基于cmmb电视手机的lcd显示背光功耗优化和实现硕士学位论文

申请上海交通大学工学硕士学位论文基于CMMB电视手机的LCD背光功耗优化和实现ADISSERTATIONSUBMITTEDTOSHANGHAIJIAOTONGUNIVERSITYFORMASTERDEGREEOFENGINEERINGIMPLEMENTATIONANDOPTIMIZATIONOFLCDLOWPOWERBACKLIGHTSCALINGBASEONCMMBTVMOBILEUNIVERSITYCODE10248AUTHORZHAOJINGXINSTUDENTID1080379191MENTOR1WANGGENGMENTOR2LIXIAFIELDSOFTWAREENGINEERINGDATEOFORALDEFENSESCHOOLOFSOFTWARESHANGHAIJIAOTONGUNIVERSITYAPR2011上海交通大学学位论文原创性声明本人郑重声明所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名日期年月日上海交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密。（请在以上方框内打“”）学位论文作者签名指导教师签名日期年月日日期年月日CMMB电视手机LCD背光功耗优化和实现摘要CMMB（CHINAMOBILEMULTIMEDIABROADCASTING）电视手机的电池续航能力不足，成为其发展的瓶颈。研究表明当前60以上手机使用的是TFTLCD（THINFILMTRANSISTORLIQUIDCRYSTALDISPLAY）显示屏，手机显示系统的功耗几乎占其整体功耗的50，是影响CMMB手机续航能力最主要因素。实验表明降低TFTLCD背光的亮度可以减少手机显示系统的功耗，从而节省CMMB手机播放电视节目时的功耗，但是如果降低LCD背光的亮度，图像显示质量就会受到严重的影响。论文主要研究在不影响CMMB数字电视播放图像质量的前提下，通过降低背光功耗，从而节省整机功耗，延长电池续航能力。论文提出一种新型的密度直方图（DENSITYHISTOGRAM）图像分析方法和基于密度直方图的动态背光控制算法，此算法避免图像播放显示时候出现的大面积像素饱和现象，保留图像显示的细节，使功耗降低和图像质量之间达到良好的平衡。论文采用GAMMA补偿方法来代替线性的亮度补偿方法，更好地还原图像显示质量，保证LCD背光亮度降低时CMMB数字电视播放的图像质量不会下降。论文主要开展以下工作（1）论文以基于SC6600V芯片的CMMB数字电视手机为研究对象，对CMMB手机编码过程及手机LCD显示系统进行研究。（2）在节省手机背光功耗方面，论文分析标准动态背光控制算法的不足，提出一种新型的密度直方图图像分析方法和基于该密度直方图的动态背光控制算法。（3）在图像显示增强技术方面，论文分析线性亮度补偿算法的不足，提出GAMMA补偿方法，增强图像显示质量。（4）针对论文研究的动态背光控制技术和图像增强技术，在SC6600V芯片上进行软硬件实现。并在GAMMA补偿方法的设计上，论文使用GAMMA查表和线性拟合相结合的方法来代替GAMMA曲线计算，从而节省LUT（LOOKUPTABLE）存储单元，减少的内存空间。（5）最后对动态背光控制和GAMMA补偿技术进行测试验证。测试结果表明在CMMB数字电视播放时功耗可节省30以上，证明论文所开展工作的正确性和实际应用价值。关键字CMMB电视，动态背光控制，密度直方图，GAMMA补偿DEVELOPMENTOFALCDLOWPOWERBACKLIGHTSCALINGFORCMMBMOBILEPHONEABSTRACTTHELACKOFCMMBCHINAMOBILEMULTIMEDIABROADCASTINGMOBILEPHONESBATTERYLIFE,HASBECAMEITSDEVELOPMENTBOTTLENECKRESEARCHESSHOWTHATMORETHAN60OFMOBILEPHONESUSETFTLCD（THINFILMTRANSISTORLIQUIDCRYSTALDISPLAY）INTHEIRDISPLAYSYSTEMSTHETFTLCDBACKLIGHTPOWERCONSUMPTIONACCOUNTSFORALMOSTHALFOFTHEWHOLE,ACTINGASTHEMAINCAUSELEADINGTOTHEHIGHPOWERCONSUMPTIONOFMOBILEPHONESBYLOWERINGTHEBRIGHTNESSOFTFTLCDBACKLIGHTTHUSREDUCINGTHEPOWERCONSUMPTIONOFMOBILEDISPLAYSYSTEMS,ITCANHIGHLYEXTENDTHEDURATIONOFBATTERYBUTTHATALSOEXERTSATREMENDOUSINFLUENCEONTHEDISPLAYQUALITYTHISPAPERISFOCUSINGONEXTENDINGTHEDURATIONOFBATTERYWITHCMMBMOBILEPHONESWHILEMAINTAININGTHEHIGHDISPLAYQUALITYBYREDUCINGTHEBACKLIGHTPOWERCONSUMPTIONAPPROPRIATELYANDEFFECTIVELYTHISPAPERPRESENTEDANEWTYPEOFDENSITYHISTOGRAMIMAGEANALYSISANDANEWDYNAMICBACKLIGHTCONTROLBASEDONTHATTHISNEWALGORITHMAVOIDINGTHEIMAGEDISTORTIONANDKEEPINGTHEDETAILSOFTHEIMAGEDISPLAY,MAKINGABETTERBALANCEBETWEENIMAGEQUALITYANDPOWERCONSUMPTIONASFORIMAGEDISPLAYENHANCEMENT,THEGAMMACOMPENSATIONTHEORYISAPPLIEDTOREPLACETHESTANDARDLINEARBRIGHTNESSTHEORY,WHICHMANAGESTOREDUCETHEBACKLIGHTOFLCDWITHOUTAFFECTINGTHEIMAGEQUALITYTHEDETAILSOFPAPERAREASFOLLOWS1THISPAPERANALYSEDTHEENCODINGPROCESSOFTHECMMBANDMOBILEPHONELCDDISPLAYSYSTEMONTHESC6600VCMMBMOBILEPHONE2COMPAREDWITHTHEDYNAMICBACKLIGHTCONTROLWHICHISROUTINELYADOPTEDTOREDUCEITSPOWERCONSUMPTION,THISPAPERPRESENTEDANEWTYPEOFDENSITYHISTOGRAMIMAGEANALYSISANDANEWDYNAMICBACKLIGHTCONTROLBASEDONTHAT3ASFORIMAGEDISPLAYENHANCEMENT,THEGAMMACOMPENSATIONTHEORYISAPPLIEDTOREPLACETHESTANDARDLINEARBRIGHTNESSTHEORY,WHICHMANAGESTOREDUCETHEBACKLIGHTOFLCDWITHOUTAFFECTINGTHEIMAGEQUALITY4EXPERIMENTSAREDESIGNEDBASEDONTHETHEORIESMENTIONEDABOVEFORSC6600VCHIPSINTHEDESIGNOFGAMMACOMPENSATION,THISPAPERPROPOSESAGAMMACORRECTIONMETHODBYCOMBININGLOOKUPTABLEANDSTRAIGHTLINEFITTINGTOREDUCETHELUTLOOKUPTABLE,SOTHATTOREDUCESIZEOFMEMORY5EXPERIMENTSAREDESIGNEDBASEDONTHETHEORIESMENTIONEDABOVEFORSC6600VCHIPSTESTSAREPRECISELYCONDUCTEDANDSTRICTLYCONTROLEDANDTHERESULTSSHOWTHATABOUT30POWERSAVINGWASACHIEDVEDWHENPLAYINGCMMBTV,HENCEITGREATLYEXTENDEDTHEBATTERYLIFEOFMOBILEPHONESALLTHATSERVESTOPROVETHEPRACTICALUSEOFTHISPAPERKEYWORDSCMMBTV,DYNAMICBACKLIGHTCONTROL,DENSITYHISTOGRAM,GAMMACOMPENSATION目录摘要VABSTRACTVI第一章绪论111研究背景与意义112目前存在的问题213国内外研究现状414研究内容与取得的成果5141论文的主要工作5142论文的关键技术6143论文取得的成果7144创新点715论文结构8第二章CMMB解码及手机显示系统研究921CMMB系统架构922CMMB编解码研究10221CMMB信源编码10222CMMB手机音视频解码1123TFTLCD显示原理1324手机显示系统功耗研究14241手机LCD显示系统研究14242手机LCD背光与功耗关系1525本章小结18第三章动态背光控制2031数字图像处理20311灰度直方图20312GAMMA校正2132动态背光控制25321标准亮度补偿算法25322图像失真分析26323亮度增益系数27324动态背光控制的流程2833动态背光控制技术优化29331标准亮度补偿技术存在的不足29332基于密度直方图的背光控制算法30333基于密度直方图的亮度增益系数32334基于密度直方图的图像失真分析34335基于密度直方图的背光控制流程34336背光控制算法比较3534图像增强技术36341GAMMA补偿与线性亮度补偿36342GAMMA补偿的图像增强技术3735本章小结40第四章动态背光控制的设计与实现4141CMMB解码芯片SC6600V4142SC6600V电视手机架构4243SC6600V芯片研究43431芯片架构43432芯片CMMB解码44433芯片VIDEO解码45434芯片LCDC架构4644动态背光控制的实现47441动态背光控制系统架构49442直方图统计模块设计51443动态背光等级计算模块设计55444GAMMA补偿模块设计5745本章小结63第五章动态背光控制测试与验证6451MATLAB模拟仿真64511模拟仿真环境64512模拟仿真结果6452实验仪器测试65521测试环境65522测试结果6753测试结论6854本章小结68第六章结论6961工作总结6962未来工作70参考文献71致谢75攻读硕士学位期间已发表或录用的学术论文76第一章绪论目前CMMB数字电视手机已经越来越普及，人们通过手机长时间观看CMMB电视节目，会给手机电池续航能力带来严峻的考验。