CN100547457C

CN100547457C - Lcd亮度自动调整装置

Info

Publication number: CN100547457C
Application number: CNB2006100075643A
Authority: CN
Inventors: 高旭彬; 单益嘉; 蔡璨鸿; 高旭佳
Original assignee: Fanxuan System Science & Technology Co Ltd
Current assignee: Fanxuan System Science & Technology Co Ltd; Marketech International Corp
Priority date: 2006-02-16
Filing date: 2006-02-16
Publication date: 2009-10-07
Anticipated expiration: 2026-02-16
Also published as: CN101021625A

Abstract

本发明公开了一种LCD亮度自动调整方法，针对现有LCD因常态高亮度的特性而造成长间观赏易对人眼造成高负荷、易导致眼睛疲劳以及影像对比不佳的问题。本发明发明提出的LCD亮度自动调整方法，包括四个主要部份，其中第一部份为影像亮度调整单元；第二部份为影像亮度表示率计算及输出控制单元；第三部份为环境光侦测及亮度适应性调整单元；第四部份为影像灰阶数延伸单元。LCD的影像讯号依序经过这四个步骤的处理之后，可利用调整输出影像灰阶值的方式达到自动控制LCD TV光通量的目的；并可随影像内容及环境光的变化自动控制LCD TV发出的光通量，以减轻长时间观看节目所造成人眼的过度负担，并能提升影像的对比感及舒适感，让LCD达到更佳的视觉效果而更切合使用消费者的所需。

Description

LCD亮度自动调整装置

技术领域

本发明涉及一种LCD亮度自调整装置。

背景技术

平面显示器是未来显示器的趋势，而平面显示器类型中，又以LCD液晶屏幕最受瞩目，由于LCD具有厚度薄、重量轻、低辐射、低耗电、分辨率高及高亮度等优点，使其应用范围包括用于个人计算机、商用广告牌和家庭剧院等，是目前应用范围最广的一种平面显示器。

LCD的高亮度特性相当适合应用在商用广告牌上，但是，高亮度特性应用于家庭剧院时反而是一项缺点；这是因为LCD的亮度由背光模块所产生，透过控制液晶的扭转可改变背光的透过率，用以决定影像的亮度(灰阶)，当以8bit的LCD来呈现影像时，影像灰阶为255时亮度为最亮，影像灰阶为0时亮度则为最低，目前LCD TV的亮度在灰阶255时约在400cd/m²~600 cd/m²之间，在灰阶0时亮度约在0.5cd/m²~1.4cd/m²之间。

人眼的瞳孔会随着周遭环境光的强弱自动缩放，以调节进入人眼的光量，当电视节目呈现大面积的高灰阶影像时(如雪景)，人的瞳孔会自动缩小以减少进入眼睛的光量，当电视节目呈现低灰阶的夜景时，人的瞳孔会自动放大以增加进入眼睛的光量；在实际的观赏电视节目时，影像的亮、暗是不断交替变化的，瞳孔也将随影像的变化不断地进行缩放；因此，LCD的高亮度特性会使人们在长间观赏节目情况下瞳孔会不断的缩放，对人眼的负荷较高，故容易造成眼睛疲劳。

如图1所示，CRT TV(映像管电视)、LCD TV(液晶电视)、PDP TV(等离子电视)的亮度与亮度表示率的关系，可由其亮度值(Display Ratio)与亮度表示率(Brightness Ratio)的乘积来代表由电视所发出的光通量，由图2中可看出当亮度表示率大于某一值时，CRT TV发出的光通量(Relative lumen)呈现接近常数的平稳状态，在这种情况下观赏节目时影像的变化较不会造成人眼瞳孔的过度的缩放，眼睛较不容易疲劳；反观LCD TV所发出的光通量会随着影像亮度表示率的不同而产生明显的变化，若节目的影像常在亮度表示率高、低的区域之间变化，人眼瞳孔的缩放也会随着亮度表示率的变化而改变，这样容易造成眼睛疲劳。

