DE10037661A1

DE10037661A1 - Gamma corrected alpha blending

Info

Publication number: DE10037661A1
Application number: DE10037661A
Authority: DE
Inventors: Hans-Ulrich Lauer; Peter Hartmann
Original assignee: Borg Instruments AG
Current assignee: Johnson Controls Automotive Electronics GmbH
Priority date: 2000-06-29
Filing date: 2000-07-31
Publication date: 2002-01-10
Also published as: DE50114558D1

Abstract

Verfahren zur graphischen Aufbereitung von auf einem Bildschirm dargestellter Information, wobei der Bildschirm aus einer Vielzahl einzelner Bildelemente (Pixel) aufgebaut ist, die jeweils durch ein am Bildelement anliegendes elektrisches Signal (Videosignal), insbesondere durch eine Spannung, zur Lichtemission angeregt werden, wobei die Leuchtdichte der Lichtemission einem bestimmten Informationswert, insbesondere einer Farbe und/oder einer Helligkeit, entspricht und wobei in einem Bildelement zwei Informationswerte zu einem Gesamtwert überlagerbar sind und die Überlagerung der Informationswerte einer Überlagerung, der den Informationswerten zugeordneten elektrischen Signale, insbesondere einer Addition der elektrischen Signale nach dem Prinzip des "Alpha-Blending", entspricht, wobei bei der Überlagerung eine Korrektur vorgenommen wird, bei der die nichtlineare Abhängigkeit zwischen der Stärke des elektrischen Signals und der optischen Leuchtdichte berücksichtigt wird.Method for the graphic preparation of information displayed on a screen, the screen being constructed from a large number of individual picture elements (pixels), each of which is excited to emit light by an electrical signal (video signal) applied to the picture element, in particular by a voltage, the Luminance of the light emission corresponds to a certain information value, in particular a color and / or a brightness, and wherein two information values can be superimposed to a total value in a picture element and the superimposition of the information values of a superimposition of the electrical signals assigned to the information values, in particular an addition of the electrical signals according to the principle of "alpha blending", a correction being made in the superimposition in which the non-linear dependence between the strength of the electrical signal and the optical luminance is taken into account.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur graphischen Aufbereitung von auf einem Bildschirm dargestellter Information, wobei der matrix-organisierte Bildschirm aus einer Vielzahl einzelner Bildelemente (Pixel) aufgebaut ist, deren Lichtemission jeweils durch ein am Bildelement anliegendes elektrisches Signal (Videosignal), insbesondere durch eine Spannung, kontrolliert wird, wobei die Leuchtdichte der Lichtemission einem bestimmten Informationswert, insbesondere einer Farbe und/oder einer Helligkeit, entspricht und wobei in einem Bildelement zwei Informationswerte (Layer) zu einem Gesamtwert überlagerbar sind und die Überlagerung der Informationswerte einer Überlagerung der den Informations werten zugeordneten elektrischen Signale, insbesondere einer Addition der elektrischen Signale nach dem Prinzip des "Alpha-Blending", entspricht.The present invention relates to a method for the graphic preparation of information displayed on a screen, the matrix-organized Screen is made up of a large number of individual picture elements (pixels), the Light emission in each case by an electrical signal applied to the picture element (Video signal), in particular by a voltage, is controlled, the Luminance of the light emission a certain information value, in particular corresponds to a color and / or a brightness and is in a picture element two information values (layers) can be superimposed to a total value and the Overlaying the information values of overlaying the information values associated electrical signals, in particular an addition of electrical signals according to the principle of "alpha blending".

Derartige Überlagerungen zweier graphischer Bildebenen (Layer) auf einem Bildschirm treten dort auf, wo eine Graphik auf einem aktiven, eine eigene Helligkeit aufweisenden Hintergrund dargestellt werden soll. Zur Überlagerung solcher Layer ist die Operation des sogenannten "Alpha-Blending" bekannt, nach der die resultierende Farbe F eines Bildpunktes (Pixels) nach dem Formalismus
Such superimpositions of two graphic picture planes (layers) occur on a screen where a graphic is to be displayed on an active background with its own brightness. The operation of so-called "alpha blending" is known for superimposing such layers, according to which the resulting color F of a picture element (pixel) according to the formalism

F = α F_Hintergrund + (1 - α) F_Vordergrund
F = α F _background + (1 - α) F _foreground

berechnet wird, wobei α Werte zwischen 0 und 1 annehmen kann. is calculated, where α can have values between 0 and 1.