如何延长电池的续航能力，节省数字电视播放的功耗，是当前迫切要解决的问题。论文主要研究CMMB数字电视播放时的功耗问题，对CMMB解码及手机的显示系统进行研究。分析目前国内外研究的现状，深入探讨动态背光亮度控制技术和图像增强技术，并对其进行优化，解决在不降低CMMB数字电视播放图像质量的前提下，节省CMMB数字电视播放功耗的核心问题，延长CMMB数字电视手机的电池续航能力。11研究背景与意义中国移动多媒体广播（CHINAMOBILEMULTIMEDIABROADCASTING）（简称CMMB）是我国自主研发的第一套面向手机、PDA、MP3、MP4等移动终端的数字电视广播标准1。2006年10月24日，国家广电总局正式颁布了中国移动多媒体广播（俗称手机电视）行业标准2。目前网络电视是采用网络实现数据双向传递的运行方式，随着信息量猛增会给网络承载带来巨大压力。CMMB是一种单向无线广播，无需占用网路带宽，所以CMMB和移动运营商就可以实现优势互补，目前CMMB与TDSCDMA实行捆绑，随着3G无线通信的快速发展，CMMB数字电视手机越来越普及。手机增加多媒体CMMB数字电视的功能，人们长时间点亮手机屏幕观看CMMB数字电视节目，享受娱乐的同时也严重缩短了CMMB手机的待机时间。待机时间的缩短，无疑让CMMB数字电视手机的推广大打折扣。目前电池技术的发展缓慢，严重落后于终端设备的发展，所以在CMMB数字电视日趋流行的今天，研究节省CMMB数字电视手机在播放电视节目时的功耗，延长手机待机时间具有相当大的意义。CMMB数字电视手机是嵌入式通信设备和数字视频播放器的组合，手机使用的是嵌入式RISCCPU和SDRAM（SYNCHRONOUSDYNAMICRANDOMACCESSMEMORY）作为内存系统，得益于当前CPU、内存系统的技术改进和发展，使得嵌入式设备待机功耗得以延长3。在过去的文献针对嵌入式设备的功耗研究中，节能技术的重点是减少CPU运算4，互联总线5和SDRAM内存系统6的功耗，这些软件和硬件技术已广泛被引入，以减少设备电源的消耗。但对于嵌入式设备的显示系统功耗的研究相对较少。研究表明当前60以上手机使用TFTLCD显示屏，TFTLCD本身不发光，需要背光源才能让图像显示。在手持嵌入式设备中，如果设备的TFTLCD显示屏关闭的时候，设备在待机状态或者运行某些程序时，功耗节省能达到非常好的效果，但只要显示屏被点亮，手持嵌入式设备的功耗马上提高。特别是视频播放的时候，如CMMB数字电视播放时手机显示系统的功耗几乎占其整体功耗的50，是影响CMMB手机续航能力最主要因素。随着目前手持嵌入式设备的液晶显示屏越来越大，消费者更倾向于购买大液晶屏的终端设备，因此嵌入式显示系统的功耗也越来越引起人们的关注。12目前存在的问题针对CMMB数字电视手机显示系统的研究，论文首先探讨目前手持嵌入式视频播放器的显示屏类型。目前市面上大部分的手机使用的是LCD液晶显示屏，而彩色LCD液晶显示屏，因为LCD的品质和研发技术不同而有所差异，其主要种类大致有TFT、TFD、UFB、STN、OLED、UFS、LTPS和CGS等等。和其它显示屏相比，TFTLCD的性能优良、大规模生产特性好、自动化程度高和原材料成本低廉，所以几乎60手机使用TFTLCD作为显示屏。论文研究重点是以TFTLCD作为显示屏的CMMB数字电视手机。根据DISPLAYSEARCH的QUARTERLYMOBILEPHONESHIPMENTANDFORECASTREPORT报告显示目前小屏幕LCD市场的占有率如图11所示，其中TFTLCD达592。市场占有率UFSUFBTFTOLEDASVCGSTFDCSTNFSTNGSTNSTN图11手机LCD液晶显示屏的市场占有率FIG11MARKETSHAREOFMOBILEPHONELCDTFTLCD每个液晶像素点都是由集成在像素点后面的薄膜晶体管来驱动，TFT从而可以做到高速度、高亮度和高对比度显示屏幕信息，是目前最好的LCD彩色显示设备之一，其效果接近CRT显示屏，是现在主流显示设备。但TFTLCD本身不发光，依靠背光源才能显示图像，其缺点是比较耗电。随着多媒体应用的迅速发展，针对手机的用户体验已经发生显著变化。特别是CMMB数字电视手机的诞生，手机用户更加注重的是手机的电视娱乐功能。这种发展趋势产生两种重大影响（1）设备的显示屏尺寸和分辨率不断提高，以满足用户对多媒体视频娱乐的需求。（2）手机在享受视频娱乐时，其LCD显示系统一直在工作状态。例如在观看CMMB数字电视节目时，必须保持LCD显示屏在点亮状态。以TFTLCD为例，TFTLCD自身是不能发光的，需要背光源才能让图像显示。