CN101568956B - 增强lcd设备上显示图像的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种图像增强方法和装置，用于增强在一个由发光设备照明的显示器上的图像。图像增强是通过使用一个非线性映射函数进行。确定发光设备的一个照明级，并与映射函数一起使用以找出每个图像像素的一个补偿因子。每个像素的亮度特征通过其补偿因子进行调整。

Description

增强LCD设备上显示图像的方法和装置

技术领域

本发明涉及使用光源来观看图像的液晶显示器(LCD)设备。本发明特别涉及一种增强由发光设备所照明的LCD面板上显示的图像的方法和装置。

发明背景

各种液晶显示器(LCD)设备都使用光源将图像投射到显示器表面如屏幕上，或将光源安置在LCD面板后面用于直接观看LCD面板上产生的图像。期望降低能耗和改善LCD技术显示图像的对比度已经产生了多种技术，用来动态地改变光源和/或LCD设备背光的发光亮度。通常在光源亮度上的此类变化都会导致显示图像的纯粹调暗到预计观看的光亮度之下。

为了克服此问题，已经提出了多种补偿技术用于显示的图像。诸如在美国专利公开文献2006/0268180和2007/0092139里讨论的那些技术，其使用色调映射(tone-scale mapping)以补偿较低背光亮度的视频信号。这些色调映射技术利用视频图像的直方图分析，其要求较高的实时计算能力。色调映射也适合用于全局背光调暗，但不适用于动态和局部调暗技术。

在US 2007/0041636里提出了另一种技术，其利用两个连续的映射函数。通过将RGB值代入第一映射函数内而确定第一映射值，通过将第一映射值代入到第二映射函数内而获得第二增强映射值。同样，这种技术具有较高的实时计算费用，适用于全局背光调暗，但不适用于动态或局部调暗技术。

发明概述

所以，本发明的目的是提供一个背光设备用来提供背光到一个液晶显示面板，以及一种控制液晶显示板的方法，其能够克服或缓解以上问题。

在此披露了一种图像增强方法，用于增强一个在由发光设备所照明的显示器上的图像。本方法包括提供一个非线性映射函数，确定发光设备的一个照明级，通过使用映射函数和照明级确定每个像素的一个补偿因子，以及通过补偿因子调整每个像素的亮度特征。在此也披露了一种装置，其具有实施本方法的组件。

映射函数将一个发光设备的照明级关联到一个补偿因子。它可以是一个单维查找表格，其具有多个预定补偿因子或一个等式。

优选地，显示器的发光设备有多个照明区，每个照明区有一个照明级，照亮一个或多个像素，并且每个像素的补偿因子是基于照亮像素的照明区的照明级而确定。

优选地，本方法和/或装置被实施在一个由动态照明背光设备所照明的LCD面板上，背光具有多个独立可控照明区。

从以下的描述，本发明的其它方面将越发明显。

附图说明

现通过范例并参照附图，描述本发明的典型方式，其中：

图1是本发明的一个映射函数的图形表示；

图2是实施本发明方法和装置的一个LCD TV的总示意图；

图3简略描述图像增强；和

图4是图1亮度和图像增强控制器的结构模块图。

具体实施例描述

现详细参照本发明的典型实施例，其范例将在附图内进行描述，其中相同的参照号码表示相同的元件。

所述典型实施例描述本发明被实施在一个背光LCD显示器内，如LCDTV，其被用来显示包括多个连续帧的视频图像，每个连续帧是由多个像素组成。这不是意在限制本发明的使用范围或功能。本发明同样适用于在LCD屏幕上显示的增强静态图像。例如，许多公司、广告商或艺人使用LCD屏幕来显示静态的但周期性发生变化的信息、广告和/或艺术图片和图像。本发明同样能够被用来增强此类信息、广告和/或图像在屏幕上的表现。

同样，本发明被实施在一个背光LCD显示器内，这不是意在限制本发明的使用范围或功能。本发明同样能够被实施在任何显示器装置内，其使用一个光源将图像投射到一个投影面或一个使用背光来显示直接观看到的图像的平板显示器。这种显示器包括数字微镜设备显示器(DMDs)、硅基液晶(LCOs)显示器以及LCD显示器。

在早期的美国专利申请11/707,517里，在此其内容通过引用被结合到本文，申请者描述了一个具有背光的LCD显示器设备，背光被分割成多个独立可控照明区。每个照明区的亮度是根据LCD显示器对应区域的视频信号特征进行控制的。如果显示图像的区域是明亮的，则对应的背光照明区具有较高的亮度，而如果一个图像区是暗的，对应的背光照明区没有或具有较低的亮度。通过依照显示图像一个对应部分的特征，动态地控制每个背光照明区的亮度，可以改善显示图像的对比度和动态范围。另外，每个独立可控的背光照明区可以包括可变颜色光源，如一群独立可控的红色、绿色和蓝色(RGB)LED，从而可以控制照明区的颜色从光谱的暗色(黑色)到白色。背光亮度和颜色可以依照显示图像对应部分的特征进行动态控制，以便改善颜色对比度和颜色动态范围。

