节。接下来描述改进的方法。

图4

1. LCD系统架构。（b）PDA的功耗与背光强度。（c）LCD作为电压控制的光开关[18]。（d）LCD的空间色彩合成。

图5

像素变换功能。（a）身份。（b）灰度偏移。（c）灰度传播。（d）单边灰度扩展

图6

通过灰度扩展的图像增强。（a）原始图像，平均像素强度= 151。（b）增强（a）低于50％背光的图像。（c）原始图像，平均像素强度= 27。（d）（c）低于50％背光的增强图像。

第三节.拟议算法

考虑到不考虑HVS的局部对比度特性，用于透射率缩放的现有变换函数被均匀地应用于图像的像素。结果，不管位置如何，具有相同强度的像素在变换之后的强度保持相等。这与HVS的局部对比度属性不一致，并且可能引入图像失真，特别是在具有剪切像素的区域中。

回想一下，我们的方法的目标是增强在给定背光强度下的图像，其由用户手动选择或由便携式设备自动确定。每个图像只能处理一次。相比之下，以前的方法尝试搜索产生令人满意的图像质量的正确的背光强度。在找到适当的背光强度水平之前，需要对每个图像进行多次处理。因此，这样的方法对图像操作的计算成本更敏感，并且引入局部图像操作会使问题恶化。需要一种新的方法。为了利用HVS的局部对比度特性，图像被分解成两层，即基本（低频）层和细节（高频）层，在我们的算法中通过对空间域中的图像进行低通滤波。基层包含平滑的图像，而细节层包含图像细节。双边滤波器已被用于图像分解[20]。然而，为了计算效率，代替使用简单的低通滤波器。分解的一个例子如图7所示。

图7

输入强度的二阶分解：（a）原始图像，（b）基底层和（c）细节层

图8

所提算法的流程图

在基层，我们确定变换函数（一个用于整个图像）来补偿背光的减少。当变换函数应用于图像时，像素被剪切。然而，与使用强力像素削波的以前的方法不同，我们的方法根据图像特性和给定的背光级别对像素进行剪辑，以最小化图像细节的损失。

在细节层，我们根据HVS的局部对比度特性提高图像的局部对比度。最终的图像是所得到的基层和细节层图像的叠加。所提出的算法的流程图如图8所示，并且该算法的细节在下文中描述。

A.亮度提取和分解

我们的算法的第一步提取亮度

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