【正文】 原圖，右圖是經(jīng)過Gamma補(bǔ)償后（Gamma校正值為1/）的圖像。 圖36 . 調(diào)整Gamma值的圖像對比 Image contrast of gamma correction由圖36的對比中可以看出，通過Gamma補(bǔ)償可以提高圖像的亮度及顯示效果。 動態(tài)背光控制經(jīng)過第二章分析和闡述，得知手機(jī)顯示系統(tǒng)功耗中LED背光功耗是整個顯示系統(tǒng)中功耗最大的一部分，因此如何降低背光功耗，是整個低功耗設(shè)計的關(guān)鍵。LCD動態(tài)背光控制基本思想是通過動態(tài)降低背光電流來節(jié)省顯示系統(tǒng)的功耗。在實際使用過程中，如果手機(jī)LCD顯示屏背光亮度等級設(shè)置較高，在播放視頻文件時，當(dāng)視頻圖像內(nèi)容的場景比較漆黑的情況下（如夜景），LCD顯示屏?xí)新┕獾默F(xiàn)象，黑色背景顯得泛白。這時候可以適當(dāng)降低LCD顯示屏背光亮度等級，不但得到更好的影片播放顯示效果，而且還能節(jié)省功耗。同時可以通過圖像亮度補(bǔ)償技術(shù)，以彌補(bǔ)背光亮度降低帶來的圖像顯示質(zhì)量下降。 標(biāo)準(zhǔn)亮度補(bǔ)償算法LCD顯示屏的作用就像一個透鏡一樣，人眼感受到的色彩和亮度是背光通過屏幕透射之后到達(dá)人眼的部分。而屏幕的透射率是由屏上的各個像素的灰度值決定的，這些像素不僅決定了圖像的色彩，而且決定了圖像的亮度。由第二章分析得知，LCD顯示屏電流與各像素點的灰度成正比關(guān)系，所以像素點的光透過率由各像素點的灰度值（Y）決定，二者之間基本成簡單的線性關(guān)系。通過提高各像素點的灰度可以實現(xiàn)光透過率的增強(qiáng)。根據(jù)公式(21)得到，在降低背光亮度B的同時主動提高LCD屏的光透過率，以保證顯示亮度（L）基本不變。從直觀上說，就是通過提高像素的灰度值補(bǔ)償了背光亮度降低帶來的亮度失真問題。例如在允許范圍內(nèi)把背光降低為B/k，k為像素亮度增益系數(shù)，可以通過提高透光率值為t(i)*k來達(dá)到相同的顯示效果。其透光率越高，亮度越高。可以用公式(33)表達(dá)。L (i) = (33) 由于光透過率和像素灰度值（Y）之間存在簡單的線性關(guān)系，即t(i)=a*()，其中a為常數(shù)。所以當(dāng)透光率值提升k倍時，像素i 的灰度值（Y）也提升k倍，即公式(34)。 T(i) = k*t(i) = k*a*() = a *()′ (34)T(i)為透光率提高k倍后，最終得到的透光率值。 灰度值Y取值范圍是0~255，所以()′ =255，最后得到T(i)是一個分段函數(shù)，數(shù)學(xué)表達(dá)式如公式(35)所示。T(i) = (35)綜上所述，動態(tài)亮度調(diào)節(jié)是通過調(diào)節(jié)圖像中每個像素的Y值（灰度值），從而提升LCD顯示屏的透射率，進(jìn)而補(bǔ)償LCD背光降低所帶來的亮度損失，在保證圖像顯示質(zhì)量的同時，達(dá)到降功耗的目的。提高像素Y的值，降低背光亮度B，而背光亮度等級與背光電流成正比，通過動態(tài)調(diào)節(jié)背光芯片的輸出電流，進(jìn)而調(diào)節(jié)背光的亮度B。所以背光亮度補(bǔ)償算法帶來的效益是減小背光的電流，從而降低背光的功耗。 圖像失真分析根據(jù)公式(34)可以得知LCD 顯示屏的亮度與圖像的灰度值Y是線性關(guān)系。由于灰度值Y范圍是0~255，為了計算方便，論文在分析數(shù)據(jù)時把用戶感受的LCD的顯示亮度L及LCD實際背光亮度B同樣定義為256個等級。如果僅將LCD背光亮度B降低為1/k，而不對輸入圖像做任何變換，則輸出圖像整體顯示亮度L降低了1/k，如圖37中陰影部分面積可作為圖像顯示效果降低的度量。圖37. 