在美国专利申请11/707,517里，背光的LED是单独控制，所以背光亮度不是统一的，会随着图像而发生变化。此系统的另一个优点是整个背光亮度通常比现有的恒定背光系统更暗。这是因为显示图像的白色亮度区域时背光将处于最大值，其通常可能与现有的恒定背光系统具有相同的亮度，但是，大部分图像具有较低的亮度，因此背光可以调暗。为了保持图像在屏幕上可视亮度不会发生显著改变，依照背光亮度级调整LCD像素透光率。在本发明里，在确定每个背光照明区的背光照明级别之后(每个背光块/区的照明随着对应图像块亮度的不同而不同)，使用一个映射函数确定由那个照明块所照亮像素的一个调整或补偿因子，以及由调整或补偿因子所调整的相关像素的透光率。

在LCD面板上像素的透光率是依照以下等式由输入的RGB视频信号进行控制：

T＝T_max×(I/255)^γ

其中T是LCD透光率，I是对应像素的RGB数字代码值，而γ是来自LCD面板伽玛曲线。

在LCD显示器上看到的图像表面亮度是一个关于背光亮度和LCD透光率的函数，其由以下等式表示：

L＝BL×T

其中L是图像表面亮度，BL是背光亮度，而且T是LCD透光率。

代入T，从而得到：

L＝BL×T_max×(I/255)^γ

为了在变动的背光照明级时保持图像亮度恒定不变，需要：

L′＝L

BL′×(I′/255)^γ＝BL×(I/255)^γ

I′＝I×[BL/BL′]^1/γ

I′＝[I^γ·χ]^1/γ

其中L′是补偿之后的图像表面亮度，BL′是新的背光亮度，I′是补偿之后的RGB数字代码值，而χ是一个与背光照明变化有关的调整因子。

调整因子χ和背光照明级之间的关系如图1所示，其中x轴表示背光照明级BL′，Y轴表示像素透光调整因子χ。图1曲线可以通过以下一个映射函数的形式进行定义：

$Y=\left\{\begin{array}{cc}Y\min & L3<x\&le;L\max \\ 1/(x+a)& L1<x\&le;L3\\ Y\max -K\&times;x& 0\&le;x\&le;L1\end{array}\right.$

当整个背光照明级较高时(＞L3)，调整因子是最小值，而当背光照明级较低时(＜L1)，调整因子从最大值线性下降到一个定值。当背光照明级是中等时，调整因子与照明级成反比例，并具有一个移位常数a。常数a的值是基于LCD显示器的特征而确定。

这种映射函数可以存储在亮度控制器内，作为一个用来计算确定调整因子的函数。但是，在优选实施例里，映射函数被存储为一个一维查找表格(LUT)，其中提供从0到Lmax整个范围的背光照明级的对应调整因子。在确定合适的调整因子之后，图像内的每个像素通过调整因子进行调整。

参照图2，显示一个背光LCD显示器的总示意图，如美国专利申请11/707,517内描述的LCD TV类型。显示器包括一个位于背光2前端的LCD面板1。背光2被分成多个独立可控的照明区域。在所述实施例里，为了便于描述，仅有5×7个区域。在本发明的优选实施例里，每个区包括一组红色3、绿色4和蓝色5 LED，从而区域的光输出可以是从色谱的黑色到白色。对本发明而言这不是必需的，在其它实施例里，背光区可以只包括白色LED或其它光源。LCD面板名义上而不是物理上被分成相同数目的显示区6。已知通过模拟或数字接口，TV转换器7接收各种视频源如PC、DVD播放器、有线TV等的图像信号。在处理输入信号之后，TV转换器产生RGB格式的视频信号8，并传递视频信号8到一个亮度控制器9。亮度控制器9分析输入视频信号8，并提供驱动信号10到背光2每个照明区的LED驱动器。亮度控制器9的功能与在美国专利申请11/707,517内描述的一致。然后，亮度控制器9增强视频信号，并特别补偿信号的亮度信息，从而整个显示图像的亮度不受背光2的总体亮度或暗度的影响。一个来自亮度控制器9的补偿视频信号11进入时序控制器12，其发出垂直13和水平14的信号到相应的液晶驱动器。

图3是LCD补偿的信号流程示意图。使用一个伽玛查找表格(LUT)40，视频信号的代码值I被转换成一个伽玛值。使用一个调整因子查找表格45和背光照明级BL’，可以确定一个调整因子χ。通过与调整因子相乘，可以调整伽玛值，然后通过一个逆伽玛查找表格41补偿的伽玛值被转换回到一个视频信号代码值。在本发明的当前实施例里，其包括一个具有红色、蓝色和绿色LED的颜色背光，背光的单个红色、绿色和蓝色LED的照明级将根据确定的背光颜色和光强度的不同而不同。为了保持最佳的图像质量，LCD显示器的视频信号的每个颜色通道应该分别依照背光内红色、绿色和蓝色部分的各个照明级进行补偿。

