KR100493293B1 - 비선형 샘플링을 이용한 영상 신호의 감마 보정 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 디스플레이 장치의 감마 보정시에 로우라이트, 하이라이트 계조의 화질을 최적화할 수 있도록 한 비선형 샘플링을 이용한 영상 신호의 감마 보정 방법에 관한 것으로, 화이트 신호의 휘도와 블랙 신호의 휘도를 각각 측정하고 그 휘도차를 산출하는 단계와, 입력신호 비트수에 따른 입력신호 레벨 각각에 대해 휘도를 측정하고 측정된 휘도를 산출된 휘도차를 100%로 기준하여 환산하는 단계와, 입력신호 신호레벨들 각각에 대해 환산된 휘도값(L_n)과 기설정된 휘도값이 같은지를 비교하여 다르다면, RGB 데이터값(Yn)을 증가시키거나 감소시켜 두 값이 일치되는 조건에서의 RGB 데이터값(Yn)을 구하고 저장하는 단계와, RGB 데이터값(Yn)의 기울기 값을 찾고 그중 기울기 값이 큰 순서대로 비선형 샘플링하여 메모리에 기록하는 단계를 포함하므로 로우라이트 계조와 하이라이트 계조를 완벽하게 표현할 수 있도록 하여 영상의 화질 향상을 가져온다.

Description

비선형 샘플링을 이용한 영상 신호의 감마 보정 방법{Method for interpolating gamma of video signal using the nonlinear sampling}

본 발명은 디지털 디스플레이 장치의 감마 보정에 관한 것으로, 특히 비선형 샘플링 방법을 이용하여 로우라이트(low light), 하이라이트(high light) 계조의 화질을 최적화할 수 있도록 한 비선형 샘플링을 이용한 영상 신호의 감마 보정 방법에 관한 것이다.

최근 A/V 시장의 급격한 팽창으로 인해 영상의 화질을 평가하는 소비자의 수준이 많이 향상되고, 화면의 미세한 부분까지도 평가해내는 매니아층이 확산되고 있다.

그에 따라 영상의 화질을 크게 좌우하는 감마 보정의 기술에 대해서도 초점이 맞춰지고 있고, 업체마다 저마다의 독자적인 기술을 개발하기 위해 많은 노력을 기울이고 있다.

현재, 디지털 디스플레이 장치에서 감마 보정은 주로 디스플레이 소자를 통과하는 신호의 V-T(Voltage Transmittance) 곡선을 찾고 이 곡선을 역으로 보정하는 곡선을 찾아내어 원하는 감마 곡선에 맞게 조정하는 방식을 택하고 있다.

이하, 첨부된 도면을 참고하여 종래 기술의 디스플레이 장치의 감마 보정에 관하여 설명하면 다음과 같다.

도 1은 일반적인 액정 표시 장치의 V-T 곡선 그래프이고, 도 2는 액정 표시 장치의 감마 보정 곡선을 나타낸 그래프이다.

그리고 도 3은 종래 기술의 감마 보정 곡선을 찾기 위한 방법을 나타낸 플로우 차트이고, 도 4는 도 3에 나타낸 종래 기술에 의해 찾아낸 감마 보정 곡선 그래프이다.

도 1은 LCD의 V-T 곡선을 나타낸 것이다. 도 1에서 보면 V-T 곡선 자체가 비선형(Non-Linear)적이고, 특히 액정 표시 장치(Liquid Crystal Display;LCD) 특성 자체가 로우라이트(Low Light) 계조와 하이라이트(High Light) 계조를 제대로 표현해내지 못하고 있음을 알 수 있다.

도 1에서와 같은 곡선 형태를 갖는 영상 신호가 아무런 프로세스도 거치지 않고 그냥 통과하게 되면 로우라이트 부분은 영상을 구별할 수 없을 정도로 어둡게 되고 하이라이트 부분은 밝게 포화되는 현상이 발생하게 된다.