圖像顯示效果度量1 The effect of image 1為了影響圖像顯示的效果，如果背光亮度降低為B/k，可以通過提高像素的灰度值為*k來達(dá)到相同的顯示效果。如圖38，為了縮小圖37中陰影部分的面積，可以首先增強(qiáng)輸入圖像的灰度值（如圖38中綠線所示），在LCD背光亮度B降低1/k之后，其整體變換函數(shù)可由圖38中紅線表示。由圖38可見，陰影部分面積比圖37減小。圖38. 圖像顯示效果度量2 The effect of image 2但是由于灰度值有其飽和范圍（范圍是0~255），*k操作會造成某些像素點達(dá)到飽和（輸入圖像中灰度值在255/k和255之間的像素達(dá)到飽和）。所以需要統(tǒng)計飽和像素點的總數(shù)達(dá)到某一事先設(shè)定的閾值時相應(yīng)的k值，那么LCD顯示屏背光亮度值為B/k 。 亮度增益系數(shù)根據(jù)公式(34)，透過率增強(qiáng)k倍，也就是將圖像各像素點的灰度值提高k倍，當(dāng)增益系數(shù)k過大時，灰度直方圖的高階部分就會超出色彩灰度允許的最大（=255），從而發(fā)生色彩溢出，影響圖像的顯示效果。定義圖像某一點的灰度等級變量為（取值范圍是0~255），各級灰度對應(yīng)的像素點數(shù)目為，產(chǎn)生溢出的閾值灰度項的表達(dá)式如公式(36)。 = (36)定義失真的率為T，T表達(dá)式如公式(37)。T = = (37)定義圖像總的像素點數(shù)為C ，實際上C的值就是圖像的像素總數(shù)，在計算得到圖像的灰度直方圖信息后，針對灰度值Y的項，由高往低進(jìn)行累加，當(dāng)?shù)谝淮蔚暮痛笥贑*T，該項就是所需值[38]。根據(jù)公式(36)可以得到亮度增益系數(shù)k的公式(38)。k = (38)一般來說，5%以下的失真率對圖像質(zhì)量的影響較小，比較容易地被人接受。 動態(tài)背光控制的流程在視頻播放的時候，使用標(biāo)準(zhǔn)的背光控制實現(xiàn)的流程如圖39所示。圖39. 標(biāo)準(zhǔn)背光控制的流程 Standardbacklightcontrol algorithm datapath 在視頻播放的時候從視頻幀緩存中獲取圖像幀，對圖像進(jìn)行掃描并建立灰度直方圖Hi，SH是對進(jìn)行累加計算，當(dāng)SH小于閥值T1（T1 = C*T）時，繼續(xù)對SH進(jìn)行累加。當(dāng)SH大于閥值T時，即求出（= P）。對LCD顯示的亮度等級進(jìn)行降低，調(diào)節(jié)為L*P/255。對輸出圖像的灰度值做線性變化，提高像素的灰度值為Y = Y*255/P，從而可以補(bǔ)償由于背光亮度降低而導(dǎo)致的圖像亮度損失，最后由LCD進(jìn)行圖像的顯示。由于LCD背光亮度的調(diào)節(jié)和灰度值的調(diào)節(jié)幾乎同時進(jìn)行，人眼幾乎感受不到畫面的變化。通過動態(tài)的對圖像進(jìn)行背光亮度調(diào)節(jié)，背光的功耗就會明顯降低。 動態(tài)背光控制技術(shù)優(yōu)化 標(biāo)準(zhǔn)亮度補(bǔ)償技術(shù)存在的不足LCD背光動態(tài)調(diào)整流程可以歸納為：動態(tài)分析圖像的特征，在保證對圖像顯示質(zhì)量的破壞低于設(shè)定的閾值的情況下，盡量降低背光亮度，從而降低LCD系統(tǒng)的功耗?，F(xiàn)有的背光動態(tài)調(diào)整方法基本上都是基于圖像的灰度直方圖，主要是計算飽和像素點的數(shù)目來度量背光亮度降低對顯示效果的影響。但是直方圖不含任何空間信息，無法很好地度量飽和像素點對圖像整體顯示效果的影響。論文分別對圖像Grandma和圖像Tempete兩張灰色圖說明標(biāo)準(zhǔn)動態(tài)背光控制算法的不足之處。A 圖310. 圖像Grandma及其最亮的1%像素 Grandma image and its 1% brightest pixel B 圖311. 