自适应增强算法解决显示系统设计中功耗问题

可以向用户提供互联网访问的低成本设备市场正在兴起，这种设备能够完成网络浏览、电子邮件、媒体文件下载、视频和移动电视、游戏和社交网络等功能。然而，为了迎合主流用户的需要，这些移动互联网设备和上网本必须提供像笔记本电脑一样的用户体验，而且需要具有更长的电池寿命。在保持高可视质量的同时满足成本和电池寿命约束条件对设计人员来说是一个艰巨的挑战，不过利用合适的显示子系统架构可以从容应对这一挑战。

个人电脑（PC）的主要消费用途之一是访问互联网以获取内容和通信功能。然而，许多消费者希望PC更便宜更简单，甚至比笔记本电脑更具便携性，同时仍能提供对丰富的互联网内容的快速无线访问。这些期望为那些制造传统意义上的笔记本和智能手机的公司带来了新的市场机会：移动互联网设备（MID）和上网本。

这种机会在目前经济低迷时期是一个很大的亮点。尽管经济还不景气，但对MID和上网本的需求正在不断上升。对实时信息、通信和娱乐需求永无止境的移动社会是驱动这种需求上升的一个主要因素。另一个因素是无线服务提供商能够通过宽带服务形成新的收入来源。正如蜂窝电话市场中发生的那样，服务提供商正在推进MID和上网本产品与数据服务计划的捆绑，鼓动用户签订更高价格的合约和额外服务。这两方面共同抬高了一个重要度量：每用户平均收入（ARPU）。

尽管MID和上网本仍然是新兴市场，但许多设计要求已经迅速变得清晰起来。其中一个重要特征是MID和上网本是低成本设备，理想的零售价应分别在300美元和500美元以下。另外一个重要特征是这些设备的电池使用时间必须明显长于传统的便携式电脑，一天以上的电池寿命是最低要求。MID和上网本还必须比膝上电脑或笔记本电脑更紧凑重量也更轻，并具有出色的显示分辨率。对MID来说屏幕尺寸最好是4到7英寸，并能达到宽SVGA（WSVGA）分辨率，而用户对上网本的要求是显示屏尺寸能达到11英寸，并提供WSVGA或WXGA分辨率。

MID和上网本的另外一个特征是它们正在变成内容消费设备，而笔记本和PC仍然是内容创建设备。MID/上网本需要完成互联网访问、电子邮件、媒体播放、游戏和大量类似PC的任务，但不要求完全兼容PC。应用程序可以是内置的，也可以作为浏览器的Java程序下载，因此虽然Java是重要的软件单元，但功能完整的WindowsXP或Vista不是。

因为这种架构上的自由性，MID是从三种基本技术发展而来的：PC、智能手机（包括iPhone和黑莓）、媒体播放器（包括电视机顶盒）。同样，上网本开发的基础是笔记本电脑和膝上电脑。因此开发人员可以自由选择处理器，不必考虑姑奶奶x86和Windows的兼容性，只需考虑性能和低功耗特性。这样，MID市场对广泛的设计团队和供应方来说是开放的市场。

显示要求是关键

虽然基本架构和处理器选择很灵活，但显示要求却不是这样。这些设备具有像它们的核心功能那样的互联网体验，而且用户不能忍受观赏质量的任何下降。事实上，互联网体验是消费者签订无线数据计划的驱动力。因此，用户的视觉体验绝对是确保市场成功的关键。系统必须能够同样出色地显示文本、图形、移动电视、电影和影像，不管是在单个屏幕上单独显示还是组合显示。另外，这种显示器必须在室内和室外各种光照条件下都能看得清楚，即使随着用户移动而发生光照条件迅速变化时也能产生可接受的结果。

由于功耗方面的原因，大多数MID设计选用液晶显示器（LCD）。遗憾的是，LCD通常只能提供200:1或400:1等级相对有限的对比度范围。考虑光照条件后还会进一步减少这个可视范围。如图1所示，LCD显示器在使用完全不透明晶体时的最小输出与使用完全透明晶体时的最大输出之间映射输入的图像数据。最大像素亮度用流明表示，因此在理想环境下显示子系统可以实现的可视动态范围是显示器对比度和背光强度的函数。