如图2所示的LCD TV曲线，除了说明长时间观赏节目容易造成人眼过大负荷之外，也容易造成影像对比不佳的感觉，其原因为瞳孔无法实时缩放，需一定的时间来调节，若节目亮、暗变化频率过高，人眼无法实时调节适当的光量，如此会造成影像对比不佳的感觉；如日常生活中常见的例子：为夜晚开车时，当与对向车辆相会车，由于对向车辆的车灯亮度高，瞳孔会自动缩小，而会车后的瞬间若前方突然转暗时，由于瞳孔仍处于缩小状态，短时间内将会感到视线不佳，必须经过一段时间后才能恢复正常视线，这是因为亮度剧烈变化时瞳孔无法实时反应所致。

再者，环境光度的强弱也会影响到观赏影片时的舒适度，例如在观赏歌剧的影片时(如猫剧)，可以把室内的灯光亮度降低以营造出剧场的气氛以及创造更具临场感的视觉效果；此时由于室内灯光亮度降低，瞳孔也会跟着放大，此时若没有将LCD TV的亮度适当的降低，则会令人感觉画面亮度过高而倍感刺眼，因此为获得最佳的视觉效果，电视画面的亮度显然必须随着环境光度的变化做适度调整为宜。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷和不足，本发明的目的是提供一种LCD亮度自动调整装置，以解决现有LCD因常态高亮度的特性而造成长间观赏易对人眼造成高负荷、易导致眼睛疲劳以及影像对比不佳的问题。

为了达到上述目的，本发明提出的LCD亮度自动调整装置包括：

一影像亮度调整单元，包括一记忆体及乘法单元，能够依据环境光及画面内容进行输出影像的灰阶值调整，其调整方式为：将影像先暂存于记忆体中，待影像亮度表示率统计完成以及亮度调整增益值决定之后，再将暂存于记忆体中的影像输出，于影像的红、绿、蓝三色灰阶上乘以各自所对应的亮度调整增益值之后输出，利用改变影像灰阶值的方式进行影像亮度的调整；

一影像亮度表示率计算及输出控制单元，是用来对影像数据进行影像亮度特性的统计、分析，其包含下述构成：

灰阶/亮度转换单元，用来进行影像的灰阶值与其所对应的亮度之间关系的转换，让灰阶值与亮度呈现一种线性关系，进以可精确计算出影像画面的亮度；

画素亮度计算单元：用来将画素中亮度特性为线性的红、绿、蓝的灰阶值转换成亮度；

画面亮度统计单元：用来计算每一张画面的亮度总和与亮度表示率；将画面中每一点亮度相加，即可得到此张画面的亮度总和，接着再将此画面亮度总和除以影像的最大亮度总和，即可得到此一影像的亮度表示率；

亮度增益单元：包括有一亮度增益表，其利用亮度表示率查其所对应的亮度增益值，所述亮度增益表为一利用预期亮度表现与亮度表示率的关系所建立的亮度增益值与亮度表示率关系表；

增益调整判断单元：是用来进行亮度增益值变化率的计算及调整，当影像的亮度表示率剧烈变化时，亮度增益单元所输出的亮度增益值也随之剧烈变化，此时得直接将亮度增益值输出；而当影像的亮度表示率呈缓慢或微小变化状态时，亮度增益值亦随之微小变化；所述增益调整判断单元还能够对亮度增益值的变化进行平滑处理，当临近画面的亮度增益值变化率小于某一临界值时，输出的亮度增益值是将影像前N张影像所输出的亮度增益值与目前的亮度增益值进行平均运算后，当作目前画面输出的亮度增益值；其中N为正整数；

一环境光侦测及亮度适应性调整单元：利用光传感器侦测环境光的变化，将环境光的变化经低通滤波后查一对照表，决定环境光的亮度调整增益值；此环境光传感器为单色或多色的光传感器，若为多色光传感器时，其增益值可随环境光色彩的变化而调整；