目前常用的背光源是CCFL（COLDCATHODEFLUORESCENTLAMP，冷阴极荧光灯）和LED（LIGHTEMITTINGDIODE，发光二极管）。以CCFL背光源为例，在SMARTBADGE系统中，当系统运行和待机时，CCFL的功耗分别占其系统总功耗的286和507。以LED作为背光源，TFTLCD液晶显示屏的尺寸越来越大，使用的LED数量越多。例如QCIF大小的TFTLCD显示屏，背光源至少需要2颗LED。现在比较普遍的35寸WQVGA大小的TFTLCD液晶显示屏，背光源就需要6颗LED。背光LED数量不断增加，导致LED驱动功率越来越高。一个典型的35寸TFTLCD液晶屏的CMMB电视手机，需要6颗白光LED组成TFTLCD背光源，每颗LED驱动电压为35V，最大电流为20MA。当手机播放CMMB电视节目时，LED背光最大的功耗达到420MW，是一个耗电量很大的部件。手机系统总功耗一般为900MW，也就是说TFTLCD液晶显示屏中的LED背光消耗的功率占到系统总功率的50左右。如果考虑TFTLCD面板功耗及整个显示系统，包括控制电路和帧缓存（FRAMEBUFFER）等，那么手机显示系统的功耗占据手机系统总功耗的比重就更大。当前市场上大多数手机使用的是高性能的锂离子电池，电池一般容量为850MAH1500MAH。以容量为1500MAH锂电池为例，手机的工作电压为37V，对于35寸TFTLCD液晶屏的手机，在播放CMMB节目电视时系统总功耗约为900MW，那么手机只能连续播放6小时CMMB电视节目。如果播放CMMB数字电视的功耗不得到解决，会严重影响CMMB电视手机的推广和销售。所以对于CMMB数字电视手机，如何节省功耗是非常重要和关键。针对TFTLCD液晶显示屏，占功耗最大部分是LED背光源。如果降低LED背光源的功耗，可以延长电池使用寿命，特别对于CMMB数字电视手机而言，降低播放CMMB电视节目时的功耗具有重要影响。在播放CMMB电视节目的时候，通过简单的降低背光亮度，可以节省系统功耗。但是背光亮度降低后，显示图像的亮度都会受到影响，导致图像失真。如何不降低CMMB图像播放质量的基础上，通过有效降低背光功耗的方法来节省整机功耗，这是目前研究的难题。13国内外研究现状针对多媒体手机显示系统功耗问题，国内外分别从LCD液晶屏原材料和显示控制技术等两方面进行研究。对于LCD液晶屏原材料的研究，即开发一种可以代替TFTLCD更省电的LCD显示屏。近年来，有机发光显示屏（ORGANICLIGHTEMITTINGDISPLAY）（简称OLED），凭借其自发光、广视角、反应时间快、发光效率高、工作电压低、面板厚度薄、可制作大尺寸与可弯曲式面板等优先，使其越来越受到关注89。特别是AMOLED（ACTIVEMATRIX/ORGANICLIGHTEMITTINGDIODE）的研发出现，可以更有效降低嵌入式设备的显示系统功耗。目前联想的乐PHONE3GW100手机和三星的I8000手机等采用的是AMOLED显示屏。AMOLED是有源矩阵有机发光二极体面板，不管在画质、功耗及成本上，表现都比TFTLCD好很多。特别是AMOLED具自发光的特色，不需使用背光源，因此更省电。AMOLED耗电量大约仅有TFTLCD的60，但目前AMOLED最大的问题是产品的不良率，导致AMOLED价格比TFTLCD价格的高出50。这是目前AMOLED难以普及，难以代替TFTLCD的根本原因。在显示控制技术方面，目前更多的研究在调整显示屏的背光源上，因为背光源是最大的能量消耗者。这些技术包括（1）改善背光源的驱动电路，根据LED的连接方式进行串并交错放置，使得LED发光更有效10，从而节省背光功耗。但这种方法只是用于需要LED较多的大屏幕的LCD电视，不适用于LED只有36颗的小屏幕手机。改变LED连接方式，优化背光驱动电路，对改善手机整体功耗无法起到关键性的作用。（2）动态背光亮度调节（DYNAMICBACKLIGHTLUMINANCESCALING）（简称DLS），根据图像灰度直方图的信息，在降低图像显示的背光亮度后，采用亮度补偿、图像增强等技术对图像进行亮度补偿11。这种技术能降低整个显示系统的功耗，然而在图像失真度计算时，这种技术没有考虑亮度溢出点对失真度的影响，会严重造成图像色彩的饱和。（3）并行亮度和对比度调节（CONCURRENTBRIGHTNESSANDCONTRASTSCALING）（简称CBCS），通过调节背光亮度和亮度的补偿系数来保证图像对比度12。这种技术只针对静态显示的图像，不适用于图像连续播放变化的环境，所以不适用于CMMB数字电视手机。（4）图像质量自适应背光调节（QUALITYADAPTIVEBACKLIGHTSCALING）（简称QABS），根据图像的失真度动态调节背光13；HVSDBS（HUMANVISUALSYSTEMDYNAMICBACKLIGHTSCALING），根据人眼对图像对比度更为敏感，提出在低背光下提高图像对比度，来弥补背光降低带来图像显示质量的下降1415。这些技术没有考虑到图像像素亮度分布情况，如果亮度值较高的像素点分布过于集中，进行背光调节后，会造成图像部分区域像素的失真。而使用线性亮度补偿的方法，会导致亮度值较高的像素饱和，导致图像失真，丢失图像的细节。