图1：LCD中图像信息到光强度（单位：流明）的映射是背光强度的函数。

如果环境光很强，那么观看者实际看到的对比度范围可能小于显示器规定的值。从LCD表面散射的环境光将使观看者无法看清流明值低于反射环境光线的任何像素，从而截短显示器色调范围的底部。这样，对于给定的显示器来说，图像数据将映射到由背光和反射环境光强度限制的“盒子”中，低于环境光强的显示信息将无法浏览。显示图像的对比度以及用户的观看体验质量取决于这个“盒子”的大小。

为了改善显示信息的可视性，传统设计方法只是简单地增加盒子的尺寸。扩大盒子需要使用高动态范围的LCD屏，或增加背光强度。然而，这些方法会极大地增加已经在设计成本中占大头的显示子系统成本。更重要的是，增加背光强度将显著提高显示子系统的功耗要求，从而缩短电池使用寿命。在传统设计中，背光已经占30%至60%的系统功耗，因此增加背光强度来改善显示屏可视性只能是拆东墙补西墙。

因此要想优化MID和上网本设计中的成本和电池寿命，设计人员必须找到能够替代传统设计的方法。在考虑替代方案时，显示子系统的三大要素值得特别关注。第一是显示屏与系统处理器之间的接口，第二是保存显示数据的帧缓存位置，第三也许是最关键的一点是，在显示子系统中包含图像增强算法。

显示屏和处理器之间的接口面临严格的约束条件。对许多开发人员来说，与MID/上网本设计接近的行业基础将极大地影响他们使用哪种处理器。他们在开发工具、软件库方面的现有投资以及给定处理器系列方面拥有的专门技术将胜过大多数其它考虑因素。由于处理器原本用于其它应用，因此处理器很容易通过改变而连接到MID/上网本设计中的显示屏。

放置帧缓存

在实现处理器－显示器接口时，开发人员需要确定帧缓存的位置——显示内容就是从这个缓存处刷新的。有三种选择，一种是将帧缓存嵌入显示屏，使显示器变得“智能”，一种是将主处理器的内存用作帧缓存，还有一种是使用不同于前两者的独立缓存。成本和功耗之间的权衡将最终决定哪种架构最适合设计，虽然将缓存嵌入显示屏与其它两种方法相比有明显更多的缺点。

要求LCD本身缓存数据将极大地限制显示屏的选择余地，因为并不是所有屏都能提供板载存储器，这主要是因为成本。用于创建显示屏控制电路的半导体工艺需要使用较大的晶体管才能获得所需的驱动电平。与更小工艺实现的存储器相比，采用这种工艺实现存储器将导致裸片尺寸大很多，进而加大成本。因此使用显示屏外部的存储器毫无疑问将有更好的成本优势。

如果帧缓存放在显示屏外部，那么其位置取决于成本和电源管理机会之间的折衷。将处理器内存用作帧缓存具有最低成本优势，因为不会浪费已经给处理器提供的资源。然而，将系统内存用作帧缓存具有隐性的功耗问题。MID/上网本上的显示器大多数时候是显示静态内容，如显示文本消息或网页，因此系统处理器不需要连续更新缓存。在这种等待情况下完全可以关闭处理器。但帧缓存必须持续给显示控制器提供数据，因此如果处理器内存用作缓存的话，处理器必须保持激活状态，这样就失去了节能的机会。

使用中间缓存的成本可能比使用处理器内存高，但当使用较高分辨率的显示屏时，成本将比将帧缓存嵌入在显示屏内低。然而，由于帧缓存不受处理器控制，这种外部缓存可以达到很好的节能效果。在等待状态时处理器可以关闭，这样做不会阻止显示驱动器访问缓存。

选择显示增强算法

虽然显示子系统的接口和帧缓存单元提供了优化系统成本和功耗的有利机会，但最大的机会还在于背光系统。通过实现适当的增强算法，开发人员可以调整显示内容以补偿显示屏的动态范围限制。增强算法还能补偿逆向光，它能在显示屏的可视动态范围内智能地重新映射显示内容而不是调整背光强度来优化可视性能。