따라서, 이러한 LCD 특성 곡선을 선형(Linear)적인 감마 곡선(또는 우리가 원하는 감마 곡선)이 되도록 하기 위해서는 V-T 곡선의 역함수에 해당하는 감마 보정 곡선을 통과시켜 주어야 한다.

V-T 곡선의 역함수에 해당하는 감마 보정 곡선은 도 2에서와 같다.

즉, 도 2의 감마 보정 곡선은 LCD를 통과한 신호가 선형 감마 곡선(또는 우리가 원하는 감마 곡선)이 되기 위해서 통과해야되는 감마 보정 곡선을 나타낸 것이다.

도 2의 곡선은 크게 로우라이트, 미드라이트, 하이라이트 이렇게 3부분으로 구성되고 감마 보정 곡선은 미드라이트 부분은 대체적으로 선형적인 특성을 보이지만, 로우라이트 부분과 하이라이트 부분은 볼록한 모양의 곡선으로 되어 있다.

이와 같은 형태의 감마 보정 곡선을 갖는 것은 LCD 자체 특성과 크게 연관성이 있다.

LCD의 V-T곡선 역시 중간 계조가 선형적인 특성을 보이므로 선형 감마 보정 곡선을 통과할 때 선형 감마 곡선 (혹은 우리가 원하는 감마 곡선)이 된다.

그러나 로우라이트 부분의 LCD V-T곡선은 입력 신호에 비해 밝기의 변화량이 거의 없기 때문에 로우라이트 부분의 감마 곡선을 선형적으로 만들기 위해서는 강제적으로 데이터를 크게 삽입해야 한다.

이에 비하여, 하이라이트 부분의 LCD V-T곡선은 입력 신호가 약간만 변화해도 출력되는 밝기가 크게 변하기 때문에 하이라이트 부분의 감마 곡선을 선형적으로 만들기 위해서는 강제적으로 데이터를 작게 삽입하여 입력 신호가 변하더라도 밝기가 크게 변하지 못하도록 해야한다.

이와 같은 종래 기술의 감마 보정 곡선을 찾는 방법은 도 3에서와 같고, 도 3은 디지털 8비트인 입력 신호의 경우를 예로 하여 휘도 곡선을 그리는 것을 설명한 것으로 화이트 밸런스 보정은 고려하지 않은 것이다.

종래 기술의 감마 보정 곡선을 찾는 방법은 먼저, 화이트 신호(255/255 White)를 입력한 후에 휘도를 측정한다.(S301)

그리고 블랙 신호(0/255 Black)를 입력한 후에 휘도를 측정한다.(S302)

측정된 화이트 신호 - 블랙 신호(White - Black)의 휘도를 100%로 가정한 후에(S303) 감마 보정 곡선의 데이터를 조정하는 단계를 수행한다.

도 3에서 점선으로 표시된 부분이 감마 보정 곡선의 데이터를 조정하는 단계를 나타낸 것으로 각 스텝별로 휘도를 측정하여 미리 정해진 밝기의 휘도(도 3에서는 2.2 감마 곡선을 예로 한 것임.)와 같아질 때까지 감마 보정 곡선의 데이터(Y_16n)를 조정하는 블록이다.

먼저, 16n/255 신호를 입력한 후에 휘도(L_16n)를 측정한다.(n=0,1,2,..,15 & 16n=255)(S304)

즉, 블랙부터 화이트까지의 입력 신호를 16 스텝으로 나누어 휘도를 측정하는 것으로, L_16n은 (White - Black)을 100%로 하여 환산한 값이다.

그리고 측정된 휘도값(L_16n)과 미리 설정된 휘도값이 같은지를 비교한다.(S305)

여기서, 미리 설정된 휘도값은 8 비트 데이터 신호와 2.2 감마 곡선을 예로 하였으므로 다음과 같이 계산된다.

로 계산된다.