圖像Tempete及其最亮的1%像素 Tempete image and its 1% brightest pixel圖A（圖310中的左圖）和圖B（圖311中的左圖），觀察兩幅圖像中最亮的1%的像素點空間分布。由于在圖A中最亮點的分布比較密集（見圖310中的右圖），而在圖B中最亮點的分布比較分散（見圖311的右圖），所以在標(biāo)準(zhǔn)的亮度背光調(diào)節(jié)算法中，如果同樣使這些像素點達(dá)到飽和，對人眼的直觀感受而言，變換后圖A頭像的頭發(fā)處，大面積像素達(dá)到飽和，非常容易感覺出圖像的失真；而圖B，飽和的像素分散，不容易感覺出圖像的失真。所以變換對圖A的顯示效果的影響要比對圖B的影響大，但是傳統(tǒng)灰度直方圖無法區(qū)分這兩種情況。 基于密度直方圖的背光控制算法論文提出基于空間的圖像灰度信息統(tǒng)計方法，定義為密度直方圖（Density Histogram）。該圖像分析方法結(jié)合了灰度統(tǒng)計信息和灰度空間分布信息，可以更好地反映圖像的灰度分布。相對于現(xiàn)有的動態(tài)背光調(diào)整方法，本方法能有效降低背光亮度的同時，可以更好地保證圖像的顯示效果。圖312. 密度直方圖 1 Density Histogram 1定義圖像灰度值Y（Y取值范圍在0~255），每一個對應(yīng)一個頁。將輸入圖像分為m*n個block區(qū)域，定義密度直方圖DH (v, i, j)為一個大小為256*m*m的三維直方圖（i，j表示圖像中具體的像素點P(i，j)），如圖312所示。在生成密度直方圖時，掃描圖像中的所有像素點，根據(jù)該點的灰度值判斷其應(yīng)落在密度直方圖中的哪一“頁”中。然后根據(jù)該點的行列坐標(biāo)判斷其應(yīng)落在該頁中的哪一個block中，則將該block的值加1。如DH (v, i, j) 表示輸入圖像中灰度值為v，坐標(biāo)位置落在block (i, j)中的像素點的總數(shù)。如上定義的密度直方圖可用于方便的統(tǒng)計輸入圖像的灰度像素分布和各灰度像素點的空間分布信息。統(tǒng)計方法如下：（1）分別將各頁中所有block的值求和即可得到傳統(tǒng)的灰度直方圖信息。數(shù)學(xué)表達(dá)式如公式(39)。 = (39)（2）將第x頁取出即可得到灰度值為x的像素點在圖像中的空間分布信息。（3）將某頁中各block的值（）除以block的大小（）即可得到該灰度的像素點在該圖像區(qū)域中的密度（DH）。DH表達(dá)式如公式(310)。DH = / (310)其中block的大?。ǎ┑谋磉_(dá)式如公式(311)。 = (311)公式(311)中= 255，也可以表示為：=(W*H)/(m*n)，其中W表示圖像的寬度，H表示圖像的高度，M*N表示把圖標(biāo)分割成m*n個Block。（4）將從到255的所有頁累計疊加，即，就可以得到灰度值大于等于的所有像素點的空間分布信息。如圖313所示。圖313. 密度直方圖2 Density Histogram 2根據(jù)密度直方圖計算公式，可以計算圖像灰度值大于等于的密度值。圖314. Grandma圖片及密度直方圖統(tǒng)計 Grandma image and its accumulated desity histogram圖315. Tempete圖片及密度直方圖統(tǒng)計 Temple image and its accumulated density histogram圖314 Grandma圖片累計亮度1%的灰度值，累計計算最大密度的block其密度值大于40%。圖315Tempete圖片累計亮度1%的灰度值，累計計算最大密度的block其密度值約為10%。由圖314和圖315的計算結(jié)果得知，Grandma圖片的累計亮度1%的灰度值，其密度最大的Block的密度值比Tempete圖片大4倍。常規(guī)的亮度補(bǔ)償變換對圖Grandma的顯示效果的影響要比對圖Tempete的影響大。 