然而，增强算法必须能够与典型的MID/上网本显示内容一起工作，这种内容通常包含混合的图形、文本和影像与视频。当使用全局增强算法（如伽玛校正）时，这种混合内容会造成一定的问题。增强图像可视性的算法可能使文本或图形无法阅读。而自适应的像素x像素图像增强方法可以避免这个问题，它使用上下文信息（如相邻像素值）来判断对图像数据作了什么修改（如果有的话）。

Apical Imaging公司的Iridix算法就是这样一种自适应图像增强算法，在与移动显示屏一起使用时的好处已得到证实。这种算法在人类感知模型基础上使用描述显示屏属性的参数（如动态范围）来重新映射图像内容，从而获得最佳可视性。举例来说，Iridix有选择地扩大图像数据中的像素至像素变化，使得微小阴影变得更加生动。这种算法有助于补偿由于显示屏有限动态范围而导致的较低内容位的视觉损失。由于这种算法是有选择性的，它会不同程度地影响图像的不同部分。与伽玛校正等全局性增强算法改善某些领域的可视性、降低其它部分的可视性不同，如图2所示，自适应增强算法在增强阴影细节的同时不会破坏较亮内容中的明亮区。

图2：自适应增强算法可以在不破坏重要内容的前提下恢复阴影中失去的细节。

这种自适应增强算法可以向开发人员提供两大好处。一个是可以用具有有限动态范围的较低成本显示屏取得高质量图像。但最大化这种范围内的图像可视性也可以用来补偿更高反射环境光（如强太阳光条件下）效应。所有算法需求是有关显示屏可视范围的上限和下限、背光强度和环境光强度的信息。这样就可以保护低亮度信息，否则这些信息由于图像数据映射进实际可视范围而被环境光破坏。

自适应增强算法可降低功耗

这种保护信息的能力也意味着自适应增强算法可以向开发人员提供降低系统功耗需求的机会。在逆光情况下无需提高背光亮度，MID/上网本可以使用自适应增强算法改变图像数据来获得强环境光下的最大可视性。MID/上网本还能利用自适应增强算法降低暗环境光线下的背光亮度。结果是在不牺牲图像可视性的条件下显著降低了平均功耗。

因此自适应增强算法在开发人员设计显示子系统时向他们提供了相当大的灵活性。他们可以使用较低成本显示屏获得良好的可视性，用功能更强的显示屏提高可视性，降低背光亮度以节省功耗，或在不增加功耗的条件下补偿强环境光线，或选择这些特性的一些组合。最佳折衷方案取决于地区性和人口统计学市场，以及发展中的消费者期望值和使用案例，因此这种灵活性也将成为今后产品功能增强的关键。

这种自适应增强算法的好处已经得到了现场验证。如图3所示，QuickLogic公司视觉增强引擎（VEE）中的Iridix算法实现提高了MID/上网本显示屏中的视频库可视性。比较（a）不带和（b）带自适应增强算法的图像可以看出，虽然光线保持相同，但后者的周边文本和图形性能没有降低。

图3：自适应增强算法的关键是它能提高图像的可视性，同时不要求增强背光或牺牲图形清晰度。

因此显示子系统是MID/上网本设计的一个关键要素，开发人员应重点加以关注。MID/上网本在低迷经济中表现出来的成长机会肯定会引起激烈的竞争。在多媒体和智能手机及媒体播放器市场中的经验表明，设计需要满足甚至超过消费者的所有成本和电池寿命期望值才能取得成功。移动电视的试运行表明，良好的观看体验也是产品成功的关键。

显示子系统是设计人员满足这些目标的最大机会所在。显示子系统通常是便携式设计*耗最大的部分，因此这里的改进将对电池寿命有最大的影响。显示屏和背光是设计中成本最高的部分，这也使得显示子系统成为显著降低成本的机会所在。通过整合节省成本和节省能量的架构化选择以及自适应算法来保持图像的可视性，开发人员以及移动网络运营商将能充分发掘这种机会带来的好处。

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