現(xiàn)在大街上隨處可見的LED顯示屏，還有裝飾用的LED彩燈以及LED車燈，處處可見LED燈的身影，LED已經(jīng)融入到生活中的每一個角落。節(jié)能環(huán)保技術是當前世界所關注的焦點，在液晶顯示模組中，背光源的功耗最高可占總功耗的50%以上。尤其在10in以下顯示產(chǎn)品如手機、PDA、MP3等便攜式設備中，基本采用電池供電，功耗問題尤為突出。

為有效降低液晶顯示器背光源的亮度，以達到節(jié)電目的，本文在ARM開發(fā)平臺上實現(xiàn)了一種基于直方圖變換的背光源調光方法，實驗證明，本文提出的方法在失真度為5%的情況下可實現(xiàn)背光節(jié)電約35%。

1背光源調光方案

以TFT液晶面板結構為例，包括背光、偏光片、液晶陣列、彩色濾光片等部分，人眼所感知的顯示圖像為上述各部分的綜合效果。假設背光亮度歸一化后設為b(為[0,1]區(qū)間實數(shù))，0對應于背光關閉情況，1對應于背光發(fā)光亮度最大情況。若光源為LED,則b的調節(jié)可包括電流脈寬調制、電流幅度調節(jié)等方法。

假設以圖像為8bit灰度圖進行討論，f(x,y)表示圖像中某點(x,y)的灰度值，x、y為該點坐標。則該點位置的液晶透過率可表示為：

t(x,y)=f(x,y)/255(1)

該圖像點可被觀測到的亮度L(x,y)為背光源發(fā)光和液晶透過率的綜合效果，可表示為背光亮度b和液晶透過率t(x,y)的近似線性組合：

L(x,y)=b·t(x,y)=b·f(x,y)/255(2)

根據(jù)視覺光效一致性的要求，必須尋找一種方法使像素灰度值在增大(以補償背光b變小)的時候盡量不飽和。為達到這個目的，本文首先將圖像灰度值范圍先限制在一定區(qū)間，然后再對直方圖進行拉伸，以實現(xiàn)像素灰度值的增大。圖像直方圖由門限fgl和fgh進行裁剪，使圖像中的某些點被鉗位于fgl和fgh,該圖像的灰度區(qū)間限制于[fgl,fgh],背光源調光問題轉化為這幅直方圖經(jīng)過裁剪的圖像應當如何進行調整，使得它的背光能盡量降低亮度。

顯然對固定的失真度，fgl和fgh可以有多種取值，這里取值方式應滿足公式(3)：

min(fgh-fgl)(3)

這樣處理的目的是將圖像灰度區(qū)間限制在一個最小范圍內。

公式(3)實現(xiàn)后，下一步對直方圖進行線性搬移，使灰度整體向暗區(qū)域移動fgl.這樣圖像灰度區(qū)域由[0,255]區(qū)間內的原分布，被壓縮在[0,fgh-fgl]區(qū)間。

假設背光變暗，此時應對圖像進行灰度拉伸，以彌補背光導致的亮度損失。若采取線性拉伸方法，顯然拉伸的最大倍數(shù)為255/(fgh-fgl)，此時像素灰度不會飽和，則背光亮度可由1降低為(fgh-fgl)/255.根據(jù)公式(2)，經(jīng)過處理后的圖像在背光調節(jié)前后視覺效果不變。

2硬件和軟件實現(xiàn)方案

本實驗采用mini2440開發(fā)板進行驗證，mini2440是一款低價實用的ARM9開發(fā)板，處理器為三星S3C2440(ARM920T,最高主頻可達532MHz)。液晶屏支持黑白、4級灰度、16級灰度、256色、4,096色STN液晶顯示，尺寸從3.5~12.1in,屏幕分辨率可以達到1,024×768像素，實驗采用了3.5in　LED背光TFT液晶屏。