Eine spezielle Anwendung, in der ebenfalls Alpha-Blending eingesetzt wird, ist die Operation das sogenannten "Anti-Aliasing", mit dem die Darstellung schräger Konturen auf matrix-organisierten Bildschirmen optimiert wird. Das Anti-Aliasing führt zu einer Korrektur der bei solchen Darstellungen zwangsläufig auftretenden Treppeneffekte, indem eine optische Verschmierung der durch Pixel definierten Kontur durch Mittelung der Leuchtstärke einander benachbarter Pixel erreicht wird. Das Alpha-Blending spielt dabei insofern eine Rolle, als schräg zum Raster des Bildschirms verlaufende Konturen, beispielsweise Linien, über Pixel verlaufen, die teils der Hintergrundfarbe und teils der Vordergrundfarbe zugeordnet werden müssen. Die Farb- oder Helligkeitsinformation dieser Pixel wird dann aus der Interpolation von Vordergrundfarbe und Hintergrundfarbe, entsprechend der geometrischen Überdeckung, gewonnen. Zur Interpolation werden bislang die binär vorliegenden Videodaten der Vordergrundfarbe und der Hintergrundfarbe benutzt, wobei die drei Primärfarben Rot, Grün, Blau getrennt berechnet werden.A special application in which alpha blending is also used is Operation the so-called "anti-aliasing", with which the representation oblique Contours on matrix-organized screens is optimized. Anti-aliasing leads to a correction of those that inevitably occur in such representations Stair effects by creating an optical smear of those defined by pixels Contour is achieved by averaging the luminosity of neighboring pixels. Alpha blending plays a role in that, at an angle to the grid of the Contours running on the screen, for example lines, run over pixels that partly assigned to the background color and partly to the foreground color have to. The color or brightness information of these pixels is then from the Interpolation of foreground color and background color, according to the geometric coverage, won. So far the binary video data of the foreground color and the background color used, whereby the three primary colors red, green and blue are calculated separately.

Bei dieser Art der Interpolation wird jedoch vernachlässigt, daß zwischen dem Videosignal und der mit dem Videosignal erzeugten Leuchtdichte kein linearer Zusammenhang besteht, sondern daß die Leuchtdichte für Kathodenstrahlröhren und gamma-korrigierte LCD-Bildschirme der Beziehung
With this type of interpolation, however, it is neglected that there is no linear relationship between the video signal and the luminance generated with the video signal, but that the luminance for cathode ray tubes and gamma-corrected LCD screens of the relationship

= (k.u + h)^y
= (ku + h) ^y

folgt, wobei I die normierte Leuchtdichte, k ein Kontrastfaktor mit Nennwert k = 1, u ein normiertes Videosignal zwischen 0 und 1, h die normierte Grundhelligkeit mit Nennwert h = 0 und y ein Exponent insbesondere im Wertebereich zwischen 2.2 und 2.8 ist. Wegen dieser nichtlinearen Abhängigkeit kommt es gerade bei der Überlagerung durch Alpha-Blending zu störenden Artefakten wie beispielsweise dem Perlschnureffekt, der u. a. bewirkt, daß auf einer sich auf dem Bildschirm bewegenden Linienkontur hintereinander angeordnete Stellen unterschiedlicher Heiligkeit entlanglaufen. Diese Artefakte beeinträchtigen den optischen Eindruck des Betrachters enorm und sind gerade im Falle von Informationsanzeigen, bei denen der Zeiger eines analogen Instrumentes auf einem Bildschirm simuliert werden, besonders störend. Solange Bildschirmanzeigen von derart schlechter Qualität sind, können sie den Einsatz herkömmlicher Analoginstrumente nicht ersetzen.follows, where I is the normalized luminance, k is a contrast factor with nominal value k = 1, u a normalized video signal between 0 and 1, h the normalized basic brightness with Nominal value h = 0 and y an exponent especially in the range between 2.2 and 2.8 is. Because of this non-linear dependency, Overlay by alpha blending to annoying artifacts such as the pearl cord effect, which u. a. causes one on itself on the screen moving line contour of different positions arranged one behind the other Holiness walk along. These artifacts affect the visual impression of the viewer enormous and are especially in the case of information displays which the pointer of an analog instrument simulates on a screen become particularly annoying. As long as screen displays from such worse Quality, they cannot use conventional analog instruments replace.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zu schaffen, das derartige Artefakte mit einfachen Mitteln korrigiert und so zu einer Steigerung der optischen Qualität von Bildschirmanzeigen führt. Gleichzeitig ist es Aufgabe der Erfindung, ein Anzeigeinstrument zu schaffen, das dieses Verfahren umsetzt.The object of the present invention is therefore to provide a method which such artifacts corrected with simple means and thus to an increase in optical quality of screen displays leads. At the same time it is the job of Invention to provide a display instrument that implements this method.

