CN101563724B - 具有背光照明的图像显示的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
一个LCD显示装置,被配置以每秒M个图像帧的图像帧速率在图像显示器表面上显示图像,本装置包括一个背光装置,其包括一个LED背光设备用来提供背光照明到所述图像显示器表面以及一个背光控制器用来控制产生背光和所述图像显示器表面上背光照明的亮度分布;其中背光控制器包括一个处理器,其被设置成根据一个预定关系关于所述图像帧图像内容的亮度分布特征产生一组背光照明数据,其中所述背光照明数据包括所述图像显示器表面上所述图像帧需要的背光亮度分布的信息;并基于所述背光照明数据在所述图像帧的持续期间产生多个背光照明帧给每个所述图像帧;其中在所述图像帧的持续期间产生的所述多个背光照明帧的亮度总和等于所述图像显示器表面上所述图像帧需要的背光亮度分布。
Description
技术领域
本发明涉及图像显示的方法和装置,特别涉及具有一个背光装置的图像显示方法和装置。本发明特别涉及一个具有LED背光装置的LCD显示器。
背景技术
许多图像显示设备包括一个图像显示表面,如一个具有背光照明的LCD显示表面。在一个传统的LCD显示面板上,通常在LCD面板后面提供一个均匀亮度的背光,LCD表面上的液晶元件通过改变透光度来控制像素亮度。通常,观察者感觉到的LCD显示器上的像素亮度是背光亮度和液晶元件透光度的乘积。最近,已经有越来越多的使用动态方案来控制背光照明来改善背光LCD显示器的对比度。这样一个用于LCD显示器的动态控制背光元件的例子在USSN 11/707,517里有讨论,在此其通过引用被结合到本文内。
通常,通过处理一个将被显示的图像信号,然后产生背光照明,其亮度与通过背光源的PWM(脉宽调制)控制所显示的图像亮度相当,而实现动态背光照明。但是,这种方案是相当昂贵的,并且数据转换率很低。当更高的分辨率有更多的像素数目时,使用PWM方案进行背光亮度控制几乎是不可能的。所以,期望能够提供一个改善方案的动态背光照明控制。
发明内容
概括地讲,本发明描述了一个LCD显示装置,其被配置以每秒M个图像帧的图像帧速率在图像显示器表面上显示图像,本装置包括一个背光装置,其包括一个LED背光设备用来提供背光照明到所述图像显示器表面以及一个背光控制器用来控制产生背光和所述图像显示器表面上背光照明的亮度分布;其中背光控制器包括一个处理器,其被设置成根据一个预定条件关于所述图像帧图像内容的亮度分布特征产生一组背光照明数据,其中所述背光照明数据包括所述图像显示器表面上所述图像帧需要的背光亮度分布的信息;并基于所述背光照明数据在所述图像帧的持续期间,对每个所述图像帧产生多个背光照明帧;其中在所述图像帧的持续期间产生的所述多个背光照明帧的亮度总和等于所述图像显示器表面上所述图像需要的背光亮度分布。
本发明描述了一种产生LED背光照明到LCD显示设备的图像显示器表面的方法,其中所述LCD显示设备被配置以每秒M个图像帧的图像帧速率产生视频图像,并且背光照明有一个亮度图案,其具有一个与将被或正被显示在所述图像表面上的图像帧的亮度分布相关的亮度分布,本方法包括以下步骤,计算所述图像显示器表面上所述图像帧的亮度分布特征,依照一个预定关系关于所述图像帧的所述亮度分布特征确定一个需要的背光亮度分布图案,并对于每个所述图像帧产生多个背光照明帧,其中在所述图像帧的持续期间产生的所述多个背光照明帧的亮度总和等于所述需要的背光亮度分布图案。
通过对每个图像帧产生多个背光照明帧以生成一个图像帧的背光照明总和,可以不需要定制化硬件如PWM驱动器。
附图说明
结合范例并参照附图,以下将详细描述本发明的优选实施例,其中:
图1是一个具有本发明背光装置的LCD显示器装置的示意图;
图2是本发明图像显示器装置的功能模块的示意图;
图3是本发明背光设备的单个背光源的典型物理布局的示意图;
图4是本发明背光装置的一个简略电路的典型电路示意图;
图5显示多个背光照明帧形成本发明图像帧的一个合计灰度级的一个典型运作;
图6显示多个背光照明帧的第二典型运作以形成本发明图像帧的一个合计灰度级;