在本发明的另一个实施例里，背光仅仅是白色，其被分成不同的背光照明区，从而能够在不同区域以不同照明级上照明。在该实施例里，每个背光区仅有一个亮度级，从而LCD显示器的RGB视频信号的每个颜色通道是通过相同的调整因子进行调整。

图4显示亮度控制器9的各个模块组件。亮度控制器执行图像增强、背光照明仿真和LCD像素补偿功能。背光照明仿真组件20依照在美国专利申请11/707,517内所提供的详情进行运作。图像增强和图像信号补偿是在组件21和22上进行。

虽然以上已经描述了本发明的范例和典型实施例，但这不是意在限制本发明的使用范围和功能。应该理解，对本领域技术人员所熟悉的修正和更改都应当被视为在本发明的范围之内。

Claims (20)

1.一种在背光设备照明的显示器上的图像增强方法，图像包括多个像素，其具有像素亮度特征，本方法包括：

在一个机器可读存储介质上提供一个非线性映射函数；

确定背光设备的一个照明级；

通过使用所述映射函数和所述照明级，确定每个像素的一个补偿因子，和

通过其补偿因子调整每个像素的亮度特征；

其中所述映射函数将背光设备照明级关联到一个补偿因子。

2.根据权利要求1所述的方法，其中补偿因子随着所述照明级上升而下降或保持不变。

3.根据权利要求1所述的方法，其中映射函数是一个单维查找表格，其将背光设备照明级关联到补偿因子。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述映射函数是由等式

表示，其中y是补偿因子，x是背光设备的照明级，a是常数。

5.根据权利要求4所述的方法，其中a是基于显示器的特征而确定。

6.根据权利要求1所述的方法，其中背光设备包括多个照明区，每个照明区有一个照明级，并照明一个或多个像素，并且其中每个像素的补偿因子是基于照亮像素的照明区的照明级而确定。

7.根据权利要求6所述的方法，其中映射函数将一个照明级映射到一个对应的补偿因子。

8.根据权利要求1所述的方法，其被实施在一个由动态照明背光设备所照明的LCD面板上，背光设备具有多个独立可控照明区。

9.根据权利要求1所述的方法，其中图像是一个视频图像，其中多个像素组成多个连续的视频图像帧。

10.一种动态调整将被显示在LCD面板上的视频信号的方法，LCD面板由具有多个独立可控照明区的动态照明背光设备所照明，视频信号包括多个连续的视频帧，每个视频帧包括多个具有像素亮度特征的图像像素，本方法包括：

基于多个对应背光照明级确定多个调整因子，每个对应背光照明级通过映射函数关联到一个调整因子，并将所述调整因子存储成机器可读格式，对视频信号内的每个像素：

确定背光设备的一个对应照明级；

从存储的调整因子中确定与对应照明级相应的一个调整因子；和

通过该调整因子调整所述像素的像素亮度特征。

11.根据权利要求10所述的方法，其中多个调整因子被存储在一个单维查找表格内。

12.一个用于由背光设备照明的显示器的图像增强装置，图像包括多个具有像素亮度特征的图像像素，本装置包括：

一个机器可读介质，存储有一个映射函数，其将背光照明级关联到一个在显示器上显示像素的调整因子；

第一组件，其确定背光照明区的照明级；

第二组件，其使用所述映射函数和所述照明级来确定图像内每个像素的一个调整因子；和

一个补偿器，其通过确定的调整因子调整每个像素的亮度特征。

13.根据权利要求12所述的装置，其中映射函数是一个单维查找表格，其包括多个预定的调整因子。

14.根据权利要求13所述的装置，其中所述调整因子随着所述照明级的上升而下降或保持不变。

15.根据权利要求12所述的装置，其中映射函数是由等式

表示，其中y是所述调整因子，x是背光设备的照明级，a是常数。

16.根据权利要求15所述的装置，其中a是基于显示器的特性而确定。

17.根据权利要求12所述的装置，其中背光设备包括多个照明区，每个照明区照明一个或多个像素，并且其中每个像素的调整因子是基于照亮像素的照明区的照明级而确定。

18.根据权利要求17所述的装置，其中映射函数将一个照明级映射到一个对应的所述调整因子。

19.根据权利要求12所述的装置，其中显示器是一个由动态照明背光设备所照明的LCD面板，背光具有多个独立可控照明区。

20.根据权利要求12所述的装置，其中装置是用来增强一个视频图像，其中多个像素组成多个连续的视频图像帧。

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