Diese Aufgaben werden durch das Verfahren nach Anspruch 1 und die Vorrichtung nach Anspruch 8 gelöst.These tasks are performed by the method according to claim 1 and the Device according to claim 8 solved.

Erfindungswesentlicher Grundgedanke ist, daß bei der Überlagerung zweier oder mehrerer Layer der nichtlineare Zusammenhang zwischen der Stärke des Videosignales und der optischen Leuchtdichte berücksichtigt wird. Dabei wird die Überlagerung im optischen Bereich, also im vom Auge wahrgenommenen Luminanzbereich, und nicht - wie bislang - im elektrischen Bereich durchgeführt. Das bedeutet, daß die den elektrischen Videosignalen zugeordnete optische Wirkung überlagert wird. Dabei ist je nach Bildschirmtyp eine von zwei Vorgehensweisen zu bevorzugen. In einem Fall wird das Signal vom elektrischen Wertebereich, der beispielsweise durch ein 8-bit Wort dargestellt ist, unter Berücksichtigung des nichtlinearen Zusammenhanges I = (k.u + h)^y in den optischen Wertebereich transformiert, dort die Überlagerung durchgeführt und das Resultat der Überlagerung vermittels der inversen Gleichung in den elektrischen Wertebereich zurück transformiert, wobei mit dem das Videosignal repräsentierenden elektrischen Wert der Bildpunkt angesteuert wird. Falls sich das Verhalten des Bildschirms nicht mit ausreichender Genauigkeit durch den funktionellen Zusammenhang beschreiben läßt, wird die Transformation anhand gemessener Werte durchgeführt, die das tatsächliche Verhalten des Bildschirms charakterisieren. Für die Rücktransformation werden gegebenenfalls interpolierte inverse Werte benutzt.The basic idea of the invention is that when two or more layers are superimposed, the non-linear relationship between the strength of the video signal and the optical luminance is taken into account. The superimposition is carried out in the optical range, that is in the luminance range perceived by the eye, and not - as has been the case up to now - in the electrical range. This means that the optical effect associated with the electrical video signals is superimposed. Depending on the type of screen, one of two approaches is preferred. In one case, the signal is transformed from the electrical value range, which is represented, for example, by an 8-bit word, taking into account the nonlinear relationship I = (ku + h) ^y, into the optical value range, where the overlay is carried out and the result of the overlay is conveyed transformed the inverse equation back into the electrical value range, the pixel being driven with the electrical value representing the video signal. If the behavior of the screen cannot be described with sufficient accuracy by the functional connection, the transformation is carried out on the basis of measured values which characterize the actual behavior of the screen. If necessary, interpolated inverse values are used for the reverse transformation.