（5）HEBS（HISTOGRAMEQUALIZATIONFORBACKLIGHTSCALING）技术，使用灰度直方图均衡化的技术来调节背光亮度16。该技术以灰度直方图的均衡化为基础，从图像全局角度对灰度直方图进行调整。该技术没有考虑到图像像素的局部信息，进行背光调节后，会造成图像部分区域像素的失真。其它文献针对动态背光亮度调节与亮度补偿技术中，同样没有考虑到图像像素灰度分布的空间信息，亮度补偿后会导致图像局部的失真，丢失图像显示的细节，影响图像显示质量1721。综上所述针对显示系统功耗调节上，目前的研究存在以下不足之处（1）只调整背光，不补偿图像，从而导致图像显示较暗，显示图像的质量很差。因为不进行图像补偿，不能大幅降低背光亮度，节能的程度有限。（2）侧重于进行显示图像的全局分析，并对其进行背光亮度控制，不进行图像的局部或像素空间分布的分析，导致某些图像，进行背光亮度控制后，图像显示局部失真。（3）调整LCD背光亮度同时对图像进行亮度补偿，但会导致图像显示的失真，如丢失图像显示细节，导致图像显示质量下降。所以针对CMMB数字电视手机，研究一种高效的动态背光控制技术和图像增强技术，解决CMMB数字电视在播放电视节目过程中，在不影响电视图像显示的质量前提下，又能降低背光显示的功耗，有着重要的研究意义。14研究内容与取得的成果141论文的主要工作论文的主要工作包括（1）对我国自主研发的CMMB数字电视的编解码技术进行研究，探讨CMMB数字电视编解码原理及解码后数据处理和图像显示过程。针对这方面的研究目的为了分析CMMB数字电视解码后，如何对数据进行统计和计算，以便更好地进行数据显示，达到节省功耗和增强图像显示的效果。（2）对手机LCD显示系统进行整体研究。探讨TFTLCD显示原理和背光系统，研究手机LCD透光率，背光亮度及功耗的关系。针对这方面的研究目的是为了分析LCD背光与功耗的关系，以便研究有效的方案来降低手机背光亮度，从而节省手机整体的功耗。（3）对动态背光亮度调节技术和亮度补偿算法进行分析和研究。探讨标准的动态背光控制技术和亮度背光补偿算法不足之处，在此基础上研究和改进，提出一种新型的密度直方图图像分析方法和基于密度直方图的动态背光控制算法，此算法不但有效节省显示系统的功耗，而且不会造成图像大面积的饱和失真。（4）对图像增强技术的分析和研究。探讨线性的亮度增强技术不足之处，研究基于GAMMA补偿方法的图像增强技术。基于GAMMA补偿的图像增强技术，不但弥补了由于背光亮度降低带来的图像显示质量下降，而且增强图像的显示效果。（5）对CMMB数字电视芯片SC6600V进行分析和研究。针对芯片现有的架构、CMMB解码流程和LCDC显示的流程进行探讨，并在此芯片上进行软硬件设计，实现动态背光控制算法和GAMMA补偿图像增强技术。在设计方面，为了适应嵌入式芯片计算的特点，进一步对背光控制算法进行优化。在GAMMA补偿方法的设计上，论文使用GAMMA查表和线性拟合相结合的方法来代替GAMMA曲线计算，从而节省LUT存储单元，减少的内存空间。（6）对动态背光控制技术和GAMMA补偿技术进行测试和验证，验证论文所优化的算法和技术的可行性，证明论文所开展工作的正确性和实际应用价值。142论文的关键技术论文的关键技术包括（1）CMMB编解码技术CMMB采用具有自主知识产权的移动多媒体广播电视技术，移动多媒体广播系统涵盖了信源、复用、信道、卫星、扩展业务、终端等各方面的技术。信源压缩是主要包括视频压缩编码与音频压缩编码。视频压缩编码采用AVS（AUDIOVIDEOCODINGSTANDARD）标准和H264标准，音频压缩编码采用DRA（DIGITALRISEAUDIO）标准和AAC（ADVANCEDAUDIOCODING）标准。实际目前CMMB系统使用的是H264，但是标准同时支持H264和AVS。论文将会针对CMMB视频格式H264和AVS解码技术进行研究。（2）灰度直方图分析技术灰度直方图是图像像素亮度（灰度）值的函数，表示图像中具有每种亮度等级的像素的个数，反映图像中每种亮度出现的频率。灰度直方图是图像处理技术的基础。通过对图像的灰度直方图进行分析和统计，可以方便对图像亮度、对比度等进行处理和优化。论文中的动态背光亮度调节及GAMMA补偿等技术，都是基于图像灰度直方图的分析和统计。（3）动态背光亮度调节技术分析图像的灰度直方图，在降低显示屏的背光亮度后，采用亮度补偿、图像增强等技术对图像进行优化处理。动态背光亮度调节技术是本论文研究的重点，通过对动态背光亮度调节算法进行优化，能有效降低CMMB数字电视手机播放时候的功耗。（4）图像增强技术与GAMMA补偿图像增强技术，就是针对输入的图像进行调整，如增加亮度、增强对比度等，改善图像显示的视觉效果。在图像增强技术中，论文对输入图像的灰度值进行调整，让输出的灰度值达到某个设定的级别，改善图像的显示效果。GAMMA补偿是图像增强技术的一种。通过GAMMA补偿调整，不但能提高图像的亮度，而且能增强图像的显示效果。图像中高亮度的像素经过GAMMA补偿调节后不容易产生图像像素的饱和，保证图像显示质量。143论文取得的成果论文取得的成果包括（1）通过动态背光亮度调节算法的研究和分析，提出一种新型的密度直方图图像分析方法和基于密度直方图的动态背光控制算法，以降低CMMB数字电视播放时的背光功耗。