이어, 비교 결과 측정된 휘도값과 미리 설정된 휘도값이 일치하지 않으면 두 값중에 미리 설정된 휘도값이 큰가를 판단하여(S307) 미리 설정된 휘도값이 크다면 RGB 데이터값(Y_16n)을 증가시킨다.(S308)

그리고 미리 설정된 휘도값이 크지 않다면 측정된 휘도값이 더 큰 것으로 판단하여(S309) RGB 데이터값(Y16n)을 내린다.(S310)

그리고 상기 S305 단계에서 비교 결과 미리 설정된 휘도값과 측정된 휘도값이 일치하면 해당 조건에서의 RGB 데이터값 Y(L_16n)을 구하고(S306) n = 16인지를 판단하여 n = 16이 될 때까지 n값을 "1"식 증가시켜 상기한 감마 보정 곡선의 데이터(Y_16n)를 조정하는 단계를 반복 수행한다.(S312)

이와 같은 단계로 8비트 디지털 데이터에 대한 휘도값 Y₂₅₅ = Y(L₂₅₅)를 구하고(S313) Y_16n의 값을 메모리에 기록한다.(S314)

이어, Y_16n 이외의 값을 보정(interpolation)한다.

이와 같은 종래 기술의 방법으로 감마 보정 곡선을 찾게 되면 도 4에서와 같은 감마 보정 곡선을 얻을 수 있다.

그러나 도 4에서 보면, 로우라이트 계조와 하이라이트 계조 부분을 완벽하게 표현할 수 없게 된다.

이는 입력되는 비디오 신호를 일정한 레벨의 간격으로 받아들여 감마 보정 데이터를 구하고, 그 사이의 값은 선형 보정 방식으로 데이터를 구했기 때문이다.

그러나 이와 같은 종래 기술의 디스플레이 장치의 감마 보정 방법은 미드라이트 계조에 대해서는 그 LCD 특성이 선형적이기 때문에 이러한 보정 방식을 취하더라도 실제로 찾은 감마 보정 곡선이 이상적인 감마 보정 곡선과 크게 차이가 나지 않지만, 로우라이트 계조와 하이라이트 계조에 대해서는 그 LCD특성이 곡선 형태로 나타나기 때문에 보정을 하게되면 이상적인 감마보정 곡선과 크게 차이가 나게 되는 문제점이 있다.

따라서 본 발명은 이와 같은 종래 기술의 문제를 해결하기 위한 것으로, 비선형 샘플링 방법을 이용하여 로우라이트, 하이라이트 계조의 화질을 최적화할 수 있도록 한 비선형 샘플링을 이용한 영상 신호의 감마 보정 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 비선형 샘플링을 이용한 영상 신호의 감마 보정 방법은 화이트 신호의 휘도와 블랙 신호의 휘도를 각각 측정하고 그 휘도차를 산출하는 단계와, 입력신호 비트수에 따른 입력신호 레벨 각각에 대해 휘도를 측정하고 측정된 휘도를 산출된 휘도차를 100%로 기준하여 환산하는 단계와, 입력신호 신호레벨들 각각에 대해 환산된 휘도값(L_n)과 기설정된 휘도값이 같은지를 비교하여 다르다면, RGB 데이터값(Yn)을 증가시키거나 감소시켜 두 값이 일치되는 조건에서의 RGB 데이터값(Yn)을 구하고 저장하는 단계와, RGB 데이터값(Yn)의 기울기 값을 찾고 그중 기울기 값이 큰 순서대로 비선형 샘플링하여 메모리에 기록하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 따른 비선형 샘플링을 이용한 영상 신호의 감마 보정 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 5는 본 발명에 따른 감마 보정 곡선을 찾기 위한 방법을 나타낸 플로우 차트, 도 6은 도 5에 나타낸 본 발명에 의해 찾아낸 감마 보정 곡선 그래프이고, 도 7은 본 발명에 따른 감마 보정 곡선의 기울기를 찾기 위한 샘플링 테이블이다.

본 발명은 영상 신호의 감마 보정 방법에 관한 것으로 V-T 곡선이 비선형(Non-Linear)적인 소자를 이용하는 디스플레이 장치에서 로우라이트 계조와 하이라이트 계조를 최적화하기 위한 방법이다.