图7描述一个图像帧和对应该图像帧的多个背光帧之间的典型时序关系;和
图8描述一个图像帧和对应该图像帧的多个背光帧之间的第二典型时序关系。
具体实施方式
图1和3描述一个典型的图像显示装置100,其具有一个LCD显示面板120和一个背光装置140。LCD显示面板被连接到一个视频处理单元122,其处理一个进来的视频图像,并与LCD时序控制器(timing controller)协同将图像转换成适合在LCD显示面板上显示的格式。视频处理单元和时序控制器一起运行,以便使运动的图像以一个预定图像帧速率(M)显示在图像显示器表面上。目前,图像显示装置通常被配置以每秒M个图像帧的图像帧速率显示图像,其中M是60或以上。背光装置包括一个背光设备142,其包括多个背光源144被分布安装在一个背光壳体上以及一个背光控制器146。
一个LCD显示面板包括多个液晶元件被安排成一个像素矩阵。当有背光照明时,通过控制单个液晶元件的透光度或不透光度,在LCD显示器表面上形成图像。通过改变施加到液晶元件的电压,可以选择和改变图像像素的“灰度”或亮度。对一个典型的或传统的LCD显示器而言,一个均匀亮度分布的背光照明被施加到LCD显示器上的所有液晶元件。最新的研究和发展已经显示,通过改变背光照明的亮度分布,使其遵循和匹配将被显示到显示器上的图像的亮度分布,将大大改善图像质量和对比度。
为了提供动态的背光照明到一个将显示在图像帧上的图像,首先分析将被显示在图像显示器表面上的图像亮度分布,然后根据一个预定关系,如在USSN 11/707,517内讨论的算法,计算一个图像帧的图像内容的亮度分布特征以产生一组背光照明数据。作为一个例子,背光装置可以被配置使得负责一个图像部分的背光照明亮度直接等同于那个图像部分的图像亮度,从而较亮的图像会受到较亮的背光照明,反之亦然。
在获得一组背光照明数据之后,其包括将被显示到图像显示器表面上的图像帧上需要的背光亮度分布的信息,然后,背光控制器146处理这些数据而提供期望的背光照明。
为了提供背光照明到一个LCD显示面板120,其包括多个安排成矩阵形式的液晶像素,背光装置也包括多个安排成矩阵形式的背光源144,其中每个背光源被安排成提供背光照明给单个LCD像素或给多个LCD像素,这多个LCD像素共同定义LCD图像显示器表面上的一个具体图像部分。通常,背光源被安排成使得整个背光源提供背光照明到整个LCD显示器表面。如图3所示,背光源矩阵被安排成多个行和列,其共同形成一个矩形矩阵。每个背光源144是由一个驱动电路驱动,其通常,但不是必须,由电流源控制以供应运行电流给背光源。背光源的亮度或强度通常是通过改变供应给背光源的电流而进行控制。通常,较高的电流会产生较亮的照明,而较低的电流会产生较低水准的背光照明。目前,LED(发光二极管)通常被用作背光源。如图4所示,每个背光源包括多个LED,例如,不同颜色的LED,如红色(1442)、绿色(1444)和蓝色(1446)LED。每个LED被连接到各个可控电流源148,以改变各个LED的各个发光亮度,从而提供一个可选择的背光照明亮度级。通过调整R(1442)G(1444)B(1446)LED的相对亮度,能够获得白色或有颜色的背光照明。
为了提供一个对图像显示器表面合适的或预定的亮度分布的背光照明到LCD显示器,图1-4的背光装置包括一个背光控制器,其从视频图像处理器122接收有关将被显示在LCD显示器表面上的图像帧的图像内容的图像亮度分布的信息。然后,根据一个选择的背光产生算法,分析图像帧的亮度分布,提供一个需要的照明亮度分布给包括多个背光源的背光设备。一旦背光控制器分析了图像亮度分布,然后得到需要的背光照明亮度分布,为一个具体图像帧就可以确定每个背光源的亮度级。背光控制器包括一个模数转换器(ADC),其被设置以确定对应一个背光照明亮度的多个(2N)亮度级中哪一个亮度级将由一个背光源产生。例如,对一个N-比特系统的背光源,可能有2N个亮度级或灰度级。作为一个范例,对一个8-比特的系统,可以有256个灰度级作为256个连续背光照明帧。对于此结构,ADC是一个8-比特数据转换器,其将一个需要的亮度级转换成一个8-比特数据,其对应256个级别中的一个级别。尽管在此讨论了一个8-比特数据转换系统,但应该理解,可以使用其它数目的比特,以提供一个更高或更低的量化级给需要的背光强度。