Der Vorteil der Erfindung liegt vor allem darin, daß bei der Überlagerung die optische Wirkung berücksichtigt wird, was im Betrachter ein stärkeres Gefühl der Harmonie erweckt. Mit der Erfindung läßt sich ein Blending zweier Bildebenen natürlich wirkend und damit wirklichkeitsnah vornehmen. Dabei kann die Korrektur mit einfachen, meist ehedem vorhandenen Mitteln und damit kostengünstig realisiert werden. Besonders beeindruckend zeigen sich die Vorteile der Korrektur im Falle des Anti-Aliasing, da die dort unternommene Mittelung über die Farbwerte benachbarter Pixel nunmehr zu einer optischen, auf den Betrachter abgestimmten Verschmierung führt, während die bekannte elektrische Verschmierung als solche zu erkennen war und zu den genannten Artefakten führte. Die optische Verschmierung wirkt harmonischer und mindert so die Artefakte deutlich.The advantage of the invention lies in the fact that the optical effect is taken into account, which gives the viewer a stronger feeling of Awakened harmony. The invention allows blending of two image planes make it look natural and therefore realistic. Doing the correction with simple, mostly former means and therefore inexpensive will be realized. The advantages of the correction are particularly impressive in the case of anti-aliasing, since the averaging made there about the color values neighboring pixels now become an optical one that is tailored to the viewer Lubrication results, while the well-known electrical lubrication as such was recognizable and led to the mentioned artifacts. The optical Smearing looks more harmonious and thus significantly reduces the artifacts.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich daher besonders vorteilhaft im Falle von auf einem Bildschirm bewegten Liniengraphiken anwenden. Beispielsweise können mit der Erfindung analoge Zeigerinstrumente, wie sie beispielsweise als Drehzahlmesser oder Tachometer in Fahrzeugen zum Einsatz kommen, graphisch simulieren. So kann sich die durch einen Pfeil auf einem Display dargestellte Tachonadel um ihren Drehpunkt bewegen, ohne daß es an ihren durch Linien dargestellten Kanten zu störenden Perlschnureffekten kommt.The method according to the invention can therefore be particularly advantageous in the case of line graphics moving on a screen. For example can with the invention analog pointer instruments, such as as Tachometers or tachometers are used in vehicles, graphically simulate. This can be shown by an arrow on a display Move the speedometer needle around its fulcrum without making it through your lines shown edges comes to disturbing pearl cord effects.

Um den nichtlinearen Zusammenhang zwischen den elektrischen Werten und den optischen Werten zu berücksichtigen, bieten sich zwei Vorgehensweisen an. So ist es möglich, den Zusammenhang einerseits als Funktion oder andererseits als Wertetabelle vorzugeben. Im Falle der Funktion, die der oben dargestellten entspricht, muß bei jeder Überlagerung Rechenleistung aufgewendet werden. Bei der Leistungsfähigkeit heutiger Prozessoren spielt diese zusätzliche Anforderung keine bedeutsame Rolle und ist entsprechend schnelle durchzuführen. Um die Geschwindigkeit der Korrektur zu steigern, ist es vorteilhaft, den Zusammenhang in einer Wertetabelle niederzulegen, aus der sich der Prozessor unter Vorgabe des elektrischen Wertes den optischen Wert entnimmt.The non-linear relationship between the electrical values and the There are two ways of taking optical values into account. So it is possible to consider the connection on the one hand as a function or on the other hand as Specify table of values. In the case of the function, that of the above corresponds, computing power must be used for each overlay. at The performance of today's processors plays this additional requirement not an important role and can be carried out accordingly quickly. To the To increase the speed of correction, it is beneficial to the context in a table of values from which the processor is specified takes the optical value from the electrical value.

Statt von einem theoretischen oder lediglich angenährten Zusammenhang zwischen elektrischen und optischen Werten auszugehen ist es mitunter - wie oben erwähnt - vorteilhaft, den Zusammenhang, der sich in dem Exponenten y ausdrückt, für den speziellen Bildschirm genau auszumessen, um eine realitätsnahe und damit optimale Transformation gewährleisten zu können. Die realen Meßwerte werden dann in einer Datei (Look-Up-Table) zusammengestellt, die bei der Transformation ausgelesen wird. Dabei ist es ausreichend, den Zusammenhang für einen Typ oder eine Baureihe des Bildschirms auszumessen, da davon auszugehen ist, daß sich der Exponenten individuell von Monitor zu Monitor nur wenig ändert. Um den rechnerischen und damit apparativen Aufwand zu mindern und damit die Erfindung auch für den Einsatz in Massenartikeln wie in Fahrzeuginstrumenten attraktiv zu machen, kann es vorteilhaft sein, die Transformation durch eine Nährungsfunktion vorzunehmen und damit die individuell möglichen, aber geringen Unterschiede zwischen verschiedenen Arten von Bildschirmen zu akzeptieren.Instead of a theoretical or merely approximate relationship It is sometimes - how to go out between electrical and optical values mentioned above - advantageous, the relationship that is in the exponent y expresses to measure precisely for the special screen to a to be able to guarantee realistic and thus optimal transformation. The real measured values are then compiled in a file (look-up table), which is read out during the transformation. It is sufficient that Measure context for a type or a series of the screen since it can be assumed that the exponent will change from monitor to monitor Monitor changes little. To the arithmetical and thus equipment expenditure to reduce and thus the invention for use in bulk articles as in To make vehicle instruments attractive, it can be advantageous to Carry out transformation through a nutritional function and thus the individually possible, but slight differences between different species accept from screens.