（2）通过对图像增强技术的研究，使用GAMMA补偿来保持图像显示的质量而且增强图像显示的效果。（3）对GAMMA曲线计算方法进行优化，使用GAMMA查表和线性拟合相结合的方法来代替GAMMA曲线计算，从而节省LUT存储单元，减少的内存空间。（4）在CMMB数字电视解码芯片（SC6600V）原架构上进行软硬件设计，实现论文的研究成果。经过测试验证，在CMMB数字电视播放的时候，能够节省功耗30以上，验证论文所优化的算法和技术的可行性。144创新点论文的创新点包括（1）优化标准动态背光控制算法，提出一种新型的密度直方图图像分析方法和基于密度直方图的动态背光控制算法。动态背光亮度调节算法，侧重于进行显示图像的全局分析，如果图像灰度值较高的像素分布过于集中，进行背光调节后，会造成图像部分区域像素的失真。密度直方图分析的是灰度统计信息和灰度空间分布信息，可以更好地反映图像的灰度分布。相对于现有的动态背光调整方法，基于密度直方图的动态背光亮度调节算法在有效降低背光亮度的同时，可以更好地保证图像的显示效果。（2）GAMMA曲线计算方法改进。在GAMMA补偿方法的设计方面，使用GAMMA查表和线性拟合相结合的方法来代替GAMMA曲线计算，节省LUT存储单元，减少的内存空间。15论文结构论文剩余部分的结构组织如下第二章对CMMB数字电视进行研究及CMMB数字电视解码技术进行阐述。分析手机的LCD显示系统和结构，针对CMMB解码后的图像显示系统进行研究。第三章研究和分析动态背光控制技术，提出一种新型的密度直方图图像分析方法和基于密度直方图的动态背光控制算法，在图像增强技术方面，使用GAMMA补偿技术来代替线性的亮度补偿技术。第四章研究CMMB数字电视解码芯片SC6600V，阐述手机电视的整体架构，并基于此芯片上实现和优化动态背光亮度控制和GAMMA补偿技术。第五章对动态背光控制技术和图像补偿技术进行测试和验证。第六章对全文进行总结并展望本课题的未来工作。第二章CMMB解码及手机显示系统研究论文主要研究对象是CMMB数字电视手机，解决CMMB数字电视播放电视节目过程中，不但不影响电视图像显示的质量，而且能降低手机显示系统功耗的技术问题。要分析和解决这个问题，需要论文先对CMMB解码和手机的显示系统进行研究。本章主要分析CMMB系统架构，阐述CMMB复用技术和CMMB编解码技术，重点研究CMMB视频解码过程，对TFTLCD的显示原理及手机的显示系统进行分析，探讨手机LCD背光与功耗关系。为下一章节改进CMMB数字电视手机播放功耗奠定技术基础。21CMMB系统架构中国移动多媒体广播（CMMB）的主要特点22（1）可提供数字广播电视节目、综合信息和紧急广播服务，实现卫星传输与地面网络相结合的无缝协同覆盖，支持公共服务。（2）支持手机、PDA、MP3、MP4、数码相机、笔记本电脑以及在汽车、火车、轮船、飞机上的小型接收终端，接收视频、音频、数据等多媒体业务。（3）采用具有自主知识产权的移动多媒体广播电视技术，系统可运营、可维护、可管理，具备广播式、双向式服务功能，可根据运营要求逐步扩展。（4）支持中央和地方相结合的运营体系，具备加密授权控制管理体系，支持统一标准和统一运营，支持用户全国漫游。（5）系统安全可靠，具有安全防范能力，具有良好的可扩展性，能够适应移动多媒体广播电视技术和业务的发展要求。CMMB采用“天地一体”的技术体系，即利用大功率S波段卫星覆盖全国100国土、利用地面覆盖网络进行城市人口密集区域有效覆盖、利用双向回传通道实现交互，形成单向广播和双向互动相结合、中央和地方相结合的无缝覆盖的系统23。CMMB的总体构成如图21所示。在这个体系中包括卫星广播、地面广播、广播业务地面控制、移动终端、移动接入网。其核心技术采用的是STIMI（SATTELLITETERRESTRIALINTERACTIVEMULTISERVICEINFRASTRUCTURE）传输技术。在CMMB的系统构成中，CMMB信号主要由S波段卫星覆盖网络和U波段地面覆盖网络实现信号覆盖。S波段卫星网络广播信道用于直接接收，KU波段上行，S波段下行；分发信道用于地面增补转发接收，KU波段上行，KU波段下行，由地面增补网络转发器转为S波段发送到CMMB终端。为实现城市人口密集区域移动多媒体广播电视信号的有效覆盖，采用U波段地面无线发射构建城市U波段地面覆盖网络24。图21移动多媒体广播电视总体构成24FIG21ARCHITECTUREOFCMMBCMMB是数字电视技术的一种，采用先进的编码、压缩、调制等数字技术，专为7寸以下小尺寸屏幕便携接收终端提供广播电视节目服务，具有移动接收、高效省电等传统数字电视所不具备的技术特点。目前国外手机电视技术主要有美国的MEDIAFLO、欧洲的DVBH、韩国的TDMB等。和这些技术相比，CMMB图像清晰流畅、组网方便灵活、支持多种业务，具有自主知识产权，多项技术达到国际先进水平。从CMMB的架构和主要特点可以得知，CMMB是一种单向无线传播，无需占用网路带宽。而当前移动运营商流媒体模式是一种通过网络实现数据双向传递的运行方式，这种流媒体方式受到网络带宽的影响。新一代多媒体、影像传输、网络电视等信息量猛增使得带宽成为严重的瓶颈，给网络承载带来巨大压力。