實驗中根據(jù)圖像算法計算圖像的灰度值，通過對顯示圖像的直方圖進行裁剪，使之限定在一定范圍內，其后進行直方圖拉伸，再由計算公式(fgh-fgl)/255計算出背光源的顯示亮度，并控制背光源脈寬調制輸出脈沖的占空比，實現(xiàn)背光源LED的亮度調節(jié)。硬件框圖如圖1所示。

2.1 LED背光源驅動設計

設計采用恒流型LED驅動，輸出電流穩(wěn)定，保證了背光LED的亮度恒定，方便通過更改相關的外圍電阻來確定輸出電流的大小，并具有高靈敏度的開關控制功能，能實現(xiàn)通過PWM來控制LED的亮度。

AMC7140是大功率的LED恒流驅動芯片，寬電壓輸入DC范圍為5~50V,輸出電流最大達700mA,適合驅動1W、3W、5W的LED燈，TO-252-5L封裝，帶PWMCONTROL端(OE引腳)。如圖2所示是AMC7140的引腳圖，其中引腳1是電源輸入;引腳2是輸出電流的控制端，通過一個高精度的電阻Rset接地實現(xiàn)對電流的控制，電流Iset=1.2V/Rset,輸出電流Iout=500×Iset;引腳3接地;引腳4是PWM控制端，高電平有效;引腳5是輸出端。AMC7140的應用電路如圖3所示。

2.2基于S3C2440的PWM控制的實現(xiàn)

S3C2440有5個16bit定時器。定時器0、1、2、3有脈寬調制功能(PWM);定時器4是內部定時器，沒有輸出引腳;定時器0有死區(qū)發(fā)生器，常用于大電流設備中;定時器0、1共用一個8bit預脈沖分頻器，定時器2、3、4共用另外一個。每個定時器都有一個時鐘分頻器，它可以產(chǎn)生5種分頻信號(1/2、1/4、1/8、1/16和TCLK)。每個定時器模塊從自己的時鐘分頻器獲取時鐘信號，時鐘分頻器從相應的8bit預脈沖分頻器中獲取時鐘。

這個8bit預脈沖分頻器是可編程的，并依據(jù)TCFG0和TCFG1寄存器中的值對PCLK進行分頻。定時器被使能之后，定時器計數(shù)緩沖寄存器(TCNTBn)中的初始值就被加載到遞減計數(shù)器中，定時器比較緩沖寄存器(TCMPBn)中的初始值就被加載到比較寄存器中，以便與遞減計數(shù)器的值進行比較。這種TCNTBn和TCMPBn的雙緩沖特點使得定時器在頻率和占空比變化時輸出的信號更加穩(wěn)定。每個定時器都有一個自己的時鐘驅動的16bit遞減計數(shù)器，當計數(shù)器減到0時，產(chǎn)生一個定時器中斷請求，以通知CPU定時器操作完成，同時定時器計數(shù)緩沖寄存器的值被再次自動加載到遞減計數(shù)器繼續(xù)下次操作。然而，如果在正常模式下清除定時器TCONn的使能位，TCNTBn的值將不再加載進計數(shù)器，TCNTBn的值常用于PWM。當遞減計數(shù)器的值等于比較寄存器的值，定時器控制邏輯改變輸出電平，因此，比較寄存器決定了PWM輸出的開啟和關閉。

設置一個定時器，首先初始化TCNTBn和TCMPBn,在初始化定時器時，主要設定以下幾個寄存器(以定時器0為例)：

定時器輸出時鐘頻率=PCLK/(prescaler value+1)/(divider value)

TCFG0寄存器設置：TCFG0=99;//prescaler value="99"

TCFG1寄存器設置：TCFG1=0x03;//divider value="1/16"

這樣，當PCLK=400M時，定時器輸出頻率為6.25M.