一灰阶数延伸单元：是用来避免影像经亮度增益运算后因灰阶数减少而产生拟轮廓现象；所述灰阶数延伸单元利用空间的误差扩散法或时间的扰动法技术来提升低灰阶处的影像层次感。

本发明提出的LCD亮度自动调整装置，其主要结合了影像亮度调整单元、影像亮度表示率计算及输出控制单元、环境光侦测及亮度适应性调整单元、影像灰阶数延伸单元，使其可随着LCD的影像内容及环境光的变化自动控制LCD TV发出的光通量，进以减轻长时间观看节目所造成人眼的过度负担，并提升影像的对比感及舒适感，达到更佳的视觉效果。

本发明更藉由在LCD附近预定处增设一LED光源模块的创新独特设计，所述LED光源模块包括红、绿、蓝三色LED所组成，并可透过环境光侦测及亮度适应性调整单元控制该LED光源模块，藉以当环境光色彩变化时可自动改变光源的颜色，进以营造更佳的影片欣赏环境。

本发明亦可于影像亮度调整单元可利用前一张的亮度数据进行影像亮度的调整，如此可节省记忆体的成本。

附图说明

图1是CRT TV(映像管电视)、LCD TV(液晶电视)、PDP TV(等离子电视)的亮度与亮度表示率的关系示意图；

图2是CRT TV(映像管电视)、LCD TV(液晶电视)、PDP TV(等离子电视)的光通量与亮度表示率的关系示意图；

图3是本发明优选实施例的流程图；

图4是本发明另一优选实施例的流程图；

图5是本发明又一优选实施例的流程图；

图6是本发明控制LCD亮度结果的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

首先，如图3所示，是本发明提出的LCD亮度自动调整装置的优选实施例，分成四个部份，其中第一个部份为影像亮度调整单元10；第二个部份为影像亮度表示率计算及输出控制单元20；第三个部份为环境光侦测及亮度适应性调整单元30；第四个部份为影像灰阶数延伸单元40；LCD的影像讯号依序经过这四个步骤的处理之后，可利用调整输出影像灰阶值的方式达到自动控制LCD TV光通量的目的；现就上述四个主要部份的具体实施方式说明如下：

1、影像亮度调整单元10：此单元包括一记忆体11及乘法单元12，依据环境光及画面内容进行输出影像的灰阶值调整，其调整方式为将影像先暂存于记忆体中，待此张影像亮度表示率统计完成以及亮度调整增益值g_T决定之后，将暂存于记忆体中的影像输出，于影像的红、绿、蓝三色灰阶上乘以各自所对应的亮度调整增益值(g_TR、g_TG、g_TB)之后输出，以改变影像灰阶值的方式进行影像亮度的调整。

2、影像亮度表示率计算及输出控制单元20：此单元的影像数据只是进行影像亮度特性的统计、分析，并非直接对输出的影像讯号进行运算，因此可大幅精简电路构造但不会影响到输出画面的细节，例如原始影像讯号为8bit的数据，统计亮度时只取最大6bit即足够，无需取到8bit，如此可省下硬件资源及电路成本；本影像亮度表示率计算及输出控制单元20由以下单元构成：

灰阶/亮度转换单元21：此单元的作用，是进行影像的灰阶值与其所对应的亮度之间关系的转换，一般影像讯号所记录的灰阶值(R’、G’、B’)与亮度的关系为Gamma 0.45的曲线，此时必需将影像的灰阶值进行Gamma 2.2的转换，让灰阶值(R’G’B)与亮度呈现一种线性关系，进而可精确计算出影像画面的亮度。