接着,ADC产生的N-比特亮度数据被用来产生如以下图5-8所述的背光照明。为了最小化数据处理量和提高背光产生的反应速度,通过转换需要的背光亮度级而获得的N-比特数据直接被用来为单个图像帧产生多个背光照明帧(或子帧)。
通常,将会理解,移动的图像实际上包括一系列图像帧,其被连续显示在图像显示器表面上。典型地,图像帧以每秒60帧或以上的速率显示,从而观察者将这一系列图像帧感觉为一个连续的移动图片,而不是一系列分散的闪烁图像。每个图像帧有一个图像帧持续时间T,其等于图像帧速率的倒数(T=1/Ms)。作为本发明背光照明方案的一个典型实施,背光控制器被配置以在图象时间帧T的持续期间产生多个(2N)背光照明帧给那个图像帧,如图7和8所示。
图5显示一个简化范例,其描述本发明背光照明方案的运行原理。在图5,在等式右侧的方形框的那一列表示多个(在此例子里是5)灰度级,其由一个背光源在不同子帧间隔期间产生,不同子帧对应多个选择的图像帧。在等式左侧的每个行上的方形框表示一个背光源在不同背光照明帧或子帧时的亮度级。在此例子里,背光源被安排在两个状态上运行,即“开”或“关”,对应运行逻辑“1”或“0”。在等式左侧的空白框表示光源在子帧期间完全打开,而填满的方形框表示一个不亮或黑暗的LED。在等式右侧的背光照明级别沿着箭头方向显示逐渐变暗的趋势或亮度下降的趋势。
如等式右侧所示,有多个(在此例子里是5)离散级别的背光照明级,其由总共4个背光照明帧产生。在图5的第一行上,背光源在所有5个背光照明帧上都打开,结果背光照明有最高的亮度。另一方面,在图5的最底行上,背光源在所有5个背光照明帧上都关闭,结果背光照明是最暗的,对应一个黑色(或几乎完全黑色的)背景。对位于顶端和底部行之间的行,背光源被安排成在4个背光照明帧期间打开一次、两次和三次以产生一个逐渐但离散的上升灰度级或下降亮度级。应该理解,在4个子帧(t(1),t(2),t(3)和t(4))期间观察者感受到的背光照明总和,其完全是在一个图像帧的持续时间内产生的,视觉上就等于在等式右侧显示的灰度级或亮度级。
图6使用图5相同范例更广义地描述本发明法的运性原理,同时描述在单个图像图片帧的持续期间一个背光源在多个(在此例子里是2N)背光照明帧上的运行条件。在等式右侧的列框内描述感受到的亮度或灰度级百分比,作为一个简单的量化表示。
图7描述在时域内具有一个持续时间T的单个图像帧和2N个背光照明帧之间的时间关系。应该理解,在单个图片帧的持续期间内产生多个(在此例子里是2N)背光照明帧,从而每个背光源的每个背光照明帧有一个最大的持续时间T/(2N)。在每个背光照明帧期间将每个背光源打开或关闭,通过参照图5和6以上所述的原理可以获得2N个级别的背光照明亮度级。如图7所示,每个背光源可以在所有背光照明帧期间完全打开,或只在一部分背光照明帧期间打开。
参照图8,发光设备包括多个背光源(K)。每个背光源被打开一个子帧(T/2N)持续时间的一小部分(1/K),使得K个LED背光源在子帧持续时间的一小部分(1/K)期间被持续打开(ON)或关闭(OFF)。在此例子里,每个背光源在每个子帧期间被打开一个持续时间(T/K2N)。
尽管已经参照以上所述的范例或优选实施例描述了本发明,但应该理解,那些只是用来协助理解本发明的范例,所以不意在作为限制性的。对本领域技术人员明显的改变或修正,与对其所作的改进一样,应该被看作等同于本发明。
此外,尽管已经参照一个LCD显示器描述了本发明,但应该理解,不失一般性,本发明无论是有修改还是没有修改,都可以适用于其它背光显示器。
Claims (17)
1.一个LCD显示装置,被配置以每秒M个图像帧的图像帧速率在图像显示器表面上显示图像,该装置包括一个背光装置,其包括一个LED背光设备用来提供背光照明到所述图像显示器表面以及一个背光控制器用来控制产生背光和所述图像显示器表面上背光照明的亮度分布;其中背光控制器包括一个处理器,其被设置成:
·根据一个预定关系,关于所述图像帧的图像内容的亮度分布特征产生一组背光照明数据,其中所述一组背光照明数据包括在所述图像显示器表面上所述图像帧要求的背光亮度分布的信息;和
·基于所述一组背光照明数据在所述图像帧的持续期间为每个所述图像帧产生多个背光照明帧,通过转换需要的背光亮度级而获得的N-比特数据直接被用来为单个图像帧产生2N个背光照明帧,N为整数,2N个背光照明帧对应2N个亮度级或灰度级;其中在所述图像帧持续期间产生的所述多个背光照明帧的亮度总和等于在所述图像显示器表面上所述图像帧需要的背光亮度分布。
2.根据权利要求1所述的显示装置,其中所述图像帧速率被设置成每秒60帧或以上。
3.根据权利要求2所述的显示装置,其中N是8或以上。
4.根据权利要求1所述的显示装置,其中所述背光设备包括多个单独可控的背光源,每个所述背光源被安排成提供背光照明到所述图像显示器表面的一个预定部分,并且所述多个单独可控的背光源被安排成共同提供背光照明到整个所述图像显示器表面;并且其中所述背光控制器被设置成根据将在部分所述图像显示器表面上显示的部分图像的亮度特征来单独调整每个所述背光源的亮度,所述图像显示器表面由所述背光源背照(back-illumination)。
5.根据权利要求4所述的显示装置,其中每个单独可控的背光源包括一个不同颜色的LED集合。
6.根据权利要求4所述的显示装置,其中所述处理器还被设置使得由所述背光源的每个打开周期(on-cycle)产生的背光照明的持续时间和亮度是相等的。
7.根据权利要求6所述的显示装置,其中为一个图像帧的一个背光源的多个背光照明帧的打开周期的总和等于要求获得相同背光亮度的单个脉冲的脉冲宽度。
8.根据权利要求1所述的显示装置,其中所述处理器包括一个模数转换器,用来将图像亮度信息转换成一个包括开/关脉冲的背光亮度数据。
9.根据权利要求8所述的显示装置,其中开/关脉冲分别用来打开和关闭一个所述背光源,一个所述背光亮度数据的邻近开脉冲被至少一个关脉冲隔开。
10.根据权利要求1所述的显示装置,其中图像显示器表面包括一个液晶层,并且所述背光设备包括多个安排成矩阵的发光二极管。
11.一个在LCD显示设备的图像显示器表面上产生LED背光照明的方法,其中所述LCD显示设备被配置以每秒M个图像帧的图像帧速率产生视频图像,并且背光照明有一个亮度图案(pattern of intensity),其具有一个与将被或正被显示在所述显示器表面上的图像帧亮度分布相关的亮度分布,本方法包括以下步骤:
·评估计算在所述图像显示器表面上所述图像帧的亮度分布特征;
·根据一个预定关系,关于所述图像帧的所述亮度分布特征,确定一个需要的背光亮度分布图案;和
·为每个所述图像帧产生多个背光照明帧,通过转换需要的背光亮度级而获得的N-比特数据直接被用来为单个图像帧产生2N个背光照明帧,N为整数,2N个背光照明帧对应2N个亮度级或灰度级,其中在所述图像帧的持续期间产生的所述多个背光照明帧的亮度总和等于所述需要的背光亮度分布图案。
12.根据权利要求11所述的方法,其中所述图像帧速率是在每秒60帧或以上。
13.根据权利要求12所述的方法,N是8或以上。
14.根据权利要求13所述的方法,其中图像显示器表面被多个单独可控的背光源背照,每个所述背光源被安排成提供背光照明到所述图像显示器表面的一个预定部分,并且所述多个单独可控的背光源被安排成共同提供背光照明到整个所述图像显示器表面;本方法包括以下步骤:根据将被显示在部分所述图像显示器表面上的图像亮度特征单独调整每个所述背光源的亮度,所述图像显示器表面是通过所述背光源进行背照。
15.根据权利要求14所述的方法,其中所述多个背光照明帧包括所述背光源的打开周期或关闭周期,并且在所述背光源的每个打开期间产生的背光照明的持续时间和亮度是相等的。
16.根据权利要求15所述的方法,其中背光照明帧的邻近打开周期被至少一个关闭周期隔开。
17.根据权利要求11所述的方法,其中图像显示器表面包括一个液晶层,并且所述背光设备包括多个被安排成矩阵的发光二极管。
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