특히 선형적인 보정 방법으로 인해 발생하는 오차 범위를 최소한으로 줄여서 로우라이트 계조와 하이라이트 계조에서의 화질을 향상시키는데 있다.

본 발명에 따른 비선형 샘플링을 이용한 영상 신호의 감마 보정 방법은 크게 다음의 3가지 특징을 갖는다.

첫째, 입력되는 신호의 밝기를 읽어들임에 있어서 그 입력 신호 레벨 간격을 비선형적으로 입력시킨다.

둘째, 입력 신호 레벨 간격을 비선형적으로 입력시키기 위해서 이상적인 감마 보정곡선의 기울기 값을 이용하여 그 기울기 값이 큰 부분을 세밀하게 조정한다.

셋째, 기울기 값이 큰 부분을 세밀하게 조정한 후에 나머지 값을 보정하는 단계를 포함하는 것이다.

이와 같이 본 발명은 입력되는 비디오 신호 레벨을 일정하게 증가시키면서 출력 밝기를 측정하여 감마 보정 곡선을 구하는 방식이 아니고, 먼저 이상적인 감마 보정 곡선을 구하고 그 이상적인 감마 보정 곡선의 기울기를 이용하여 기울기의 변화량이 큰 입력 신호에 대해서 감마 보정을 하는 방식이다.

LCD의 V-T(Voltage-Transmittance) 곡선이 비선형적이기 때문에 입력되는 전압(Voltage)을 비선형적으로 입력시키면, 그 특성을 선형적으로 만들 수 있다.

출력되는 밝기가 선형적인 특성을 갖도록 전압을 입력시키기 위해서는 이상적인 감마 보정 곡선을 구하는 것이 필요하다.

여기서, 이상적인 감마 보정 곡선이란, 입력되는 전압을 표현할 수 있는 레벨만큼 입력시켜서 그 입력 가능한 레벨만큼 밝기를 읽어서 선형 감마 곡선(또는 원하는 감마곡선)이 되도록 하기 위하여 강제적으로 인가하는 R,G,B 데이터값이다.

본 발명의 실시예에서는 원하는 감마 곡선을 2.2 감마 곡선으로 가정하여 도시하고 입력 전압 레벨을 디지털 8 비트로 가정한다.

도 6은 이와 같은 조건으로 찾아낸 이상적인 감마 보정 곡선과 본 발명에 따른 비선형 샘플링 방식을 이용한 감마 보정 곡선을 도시한 것이다.

본 발명에 따른 감마 보정 방법을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 5는 디지털 8비트인 입력 신호의 경우를 예로 하여 휘도 곡선을 그리는 것을 설명한 것으로 화이트 밸런스 보정은 고려하지 않은 것이다.

입력 전압 레벨을 디지털 8 비트로 가정했기 때문에 입력되는 전압은 0부터 255까지의 레벨이다.

먼저, 화이트 신호(255/255 White)를 입력한 후에 휘도를 측정한다.(S501)

그리고 블랙 신호(0/255 Black)를 입력한 후에 휘도를 측정한다.(S502)

측정된 화이트 신호 - 블랙 신호(White - Black)의 휘도를 100%로 가정한 후에(S503) 감마 보정 곡선의 데이터를 조정하는 단계를 수행한다.

도 5에서 점선으로 표시된 부분이 감마 보정 곡선의 데이터를 조정하는 단계를 나타낸 것으로 입력 신호(black부터 white까지;n/255)의 휘도(L_n)를 측정한다.(초기 n=0,1,2,..,255)(S504)

그리고 측정된 휘도값(L_n)과 미리 설정된 휘도값이 같은지를 비교한다.(S505)

여기서, 미리 설정된 휘도값은 8 비트 데이터 신호와 2.2 감마 곡선을 예로 하였으므로 다음과 같이 계산된다.

로 계산된다.

