一种具有视频保真特性的OLED屏幕节能算法_许瑞超.pdf

第 卷第期杭 州 电 子 科 技 大 学 学 报（自然科学版）年月 （）：一种具有视频保真特性的 屏幕节能算法许瑞超，何轩章，肖磊，高志刚，（杭州电子科技大学计算机学院，浙江 杭州 ；浙江省脑机协同智能重点实验室，浙江 杭州 ）收稿日期：基金项目：国家重点研发计划资助项目（）；国家自然科学基金资助项目（）；浙江省自然科学基金资助项目（）作者简介：许瑞超（），男，研究方向：移动计算。：。通信作者：高志刚，男，副教授，研究方向：物联网系统。：。摘要：目前的视频节能算法在降低能耗的同时难以保证视频的保真度，为此，提出一种具有视频保真特性的有机发光二极管（，）屏幕节能算法。结合人眼的视觉特性，通过降低蓝色分量强度来减少像素的能耗；颜色处理过程中，根据个体对色彩感知的差异，通过获取的观看反馈来动态调整色差阈值，达到节能和保真的平衡。实验结果表明，在保证视频保真度的同时，采用该算法可降低 的屏幕能耗。关键词：智能手机；屏幕节能；视觉特性中图分类号：文献标志码：文章编号：（）引言随着智能手机的普及，在线视频成为一种备受欢迎的传播媒介。视频播放过程中，屏幕能耗作为手机中最为耗能的部分，严重影响手机工作的续航时间。多年来，电池技术发展逐渐缓慢，仅靠电池技术的革新难以满足智能手机的供能需要，通过降低屏幕能耗来缓解智能手机的能耗成为一种行之有效的方法。有机发光二极管（，）屏轻薄，显示效果佳，正逐渐代替液晶显示器（，）屏。目前，屏节能研究中，针对静态场景的研究难以满足视频场景对保真度的要求；针对动态场景的研究难于在节能和视频保真度之间达到良好的平衡；在处理实时性方面，部分节能策略较为复杂，用于硬件性能不高的手机时，可能造成播放延时等问题。本文基于视觉特性，提出一种具有视频保真特性的 屏幕节能算法。预先离线生成颜色映射文件，在视频播放过程中对像素的颜色进行重映射，并个性化动态选择映射文件，保证了节能和视频保真的平衡。屏幕功耗模型不同于 ，屏幕具有像素自发光特性。每个像素独立发光，每个像素的功耗与该像素的颜色相关，整个屏幕的功耗取决于每个像素的功耗。每个像素的功耗计算公式如下：（，）（）（）（）（）式中，（），（）和（）分别表示像素的红色、绿色和蓝色分量的功耗，与 屏幕的类型有关。具有个像素的 屏的功耗为：（）（）（）（）式中，为常数，表示屏幕非像素部分的静态功耗，与各像素的值无关。基于视觉特性的 屏幕节能算法视频应用中，降低屏幕能耗的同时，既要保证视频的保真度，又要考虑算法的复杂度。本文算法结合人眼的视觉特性，参考 色差标准生成节能颜色，并通过预先生成颜色映射表来减少实时的计算开销。的流程如图所示，主要包括确定初始色差阈值、生成颜色映射文件、替换像素颜色分量、动态调整色差阈值。图基于视觉特性的 屏幕节能算法流程 确定初始色差阈值在视频播放过程中，对像素进行颜色重映射后，画面的色彩发生变化。如果变化过大，直接影响观看者的体验。同时，个体之间存在视觉差异，需要通过衡量人眼对色彩失真的接受程度来确定初始色差阈值。本文用基于 色差标准的色差阈值来衡量色彩失真，并使用 色彩空间（）计算图片的色差。合适的初始色差阈值有利于快速找到适合个体的色差阈值。本文选取 个样本进行测试。每个样本的测试步骤如下：（）准备张原始图片，色差阈值在，每隔 的间距生成幅节能图片；（）比较原始图片与当前色差阈值对应节能图片的相似度，给出受试者对节能图片接受程度的反馈，接受程度分为接受、基本接受和不能接受；（）如果反馈是接受，则将当前色差阈值加；如果反馈是基本接受，则将当前色差阈值加；如果反馈是不能接受，则将上一次反馈是接受时的初始值与当前色差阈值相加，并除以，作为新的色差阈值；然后判断是否满足下一步的条件，若满足则将当前色差阈值作为结果，否则，转到步骤；（）测试结束的条件是：连续次反馈为不能接受；连续次反馈为基本接受后的下一次反馈是不能接受；或者反馈是不能接受后的下一次反馈是基本接受。