定時器初值的設置包括：

TCNTB0寄存器設置：TCNTB0=62500;//裝入初值1s中斷一次

TCMPB0寄存器設置：TCMPB0=rTCNTB0》1;//50%

接著就可以啟動定時器，第一次必須手動裝載：TCON=1《1;

裝載后，改為自動裝載，并啟動定時器：TCON=0x09.

2.3基于S3C2440的圖像算法設計

S3C2440芯片內部集成了LCD控制器，用來向LCD傳輸圖像數(shù)據(jù)，并提供必要的控制信號，比如VFRAME、VLINE、VCLK、VM等，可以支持STNLCD和TFTLCD.mini2440采用3.5in(分辨率為240×320像素)的TFT液晶顯示屏，配置為常用的16BPP(5:6:5)模式。要顯示圖像，只要向LCD_BUFFER寫入像素數(shù)據(jù)(R(5)：G(6)：B(5))，LCD控制器就會自動通過DMA讀取數(shù)據(jù)送往TFTLCD顯示。

圖像算法是基于圖像直方圖進行數(shù)據(jù)變換的，所以，首先應編寫子程序并先計算形成顯示圖像的灰度直方圖，算法如下所示(其中bmp為原始的灰度圖像，bmp_2為灰度值數(shù)組)：

for(y=0;y<320;y++)

{for(x=0;x<240;x++)

{bmp_2[bmp[p]]++;

p=p+1;

}

}

假設取5%的失真度，那么需要變換的像素點數(shù)量為240×320×5%=3,840點，然后根據(jù)上述算法原理采用逐點計算的方法使fgl從灰度0開始分別計算出對應的(fgh-fgl)，最后比較求出min(fgh-fgl)。

下一步對直方圖進行線性搬移，使灰度整體向暗區(qū)域移動fgl,這樣圖像灰度區(qū)域由[0,255]區(qū)間內的原分布，被壓縮在[0,fgh-fgl]區(qū)間。接下來應對圖像進行灰度拉伸，以彌補背光導致的亮度損失。若采取線性拉伸方法，顯然拉伸的最大倍數(shù)為255/(fgh-fgl)。算法如下所示(其中bmp為原始的灰度圖像，bmp_new為更新圖像，min=min(fgh-fgl))：

for(y=0;y<320;y++)

{for(x=0;x<240;x++)

{if(bmp[p]>=fgl)

bmp_new[p]=(bmp[p]-fgl)*255/min;

else

bmp_new[p]=0;

p++;

}

}

此時像素灰度不會飽和，則背光亮度可由1降低為(fgh-fgl)/255,由LED驅動電路通過PWM實現(xiàn)相應亮度的控制。

3實驗結果

如圖4所示為測試圖像，圖4(a)為原始圖像，圖4(b)、(c)、(d)為采用直方圖裁剪與拉伸算法的試驗結果圖。

測試圖4(b)的失真度為5%,節(jié)能比例為35%;測試圖4(c)的失真度為10%,節(jié)能比例為55%;測試圖4(d)的失真度為20%,節(jié)能比例為67%.由實驗結果可知，在一定的失真度下，顯然直方圖裁剪的灰度范圍越小，背光亮度可降低的幅度越大。原始測試圖像與經(jīng)過直方圖裁剪和拉伸的圖像相比，在失真度5%的約束下，由于圖像進行了直方圖搬移，整體亮度有所變化，總的來說圖像質量沒有明顯損失。

雖然LED在生活中處處可見，但是LED也還有一些不足需要我們的設計人員擁有更加專業(yè)的知識儲備，這樣才能設計出更加符合生活所需的產(chǎn)品。本文提出了基于視覺特性的液晶顯示器背光源節(jié)電調光方法，建立了直方圖裁剪和拉伸的處理框架，并在此基礎上利用ARM平臺加以驗證，證明本文的方法在失真度為5%的情況下可實現(xiàn)約35%的背光節(jié)電效果，且圖像質量沒有明顯損失。