이어, 비교 결과 측정된 휘도값과 미리 설정된 휘도값이 일치하지 않으면 두 값중에 미리 설정된 휘도값이 큰가를 판단하여(S508) 미리 설정된 휘도값이 크다면 RGB 데이터값(Yn)을 증가시킨다.(S509)

그리고 미리 설정된 휘도값이 크지 않다면 측정된 휘도값이 더 큰 것으로 판단하여(S510) RGB 데이터값(Yn)을 내린다.(S511)

그리고 상기 S505 단계에서 비교 결과 미리 설정된 휘도값과 측정된 휘도값이 일치하면 해당 조건에서의 RGB 데이터값(Yn)을 구하고(S506) 이 값을 임시 메모리에 저장한다.(S507)

그리고 n = 255인지를 판단하여 n = 255가 될 때까지 n값을 "1"씩 증가시켜 상기한 감마 보정 곡선의 데이터(Y_n)를 조정하는 단계를 반복 수행한다.(S513)

여기서, n값이 반드시 255가 아니고 스텝별로 나누어 데이터(Yn)를 조정하는 것보다 더 세밀하게 해당 단계를 수행한 경우에는 해당 단계의 반복을 중지하는 것도 가능하다.

이와 같이 데이터(Yn)의 조정 단계를 수행한 후에 데이터(Yn)의 기울기 값을 찾는다.(S514)

이와 같이 데이터(Yn)의 기울기 값을 찾는 것은 감마 보정 곡선을 2번 미분하는 것과 같은 효과를 갖는다.

그리고 데이터(Yn)의 기울기 값이 큰 순서대로 일정스텝 예를 들어, 16-스텝을 샘플링하고(S515) 기울기 값이 큰 데이터(Yn)를 메모리에 기록한다.(S516)

이와 같이 입력 신호가 디지털 8 비트인 경우를 가정하여 본 발명의 비선형적인 샘플링 방식으로 보정을 하는 경우에는 도 6에서와 같이, 비선형적으로 전압을 입력시켜서 보정을 해서 얻은 감마 보정 곡선은 이상적인 감마 보정 곡선과 거의 같음을 알 수 있다.

특히 로우라이트 계조와 하이라이트 계조에서도 그 계조 특성을 잘 표현할 수 있음을 알 수 있다.

도 7은 기울기 값을 찾기 위한 방법을 나타낸 것으로, 모든 LCD 패널에 대하여 그 이상적인 감마 보정 곡선을 찾게되면 시간이 많이 걸리기 때문에 다음과 같은 방법으로 감마 보정 곡선을 찾는다.

먼저, n=0부터 차례대로 이상적인 감마보정곡선을 구하다가 기울기가 특정 문턱값(Threshold) 즉, 이상적인 감마보정곡선의 기울기 값이 거의 변하지 않는 입력 레벨이 되면 조정을 멈추고 그 값을 기억해둔 다음 n=255부터 반대로 이상적이 감마 보정 곡선을 구한다.

다시 이상적인 감마 보정 곡선의 기울기 값이 특정 문턱값이 되면 조정을 멈추고, 이미 찾은 입력 레벨과 반대로 찾은 입력 레벨에 대해서만 감마 보정 곡선을 찾는 방법이다.

도 7의 테이블에서 (Y')는 감마 보정 곡선의 기울기 즉, 임의의 두 지점의 차이값이고, (Y''_n)는 감마 보정 곡선의 기울기값 즉, 차이값의 변화량이다.

(Y''_n)이 큰 것부터 우선 순위를 두어 샘플링을 한다.

이런 방법을 사용하게 되면 256입력 레벨을 모두 읽어들일 필요가 없기 때문에 시간이 단축된다.

이는 미드라이트 계조에서는 LCD의 V-T곡선이 선형적인 특성을 나타내기 때문에 상기한 방법으로 감마 보정 곡선을 찾아도 전체적인 감마 보정 곡선에서 큰 오차가 발생하지 않기 때문에 가능한 것이다.