获取所有样本的色差阈值后，去除个别极端的值并取剩下样本的平均值，最终确定的初始色差阈值为。生成颜色映射文件本文采用离线的方式生成颜色映射文件，以减少计算开销。在生成颜色映射文件时，需要考虑人眼对不同颜色的敏感程度和节能效果。在 色彩空间颜色分量中，人眼对蓝色的敏感程度最低，且蓝色分量的能耗最高，降低颜色中蓝色分量的强度能节省更多的能耗，并能减少颜色的失真，所以，本文通过减少 颜色中蓝色分量来获得节能颜色。颜色分量减少的程度由色差阈值决定。以 节中测杭州电子科技大学学报（自然科学版）年试得到的初始色差阈值为中心，在其正负方向每隔 各取个值，作为备选色差阈值，并针对 个色差阈值分别生成节能颜色映射文件。在 色彩空间的范围内，依次遍历所有颜色，并生成对应的节能颜色，存入颜色映射文件。颜色映射文件的生成流程如图所示。创建色差阈值对应的空文件，依次为 色彩空间中所有颜色生成对应的节能颜色，直到遍历完指定范围内的所有颜色位置，即得到色差阈值的颜色映射文件。将颜色与其对应的节能颜色信息添加到颜色映射文件。图颜色映射文件生成流程 替换像素颜色分量播放视频前，需先加载当前色差阈值对应的节能颜色映射文件。本文使用数组图像中像素点颜色的存储结构。根据 颜色中红（，）、绿（，）、蓝（，）各颜色分量的值，获取该颜色的存储索引，（）在播放视频过程中，先初始化播放环境，打开视频文件，对视频进行解码，再获取每一帧图像的原始颜色信息。对于某一帧图像，由于原始视频数据一般为（，）格式，因此需要先转化为 格式数据，再对像素进行颜色的重映射。依次遍历该帧图像中的所有像素，对某一个像素，由式（）得到该颜色的存储索引，并获取对应节能颜色蓝色分量的值，替换像素对应位置的值。此外，当像素颜色的亮度偏高时，人眼容易识别出颜色的变化。因此，在对像素颜色进行重映射时，增加了一个判断条件，即对颜色亮度偏高的像素保留原始颜色。本文中将亮度值大于或等于 的颜色视为高亮度颜色，亮度值由 颜色中各颜色分量的值来求得，.（）遍历完该帧图像的所有像素后，由 进行图像的渲染便得屏幕上显示该帧图像。视频是由连续的视频帧组成的，依次处理每一视频帧，从而播放出节能视频。动态调整色差阈值考虑到个体的差异，本文算法在初始色差阈值的基础上，通过获取不同用户在视频观看过程中的反馈，动态调整其色差阈值，为该用户找到最合适的色差阈值。用户第次使用时，加载初始色差阈值对应的颜色映射文件。用户每次退出时，需对本次观看进行反馈，对视频整体色彩的接受程度打分，数值范围为，精度为，表示无法接受颜色失真，表示完全不在意颜色失真。色差阈值的调整主要依据变化量的取值，反馈值直接影响的取值。若反馈值为.，保持不变，反馈值高于.视为正反馈，反馈值低于.视为负反馈。当反馈为正反馈时，若反馈值为.，增加.；若反馈值为.，增加.；若反馈值为.，增加.。当反馈为负反馈时，若反馈值分别为.，减少.；若反馈值为.，减少.；若反馈值为.，减少.。当达到时，色差阈值向增大的方向调整次。同样地，当达到 时，色差阈值向减小的方向调整次。当色差阈值调整次后，会重新置为。色差阈值调整结束的条件是：连续次色差阈值没有发生变化，或者连续次反馈值在.，或者色差阈值已调整为最大值或最小值。第期许瑞超，等：一种具有视频保真特性的 屏幕节能算法测试实验与分析在安卓环境下进行测试，具体配置如下：手机为 ，配备 处理器，的 内存及 的 闪存，英寸 的 显示屏，安卓版本为 。