然而CMMB不存在这样的问题，是3G无线通信多媒体模式的必要补充。22CMMB编解码研究221CMMB信源编码CMMB信源编码系统采用低码率、高效率的音视频压缩编码，输出码流遵循RTP（REALTIMETRANSPORTPROTOCOL）协议，实现与复用系统的连接。音视频源音视频处理视频压缩音频压缩RTP封装复用图22CMMB音视频编码及逻辑框图25FIG22AUDIOANDVIDEOENCODEDIAGRAMOFCMMB如图22所示，信源压缩部分接收音视频源的数据，经过压缩编码处理输出到复用部分。信源压缩系统具备音视频预处理、视频压缩、音频压缩、RTP封装等功能。移动多媒体广播系统音视频业务分为电视广播业务和声音广播业务，移动多媒体广播系统信源视频、音频压缩编码标准选用为（1）电视广播业务中，视频压缩编码采用AVS标准、H264标准，音频压缩编码采用DRA标准、AAC标准。（2）声音广播业务中，音频压缩编码采用DRA标准25。222CMMB手机音视频解码CMMB数字电视手机其CMMB接收器包括CMMB射频调谐器（CMMBRFTUNER）、CMMB基带信号解调模块（CMMBDEMODULATOR）、CMMB解复用模块（CMMBDEMUX）、音频解码器（AUDIODECODER）和视频解码器（VIDEODECODER）。CMMBRFTUNERCMMBDEMODULATORCMMBDEMUXAUDIODECODERVIDEODECODERLCDCLCDSPEAKER图23CMMB终端音视频解码过程FIG23AUDIOANDVIDEODECODEDATAPATHOFCMMBCMMB射频调谐器，负责接收CMMB无线信号，并对信号选取放大。CMMB基带信号解调模块，负责对CMMB载波解调，在完成物理信道同步后，将得到的CMMB业务复用帧数据。CMMB解复用模块，负责对CMMB业务复用帧的解复用，将视频数据传送到视频解码器进行解码，将音频数据传送到音频解码器进行解码。音频解码器，负责对CMMB解复用后的音频数据进行解码。视频解码器，负责对CMMB解复用后的视频数据进行解码。CMMB终端音视频解码过程如图23所示。CMMB终端音视频解码过程首先天线将接收到的数字电视信号经过CMMB射频调谐器（CMMBRFTUNER）选取放大后送入CMMB基带信号解调模块（CMMBDEMODULATOR），CMMB基带信号解调模块将载波解调后，将数字信息送入CMMB解复用模块（CMMBDEMUX）。解复用模块对CMMB复用帧进行解复用后，将视频数据将送视频解码器进行解码，将音频数据送给音频解码器进行解码。音频解码器（AUDIODECODER）对音频进行解码，把解码后的音频数据输出给扬声器SPEAKER播放。视频解码器（VIDEODECODER）对视频进行解码，把解码后的视频数据送给LCD控制器（LCDCONTROLLER），LCD控制器把数据输出给LCD进行视频图像的显示播放。CMMB视频压缩标准是AVS和H264，所以CMMB数据经过解复用模块处理完毕后输出的视频数据为AVS或H264。H264和AVS视频编解码标准都是基于混合视频编解码框架，主要包含以下5个模块熵编码/熵解码、变换/反变换、量化/反量化、帧内预测、帧间预测和环路滤波。H264和AVS视频的解码过程就是从比特流中解出头信息，产生预测块，再通过熵解码得到的量化系数经反量化、反变换得到残差块相加后，再进行视频帧的补偿和重构。H264/AVS帧间预测使用基于块的运动矢量来消除图像间的冗余，帧内预测使用空间预测模式来消除图像内的冗余。这种利用了时间冗余和空间冗余进行编码的方式决定了解码过程通常由两条途径组成对预测视频块的解码和对编码残差块的解码。H264/AVS视频解码器与其它混合视频解码器有共同的特性，包括输入比特流的缓冲、熵解码、运动补偿预测、反扫描、反量化和反变换等2627。解码器结构如图24所示。熵解码反量化反变换帧内预测帧间预测帧存储器环路滤波显示输出图24视频解码流程FIG24VIDEODECODEDATAPATH解码分为几个层次，依次为图像头解码，帧层解码，宏块层解码，块解码，数据后处理等几部分组成。其具体解码过程如下首先对熵编码比特流进行分析和解码，经过熵解码得到图像数据，将得到的图像数据逆扫描得到量化系数，量化系数经过反量化和反变换得到残差系数，残差系数加上预测的结果得到重构数据，再经过环路滤波去块效应，最终得到YUV解码数据流。解码得到的YUV数据传送给手机LCDC模块进行处理和显示。23TFTLCD显示原理TFTLCD技术是微电子技术和LCD技术巧妙结合的高新技术。人们利用微电子精细加工技术和SI材料处理技术，来开发大面积玻璃板上生长SI材料和TFT平面阵列的工艺技术。TFTLCD即薄膜场效应晶体管LCD，是有源矩阵类型液晶显示屏中的一种。TFTLCD的主要特点是为每个像素配置一个半导体开关器件。由于每个像素都可以通过点脉冲直接控制。因此每个节点都相对独立，并可以进行连续控制。这样的设计方法不仅提高了显示屏的反应速度，同时也可以精确控制显示灰度，这就是TFT色彩较为逼真的原因。图25彩色TFTLCD模块的截面图28FIG25SETIONOFCOLORTFTLCDMODULE如图25所示，TFT液晶屏的基本结构为上下两片偏振膜中间夹住一层液晶。