또 다른 방법으로는 감마 보정 곡선을 몇 개의 LCD 패널에 대해서 구하고, 조정되는 입력 레벨을 평균을 내어 다른 LCD에 적용하는 방법이다.

LCD는 제조업체나 패널 크기별로 V-T 곡선이 비슷하기 때문에 이러한 방법이 적용 가능하다.

이와 같은 본 발명에 따른 비선형 샘플링을 이용한 영상 신호의 감마 보정 방법은 LCD와 같이 비선형적인 소자를 이용하는 디지털 디스플레이 장치의 감마 보정에서, 이상적인 감마 보정 곡선의 기울기를 이용하여 기울기의 변화량이 큰 입력 신호에 대해서 감마 보정을 하는 방식을 사용하여 가장 이상적인 감마 보정 곡선에 가까운 감마 보정 곡선을 얻을 수 있다.

이는 로우라이트 계조와 하이라이트 계조를 완벽하게 표현할 수 있도록 하여 영상의 화질 향상을 가져온다.

도 1은 일반적인 액정 표시 장치의 V-T 곡선 그래프

도 2는 액정 표시 장치의 감마 보정 곡선을 나타낸 그래프

도 3은 종래 기술의 감마 보정 곡선을 찾기 위한 방법을 나타낸 플로우 차트

도 4는 도 3에 나타낸 종래 기술에 의해 찾아낸 감마 보정 곡선 그래프

도 5는 본 발명에 따른 감마 보정 곡선을 찾기 위한 방법을 나타낸 플로우 차트

도 6은 도 5에 나타낸 본 발명에 의해 찾아낸 감마 보정 곡선 그래프

도 7은 본 발명에 따른 감마 보정 곡선의 기울기를 찾기 위한 샘플링 테이블

Claims (5)

1. 화이트 신호의 휘도와 블랙 신호의 휘도를 각각 측정하고 그 휘도차를 산출하는 단계;

   입력신호 비트수에 따른 입력신호 레벨 각각에 대해 휘도를 측정하고 측정된 휘도를 상기 산출된 휘도차를 100%로 기준하여 환산하는 단계;

   상기 입력신호 신호레벨들 각각에 대해 환산된 휘도값(L_n)과 기설정된 휘도값이 같은지를 비교하여 다르다면, RGB 데이터값(Yn)을 증가시키거나 감소시켜 두 값이 일치되는 조건에서의 RGB 데이터값(Yn)을 구하고 저장하는 단계;

   상기 RGB 데이터값(Yn)의 기울기 값을 찾고 그중 기울기 변화량 값이 큰 순서대로 비선형 샘플링하여 메모리에 기록하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 비선형 샘플링을 이용한 영상 신호의 감마 보정 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 기설정된 휘도값은 이상적인 감마곡선으로부터 추출된 휘도값임을 특징으로 하는 비선형 샘플링을 이용한 영상신호의 감마 보정 방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 데이터(Yn)의 기울기 값을 찾는 단계는 최저 입력신호 레벨부터 차례대로 감마 보정 곡선을 구하다가 감마 보정 곡선의 기울기 값이 거의 변하지 않는 특정 문턱값(Threshold)이 되면 조정을 멈추고 그 값을 기억시키는 단계임을 특징으로 하는 비선형 샘플링을 이용한 영상 신호의 감마 보정 방법.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 데이터(Yn)의 기울기 값을 찾는 단계는 최고 입력신호 레벨부터 차례대로 감마 보정 곡선을 구하다가 기울기 값이 특정 문턱값이 되면 조정을 멈추고 그 값을 기억시키는 단계임을 특징으로 하는 비선형 샘플링을 이용한 영상 신호의 감마 보정 방법.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 기울기 값이 큰 순서대로 비선형 샘플링하는 단계는 RGB 데이터값들을 기울기 값이 큰 순서대로 모두 샘플링하거나, RGB 데이터값들중 일부를 기울기 값이 큰 순서대로 샘플링하는 단계임을 특징으로 하는 비선형 샘플링을 이용한 영상 신호의 감마 보정 방법.