Eine besondere Ausführungsform der Erfindung wird im folgenden anhand des in der Figur dargestellten Blockschaltbildes näher beschrieben:
Die Figur zeigt das Blockschaltbild zur gamma-korrigierten Mischung zweier graphischer Layer. Dabei werden die eingehenden Daten von einem elektrischen Wertebereich 1 in einen optischen Wertebereich 2 und von dort zurück in einen elektrischen Wertebereich 3 transformiert. In diesem Falle sind die eingehenden Daten sechs Videodaten 4, wobei jede der drei Primärfarben als Vordergrund- und Hintergrundfarbe vorhanden ist. Die ursprünglich eingehenden Daten sind in den nachfolgenden Gleichungen mit a indiziert. Sie durchlaufen ein Transformator modul 5 mit fest programmierter Tabelle (Look-uptable), in welcher der Zusammenhang zwischen den elektrischen Videodaten und ihrer optischen Wirkung niedergelegt ist. Bei einer Farbtiefe von N bit pro Farbe hat jede Look-up table die gleiche Kennlinie 6. Die rechnerische Transformation geschieht nach dem folgendem Zusammenhang:
A particular embodiment of the invention is described in more detail below with reference to the block diagram shown in the figure:
The figure shows the block diagram for the gamma-corrected mixing of two graphic layers. The incoming data are transformed from an electrical value range 1 into an optical value range 2 and from there back into an electrical value range 3 . In this case, the incoming data is six video data 4 , each of the three primary colors being present as the foreground and background colors. The data originally received are indexed with a in the equations below. They pass through a transformer module 5 with a permanently programmed table (look-up table), in which the relationship between the electrical video data and their optical effect is established. With a color depth of N bits per color, each look-up table has the same characteristic curve 6 . The mathematical transformation takes place in the following context:

u_b (u_a) = next_integer {(2^N - 1).[u_a/(2^N - 1)]^y}
u _b (u _a ) = next_integer {(2 ^N - 1). [u _a / (2 ^N - 1)] ^y }

wobei u_a = 0,1 . . ., 2^N - 1 und u_b = 0,1 .. ., 2^N - 1 ist, während y = 2.2 in diesem Ausführungsbeispiel ist. Wie betont, kann die Transformation auch unter Zugrundelegung gemessener Werte geschehen. Nach der Transformation durch das Transformatormodul 5 sind die Daten 7 mit b indiziert und werden einem weiteren Rechenmodul 8 zugeführt. Dieses Modul 8 führt das Alpha-Blending - im speziellen Fall das Anti-Aliasing - mit den in den optischen Wertebereich 2 transformierten Werten der Hintergrundfarbe 7H und der Vordergrundfarbe 7V in bekannter Art durch. Die Daten 9 sind nun mit c indiziert. Das zur Berechnung verwendete Funktional hat die allgemeine Form u_c = f (u_bV, u_bH, α).where u _a = 0.1. , ., 2 ^N - 1 and u _b = 0.1. , ., 2 is ^N - 1, while y = 2.2 in this embodiment. As emphasized, the transformation can also take place on the basis of measured values. After the transformation by the transformer module 5 , the data 7 are indexed with b and are fed to a further computing module 8 . This module 8 carries out the alpha blending - in the special case the anti-aliasing - with the values of the background color 7 H and the foreground color 7 V transformed into the optical value range 2 in a known manner. The data 9 are now indexed with c. The functional used for the calculation has the general form u _c = f (u _bV , u _bH , α).