上层偏振膜贴上色彩滤光片，下层TFT基板上制作薄膜晶体管（TFT）。TFT的显示采用“背透式”照射方式，光源路径从下向上，由于液晶是不发光的，所以液晶的背部设置特殊背光源，光源照射时通过下偏振膜向上透出。液晶上下两个偏振膜的偏振方向是相互垂直的，当液晶两端没有施加电压时，光线会因为液晶将之旋转90度的极性，导致光无法透过液晶屏，此时看到液晶屏是暗黑的。当液晶两端施加一定的电压时，液晶分子就会产生扭转，使得透过下层偏振膜的光发生偏转，光的振动方向不完全垂直于上层的偏振膜，导致一部分光透过上层偏振膜，此时可以看到光亮。根据液晶两端施加不同的电压，透过光的强度不同，看到的亮度也不一样。上层偏振膜加上色彩滤光片，分别过滤红、蓝、绿三原色，则液晶可以显示色彩图像28。由于TFTLCD面板本身并不发光，因此需要背光源，液晶显示屏就必须加上一个背光板，来提供一个高亮度而且亮度分布均匀的光源。目前的常用背光源是CCFL和LED。（1）CCFL背光源冷阴极荧光灯管，CCFL通过气体放电现象采把电能转化为光能。冷阴极荧光灯管在玻璃管内封入惰性气体NEAR混合气体，其中含有微量水银蒸气，并于玻璃内壁涂布荧光体，在二电极间加上高压高频电场，则水银蒸气在此电场内被激发即产生释能发光效应，放出波长2537NM的紫外线光，而内壁的荧光体原子则因紫外线激发而提升其能阶，当原子返回原低能阶时放射出可见光。现在大部分面积较大的LCD显示屏（如LCD电视）都使用CCFL背光。（2）LED背光发光二极管，LED是利用半导体的PN然电致发光原理制成的一种半导体发光器件。LED背光是指用LED作为液晶显示屏的背光源。和传统的CCFL背光源相比，LED具有低功耗、低发热量、亮度高、寿命长等特点。目前市面上小屏幕的液晶屏，如手机、掌上电脑及多媒体移动设备使用的液晶屏，广泛采用白光LED作为背光。例如在手机液晶屏中，通常采用36颗白光LED作为背光源。而大型液晶屏，如笔记本、电脑显示屏、液晶电视等目前还大多采用CCFL作为背光。然而这种CCFL存在着缺点是亮度不够、寿命太短和含有水银等有害物质，所以目前CCFL背光正逐渐被LED背光所代替。论文研究对象是小屏幕（TFTLCD）的手机，以LED作为背光源的LCD显示系统。24手机显示系统功耗研究241手机LCD显示系统研究手机TFTLCD显示系统包括LCD控制器、LCD驱动器和LCD背光驱动器。论文以海信N51手机为例，研究手机LCD显示系统。海信N51手机，采用24英寸的26万色TFTLCD显示屏，分辨率达到主流的（240X320）QVGA水平。海信N51手机的LCD控制器集成在基带芯片SC8800S上，LCD液晶屏的驱动器为奕力科技公司的ILI9325LCD驱动芯片，而LCD背光驱动器使用的是ANALOGIC公司的AAT3155LED驱动芯片。LCD显示系统架构如图26。LEDHOSTMCULCDCONTROLLERLCDDRIVERLCDMODULELEDLEDLEDLEDDRIVER图26TFTLCD显示系统架构FIG26ARCHITECTUREOFDISPLAYSYSTEMLCD控制器（LCDC）主要通过控制显示的数据、命令和参数的传输来实现LCD的控制功能。从另一角度来说，LCD控制器在嵌入式系统中的功能如同显卡在计算机中所起到的作用。LCD控制器负责把显存中的LCD图形数据传输到LCD驱动器（LCDDRIVER）上，并产生必须的LCD控制信号，从而控制和完成图形的显示、翻转、叠加和缩放等一系列复杂的图形显示功能。LCD驱动器则只负责把CPU发送的图像数据在LCD显示出来，不会对图像做任何的处理。海信N51手机LCD显示系统中使用白光LED作为背光源，背光驱动器即LED驱动芯片（LEDDRIVER）主要负责对输出电流的控制，以控制LED发光的明亮度，即控制LCD背光的明亮度。242手机LCD背光与功耗关系（1）TFTLCD背光系统架构。海信N51手机的LCD背光驱动芯片，即LED驱动芯片使用的是ANALOGIC公司的AAT3155。AAT3155芯片的特点是单总线控制输出电流、16级输出电流可调、可作为24英寸的TFTLCD液晶屏的背光驱动芯片。AAT3155芯片链接4个白光LED作为TFTLCD面板的背光源。AAT3155芯片与LED的链接示意图如图27。图27AAT3155芯片与LED连接示意图29FIG27CHIPANDLEDCONNECTIONDIAGRAMANALOGIC公司的AAT3155LED驱动芯片可以控制16电流等级的设定，设定不同的电流等级，可以调节不同的背光明亮度。16等级的背光亮度，对应的输出电流设定如表格21。表格二1电流等级设定表29TABLE21CURRENTLEVELSETTINGTABLELEVELOUTPUTMA/CHLEVELOUTPUTMA/CH1005960020101070030501186041001210005280131200634014140074201517008500162000由表格21可以得知，背光亮度等级越高，需要的电流数越大。海信N51手机的背光单元，LED的电气规格参数如表格22。表格二2背光单元的电气规格参数表TABLE22ELECTRICALSPECIFIC