分别对视频的保真度及算法的节能效果进行测试和分析。视频保真度视频保真度体现了节能视频与原始视频的差异程度。峰值信噪比（，）以及结构相似性（，）是评估图像质量的个代表性指标。测试中，设置个对照组和个实验组，对照组为原始视频，实验组 为本文提出的基于视觉特性的 屏幕节能算法在目前常用的典型色差阈值 时对应的节能视频，实验组为相对变暗算法（，）对应的节能视频，其中，这个通道值同比降低的比例为。在视频“绿皮书”、“阿凡达”和“盗梦空间”中，各随机截取帧画面如图所示，比较原始视频、本文算法节能视频和 节能视频对应画面的相似度，结果如表所示。图原始视频截图表种视频截图中，不同算法的 和 实验组别“绿皮书”“阿凡达”“盗梦空间”对照组 实验组 实验组 从表可以看出，“绿皮书”截图中，实验组 和实验组 与对照组在人眼观测时视觉观感上的差异较小；与对照组相比，实验组 中节能图片的 值略低于，值高于，实验组中节能图片的 值高于，值高于。“阿凡达”截图中，实验组 和实验组与对照组中的图片在视觉观感上的差异较小；与对照组相比，实验组 中节能图片的 值高于，值高于，实验组中节能图片的 值高于，值高于。“盗梦空间”截图中，实验组 和实验组中的图片与图中的图片在视觉观感上的差异不大；与对照组相比，实验组 中节能图片的 值高于，值高于，实验组中节能图片的 值高于，值高于。综上分析可知，与对照组的原始图片相比，实验组 和实验组的节能视频有较高的保真度；在实际观感上，实验组 节能图片在色彩暗的部分无明显差异，在亮的部分会有一些偏差，整体效果较好，而实验组节能图片在整体色彩上会略暗一些。本文提出的基于视觉特性的 屏幕节能算法通过给定的色差阈值对视频帧中像素的颜色进行替换，对于亮度较高的颜色，替换后的颜色与原始颜色之间的差异会明显一些，而对于亮度不是很高的颜色，这种差异会非常小；则是对所有像素进行同样程度的变暗，整体性会更好，但更容易感知到整体色彩的变化。节能效果测试环境和 节相同。比较消耗相同的电量能播放视频的时间，从 电量开始，每消耗电量记录次，每组记录 次。为了避免其它因素对实验结果的影响，仅保留测试应用，关闭蓝牙、等，设置屏幕亮度为，音量调为。实验结果图所示。杭州电子科技大学学报（自然科学版）年图种视频播放时间从图可以看出，与对照组相比，“绿皮书”视频中，实验组的播放时间平均延长了，实验组平均延长了 的播放时间；“阿凡达”视频中，实验组 平均延长了 的播放时间，实验组 平均延长了 的播放时间；“盗梦空间”视频中，实验组平均延长了 的播放时间，实验组平均延长了 的播放时间。播放时间可近似看作屏幕能耗。综合分析可知，实验组平均延长了约 的播放时间，实验组平均延长了约 的播放时间。即 基于视觉特性的 屏幕节能算法降低了约 的屏幕能耗，降低了约 的屏幕能耗。和 算法相比，本文算法充分利用人眼的视觉特性，提升了节能效率，在保持视觉观感的同时，能够降低更多的能耗。结束语针对智能手机 屏的能耗问题，本文提出一种具有视频保真特性的 屏幕节能算法。结合人眼的视觉特性，根据个体对色彩感知的差异，在保持视频保真度的同时，通过动态调整色差阈值来降低屏幕的能耗。本文算法只是通过降低 颜色中蓝色分量的强度来实现节能，在未来的工作中，在 颜色蓝色分量值较低的情况下，通过降低红色或者绿色的分量值进一步节省能耗。参考文献管增安，张强，张鹏移动互联网浪潮下的智能手机发展浅析科技资讯，（）：，：杨金玲显示技术的 与 剖析电子元器件与信息技术，（）：，（）：，（）：，：，：第期许瑞超，等：一种具有视频保真特性的 屏幕节能算法 ，（）：，：，（）：，：，（.，；.，）：，：；（上接第 页），（，）：，（），；，“”“”，：；杭州电子科技大学学报（自然科学版）年