画素亮度计算单元22：此单元的作用是将画素中亮度特性为线性的红、绿、蓝的灰阶值(R、G、B)转换成亮度Y，其可利用以下列简单的公式进行转换：

Y＝0.3R+0.59G+0.11B

另一亮度计算的实施例，是利用知觉均等的色彩空间进行亮度的控制；1976年CIE制定了符合人知觉的知觉均等(Perceptual uniformity)色彩空间L*a*b*，由于在L*a*b*的色彩空间中，人对亮度(lightness)强弱的感知是均等的，因此利用L*a*b*色彩空间其知觉均等的特性来控制LCD TV的亮度，较RGB色彩空间更能符合人的知觉感受；所述L*a*b*中明度L*的计算可由以下公式获得：

Y＝(0.2126R+0.7152G+0.0722B)/255

L^{*} = \{\begin{matrix} 930.3 Y; Y < 0.008856 \\ {116 Y}^{\frac{1}{3}} - 16; 0.008856 < Y \end{matrix}

以L*取代Y进行画面亮度统计

画面亮度统计单元23：此单元计算每一张画面的亮度总和Y_image与亮度表示率BR；然后将画面中每一点的亮度相加，即可得到此张画面的亮度总和，接着再将此画面的亮度总和除以影像的最大亮度总和Y_total，即可得到此一影像的亮度表示率(BR)。例如一幅总画素为N的8bit影像，其最大亮度总和Y_total为：

Y_total＝255N

0亮度表示率BR可由下式获得：

BR = \frac{Y_{image}}{Y_{total}} \times 255 = \frac{Y_{image}}{N}

d、亮度增益单元24：本单元包括一亮度增益表，利用亮度表示率(Brightness Ratio)查其所对应的亮度增益值，此亮度增益表为一利用预期亮度表现与亮度表示率的关系所建立的亮度增益值g_Y与亮度表示率关系表。

e、增益调整判断单元25：此单元进行亮度增益值变化率的计算及调整，当影像的亮度表示率剧烈变化时，其亮度增益单元所输出的亮度增益值也随着剧烈变化，此时直接将亮度增益值输出；而当影像的亮度表示率(BR)呈缓慢或微小变化状态时，亮度增益值亦随之微小变化，此时为避免画面产生闪烁感，必需对亮度增益值的变化进行平滑处理，其具体做法可如下实施：

当临近画面的亮度增益值变化率小于某一临界值Th时，输出的亮度增益值是将影像前K-1张影像所输出的亮度增益值与目前的亮度增益值进行平均后，当作目前画面输出的亮度增益值，即：

g_{y_{out}} = \frac{1}{K} Σ_{i = 1}^{K} g_{y}

3、环境光侦测及亮度适应性调整单元30：此单元是利用光传感器侦测环境光的变化，将环境光的变化经低通滤波(平均处理)后查一对照表(LUT)，决定环境光的亮度调整增益值GA；此环境光传感器可为单色或多色的光传感器，若为多色光传感器时，其增益值GAR、GAG、GAB可随环境光色彩的变化而适度调整，例如使用者在观赏歌剧的影片时，得将室内的灯光由色温约7000K的日光灯改变为色温4000K的鵭丝灯光，此时可令增益值GAR＞GAB，以使电视画面能够获得较低的色温，进而能营造出更加搭配环境气氛的画面。

4、灰阶数延伸单元40：此单元的目的是为了避免影像经亮度增益g_T运算后因灰阶数减少而产生拟轮廓(False Contour)的现象；由于目前大多数的显示器系为8bit的设计，只能呈现256个灰阶，而亮度增益g_T的使用将会降低影像的灰阶值，若将经亮度增益运算后的影像灰阶直接输出，则在低灰阶处将因灰阶数不足而产生拟轮廓现象，此现象当亮度增益值愈小时或愈低灰阶的影像则愈明显；解决此一问题的方法，系可利用空间的误差扩散法(Spacial ErrorDiffusion)或时间的扰动法(Dithering)技术来提升低灰阶处的影像层次感。