Die so berechneten Videodaten werden nun mittels eines Rücktransformators 10 vom optischen Wertebereich 2 zurücktransformiert in den elektrischen Bereich 3. Die Rücktransformation zu mit d indizierten Werten 11 geschieht in diesem Ausführungsbeispiel vermittels einer zur Transformation inversen Korrektur- Kennlinie:
The video data thus calculated are now transformed back from the optical value range 2 into the electrical range 3 by means of a reverse transformer 10 . In this exemplary embodiment, the back transformation to values 11 indicated with d takes place by means of a correction characteristic inverse to the transformation:

u_d (u_c) = next_integer {(2^N - 1).[u_c/(2^N - 1)]^1/y},
u _d (u _c ) = next_integer {(2 ^N - 1). [u _c / (2 ^N - 1)] ^{1 / y} },

wobei u_c = 0,1 . . ., 2^N - 1, u_d = 0,1 . . ., 2^N - 1 und 1/y = 0.45 ist. Die Rücktransformation kann gegebenenfalls anhand der invertierten gemessenen Werte vorgenommen werden. Nach der Rücktransformation stehen die benötigten Videodaten zur Verfügung, die nun erfindungsgemäß korrigiert sind.where u _c = 0.1. , ., 2 ^N - 1, u _d = 0.1. , ., 2 ^N - 1 and 1 / y = 0.45. The inverse transformation can optionally be carried out on the basis of the inverted measured values. After the back transformation, the required video data are available, which are now corrected according to the invention.

Die Transformatoren sind dabei entweder im Random Access Memory (RAM) des für die Umsetzung der Erfindung eingesetzten Computers als ladbare Datei realisiert oder sie sind in einem Read Only Memory (ROM) festgelegt.The transformers are either in the Random Access Memory (RAM) of the computer used for the implementation of the invention as a loadable file realized or they are defined in a Read Only Memory (ROM).

Claims

1. A method for the graphic preparation of information displayed on a matrix-organized screen, the screen being constructed from a large number of individual picture elements (pixels), the light emission of which is controlled in each case by an electrical signal (video signal) applied to the picture element, in particular by a voltage , wherein the luminance of the light emission corresponds to a certain information value, in particular a color and / or a brightness, and wherein in a picture element two information values can be superimposed to a total value and the superimposition of the information values is a superimposition of the electrical signals associated with the information values, in particular an addition of the corresponds to electrical signals according to the principle of "alpha blending", characterized in that a correction is made in the superposition, in which the non-linear dependence between the strength of the electrical signal and the optis Chen luminance of the picture element is taken into account.

2. The method according to claim 1, characterized in that for correction the size of the Signals from the electrical value range to an optical value range transformed taking into account the nonlinear relationship is that the superposition to the total value in the optical value range and that the total value of the optical back in the electrical value range is transformed.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the context between the electrical values and the optical values as a function or is specified as a table of values.

4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the context between the electrical values and the optical luminance for the special type of screen is measured.

5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the relationship is predetermined as a normalized luminance, according to the formula
I = (ku + h) ^y
is calculated, where I is the normalized luminance, k is a contrast factor, u is a normalized video signal, h is the normalized basic brightness and y is an exponent, in particular in the range between 2.2 and 2.8.

6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that in a first step each video signal u _{a of} a picture element is transformed into the optical area in u _b according to the relationship
u _b (u _a ) = next_integer {(2 ^N - 1). [u _a / (2 ^N - 1)] ^y },
that subsequently two transformed video signals u _a and u _b are overlaid by means of alpha blending to u _c and
that the superimposed signal is transformed back according to the relationship
u _d (u _c ) = next_integer {(2 ^N - 1). [u _c / (2 ^N - 1)] ^{1 / y} },
where u = 0.1. , ., 2 are ^N - 1.

7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a transformation by a nutritional function is approximated.

8. Display device for optical reproduction of graphic Information using the method according to one of claims 1 to 7th

9. Use of the method according to one of claims 1 to 7 in the graphic processing of information that is anti-aliasing Undergoes correction.