基于密度直方圖的亮度增益系數(shù)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的亮度補(bǔ)償算法中，亮度增益系數(shù)k過大時，直方圖的高階部分就會超出色彩灰度允許的最大（=255），發(fā)生色彩溢出，影響圖像的顯示效果。定義圖像灰度值Y（Y取值范圍在0~255），每一個對應(yīng)一個頁 ，亮度增益系數(shù)k。產(chǎn)生失真的Block密度頁表達(dá)式如公式(312)。 = (312)定義失真的率為，表達(dá)式如公式(313)。 = = (313)例如把QVGA 的圖像劃分為8*8個Block，那么Block總的像素點數(shù)為(320*240)/(8*8)。一般來說，20%左右的失真率對圖像質(zhì)量的影響較小，比較容易地被人接受。定義圖像總的像素點數(shù)為 ，那么根據(jù)公式(313)可以得到公式(314)。 = * (314)由公式(314)，當(dāng)Block值B 的時，* ，當(dāng)Block值B 的時，* ，因此得到Block密度頁的軟件計算方法。計算時得到圖像的密度直方圖信息后，頁的值，由高往低累加，當(dāng)?shù)谝淮蔚暮痛笥?，該項就是所需值。根據(jù)公式(312)可以得到亮度增益系數(shù)k的公式(315)。k = (315)密度直方圖的動態(tài)背光控制技術(shù)是基于標(biāo)準(zhǔn)動態(tài)背光控制基礎(chǔ)上的，在實際應(yīng)用的時候，同時計算標(biāo)準(zhǔn)直方圖產(chǎn)生溢出的和密度直方圖產(chǎn)生溢出的，由于每一個對應(yīng)一個頁，所以=。產(chǎn)生溢出的′取值與的最小值，即′ =Min（,）以保證當(dāng)輸出的k*′，兩者均不發(fā)生溢出。亮度調(diào)節(jié)增益系數(shù)k的數(shù)學(xué)表達(dá)式如公式(316)。k = (316) 基于密度直方圖的圖像失真分析定義標(biāo)準(zhǔn)亮度補(bǔ)償算法計算的亮度增益系數(shù)為，基于密度直方圖的亮度補(bǔ)償算法計算的亮度增益系數(shù)為，根據(jù)公式（38）與公式（316），可以得出。由亮度補(bǔ)償算法的失真分析圖可知（圖38中，陰影部分就是圖像失真的部分），當(dāng)K(1k255)越小，陰影部分面積越小，圖像失真率越小。基于密度直方圖的動態(tài)背光控制算法，圖像的失真率比標(biāo)準(zhǔn)算法低，保證圖像的顯示效果。所以基于密度直方圖的亮度補(bǔ)償算法計算，可以保證較少的像素色彩飽和現(xiàn)象，更好地保證圖像的顯示效果，雖然背光功耗節(jié)省百分比會等于或小于標(biāo)準(zhǔn)的動態(tài)背光算法。 基于密度直方圖的背光控制流程在視頻播放的時候，使用改進(jìn)后的基于密度直方圖的動態(tài)背光亮度算法實現(xiàn)的流程如圖316所示。圖3 Datapath of backlightcontrol algorithm base on density histogram在視頻播放的時候從視頻幀緩存中獲取圖像幀，對圖像進(jìn)行掃描并建立密度直方圖DH，SH是對（SH就是標(biāo)準(zhǔn)灰度直方圖）進(jìn)行累加計算，SDH是對進(jìn)行累加計算，當(dāng)SH小于閥值T1（T1 = C*T）與SDH小于閥值T2（T2 =*）同時成立，繼續(xù)對SH與SDH進(jìn)行累加。當(dāng)SH大于閥值T1或者SDH大于閥值T2時，即求出。對LCD顯示的亮度進(jìn)行降低，調(diào)節(jié)為L*V/255。對輸出圖像的灰度值做線性變化，提高亮度為Y = Y*255/V，從而可補(bǔ)償由于背光亮度減弱而導(dǎo)致的亮度損失，最后由LCD進(jìn)行圖像的顯示。 背光控制算法比較基于密度直方圖的亮度補(bǔ)償算法，圖像失真度小于或等于標(biāo)準(zhǔn)的動態(tài)背光算法，但背光功耗節(jié)省