本发明公开的LCD亮度自动调整装置，主要可随LCD的影像内容及环境光的变化自动控制LCD TV发出的光通量，以减轻长时间观看节目所造成人眼的过度负担，并提升影像的对比感及舒适感，达到更佳的视觉效果。

本发明另一实施例如图4所示，在LCD TV附近放置一LED光源模块50，此光源模块由红、绿、蓝三色LED所组成，并可透过前述环境光侦测及亮度适应性调整单元30控制此一LED光源模块50，这样一来，当环境光色彩变化时，能够自动改变光源的颜色，以营造出更佳的影片欣赏环境。

本发明的又一实施例如图5所示，是在第一部份影像亮度调整单元10中省略所述记忆体单元11，而利用前一张的亮度数据进行影像亮度的调整，如此可节省记忆体的成本。

在此更进一步以实际的量测数据说明本发明提出的LCD亮度控制方法随亮度表示率控制LCD亮度的结果；如图6所示，点划线为实际量测调整前亮度表示率与LCD TV亮度输出值的关系，实线为实际量测调整后的亮度表示率与LCD TV亮度输出值的关系，虚线为调整后LCD TV亮度与表示率关系的期望值。

Claims

1、一种LCD亮度自动调整装置，包括：

2、根据权利要求1所述的LCD亮度自动调整装置，其特征在于，其中素数影像亮度表示率计算及输出控制单元的画素亮度计算单元是利用知觉均等的色彩空间进行亮度的控制。

3、根据权利要求1所述的LCD亮度自动调整装置，其特征在于，所述影像亮度调整单元省略记忆体单元而利用前一张的亮度数据进行影像亮度的调整。

4、一种LCD亮度自动调整装置，包括：

画面亮度统计单元：用来计算每一张画面的亮度总和与亮度表示率；再将画面中每一点亮度相加，即可得到此张画面的亮度总和，接着再将此画面亮度总和除以影像的最大亮度总和，即可得到此一影像的亮度表示率；

亮度增益单元：包括有一亮度增益表，其利用亮度表示率查其所对应的亮度增益值，此亮度增益表为一利用预期亮度表现与亮度表示率的关系所建立的亮度增益值与亮度表示率关系表；

增益调整判断单元：是用来进行亮度增益值变化率的计算及调整，当影像的亮度表示率剧烈变化时，所述亮度增益单元所输出的亮度增益值亦随之剧烈变化，此时得直接将亮度增益值输出；而当影像的亮度表示率呈缓慢或微小变化状态时，亮度增益值亦随之微小变化；所述增益调整判断单元还能够对亮度增益值的变化进行平滑处理，当临近画面的亮度增益值变化率小于某一临界值时，输出的亮度增益值是将影像前N张影像所输出的亮度增益值与目前的亮度增益值进行平均运算后，当作目前画面输出的亮度增益值；其中N为正整数；

一环境光侦测及亮度适应性调整单元：是利用光传感器侦测环境光的变化，将环境光的变化经低通滤波后查一对照表，决定环境光的亮度调整增益值；此环境光传感器为单色或多色的光传感器，若为多色光传感器时，其增益值随环境光色彩的变化而调整；

一灰阶数延伸单元：是用来避免影像经亮度增益运算后因灰阶数减少而产生拟轮廓现象；该灰阶数延伸单元利用空间的误差扩散法或时间的扰动法技术来提升低灰阶处的影像层次感；

一LED光源模块，所述LED光源模块由红、绿、蓝三色LED组成，并透过环境光侦测及亮度适应性调整单元控制该LED光源模块，用来当环境光色彩变化时可自动改变光源的颜色。

5、根据权利要求4所述的LCD亮度自动调整装置，其特征在于，其中所述影像亮度表示率计算及输出控制单元的画素亮度计算单元利用知觉均等的色彩空间进行亮度的控制。

6、根据权利要求4所述的LCD亮度自动调整装置，其特征在于，其中所述影像亮度调整单元省略记忆体单元而利用前一张的亮度数据进行影像亮度的调整。